JP2022190524A - Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2022190524A
JP2022190524A JP2021098890A JP2021098890A JP2022190524A JP 2022190524 A JP2022190524 A JP 2022190524A JP 2021098890 A JP2021098890 A JP 2021098890A JP 2021098890 A JP2021098890 A JP 2021098890A JP 2022190524 A JP2022190524 A JP 2022190524A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
membrane
niobium
fuel cell
particle size
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021098890A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
裕貴 森
Hirotaka Mori
学 奥村
Manabu Okumura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei Corp filed Critical Asahi Kasei Corp
Priority to JP2021098890A priority Critical patent/JP2022190524A/en
Publication of JP2022190524A publication Critical patent/JP2022190524A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

To provide a highly durable polymer electrolyte composition that can give a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell.SOLUTION: A polymer electrolyte composition contains a polymer electrolyte (a), and niobium oxide (b) having an average particle size of more than 0.050 μm to 5.0 μm or less as determined by laser diffraction particle size distribution measurement.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、高分子電解質組成物、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte composition, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、電池内で、水素、メタノール等を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを、直接、電気エネルギーに変換して取り出すものであり、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、固体高分子電解質形燃料電池は、他の燃料電池と比較して低温で作動することから、自動車代替動力源、家庭用コジェネレーションシステム、携帯用発電機等として期待されている。 A fuel cell directly converts the chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen, methanol, etc. within the cell, and is attracting attention as a clean source of electrical energy. ing. In particular, solid polymer electrolyte fuel cells are expected to be used as alternative power sources for automobiles, home cogeneration systems, portable power generators, etc., because they operate at lower temperatures than other fuel cells.

このような固体高分子電解質形燃料電池は、負極及び正極をそれぞれ構成する電極触媒層が、主に高分子電解質膜により構成されるプロトン交換膜の両面に接合されている膜電極接合体を、少なくとも具備している。
なお、電極触媒層とガス拡散層とが積層された構成のガス拡散電極が主に高分子電解質膜により構成されるプロトン交換膜の両面に接合された構成を、膜電極接合体、と称する場合もある。
前記プロトン交換膜とは、高分子鎖中にスルホン酸基、カルボン酸基等の強酸性基を有し、プロトンを選択的に透過する性質を有する組成物からなる膜である。このようなプロトン交換膜に使用される組成物としては、化学的安定性の高いナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン組成物が挙げられる。
Such a solid polymer electrolyte fuel cell comprises a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers respectively constituting a negative electrode and a positive electrode are bonded to both sides of a proton exchange membrane mainly composed of a polymer electrolyte membrane, at least equipped.
A structure in which a gas diffusion electrode having a structure in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated is joined to both sides of a proton exchange membrane mainly composed of a polymer electrolyte membrane is referred to as a membrane electrode assembly. There is also
The proton exchange membrane is a membrane made of a composition having a strong acid group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in the polymer chain and having a property of selectively permeating protons. Compositions used for such proton exchange membranes include perfluoro-based proton compositions typified by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), which has high chemical stability.

燃料電池の運転時においては、アノード側のガス拡散電極に燃料(例えば、水素)、カソード側のガス拡散電極に酸化剤(例えば、酸素や空気)が、それぞれ供給され、両電極間が外部回路で接続されることにより、燃料電池の作動が実現される。
具体的には、水素を燃料とした場合、アノード側の電極触媒上で水素が酸化されてプロトンが生じる。このプロトンは、アノード側の電極触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換膜内を移動し、カソード側の電極触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通ってカソード側の電極触媒上に達する。
一方、水素の酸化によりプロトンと同時に生じた電子は、外部回路を通ってカソード側のガス拡散電極に到達する。カソード側の電極触媒上では、上記プロトンと酸化剤中の酸素とが反応して水が生成される。このとき、電気エネルギーが取り出される。
During operation of the fuel cell, a fuel (e.g., hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and an oxidant (e.g., oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side. , the operation of the fuel cell is realized.
Specifically, when hydrogen is used as fuel, hydrogen is oxidized on the electrode catalyst on the anode side to generate protons. After passing through the proton-conducting polymer in the electrode catalyst layer on the anode side, the protons move through the proton exchange membrane, pass through the proton-conducting polymer in the electrode catalyst layer on the cathode side, and onto the electrode catalyst on the cathode side. reach.
On the other hand, electrons generated simultaneously with protons by oxidation of hydrogen pass through an external circuit and reach the gas diffusion electrode on the cathode side. On the electrode catalyst on the cathode side, the protons and oxygen in the oxidant react to produce water. At this time, electrical energy is extracted.

この際、プロトン交換膜は、ガスバリア隔壁としての役割も果たす必要がある。プロトン交換膜のガス透過率が高いと、アノード側から供給される水素のカソード側へのリーク、及びカソード側から供給される酸素のアノード側へのリーク、すなわち、クロスリークが発生するおそれがある。
クロスリークが発生すると、いわゆるケミカルショートの状態となって所望の電気エネルギーが取り出せなくなり、また、アノード側から供給される水素とカソード側から供給される酸素とが反応して過酸化水素が発生する。この過酸化水素は、電池に供給される加湿ガスの供給用配管等に含まれる微量な金属(Fe、Cr、Ni等のイオン)によって分解され、ヒドロキシラジカルや過酸化ラジカルが生成する。これらのラジカルによりプロトン交換膜の劣化が促進されるという問題が生じる。
At this time, the proton exchange membrane must also serve as a gas barrier partition. If the gas permeability of the proton exchange membrane is high, hydrogen supplied from the anode side may leak to the cathode side and oxygen supplied from the cathode side may leak to the anode side, that is, cross-leakage may occur. .
When cross-leakage occurs, a so-called chemical short circuit occurs, making it impossible to extract the desired electrical energy, and the hydrogen supplied from the anode side reacts with the oxygen supplied from the cathode side to generate hydrogen peroxide. . This hydrogen peroxide is decomposed by a trace amount of metals (ions such as Fe, Cr, Ni, etc.) contained in the humidified gas supply pipe or the like supplied to the battery to generate hydroxyl radicals and peroxide radicals. A problem arises in that these radicals accelerate deterioration of the proton exchange membrane.

特に、燃料電池を自動車に搭載する場合には、燃料電池は、80℃を超えるような高温条件下での運転や、加湿器削減による湿度30%RH以下のような低湿度条件下での運転を行うことが考えられる。
また、燃料電池の膜電極接合体を挟み込むバイポーラプレートとしては、金属製のバイポーラプレートの使用が見込まれる。
上記のような高温条件下及び/又は低湿度条件下での運転を行う場合、耐久性に優れていると言われているパーフルオロ系プロトン組成物よりなるプロトン交換膜を燃料電池の隔膜として用いたとしても、当該プロトン交換膜の劣化が加速されるという問題が生じる。
また金属製のバイポーラプレートを用いる場合、運転中に徐々に金属(Fe、Cr、Ni等)が溶け出し、溶け出した金属のイオンによって、上述したように、過酸化水素が分解され、ラジカル種が生成し、プロトン交換膜の劣化を促進するおそれがある。
In particular, when a fuel cell is installed in an automobile, the fuel cell must be operated under high-temperature conditions exceeding 80°C or under low-humidity conditions such as 30% RH or less due to reduced use of humidifiers. can be considered.
Further, as the bipolar plates for sandwiching the membrane electrode assembly of the fuel cell, the use of metallic bipolar plates is expected.
When operating under high-temperature conditions and/or low-humidity conditions as described above, a proton exchange membrane made of a perfluoro-based proton composition, which is said to have excellent durability, is used as a fuel cell membrane. Even if there is, there arises a problem that deterioration of the proton exchange membrane is accelerated.
When a metal bipolar plate is used, the metal (Fe, Cr, Ni, etc.) gradually dissolves during operation, and the dissolved metal ions decompose hydrogen peroxide as described above, resulting in radical species. is generated, which may promote deterioration of the proton exchange membrane.

上述したような、ラジカル種によるプロトン交換膜の劣化を抑制する方法として、プロトン交換膜中にセリウムイオン又は酸化セリウムを含有させ、プロトン交換膜を構成する高分子電解質膜のスルホン酸基の一部、すなわち複数のスルホン酸基中のプロトンのうちのいくつかを、セリウムイオンに置換し、このセリウムイオンによってラジカル種を捕捉し、高分子電解質膜の劣化を抑制する技術が開示されている(例えば、特許文献1、2参照)。 As a method for suppressing deterioration of the proton exchange membrane due to radical species as described above, cerium ions or cerium oxide are contained in the proton exchange membrane, and part of the sulfonic acid groups of the polymer electrolyte membrane constituting the proton exchange membrane is That is, a technique is disclosed in which some of the protons in a plurality of sulfonic acid groups are replaced with cerium ions, and the cerium ions capture radical species to suppress deterioration of the polymer electrolyte membrane (for example, , see Patent Documents 1 and 2).

特許第3915846号公報Japanese Patent No. 3915846 特許第5176664号公報Japanese Patent No. 5176664

しかしながら、特許文献1、2に記載された技術においては、高分子電解質膜中において、セリウムイオンの偏析が生じるおそれがあり、特に酸性条件下においては、偏析により生じたセリウムの脱離が生じるおそれがあり、ラジカル種による高分子電解質膜の劣化を引き起こし、耐久性の低下を招来する、という問題点を有している。 However, in the techniques described in Patent Documents 1 and 2, segregation of cerium ions may occur in the polymer electrolyte membrane, and especially under acidic conditions, cerium caused by segregation may desorb. There is a problem that the radical species causes deterioration of the polymer electrolyte membrane, resulting in a decrease in durability.

そこで本発明においては、上述した従来技術の問題点に鑑みて、耐久性の高い、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を得ることができる高分子電解質組成物を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, in view of the above-described problems of the prior art, a polymer capable of obtaining a highly durable polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell An object of the present invention is to provide an electrolyte composition.

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討した結果、高分子電解質膜を構成する高分子電解質組成物において、高分子電解質と、所定の平均粒子径の酸化ニオブの微粒子とを含有するものに特定することにより、上記従来技術の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
The present inventors have made intensive studies to solve the above-described problems, and found that a polymer electrolyte composition constituting a polymer electrolyte membrane comprises a polymer electrolyte and fine particles of niobium oxide having a predetermined average particle size. The inventors have found that the above-described problems of the prior art can be solved by specifying the content, and have completed the present invention.
That is, the present invention is as follows.

〔1〕
高分子電解質(a)と、
レーザー回折式粒度分布測定によって得られる平均粒子径が0.050μm超5.0μm以下である酸化ニオブ(b)と、
を、含有する、高分子電解質組成物。
〔2〕
前記酸化ニオブ(b)が、
二酸化ニオブ、及び五酸化ニオブからなる群より選ばれる、少なくとも1種の酸化ニオブである、前記〔1〕に記載の高分子電解質組成物。
〔3〕
前記酸化ニオブ(b)のレーザー回折式粒度分布測定によって得られる体積基準粒度分布による通過積分値が、粒子径0.050μm超5.0μm以下の領域において、全体の30%以上である、前記〔1〕又は〔2〕に記載の高分子電解質組成物。
〔4〕
前記高分子電解質(a)が、
下記の一般式(1)で示される、
前記〔1〕乃至〔3〕のいずれか一に記載の高分子電解質組成物。
-[CF2CX12a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF23))b-Oc-(CFR1d-(CFR2e-(CF2f-X4)]g- (1)
(一般式(1)中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基である。
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1である。
bは0以上8以下の整数である。cは0又は1である。
d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数である。
fは、0以上10以下の整数である。
ただし、d+e+fは0に等しくない。
1及びR2は、互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基である。
4は、COOZ、SO3Z、PO32、又はPO3HZである。前記Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH33、NH234、NHR345、NR3456)である。また、R3、R4、R5、及びR6はアルキル基又はアレーン基である。)
〔5〕
前記〔1〕乃至〔4〕のいずれか一に記載の高分子電解質組成物を含む、高分子電解質膜。
〔6〕
前記〔1〕乃至〔4〕のいずれか一に記載の高分子電解質組成物を含む、電極触媒層。
〔7〕
前記〔5〕に記載の高分子電解質膜、及び/又は、前記〔6〕に記載の電極触媒層を有する、膜電極接合体。
〔8〕
前記〔7〕に記載の膜電極接合体を有する、固体高分子形燃料電池。
[1]
a polymer electrolyte (a);
Niobium oxide (b) having an average particle size of more than 0.050 μm and 5.0 μm or less as measured by laser diffraction particle size distribution measurement;
A polymer electrolyte composition containing
[2]
The niobium oxide (b) is
The polymer electrolyte composition according to [1] above, which is at least one niobium oxide selected from the group consisting of niobium dioxide and niobium pentoxide.
[3]
[ 1] or the polymer electrolyte composition according to [2].
[4]
The polymer electrolyte (a) is
represented by the following general formula (1),
The polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [3].
-[ CF2CX1X2 ] a- [CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b - Oc- ( CFR1 ) d- ( CFR2 ) e- (CF 2 ) f -X 4 )] g- (1)
(In general formula (1), X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
a and g are 0≦a<1, 0<g≦1, and a+g=1.
b is an integer of 0 to 8; c is 0 or 1;
d and e are each independently an integer of 0 to 6;
f is an integer of 0 or more and 10 or less.
However, d+e+f is not equal to 0.
R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a fluorochloroalkyl group.
X4 is COOZ , SO3Z , PO3Z2 , or PO3HZ . Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom , or an amine ( NH4 , NH3R3 , NH2R3R4 , NHR3R4R5 , NR3R4R5R 6 ). R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups or arene groups. )
[5]
A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [4].
[6]
An electrode catalyst layer comprising the polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [4].
[7]
A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to [5] above and/or the electrode catalyst layer according to [6] above.
[8]
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to [7] above.

本発明によれば、耐久性の高い、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を得ることができる高分子電解質組成物が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polymer electrolyte composition with which a highly durable polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell can be obtained is obtained.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という)について、詳細に説明する。
以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form (henceforth "this embodiment") for implementing this invention is demonstrated in detail.
The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be implemented with various modifications within the scope of its gist.

〔高分子電解質組成物〕
本実施形態の高分子電解質組成物は、
高分子電解質(a)と、
レーザー回折式粒度分布測定によって得られる平均粒子径が0.050μm超5.0μm以下である酸化ニオブ(b)と、
を、含有する。
本実施形態の高分子電解質組成物が上記構成を有することにより、耐久性が高い高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を得ることができる。
[Polymer electrolyte composition]
The polymer electrolyte composition of the present embodiment is
a polymer electrolyte (a);
Niobium oxide (b) having an average particle size of more than 0.050 μm and 5.0 μm or less as measured by laser diffraction particle size distribution measurement;
contains the
When the polymer electrolyte composition of the present embodiment has the above configuration, a highly durable polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell can be obtained.

(高分子電解質(a))
本実施形態で用いられる高分子電解質(a)は、イオン交換当量が0.5~3.0ミリ当量/gのイオン交換基を有する高分子化合物であることが好ましい。
高分子電解質(a)のイオン交換当量を3.0ミリ当量/g以下とすることにより、高分子電解質膜に利用した際に、当該高分子電解質膜が、燃料電池運転中の高温高湿条件下において、膨潤が低減される。膨潤が低減されることにより、高分子電解質膜の強度の低下が抑制され、しわが発生して電極が剥離したりする等の問題の発生を防止でき、さらには、ガス遮断性が低下する問題を低減することができる。
一方、高分子電解質(a)のイオン交換当量を0.5ミリ当量/g以上とすることにより、本実施形態の高分子電解質組成物を含む高分子電解質膜を備えた燃料電池の発電能力を良好に維持し得る。
上述した観点から、高分子電解質(a)のイオン交換当量は、好ましくは0.65~2.0ミリ当量/gであり、より好ましくは0.8~1.5ミリ当量/gである。
(Polymer electrolyte (a))
The polymer electrolyte (a) used in the present embodiment is preferably a polymer compound having ion-exchange groups with an ion-exchange equivalent of 0.5 to 3.0 meq/g.
By setting the ion exchange equivalent of the polymer electrolyte (a) to 3.0 meq/g or less, when it is used as a polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane can withstand high temperature and high humidity conditions during fuel cell operation. Below, swelling is reduced. By reducing the swelling, the decrease in strength of the polymer electrolyte membrane can be suppressed, and problems such as electrode separation due to wrinkles can be prevented from occurring, and furthermore, the problem of decreased gas barrier properties. can be reduced.
On the other hand, by setting the ion exchange equivalent of the polymer electrolyte (a) to 0.5 meq/g or more, the power generation capacity of the fuel cell provided with the polymer electrolyte membrane containing the polymer electrolyte composition of the present embodiment is increased. can be maintained well.
From the viewpoint described above, the ion exchange equivalent of the polymer electrolyte (a) is preferably 0.65 to 2.0 meq/g, more preferably 0.8 to 1.5 meq/g.

高分子電解質(a)のイオン交換容量は、下記のようにして測定することができる。
まず、イオン交換基の対イオンがプロトンの状態となっている高分子電解質(a)からなる膜を、25℃の飽和NaCl水溶液に浸漬し、その水溶液を十分な時間攪拌する。次いで、その飽和NaCl水溶液中のプロトンを、0.01N水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定する。中和後にろ過して得られたイオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっている高分子電解質(a)からなる膜を、純水ですすぎ、さらに真空乾燥した後、秤量する。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンである高分子電解質からなる膜の質量をW(mg)とし、下記式により当量質量EW(g/当量)を求める。
EW=(W/M)-22
さらに、得られたEW値の逆数をとって1000倍とすることにより、イオン交換当量(ミリ当量/g)を算出することができる。
The ion exchange capacity of the polymer electrolyte (a) can be measured as follows.
First, the membrane composed of the polymer electrolyte (a) in which the counter ions of the ion-exchange groups are in the proton state is immersed in a saturated NaCl aqueous solution at 25° C., and the aqueous solution is stirred for a sufficient time. Then, the protons in the saturated NaCl aqueous solution are neutralized and titrated with 0.01N sodium hydroxide aqueous solution. A membrane composed of the polymer electrolyte (a) in which the counter ions of the ion-exchange groups are in the state of sodium ions obtained by filtration after neutralization is rinsed with pure water, vacuum-dried, and then weighed. Let M (mmol) be the amount of sodium hydroxide required for neutralization, W (mg) be the mass of the polymer electrolyte membrane whose ion-exchange group counterions are sodium ions, and the equivalent mass EW ( g/equivalent).
EW=(W/M)-22
Furthermore, by taking the reciprocal of the obtained EW value and multiplying it by 1000, the ion exchange equivalent (millieq/g) can be calculated.

高分子電解質(a)を構成する材料としては、以下に限定されるものではないが、例えば、フッ素系高分子電解質、分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物であって一部がフッ素化された炭化水素系高分子化合物、及び当該炭化水素系高分子化合物にイオン交換基を導入したもの等が好ましく、化学的安定性の観点から、フッ素系高分子電解質が好ましく、その中でもイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物がより好ましい。
なお、本実施形態の高分子電解質組成物は、燃料電池用途に限定されるものではなく、高分子電解質組成物に用いられる高分子電解質についても同様に、燃料電池以外の用途に適用できる。例えば、PEM型水電解、RFバッテリー、アルカリ水電解等にも利用できる。
The material constituting the polymer electrolyte (a) is not limited to the following, but for example, a fluorine polymer electrolyte, a hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule, and Preferred are fluorinated hydrocarbon-based polymer compounds and hydrocarbon-based polymer compounds into which ion-exchange groups have been introduced. A perfluorocarbon polymer compound having an exchange group is more preferred.
The polymer electrolyte composition of the present embodiment is not limited to fuel cell applications, and the polymer electrolyte used in the polymer electrolyte composition can be similarly applied to applications other than fuel cells. For example, it can be used for PEM type water electrolysis, RF battery, alkaline water electrolysis, and the like.

高分子電解質(a)である、分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物であって一部がフッ素化された炭化水素系高分子化合物としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカーボネート等の分子中の一部がフッ素化された高分子化合物が挙げられる。 The hydrocarbon-based polymer compound having an aromatic ring in the molecule, which is a partially fluorinated hydrocarbon-based polymer compound, which is the polymer electrolyte (a), is not limited to the following. , for example, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polythioetherethersulfone, polythioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole , polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide, polyetherimide, polyesterimide, polyamideimide, polyarylate, Partially fluorinated polymer compounds such as aromatic polyamides, polystyrenes, polyesters, and polycarbonates can be mentioned.

前記分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物であって一部がフッ素化された炭化水素系高分子化合物としては、耐熱性、耐酸化性、及び耐加水分解性の観点から、特に、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミドの分子中の一部がフッ素化された高分子化合物が好ましい。 From the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and hydrolysis resistance, particularly , polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polythioetherethersulfone, polythioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, poly Oxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide, polyetherimide, and polyesterimide are partially fluorinated. polymer compounds are preferred.

なお、上述した各種の高分子化合物に導入するイオン交換基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、カルボン酸基、リン酸基等が好ましく、スルホン酸基がより好ましい。 The ion exchange groups to be introduced into the various polymer compounds described above are not limited to the following, but examples include sulfonic acid groups, sulfonimide groups, sulfonamide groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, and the like. is preferred, and a sulfonic acid group is more preferred.

また、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物としては、以下に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホンイミド樹脂、パーフルオロカーボンスルホンアミド樹脂、パーフルオロカーボンリン酸樹脂、及びこれら樹脂のアミン塩、金属塩等が挙げられる。 In addition, the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group is not limited to the following, but for example, perfluorocarbon sulfonic acid resin, perfluorocarbon carboxylic acid resin, perfluorocarbon sulfonimide resin, perfluorocarbon sulfonamide resin , perfluorocarbon phosphoric acid resins, and amine salts and metal salts of these resins.

<高分子電解質(a)の好ましい形態>
高分子電解質(a)を構成するフッ素系高分子電解質であるパーフルオロカーボン高分子化合物としては、以下に限定されるものではないが、下記一般式(1)で表される重合体が好ましいものとして挙げられる。
-[CF2CX12a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF23))b-Oc-(CFR1d-(CFR2e-(CF2f-X4)]g-・・・(1)
(一般式(1)中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基である。
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1である。
bは0以上8以下の整数である。cは0又は1である。
d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数である。
fは、0以上10以下の整数である。
ただし、d+e+fは0に等しくない。
1及びR2は、互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基である。
4は、COOZ、SO3Z、PO32、又はPO3HZである。
ここで、Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH33、NH234、NHR345、NR3456)である。また、R3、R4、R5、及びR6はアルキル基又はアレーン基である。)
<Preferred Form of Polymer Electrolyte (a)>
The perfluorocarbon polymer compound, which is a fluorine-based polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte (a), is not limited to the following, but a polymer represented by the following general formula (1) is preferable. mentioned.
-[ CF2CX1X2 ] a- [CF2 - CF(-O-(CF2 - CF ( CF2X3 )) b - Oc- ( CFR1 ) d- ( CFR2 ) e- ( CF 2 ) f -X 4 )] g -- (1)
(In general formula (1), X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
a and g are 0≦a<1, 0<g≦1, and a+g=1.
b is an integer of 0 to 8; c is 0 or 1;
d and e are each independently an integer of 0 to 6;
f is an integer of 0 or more and 10 or less.
However, d+e+f is not equal to 0.
R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a fluorochloroalkyl group.
X4 is COOZ , SO3Z , PO3Z2 , or PO3HZ .
Here, Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine ( NH4 , NH3R3 , NH2R3R4 , NHR3R4R5 , NR3R4R 5R6 ) . R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups or arene groups. )

高分子電解質(a)を構成するフッ素系高分子電解質であるパーフルオロカーボン高分子化合物としては、特に、下記一般式(2)又は一般式(3)で表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂又はその金属塩が好ましい。
-[CF2CF2a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF3))b-O-(CF2c-SO3X)]d-・・・(2)
(一般式(2)中、a及びdは、0≦a<1、0≦d<1、a+d=1である。bは1以上8以下の整数である。cは0以上10以下の整数である。Xは水素原子又はアルカリ金属原子である。)
-[CF2CF2e-[CF2-CF(-O-(CF2f-SO3Y)]g-・・・(3)
(一般式(3)中、e及びgは、0≦e<1、0≦g<1、e+g=1である。fは0以上10以下の整数である。Yは水素原子又はアルカリ金属原子である。)
As the perfluorocarbon polymer compound which is a fluorine-based polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte (a), in particular, a perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by the following general formula (2) or general formula (3) or a metal thereof Salt is preferred.
-[ CF2CF2 ] a- [CF2 - CF(-O-(CF2-CF( CF3 )) b - O-(CF2) c - SO3X )] d -...( 2 )
(In the general formula (2), a and d are 0 ≤ a < 1, 0 ≤ d < 1, a + d = 1. b is an integer of 1 or more and 8 or less. c is an integer of 0 or more and 10 or less. and X is a hydrogen atom or an alkali metal atom.)
-[ CF2CF2 ] e- [CF2 - CF ( -O-(CF2) f - SO3Y)] g -...( 3 )
(In the general formula (3), e and g are 0 ≤ e < 1, 0 ≤ g < 1, e + g = 1. f is an integer of 0 or more and 10 or less. Y is a hydrogen atom or an alkali metal atom is.)

高分子電解質(a)として用いられうる、前記イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物は、以下に限定されるものではないが、例えば、下記一般式(4)に示される前駆体ポリマーを重合した後、アルカリ加水分解、酸処理等を行うことにより製造することができる。
-[CF2CX12a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF23))b-Oc-(CFR1d-(CFR2e-(CF2f-X5)]g-・・・(4)
(前記一般式(4)中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基である。a及びgは0≦a<1,0<g≦1,a+g=1である。bは0以上8以下の整数である。cは0又は1である。d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数である。fは、0以上10以下の整数である。ただし、d+e+fは0に等しくない。R1及びR2は互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基である。X5はCOOR7、COR8又はSO28である。ここで、R7は炭素数1~3の炭化水素系アルキル基である。R8はハロゲン元素である。)
The perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, which can be used as the polymer electrolyte (a), is not limited to the following, but for example, a precursor polymer represented by the following general formula (4) is polymerized. After that, it can be produced by performing alkali hydrolysis, acid treatment, or the like.
-[ CF2CX1X2 ] a- [CF2 - CF(-O-(CF2 - CF ( CF2X3 )) b - Oc- ( CFR1 ) d- ( CFR2 ) e- ( CF 2 ) f −X 5 )] g (4)
(In the general formula (4), X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms. a and g are 0 ≤ a < 1 , 0 < g ≤ 1, a + g = 1. b is an integer of 0 to 8. c is 0 or 1. d and e are each independently an integer of 0 to 6. f is an integer of 0 or more and 10 or less, provided that d + e + f is not equal to 0. R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group having 1 or more and 10 or less carbon atoms, or a fluorochloro an alkyl group, X 5 is COOR 7 , COR 8 or SO 2 R 8 , where R 7 is a hydrocarbon alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and R 8 is a halogen element.)

また、高分子電解質(a)としては、例えば、国際公開第2017/033685号に開示されている高分子化合物を有する高分子電解質を使用することも可能である。
すなわち、高分子電解質(a)は、例えば、高分子主鎖中にイオン交換基を有さない環状構造を有する高分子化合物とイオン交換基を有する高分子化合物とにより形成された前駆体ポリマー、又は、上記一般式(2)又は一般式(3)で表されるパーフルオロカーボン高分子化合物の側鎖に2つのイオン交換基を有する高分子化合物により形成された前駆体ポリマーを、それぞれ重合した後、アルカリ加水分解、酸処理等を行って製造することができる。
As the polymer electrolyte (a), for example, it is also possible to use a polymer electrolyte having a polymer compound disclosed in WO 2017/033685.
That is, the polymer electrolyte (a) is, for example, a precursor polymer formed from a polymer compound having a cyclic structure having no ion-exchange groups in the polymer main chain and a polymer compound having an ion-exchange group, Alternatively, after polymerizing a precursor polymer formed by a polymer compound having two ion exchange groups on the side chains of the perfluorocarbon polymer compound represented by the above general formula (2) or general formula (3), respectively , alkali hydrolysis, acid treatment, and the like.

前記各前駆体ポリマーは、以下に限定されるものではないが、例えば、フッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物とを共重合させることにより製造することができる。 Each of the above precursor polymers is not limited to the following, but can be produced, for example, by copolymerizing a fluorinated olefin compound and a fluorinated vinyl compound.

ここで、フッ化オレフィン化合物としては、以下に限定されるものではないが、例えば、下記一般式(5)の化合物等が挙げられる。
CF2=CFZ・・・(5)
(一般式(5)中、Zは、H、Cl、F、炭素数1~3のパーフルオロアルキル基、又は酸素を含んでいてもよい環状パーフルオロアルキル基を示す。)
Examples of the fluoroolefin compound include, but are not limited to, compounds represented by the following general formula (5).
CF2 = CFZ (5)
(In general formula (5), Z represents H, Cl, F, a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, or a cyclic perfluoroalkyl group which may contain oxygen.)

また、フッ化ビニル化合物としては、以下に限定されるものではないが、例えば、下記化合物等が挙げられる。
CF2=CFO(CF2z-SO2
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2z-SO2
CF2=CF(CF2z-SO2
CF2=CF(OCF2CF(CF3))z-(CF2z-1-SO2
CF2=CFO(CF2z-CO2
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2z-CO2
CF2=CF(CF2z-CO2
CF2=CF(OCF2CF(CF3))z-(CF22-CO2
(各式中、Zは1~8の整数を示し、Rは炭素数1~3の炭化水素系アルキル基を表す。)
In addition, the vinyl fluoride compound is not limited to the following, but includes, for example, the following compounds.
CF2 = CFO(CF2) z - SO2F
CF2 = CFOCF2CF ( CF3 )O(CF2) z - SO2F
CF2 = CF ( CF2) z - SO2F
CF2 = CF(OCF2CF ( CF3 )) z- (CF2)z - 1- SO2F
CF2 = CFO(CF2) z - CO2R
CF2 = CFOCF2CF ( CF3 )O(CF2) z - CO2R
CF2=CF ( CF2) z - CO2R
CF2=CF( OCF2CF ( CF3 )) z- (CF2) 2 - CO2R
(In each formula, Z represents an integer of 1 to 8, and R represents a hydrocarbon-based alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.)

フッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物との共重合方法としては、以下に限定されるものではないが、例えば、後述する方法が挙げられる。 The method for copolymerizing the fluorinated olefin compound and the fluorinated vinyl compound is not limited to the following, but includes, for example, the method described later.

(i)溶液重合法
溶液重合法とは、含フッ素炭化水素等の重合溶媒を使用し、この重合溶媒に充填溶解した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを反応させて重合を行う方法である。
重合溶媒である含フッ素炭化水素としては、以下に限定されるものではないが、例えば、トリクロロトリフルオロエタン、1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-デカフロオロペンタン等、「フロン」と総称される化合物群を使用できる。
(i) Solution polymerization method The solution polymerization method uses a polymerization solvent such as a fluorine-containing hydrocarbon, and the vinyl fluoride compound and the fluorinated olefin gas are allowed to react with each other in a state of filling and dissolving in the polymerization solvent to carry out polymerization. is the way to do it.
Examples of the fluorine-containing hydrocarbon used as the polymerization solvent include, but are not limited to, trichlorotrifluoroethane, 1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decaflo A group of compounds collectively referred to as "freons" can be used, such as oropentane.

(ii)塊状重合法
塊状重合法とは、含フッ素炭化水素等の重合溶媒を使用せず、フッ化ビニル化合物そのものを重合溶剤として用いてフッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物との重合を行う方法である。
(ii) Bulk polymerization method In the bulk polymerization method, a fluorinated olefin compound and a vinyl fluoride compound are polymerized using a vinyl fluoride compound itself as a polymerization solvent without using a polymerization solvent such as a fluorine-containing hydrocarbon. The method.

(iii)乳化重合法
乳化重合法とは、界面活性剤の水溶液を重合溶媒として用い、この重合溶媒に充填溶解した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンガスとを反応させて重合を行う方法である。
(iii) Emulsion polymerization method Emulsion polymerization method is a method in which an aqueous solution of a surfactant is used as a polymerization solvent, and a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas are reacted in a state of filling and dissolving in the polymerization solvent to perform polymerization. is.

(iv)ミニエマルジョン重合又はマイクロエマルジョン重合法
エマルジョン重合とは、界面活性剤及びアルコール等の助乳化剤の水溶液を用い、この水溶液に充填乳化した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを反応させて重合を行う方法である。
(iv) Mini-emulsion polymerization or micro-emulsion polymerization method Emulsion polymerization involves using an aqueous solution of a surfactant and a co-emulsifier such as alcohol, filling the aqueous solution with a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas in an emulsified state. It is a method of polymerizing by reacting.

(v)懸濁重合法
懸濁重合法とは、懸濁安定剤の水溶液を用い、この水溶液に充填懸濁した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを反応させて重合を行う方法である。
(v) Suspension polymerization method In the suspension polymerization method, an aqueous solution of a suspension stabilizer is used, and polymerization is carried out by reacting a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas in a state of being filled and suspended in the aqueous solution. The method.

本実施形態の高分子電解質組成物を構成する高分子電解質(a)に用いる、前駆体ポリマーの重合度の指標としては、メルトマスフローレート(以下「MFR」と略称する)を使用することができる。
前駆体ポリマーのMFRは、0.01g/10分以上が好ましく、0.1g/10分以上がより好ましく、0.3g/10分以上がさらに好ましい。MFRの上限は限定されないが、100g/10分以下が好ましく、10g/10分以下がより好ましい。
MFRを0.01g/10分以上100g/10分以下とすることにより、高分子電解質膜の成膜等の成形加工性がより優れる傾向にある。
なお、MFRは、JIS K-7210に基づき、270℃、荷重2.16kgf、オリフィス内径2.09mmで測定することができる。
Melt mass flow rate (hereinafter abbreviated as "MFR") can be used as an index of the degree of polymerization of the precursor polymer used in the polymer electrolyte (a) constituting the polymer electrolyte composition of the present embodiment. .
The MFR of the precursor polymer is preferably 0.01 g/10 minutes or more, more preferably 0.1 g/10 minutes or more, and even more preferably 0.3 g/10 minutes or more. Although the upper limit of MFR is not limited, it is preferably 100 g/10 minutes or less, more preferably 10 g/10 minutes or less.
By setting the MFR to 0.01 g/10 min or more and 100 g/10 min or less, there is a tendency that molding workability such as formation of a polymer electrolyte membrane is more excellent.
The MFR can be measured at 270° C., a load of 2.16 kgf, and an orifice inner diameter of 2.09 mm based on JIS K-7210.

以上のようにして作製された前駆体ポリマーは、塩基性反応液体中で加水分解処理され、温水等で十分に水洗され、酸処理され、当該酸処理によってパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体はプロトン化され、SO3H体となる。 The precursor polymer produced as described above is hydrolyzed in a basic reaction liquid, thoroughly washed with warm water or the like, and acid-treated, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor is protonated by the acid treatment. to form the SO 3 H form.

(酸化ニオブ(b))
本実施形態の高分子電解質組成物は、酸化ニオブ(b)を含有する。
酸化ニオブ(b)を含有することにより、本実施形態の高分子電解質組成物を用いた高分子電解質膜、電極触媒層、及び膜電極接合体において、酸性条件下でも長時間に亘り流出するこがなく、優れたラジカルトラップ能が発揮され、安定した稼働が可能である。
酸化ニオブ(b)は、レーザー回折式粒度分布測定によって得られる平均粒子径が、0.05μm超5.0μm以下である。
平均粒子径が0.05μm超であることにより、上述した高分子電解質(a)としてポリフェニレンスルフィドと組み合わせた場合、分散安定性に優れ、均一な高分子電解質膜が得られる。
また、平均粒子径が5μm以下であることにより、酸化ニオブ(b)において十分に大きい比表面積が得られ、優れたラジカルトラップ能が発揮でき、高い耐久性を有する高分子電解質膜が得られる。
酸化ニオブ(b)の平均粒子径は、0.05μm~5.0μmであることが好ましく、0.10μm~1.0μmであることがより好ましい。
酸化ニオブ(b)の平均粒子径は、レーザー回折・散乱式粒度測定機を用いて、マイクロトラック法によるレーザーの散乱光を解析することにより測定できる。具体的には、後述する実施例に記載する方法により測定することができる。
酸化ニオブ(b)において、平均粒子径を0.05μm超5.0μm以下に制御する方法としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ジェットミルやボールミルなど、高い衝突/せん断エネルギーを与えて粉砕及び微細化させる方法や、高分子電解質組成物を調製前の溶液を濾過し粗大粒子を除去する方法等が挙げられる。
(niobium oxide (b))
The polymer electrolyte composition of the present embodiment contains niobium oxide (b).
By containing niobium oxide (b), in the polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, and the membrane electrode assembly using the polymer electrolyte composition of the present embodiment, it can flow out for a long time even under acidic conditions. , excellent radical trapping ability is exhibited, and stable operation is possible.
Niobium oxide (b) has an average particle size of more than 0.05 μm and not more than 5.0 μm as measured by laser diffraction particle size distribution measurement.
Since the average particle size is more than 0.05 μm, when combined with polyphenylene sulfide as the polymer electrolyte (a) described above, a uniform polymer electrolyte membrane with excellent dispersion stability can be obtained.
Further, since the average particle size is 5 μm or less, the niobium oxide (b) has a sufficiently large specific surface area, exhibits excellent radical trapping ability, and provides a highly durable polymer electrolyte membrane.
The average particle size of niobium oxide (b) is preferably 0.05 μm to 5.0 μm, more preferably 0.10 μm to 1.0 μm.
The average particle size of niobium oxide (b) can be measured by analyzing laser scattered light according to the Microtrac method using a laser diffraction/scattering particle size analyzer. Specifically, it can be measured by the method described in the examples below.
In niobium oxide (b), methods for controlling the average particle size to be more than 0.05 μm and 5.0 μm or less include, but are not limited to, high impact/shear energy such as jet milling and ball milling. Examples thereof include a method of pulverizing and pulverizing by giving, a method of filtering a solution before preparation of the polymer electrolyte composition to remove coarse particles, and the like.

酸化ニオブ(b)は、二酸化ニオブ、及び五酸化ニオブからなる群より選ばれる少なくとも1種の酸化ニオブであることが好ましい。
酸化ニオブ(b)として、二酸化ニオブ及び/又は五酸化ニオブを用いることにより、捕捉するラジカルの種類が増え総合的なラジカルトラップ能の増大の効果が得られる。
Niobium oxide (b) is preferably at least one niobium oxide selected from the group consisting of niobium dioxide and niobium pentoxide.
By using niobium dioxide and/or niobium pentoxide as the niobium oxide (b), the types of radicals to be trapped are increased, and the effect of increasing the overall radical trapping ability is obtained.

本実施形態の高分子電解質組成物における、酸化ニオブ(b)の含有量は、好ましくは、0.1~5.0質量%であり、より好ましくは0.1~3.0質量%であり、さらに好ましくは0.5~3.0質量%である。
酸化ニオブ(b)の含有量が0.1~5.0質量%であることにより、良好なプロトン伝導度を維持したまま、過酸化水素の分解を抑制し、高耐久性を有する高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を得ることができる傾向にある。
The content of niobium oxide (b) in the polymer electrolyte composition of the present embodiment is preferably 0.1 to 5.0% by mass, more preferably 0.1 to 3.0% by mass. , more preferably 0.5 to 3.0% by mass.
The content of niobium oxide (b) is 0.1 to 5.0% by mass, so that the decomposition of hydrogen peroxide is suppressed while maintaining good proton conductivity, and the polymer electrolyte has high durability. It tends to be possible to obtain membranes, electrode catalyst layers, membrane electrode assemblies, and solid polymer fuel cells.

本実施形態の高分子電解質組成物において、前記酸化ニオブ(b)のレーザー回折式粒度分布測定によって得られる体積基準粒度分布による通過積分値は、分散安定性とラジカルクエンチ能のバランスの観点から、粒子径0.05μm超5.0μm以下の領域において、全体の30%以上であることが好ましい。
前記体積基準粒度分布による通過積分値は、粒子径0.05μm超5.0μm以下の領域において全体の30%以上であることがより好ましく、40%以上であることがさらに好ましい。
前記体積基準粒度分布による通過積分値は、後述する実施例に記載する方法により求めることができる。
前記体積基準粒度分布による通過積分値は、粒子粉砕工程における処理時間を制御することにより、粒子径0.05μm超5.0μm以下の領域において全体の30%以上に制御することができる。
In the polymer electrolyte composition of the present embodiment, the passage integral value based on the volume-based particle size distribution obtained by laser diffraction particle size distribution measurement of the niobium oxide (b) is, from the viewpoint of the balance between dispersion stability and radical quenching ability, It is preferable that the area having a particle size of more than 0.05 μm and 5.0 μm or less accounts for 30% or more of the whole.
The passage integral value based on the volume-based particle size distribution is more preferably 30% or more, more preferably 40% or more, in the region where the particle diameter is more than 0.05 μm and 5.0 μm or less.
The pass-integrated value based on the volume-based particle size distribution can be obtained by the method described in the examples below.
By controlling the processing time in the particle pulverization step, the passage integral value based on the volume-based particle size distribution can be controlled to 30% or more of the entire particle size range of more than 0.05 μm and 5.0 μm or less.

本実施形態の高分子電解質組成物においては、前記酸化ニオブ(b)が、上述した高分子電解質(a)中に分散していることが好ましい。
ここで、分散とは、染色処理を施さずにTEM観察を行った場合に、高分子電解質(a成分)相の中に、酸化ニオブ(b)を含む相が粒子状に分散し、「島状に分散している」状態を意味する。すなわち、(a)成分が海部を構成し、(b)成分が島部を構成する、海島構造をとることを意味する。このような状態で分散することは、酸化ニオブ(b)を主体とする部分が高分子電解質(a)を主体とする部分に均一に微分散していることを表しており、耐久性の観点から好ましい。
In the polymer electrolyte composition of the present embodiment, the niobium oxide (b) is preferably dispersed in the polymer electrolyte (a) described above.
Here, the term “dispersion” means that when TEM observation is performed without dyeing, the phase containing niobium oxide (b) is dispersed in the form of particles in the polymer electrolyte (component a) phase. It means a state in which the That is, it means that the component (a) constitutes the sea portion and the component (b) constitutes the island portion, thus having a sea-island structure. Dispersing in such a state means that the portion mainly composed of niobium oxide (b) is uniformly and finely dispersed in the portion mainly composed of the polymer electrolyte (a), and the durability is improved. preferred from

(ラジカル捕捉剤(c))
本実施形態の高分子電解質組成物は、ラジカル捕捉剤(c)をさらに含有することができる。
本実施形態の高分子電解質組成物は、ラジカル種の発生を効率よく抑制でき、高い耐久性を発現するが、これに加え、ラジカル捕捉剤(c)を含むことにより、万が一、ラジカル種が発生した場合にも、ラジカル捕捉剤(c)で捕捉することができる。これにより、本実施形態の高分子電解質組成物を用いた高分子電解質膜を用いた燃料電池自動車においては、高温低湿度な条件下においても燃料電池の耐久性を飛躍的に向上させることができる傾向にある。
(Radical scavenger (c))
The polymer electrolyte composition of this embodiment can further contain a radical scavenger (c).
The polymer electrolyte composition of the present embodiment can efficiently suppress the generation of radical species and exhibits high durability. Even if it does, it can be captured by the radical scavenger (c). As a result, in a fuel cell vehicle using a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte composition of the present embodiment, the durability of the fuel cell can be dramatically improved even under high temperature and low humidity conditions. There is a tendency.

ラジカル捕捉剤(c)としては、以下に限定されるものではないが、例えば、公知の酸化防止剤で提唱されているメカニズムを可能にする官能基を有する化合物が挙げられる。
このような官能基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ラジカル連鎖禁止機能を有する官能基、ラジカルを分解させる機能を有する官能基、及び連鎖開始を阻害する機能を有する官能基が挙げられる。
ラジカル連鎖禁止機能を有する官能基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、フェノール性水酸基、1級アミン、2級アミン等が挙げられる。
また、ラジカルを分解させる機能を有する官能基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、硫黄、リン等を含有するメルカプト基、チオエーテル基、ジサリファイド基、フォスファイト基等が挙げられる。
さらに、連鎖開始を阻害する機能を有する官能基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ヒドラジン、アミド等が挙げられる(「酸化防止剤ハンドブック」(大成社刊1978))。
Examples of radical scavengers (c) include, but are not limited to, compounds having functional groups that enable mechanisms proposed in known antioxidants.
Examples of such functional groups include, but are not limited to, a functional group having a radical chain terminating function, a functional group having a function of decomposing radicals, and a functional group having a function of inhibiting chain initiation. is mentioned.
Examples of functional groups having a radical chain-blocking function include, but are not limited to, phenolic hydroxyl groups, primary amines, secondary amines, and the like.
In addition, the functional group having a function of decomposing radicals is not limited to the following, and examples thereof include a mercapto group containing sulfur, phosphorus, etc., a thioether group, a disulfide group, a phosphite group, and the like.
Further, functional groups having a function of inhibiting chain initiation include, but are not limited to, hydrazine, amide, and the like ("Antioxidant Handbook" (Taiseisha, 1978)).

また、ラジカル捕捉剤(c)としては、原子がラジカルにより引き抜かれやすい化合物、例えば、3級炭素に結合した水素、又は炭素-ハロゲン結合等を構造中に有する化合物も挙げられる。 Radical scavengers (c) also include compounds whose atoms are easily abstracted by radicals, such as compounds having hydrogen bonded to tertiary carbons or carbon-halogen bonds in their structures.

また、ラジカル捕捉剤(c)は、高分子電解質(a)とイオン結合を作る官能基を有していてもよい。このようなラジカル捕捉剤(c)としては、以下に限定されるものではないが、例えば、同一分子内に1級アミン、2級アミンのうちいずれかのアミンを少なくとも有する化合物(c-1)及び/又は同一分子内に3級アミンを有し、かつ、硫黄、リン、ヒドラジン、アミド、フェノール水酸基、1級アミン、2級アミン、又は3級アミンに結合した水素、及び炭素に結合したハロゲンからなる群より選択される少なくとも1種以上を有する化合物(c-2)が挙げられる。 Moreover, the radical scavenger (c) may have a functional group that forms an ionic bond with the polymer electrolyte (a). Examples of such a radical scavenger (c) include, but are not limited to, a compound (c-1) having at least one of primary amine and secondary amine in the same molecule. and/or having a tertiary amine in the same molecule and hydrogen bonded to sulfur, phosphorus, hydrazine, amide, phenolic hydroxyl group, primary amine, secondary amine, or tertiary amine, and halogen bonded to carbon A compound (c-2) having at least one selected from the group consisting of

ここで、化合物(c-1)及び化合物(c-2)における、高分子電解質(a)とイオン結合を作る官能基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、高分子電解質(a)中のイオン交換基がスルホン酸基の場合は、塩基性官能基であり、具体的には1級アミン、2級アミン、3級アミン等の窒素含有官能基が挙げられる。従って、1級アミン、2級アミンを有すれば、高分子電解質(a)のイオン交換基と相互作用を有し、かつ、ラジカル捕捉機能をも有することとなる(化合物(c-1)に相当)。
一方、高分子電解質(a)のイオン交換基と相互作用を有する部分が3級アミンである場合には、高分子電解質(a)とイオン結合を作る官能基は、ラジカル捕捉機能を有する部分とは別に同一分子内に含まれることが好ましく、このような官能基としては、特に限定されないが、例えば、フェノール水酸基、1、2級アミン等が挙げられる(化合物(c-2)に相当)。
Here, the functional group forming an ionic bond with the polymer electrolyte (a) in the compound (c-1) and the compound (c-2) is not limited to the following, for example, the polymer electrolyte ( When the ion exchange group in a) is a sulfonic acid group, it is a basic functional group, and specific examples include nitrogen-containing functional groups such as primary amine, secondary amine, and tertiary amine. Therefore, if it has a primary amine or a secondary amine, it will interact with the ion exchange groups of the polymer electrolyte (a) and also have a radical scavenging function (compound (c-1) equivalent).
On the other hand, when the portion interacting with the ion exchange group of the polymer electrolyte (a) is a tertiary amine, the functional group forming an ionic bond with the polymer electrolyte (a) is a portion having a radical scavenging function. is preferably contained in the same molecule, and examples of such functional groups include, but are not limited to, phenolic hydroxyl groups, primary and secondary amines (corresponding to compound (c-2)).

ラジカル捕捉剤(c)である化合物(c-1)及び化合物(c-2)をより具体的に例示すると以下のようになる。 More specific examples of the compound (c-1) and compound (c-2), which are radical scavengers (c), are as follows.

化合物(c-1)としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリンのような上記の官能基で一部置換された芳香族化合物、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサジアゾール、フェニル化ポリキノキサリン、及びフェニル化ポリキノリン等の不飽和の複素環化合物等が挙げられる。 Examples of the compound (c-1) include, but are not limited to, aromatic compounds partially substituted with the above functional groups such as polyaniline, polybenzimidazole, polybenzoxazole, and polybenzothiazole. , polybenzoxadiazole, phenylated polyquinoxaline, and unsaturated heterocyclic compounds such as phenylated polyquinoline.

化合物(c-2)としては、以下に限定されるものではないが、例えば、側鎖にスルホン酸と酸塩基結合を有する3級窒素複素環を有し、主鎖にラジカルで引き抜かれやすいベンジル位の水素を有する化合物が挙げられ、具体的には、ポリビニルピリジン、ポリビニルカルバゾール、芳香環に2級アミン、及び3級アミンを含む基が導入されたポリスチレン等が挙げられる。 Examples of the compound (c-2) include, but are not limited to, benzyl, which has a tertiary nitrogen heterocycle having a sulfonic acid and an acid-base bond in the side chain and is easily abstracted by a radical in the main chain. Specific examples include polyvinylpyridine, polyvinylcarbazole, polystyrene in which a group containing a secondary amine or a tertiary amine is introduced into an aromatic ring, and the like.

なお、化合物(c-1)及び化合物(c-2)は、イオン交換基を有する高分子電解質(a)と相互作用を有するユニットと、ラジカル捕捉機能を有するユニットとの共重合体等であってもよい。イオン交換基を有する高分子電解質(a)と相互作用を有する部分を有することにより、高分子電解質(a)への相溶性がより向上する傾向にある。また、ラジカル捕捉機能を有する部分を有することにより、化学的耐久性がより向上する傾向にある。 The compound (c-1) and the compound (c-2) are copolymers or the like of a unit having an ion-exchange group-having interaction with the polymer electrolyte (a) and a unit having a radical scavenging function. may By having a portion that interacts with the polymer electrolyte (a) having ion exchange groups, the compatibility with the polymer electrolyte (a) tends to be further improved. In addition, chemical durability tends to be further improved by having a portion having a radical scavenging function.

本実施形態の高分子電解質組成物における化合物(c-1)及び化合物(c-2)の含有量は、高分子電解質組成物中、好ましくは0.001~50.000質量%であり、より好ましくは0.005~20.000質量%、さらに好ましくは0.010~10.000質量%、さらにより好ましくは0.100~5.000質量%、よりさらに好ましくは0.100~2.000質量%である。
本実施形態の高分子電解質組成物においては、化合物(c-1)及び化合物(c-2)の合計含有量を前記範囲(0.001~50.000質量%)に設定することにより、良好なプロトン伝導度を維持したまま、高耐久性を有する高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池が得られる傾向にある。
The content of compound (c-1) and compound (c-2) in the polymer electrolyte composition of the present embodiment is preferably 0.001 to 50.000% by mass in the polymer electrolyte composition, and more Preferably 0.005 to 20.000% by mass, more preferably 0.010 to 10.000% by mass, still more preferably 0.100 to 5.000% by mass, still more preferably 0.100 to 2.000% by mass % by mass.
In the polymer electrolyte composition of the present embodiment, by setting the total content of the compound (c-1) and the compound (c-2) within the above range (0.001 to 50.000% by mass), good There is a tendency to obtain a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell having high durability while maintaining high proton conductivity.

(チオエーテル化合物(d))
本実施形態の高分子電解質組成物は、上述した高分子電解質(a)、平均粒子径が0.050μm超5.0μm以下の酸化ニオブ(b)、ラジカル捕捉剤(c)の他に、チオエーテル化合物(d)を含んでもよい。
(Thioether compound (d))
The polymer electrolyte composition of the present embodiment includes the above-described polymer electrolyte (a), niobium oxide having an average particle size of more than 0.050 μm and 5.0 μm or less (b), a radical scavenger (c), and a thioether. It may contain a compound (d).

チオエーテル化合物(d)としては、特に限定されるものではないが、例えば、-(R-S)n-(Sはイオウ原子、Rは炭化水素基、nは1以上の整数)の化学構造を含む化合物が挙げられ、具体的には、ジメチルチオエーテル、ジエチルチオエーテル、ジプロピルチオエーテル、メチルエチルチオエーテル、メチルブチルチオエーテルのようなジアルキルチオエーテル;テトラヒドロチオフェン、テトラヒドロアピランのような環状チオエーテル;メチルフェニルスルフィド、エチルフェニルスルフィド、ジフェニルスルフィド、ジベンジルスルフィドのような芳香族チオエーテル等が挙げられる。
これらは単量体で用いてもよいし、例えばポリフェニレンスルフィド(PPS)のような重合体で用いてもよい。
The thioether compound (d) is not particularly limited, but for example, a chemical structure of —(R—S) n — (S is a sulfur atom, R is a hydrocarbon group, and n is an integer of 1 or more). Specific examples include dialkylthioethers such as dimethylthioether, diethylthioether, dipropylthioether, methylethylthioether and methylbutylthioether; cyclic thioethers such as tetrahydrothiophene and tetrahydroapiran; methylphenyl sulfide; Aromatic thioethers such as ethylphenylsulfide, diphenylsulfide and dibenzylsulfide are included.
They may be used in monomeric form or in polymeric form, for example polyphenylene sulfide (PPS).

チオエーテル化合物(d)は、耐久性の観点から、-(R-S)n-(Sはイオウ原子、Rは炭化水素基、nは1以上の整数)の化学構造を含む化合物において、n≧10の重合体(オリゴマー、ポリマー)であることが好ましく、n≧1,000の重合体であることがより好ましい。さらに好ましいチオエーテル化合物(d)は、ポリフェニレンスルフィド(PPS)である。 From the viewpoint of durability, the thioether compound (d) is a compound containing a chemical structure of -(R-S) n- (S is a sulfur atom, R is a hydrocarbon group, and n is an integer of 1 or more), wherein n≥ It is preferably a polymer of 10 (oligomer, polymer), more preferably a polymer of n≧1,000. A more preferred thioether compound (d) is polyphenylene sulfide (PPS).

以下、チオエーテル化合物(d)として用いることができるポリフェニレンスルフィドについて説明する。
(d)成分として用いることができるポリフェニレンスルフィドは、パラフェニレンスルフィド骨格を好ましくは70モル%以上、より好ましくは90モル%以上有するポリフェニレンスルフィドである。
Polyphenylene sulfides that can be used as the thioether compound (d) are described below.
The polyphenylene sulfide that can be used as the component (d) is a polyphenylene sulfide having a paraphenylene sulfide skeleton of preferably 70 mol% or more, more preferably 90 mol% or more.

上記ポリフェニレンスルフィドの製造方法は、以下に限定されるものではないが、例えば、ハロゲン置換芳香族化合物(p-ジクロルベンゼン等)を硫黄と炭酸ソーダの存在下で重合させる方法;極性溶媒中でハロゲン置換芳香族化合物を硫化ナトリウムあるいは硫化水素ナトリウムと水酸化ナトリウムの存在下で重合させる方法;極性溶媒中でハロゲン置換芳香族化合物を硫化水素と水酸化ナトリウムあるいはナトリウムアミノアルカノエートの存在下で重合させる方法;p-クロルチオフェノールの自己縮合を行う方法等が挙げられる。特に、具体的には、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒やスルホラン等のスルホン系溶媒中で硫化ナトリウムとp-ジクロルベンゼンを反応させる方法が好適に用いられる。 The method for producing the polyphenylene sulfide is not limited to the following, but for example, a method of polymerizing a halogen-substituted aromatic compound (such as p-dichlorobenzene) in the presence of sulfur and sodium carbonate; Method of polymerizing a halogen-substituted aromatic compound in the presence of sodium sulfide or sodium hydrogen sulfide and sodium hydroxide; polymerizing a halogen-substituted aromatic compound in the presence of hydrogen sulfide and sodium hydroxide or sodium aminoalkanoate in a polar solvent and a method of self-condensation of p-chlorothiophenol. Specifically, a method of reacting sodium sulfide and p-dichlorobenzene in an amide solvent such as N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide or a sulfone solvent such as sulfolane is preferably used.

また、(d)成分であるポリフェニレンスルフィドが有する-SX基(Sはイオウ原子、Xはアルカリ金属又は水素原子である)の含有量は、高分子電解質(a)とポリフェニレンスルフィド(d)の合計量に対して、通常10μmol/g以上10,000μmol/g以下であり、好ましくは15μmol/g以上10,000μmol/g以下であり、より好ましくは20μmol/g以上10,000μmol/g以下である。
-SX基濃度が上記範囲にあることにより、反応活性点が多くなる傾向にある。-SX基濃度が上記範囲を満たすポリフェニレンスルフィドを用いることで、高分子電解質(a)との混和性が向上することにより分散性が向上し、高温低加湿条件下でより高い耐久性が得られる。
In addition, the content of -SX groups (S is a sulfur atom and X is an alkali metal or a hydrogen atom) possessed by the polyphenylene sulfide which is the component (d) is the total of the polymer electrolyte (a) and the polyphenylene sulfide (d). The amount is generally 10 μmol/g or more and 10,000 μmol/g or less, preferably 15 μmol/g or more and 10,000 μmol/g or less, more preferably 20 μmol/g or more and 10,000 μmol/g or less.
When the -SX group concentration is within the above range, the number of reactive sites tends to increase. By using polyphenylene sulfide whose -SX group concentration satisfies the above range, miscibility with the polymer electrolyte (a) is improved, dispersibility is improved, and higher durability is obtained under high temperature and low humidity conditions. .

また、チオエーテル化合物(d)としては、末端に酸性官能基を導入したものも好適に用いることができる。導入する酸性官能基としては、以下に限定されるものではないが、例えば、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基,イタコン酸基、アクリル酸基、メタクリル酸基が好ましい。これらの中でも、スルホン酸基がより好ましい。 As the thioether compound (d), a compound having an acidic functional group introduced at the end thereof can also be preferably used. Examples of the acidic functional group to be introduced include, but are not limited to, sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, maleic acid group, maleic anhydride group, fumaric acid group, itaconic acid group, acrylic Acid groups and methacrylic acid groups are preferred. Among these, a sulfonic acid group is more preferable.

なお、チオエーテル化合物(d)における酸性官能基の導入方法については、特に限定されるものではなく、一般的な方法を用いて実施することができる。
例えば、スルホン酸基の導入については、無水硫酸、発煙硫酸等のスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することができる。このような導入方法は、以下に限定されるものではないが、例えば、K.Hu, T.Xu, W.Yang, Y.Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol.91,や、 E.Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol.27, 3043-3051(1989)に記載されている条件で実施できる。
The method for introducing the acidic functional group in the thioether compound (d) is not particularly limited, and a general method can be used.
For example, introduction of a sulfonic acid group can be carried out under known conditions using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride and fuming sulfuric acid. Such introduction methods are not limited to the following; , Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol.27, 3043-3051 (1989).

また、チオエーテル化合物(d)としては、導入した酸性官能基を金属塩又はアミン塩に置換したものも好適に用いられる。金属塩としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩;カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましいものとして挙げられる。 Moreover, as the thioether compound (d), those in which the introduced acidic functional group is substituted with a metal salt or an amine salt are also preferably used. Examples of metal salts include, but are not limited to, alkali metal salts such as sodium salts and potassium salts; and alkaline earth metal salts such as calcium salts.

さらに、本実施形態の高分子電解質組成物を製造する際に、チオエーテル化合物(d)を粉末状で用いる場合、チオエーテル化合物(d)のメジアン径は、水中に分散した状態において、0.01~2.0μmが好ましく、0.01~1.0μmがより好ましく、0.01~0.5μmがさらに好ましく、0.01~0.1μmがさらにより好ましい。メジアン径が前記範囲内であることにより、高分子電解質(a)中の分散性がより向上し、耐久性、高寿命化等の効果により優れる傾向にある。なお、チオエーテル化合物(d)のメジアン径は、以下に限定されるものではないが、例えば、粒度分布計や走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により求めることができる。 Furthermore, when the thioether compound (d) is used in powder form when producing the polymer electrolyte composition of the present embodiment, the median diameter of the thioether compound (d) is 0.01 to 0.01 when dispersed in water. 2.0 μm is preferred, 0.01 to 1.0 μm is more preferred, 0.01 to 0.5 μm is even more preferred, and 0.01 to 0.1 μm is even more preferred. When the median diameter is within the above range, dispersibility in the polymer electrolyte (a) is further improved, and effects such as durability and longevity tend to be more excellent. In addition, the median diameter of the thioether compound (d) is not limited to the following, but can be determined, for example, by observation using a particle size distribution meter or scanning electron microscope (SEM).

チオエーテル化合物(d)を高分子電解質(a)中に微分散させる方法としては、以下に限定されるものではないが、例えば、高分子電解質(a)等との溶融混練時に高せん断を与えて粉砕及び微分散させる方法、高分子電解質(a)とチオエーテル化合物(d)との混合液を得た後、その混合液を濾過し、粗大チオエーテル化合物(d)粒子を除去し、濾過後の溶液を用いる方法等が挙げられる。 The method for finely dispersing the thioether compound (d) in the polymer electrolyte (a) is not limited to the following. After obtaining a mixed solution of the polymer electrolyte (a) and the thioether compound (d), the mixed solution is filtered to remove coarse thioether compound (d) particles, and the filtered solution and the like.

チオエーテル化合物(d)を溶融混練により、高分子電解質(a)中に分散させる際、(d)成分として好適なものであるポリフェニレンスルフィドを用いる場合、当該ポリフェニレンスルフィドの溶融粘度(フローテスターを用いて、300℃、荷重196N、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持した値)は、成形加工性の観点から、好ましくは1~10,000ポイズであり、より好ましくは100~10,000ポイズである。 When dispersing the thioether compound (d) in the polymer electrolyte (a) by melt kneading, when polyphenylene sulfide, which is suitable as the component (d), is used, the melt viscosity of the polyphenylene sulfide (using a flow tester , 300 ° C., load 196 N, L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1 value held for 6 minutes) is preferably 1 to 10,000 poise from the viewpoint of moldability. Yes, more preferably 100 to 10,000 poise.

本実施形態の高分子電解質組成物における、高分子電解質(a)とチオエーテル化合物(d)の質量比(a/d)は、(a/d)=60/40~99.99/0.01であることが好ましく、(a/d)=70/30~99.95/0.05がより好ましく、(a/d)=80/20~99.9/0.1がさらに好ましく、(a/d)=90/10~99.5/0.5がさらにより好ましい。
高分子電解質(a)の質量比を60以上とすることにより、良好なイオン伝導性が実現でき、良好な電池特性が実現できる傾向にある。一方、チオエーテル化合物(d)の質量比を40以下とすることにより、高温低湿度の条件下での電池運転における耐久性がより向上する傾向にある。
The mass ratio (a/d) of the polymer electrolyte (a) and the thioether compound (d) in the polymer electrolyte composition of the present embodiment is (a/d) = 60/40 to 99.99/0.01. Preferably, (a/d) = 70/30 to 99.95/0.05, more preferably (a/d) = 80/20 to 99.9/0.1, (a /d)=90/10 to 99.5/0.5 is even more preferred.
By setting the mass ratio of the polymer electrolyte (a) to 60 or more, there is a tendency that good ion conductivity can be achieved and good battery characteristics can be achieved. On the other hand, by setting the mass ratio of the thioether compound (d) to 40 or less, the durability in battery operation under high temperature and low humidity conditions tends to be further improved.

また、チオエーテル化合物(d)を、上述したラジカル捕捉剤(c)と併せて配合することにより、本実施形態の高分子電解質組成物を用いた高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体は、高温低湿度の条件下でも極めて高い耐久性を示すことが可能となる傾向にある。 Further, by blending the thioether compound (d) together with the radical scavenger (c) described above, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, and a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte composition of the present embodiment tend to be able to exhibit extremely high durability even under high temperature and low humidity conditions.

前記ラジカル捕捉剤(c)とチオエーテル化合物(d)の質量比(c/d)は、(c/d)=1/99~99/1が好ましく、(c/d)=5/95~95/5がより好ましく、(c/d)=10/90~90/10がさらに好ましく、(c/d)=20/80~80/20がさらにより好ましい。
質量比(c/d)が前記範囲内であることにより、化学的安定性と耐久性(分散性)のバランスにより優れる傾向にある。
The mass ratio (c/d) of the radical scavenger (c) and the thioether compound (d) is preferably (c/d) = 1/99 to 99/1, (c/d) = 5/95 to 95. /5 is more preferred, (c/d) = 10/90 to 90/10 is more preferred, and (c/d) = 20/80 to 80/20 is even more preferred.
When the mass ratio (c/d) is within the above range, the balance between chemical stability and durability (dispersibility) tends to be excellent.

さらに、ラジカル捕捉剤(c)とチオエーテル化合物(d)の合計質量が高分子電解質組成物中に占める含有量は、0.01~50質量%が好ましく、0.05~45質量%がより好ましく、0.1~40質量%がさらに好ましく、0.2~35質量%がさらにより好ましく、0.3~30質量%がよりさらに好ましい。(c)成分と(d)成分の合計含有量が前記範囲内であることにより、イオン伝導性と耐久性(分散性)のバランスにより優れる傾向にある。 Furthermore, the content of the total mass of the radical scavenger (c) and the thioether compound (d) in the polymer electrolyte composition is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.05 to 45% by mass. , more preferably 0.1 to 40% by mass, even more preferably 0.2 to 35% by mass, and even more preferably 0.3 to 30% by mass. When the total content of the component (c) and the component (d) is within the above range, the balance between ionic conductivity and durability (dispersibility) tends to be excellent.

また、本実施形態の高分子電解質組成物は、上述した高分子電解質(a)、酸化ニオブ(b)を必須成分とする所定の成分を含む高分子電解質溶液であることが、好ましい一形態である。このような形態である高分子電解質組成物は、本実施形態の高分子電解質膜、電極触媒層の形態に加工できる。 In one preferred embodiment, the polymer electrolyte composition of the present embodiment is a polymer electrolyte solution containing predetermined components including the above-described polymer electrolyte (a) and niobium oxide (b) as essential components. be. The polymer electrolyte composition having such a form can be processed into the form of the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer of the present embodiment.

(高分子電解質溶液)
本実施形態の高分子電解質膜は、高分子電解質(a)、酸化ニオブ(b)を必須成分として含有する本実施形態の高分子電解質組成物により形成される。
高分子電解質組成物は、その各成分を、所定の溶媒中に、それぞれ同時に又は別々に溶解又は分散した後、混合することにより、高分子電解質溶液として用いてもよい。
(polymer electrolyte solution)
The polymer electrolyte membrane of the present embodiment is formed from the polymer electrolyte composition of the present embodiment containing polymer electrolyte (a) and niobium oxide (b) as essential components.
The polymer electrolyte composition may be used as a polymer electrolyte solution by dissolving or dispersing each component in a predetermined solvent simultaneously or separately and then mixing.

高分子電解質溶液は、そのまま、あるいは濾過、濃縮等の工程を経た後、単独あるいは他の電解質溶液と混合して、高分子電解質膜や、電極触媒層等の材料として用いることができる。 The polymer electrolyte solution can be used as a material for polymer electrolyte membranes, electrode catalyst layers, etc., as it is, or after undergoing steps such as filtration and concentration, either alone or mixed with other electrolyte solutions.

高分子電解質溶液の製造方法について説明する。
高分子電解質溶液の製造方法としては、以下に限定されるものではないが、例えば、まず、高分子電解質前駆体からなる成形物を塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解する。この加水分解処理により、高分子電解質前駆体は高分子電解質(a)に変換される。次に、加水分解処理された前記成形物を温水等で十分に水洗し、その後、酸処理を行う。
A method for producing a polymer electrolyte solution will be described.
The method for producing the polymer electrolyte solution is not limited to the following, but for example, first, a molded article made of a polymer electrolyte precursor is immersed in a basic reaction liquid and hydrolyzed. This hydrolysis treatment converts the polymer electrolyte precursor into the polymer electrolyte (a). Next, the hydrolyzed molding is thoroughly washed with warm water or the like, and then acid-treated.

酸処理に使用する酸は、特に限定されないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸類やシュウ酸、酢酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましい。この酸処理によって高分子電解質前駆体はプロトン化され、SO3H体となる。上述のように酸処理された前記成形物(プロトン化された高分子電解質(a)を含む成形物)は、高分子電解質(a)を溶解及び/又は懸濁させ得る溶媒(樹脂との親和性が良好な溶媒)に溶解及び/又は懸濁される。
このような溶媒としては、以下に限定されるものではないが、例えば、水;エタノール、メタノール、n-プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、グリセリン等のプロトン性有機溶媒;N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドンなどの非プロトン性溶媒等が挙げられる。これらは1種を単独で、又は2種以上を併用することができる。特に、1種の溶媒を用いる場合、水単独が好ましい。また、2種以上を併用する場合、水とプロトン性有機溶媒との混合溶媒が好ましい。
The acid used for the acid treatment is not particularly limited, but mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid are preferred. By this acid treatment, the polymer electrolyte precursor is protonated into an SO 3 H body. The molded article (molded article containing the protonated polymer electrolyte (a)) acid-treated as described above is a solvent capable of dissolving and/or suspending the polymer electrolyte (a) (affinity with the resin). are dissolved and/or suspended in a solvent with good properties).
Examples of such solvents include, but are not limited to, water; ethanol, methanol, n-propanol, isopropyl alcohol, butanol, protic organic solvents such as glycerin; N,N-dimethylformamide, N , N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and other aprotic solvents. These can be used singly or in combination of two or more. In particular, when using one solvent, water alone is preferred. Moreover, when using 2 or more types together, the mixed solvent of water and a protic organic solvent is preferable.

溶解及び/又は懸濁する方法は、以下に限定されるものではないが、例えば、上述した各種溶媒中にそのまま溶解及び/又は分散させることが好ましく、大気圧下又はオートクレーブ等で密閉加圧した条件のもとで、0~250℃の温度範囲で溶解及び/又は分散させることがより好ましい。特に、溶媒としてプロトン性有機溶媒を用いる場合、水とプロトン性有機溶媒の混合比は、溶解方法、溶解条件、高分子電解質(a)の種類、総固形分濃度、溶解温度、撹拌速度等に応じて適宜選択できる。水に対するプロトン性有機溶媒の質量の比率は、水1に対してプロトン性有機溶媒0.1~10が好ましく、より好ましくは水1に対してプロトン性有機溶媒0.1~5である。 The method of dissolving and/or suspending is not limited to the following, but for example, it is preferable to dissolve and/or disperse as it is in the various solvents described above, and sealed and pressurized under atmospheric pressure or in an autoclave or the like. Under the conditions, it is more preferable to dissolve and/or disperse in a temperature range of 0 to 250°C. In particular, when using a protic organic solvent as a solvent, the mixing ratio of water and protic organic solvent depends on the dissolution method, dissolution conditions, type of polymer electrolyte (a), total solid concentration, dissolution temperature, stirring speed, etc. It can be selected as appropriate. The mass ratio of the protic organic solvent to water is preferably 0.1 to 10 parts of the protic organic solvent to 1 part of water, more preferably 0.1 to 5 parts of the protic organic solvent to 1 part of water.

なお、高分子電解質(a)の溶解・懸濁液としては、特に限定されないが、例えば、乳濁液(液体中に液体粒子がコロイド粒子あるいはそれより粗大な粒子として分散して乳状をなすもの)、懸濁液(液体中に固体粒子がコロイド粒子あるいは顕微鏡で見える程度の粒子として分散したもの)、コロイド状液体(巨大分子が分散した状態)、ミセル状液体(多数の小分子が分子間力で会合してできた親液コロイド分散系)等の1種又は2種以上が含まれる。 The solution/suspension of the polymer electrolyte (a) is not particularly limited. ), suspension (solid particles dispersed as colloidal particles or microscopically visible particles in a liquid), colloidal liquid (a state in which macromolecules are dispersed), micellar liquid (a large number of small molecules are intermolecular lyophilic colloidal dispersion system formed by force association), etc., or two or more.

高分子電解質溶液は、上述のように、本実施形態の高分子電解質膜を製造するために用いることができ、酸化ニオブ(b)を含有する。
酸化ニオブ(b)は、例えば、高分子電解質(a)の溶液に、酸化ニオブ(b)を添加する工程を経て、高分子電解質溶液中に含有させることができる。
The polymer electrolyte solution, as described above, can be used to produce the polymer electrolyte membrane of this embodiment and contains niobium oxide (b).
Niobium oxide (b) can be contained in the polymer electrolyte solution, for example, through a step of adding niobium oxide (b) to the solution of the polymer electrolyte (a).

また、高分子電解質溶液は、成形方法や用途に応じて、溶媒をさらに含んでもよい。このような溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、有機溶媒、液状の樹脂モノマー、液状の樹脂オリゴマーのうち少なくとも1種以上が挙げられる。 In addition, the polymer electrolyte solution may further contain a solvent depending on the molding method and application. Examples of such a solvent include, but are not limited to, at least one of water, organic solvents, liquid resin monomers, and liquid resin oligomers.

上記有機溶媒としては、以下に限定されるものではないが、例えば、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、オクタノール等のアルコール類;酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ-ブチロラクトン等のエステル類;ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングリコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等のアミド類が挙げられる。有機溶媒は、1種単独で用いても又は2種以上を併用してもよい。 Examples of the organic solvent include, but are not limited to, alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, octanol; ethyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, propylene glycol monomethyl ether acetate, propylene Esters such as glycol monoethyl ether acetate and γ-butyrolactone; diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether (methyl cellosolve), ethylene glycol monoethyl ether (ethyl cellosolve), ethylene glycol monobutyl ether (butyl cellosolve), diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol mono Ethers such as ethyl ether; Ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, acetylacetone, cyclohexanone; Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene; Dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methyl and amides such as pyrrolidone. An organic solvent may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

また、高分子電解質溶液は、成形方法や用途に応じて、濃縮したり、濾過したりすることが可能である。
濃縮の方法としては、以下に限定されるものではないが、例えば、加熱し、溶媒を蒸発させる方法や、減圧濃縮する方法等がある。
高分子電解質溶液を塗工用溶液として使用する場合、高分子電解質溶液の固形分率は、0.5~50質量%が好ましい。固形分率が0.5質量%以上であることにより、粘度上昇が抑制され、取り扱い性に優れる傾向にある。また、固形分率が50質量%以下であることにより、生産性が向上する傾向にある。
Moreover, the polymer electrolyte solution can be concentrated or filtered depending on the molding method and application.
The concentration method is not limited to the following, but includes, for example, a method of heating to evaporate the solvent, a method of concentrating under reduced pressure, and the like.
When the polymer electrolyte solution is used as the coating solution, the solid content of the polymer electrolyte solution is preferably 0.5 to 50% by mass. When the solid content is 0.5% by mass or more, an increase in viscosity is suppressed, and handleability tends to be excellent. Further, when the solid content is 50% by mass or less, the productivity tends to be improved.

濾過の方法としては、以下に限定されるものではないが、例えば、フィルターを用いて、加圧濾過する方法が代表的に挙げられる。
フィルターについては、90%捕集粒子径が粒子の平均粒子径の10倍~100倍の濾材を使用することが好ましい。この濾材としては紙製、金属製等が挙げられる。特に濾材が紙の場合は、90%捕集粒子径が粒子の平均粒子径の10~50倍であることが好ましい。金属製フィルターを用いる場合は、90%捕集粒子径が粒子の平均粒子径の50~100倍であることが好ましい。当該90%捕集粒子径を平均粒径の10倍以上に設定することにより、送液するときに必要な圧力が高くなりすぎることを抑制したり、フィルターが短期間で閉塞してしまうことを抑制し得る傾向にある。一方、平均粒径の100倍以下に設定することにより、フィルムで異物の原因となるような粒子の凝集物や樹脂の未溶解物を良好に除去できる傾向にある。
The method of filtration is not limited to the following, but a typical example is a method of pressure filtration using a filter.
As for the filter, it is preferable to use a filter medium whose 90% collection particle size is 10 to 100 times the average particle size of the particles. Examples of this filter medium include those made of paper and those made of metal. Particularly when the filter medium is paper, the 90% collected particle size is preferably 10 to 50 times the average particle size of the particles. When using a metal filter, the 90% collected particle size is preferably 50 to 100 times the average particle size of the particles. By setting the 90% collected particle diameter to 10 times or more of the average particle diameter, it is possible to suppress the pressure required when feeding the liquid from becoming too high and to prevent the filter from clogging in a short period of time. It tends to be controllable. On the other hand, by setting the particle size to 100 times or less of the average particle size, there is a tendency to favorably remove agglomerates of particles and undissolved resin that cause foreign matter in the film.

〔高分子電解質膜〕
本実施形態の高分子電解質膜は、上述した本実施形態の高分子電解質組成物を含む。
本実施形態の高分子電解質膜の膜厚は、1μm以上500μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上100μm以下、さらに好ましくは5μm以上50μm以下である。膜厚が1μm以上であることにより、水素と酸素とが直接反応するような不都合を低減し得るだけでなく、燃料電池製造時の取り扱い時や燃料電池運転中に差圧・歪み等が生じても、高分子電解質膜の損傷等が発生しにくい傾向にある。
一方、膜厚が500μm以下であることにより、イオン透過性が向上し、固体高分子電解質膜としての性能が向上する傾向にある。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane of the present embodiment contains the polymer electrolyte composition of the present embodiment described above.
The film thickness of the polymer electrolyte membrane of the present embodiment is preferably 1 μm or more and 500 μm or less, more preferably 2 μm or more and 100 μm or less, and still more preferably 5 μm or more and 50 μm or less. When the film thickness is 1 μm or more, it is possible not only to reduce the inconvenience of direct reaction between hydrogen and oxygen, but also to prevent differential pressure, strain, etc. from occurring during handling during fuel cell manufacturing and during fuel cell operation. Also, the polymer electrolyte membrane tends to be less likely to be damaged.
On the other hand, when the film thickness is 500 μm or less, the ion permeability tends to be improved, and the performance as a solid polymer electrolyte membrane tends to be improved.

(高分子電解質膜の製造方法)
本実施形態の高分子電解質膜の製造方法は、特に限定されるものではなく、上述した高分子電解質溶液を用いてキャスト製膜してもよいし、溶融押し出し、延伸等の工程を経ることにより成形してもよい。
溶融押し出しにより成形を行う場合、成形性の観点から、高分子電解質前駆体、酸化ニオブ(b)、必要に応じてラジカル捕捉剤(c)、チオエーテル化合物(d)の混合物を溶融混練後、押し出し成形して膜を形成し、その後、塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解することが好ましい。この加水分解処理により、上記高分子電解質前駆体は高分子電解質(a)に変換される。
(Method for producing polymer electrolyte membrane)
The method for producing the polymer electrolyte membrane of the present embodiment is not particularly limited, and the polymer electrolyte solution described above may be used to form a cast membrane, or through processes such as melt extrusion and stretching. It can be molded.
When molding is performed by melt extrusion, from the viewpoint of moldability, a mixture of a polymer electrolyte precursor, niobium oxide (b), optionally a radical scavenger (c), and a thioether compound (d) is melt-kneaded and then extruded. It is preferable to form a film by molding and then immerse it in a basic reaction liquid for hydrolysis. This hydrolysis treatment converts the polymer electrolyte precursor into the polymer electrolyte (a).

さらに、上述したように前記塩基性反応液体中で加水分解処理した後、膜を温水等で十分に水洗し、その後、酸処理を行う。
酸処理に使用する酸は、以下に限定されるものではないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸類やシュウ酸、酢酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましい。この酸処理によって高分子電解質前駆体はプロトン化され、SO3H体となる。
Further, after the hydrolysis treatment in the basic reaction liquid as described above, the membrane is sufficiently washed with warm water or the like, and then subjected to an acid treatment.
Acids used for the acid treatment are not limited to the following, but mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid are preferred. By this acid treatment, the polymer electrolyte precursor is protonated into an SO 3 H body.

また、本実施形態の高分子電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-ペルフルオロ(アルコキシビニルエーテル)共重合体(PFA)、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔体、繊維、織布、不織布等の多孔シート;シリカ、アルミナ等の無機ウィスカ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリプロピレン製の有機フィラー等で補強されていてもよい。 Further, the polymer electrolyte membrane of the present embodiment includes polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro(alkoxyvinyl ether) copolymer (PFA), Porous materials such as polyethylene and polypropylene, porous sheets such as fibers, woven fabrics and non-woven fabrics; may be reinforced with inorganic whiskers such as silica and alumina, polytetrafluoroethylene (PTFE), organic fillers such as polyethylene and polypropylene .

さらに、本実施形態の高分子電解質膜は、架橋剤や紫外線、電子線、放射線等を用いて架橋処理を施してもよい。 Further, the polymer electrolyte membrane of the present embodiment may be subjected to cross-linking treatment using a cross-linking agent, ultraviolet rays, electron beams, radiation, or the like.

本実施形態の高分子電解質膜は、成形後、熱処理を施すことが好ましい。熱処理により高分子電解質の結晶化が促進され、高分子電解質膜の機械的強度が安定化され得る。また、熱処理によりラジカル捕捉剤(c)やチオエーテル化合物(d)等の添加剤の結晶物部分と高分子電解質部分とが強固に接着され、その結果、機械的強度がより安定化される傾向にある。 The polymer electrolyte membrane of the present embodiment is preferably subjected to heat treatment after molding. The heat treatment promotes crystallization of the polymer electrolyte and can stabilize the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane. In addition, the crystal part of the additive such as the radical scavenger (c) and the thioether compound (d) and the polymer electrolyte part are strongly adhered by the heat treatment, and as a result, the mechanical strength tends to be more stabilized. be.

熱処理温度は、好ましくは120℃以上300℃以下であり、より好ましくは140℃以上250℃以下であり、さらに好ましくは160℃以上230℃以下である。熱処理温度が120℃以上であることにより、結晶物部分と高分子電解質部分との間の密着力がより向上する傾向にある。
一方、熱処理温度が300℃以下であることにより、高分子電解質膜の特性がより向上する傾向にある。
熱処理の時間は、熱処理温度にもよるが、好ましくは5分以上3時間以下であり、より好ましくは10分以上2時間以下である。
The heat treatment temperature is preferably 120° C. or higher and 300° C. or lower, more preferably 140° C. or higher and 250° C. or lower, and still more preferably 160° C. or higher and 230° C. or lower. When the heat treatment temperature is 120° C. or higher, the adhesiveness between the crystalline portion and the polymer electrolyte portion tends to be further improved.
On the other hand, when the heat treatment temperature is 300° C. or less, the properties of the polymer electrolyte membrane tend to be further improved.
The heat treatment time is preferably 5 minutes or more and 3 hours or less, more preferably 10 minutes or more and 2 hours or less, although it depends on the heat treatment temperature.

〔膜電極接合体〕
本実施形態の膜電極接合体は、上述した高分子電解質膜と電極触媒層を有する。
すなわち、本実施形態の膜電極接合体は、本実施形態の高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に配された電極触媒層と、を有する。
本実施形態の高分子電解質膜は、膜電極接合体、及び固体高分子電解質形燃料電池の構成部材として使用することができる。
高分子電解質膜の両面にアノードとカソードの2種類の電極触媒層が接合したユニットは、膜電極接合体(以下「MEA」と略称することがある)と呼ばれる。電極触媒層のさらに外側に一対のガス拡散層を対向するように接合したものについても、MEAと呼ばれる場合がある。
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly of this embodiment has the above-described polymer electrolyte membrane and electrode catalyst layer.
That is, the membrane electrode assembly of this embodiment has the polymer electrolyte membrane of this embodiment and an electrode catalyst layer disposed on the polymer electrolyte membrane.
The polymer electrolyte membrane of this embodiment can be used as a constituent member of a membrane electrode assembly and a solid polymer electrolyte fuel cell.
A unit in which two types of electrode catalyst layers, an anode and a cathode, are bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes abbreviated as "MEA"). A device in which a pair of gas diffusion layers are joined to the outside of the electrode catalyst layer so as to face each other is also sometimes called an MEA.

(電極触媒層)
本実施形態の電極触媒層は、前記膜電極接合体を構成する。電極触媒層としては、MEAに使用されている公知の電極触媒層を適用することができる。
電極触媒層は、上述した本実施形態の高分子電解質組成物を含むことが好ましい。すなわち、本実施形態の膜電極接合体においては、電極触媒層が、高分子電解質(a)と、平均粒子径が0.050μm超5.0μm以下である酸化ニオブ(b)と、を含むことが好ましい。
本実施形態の電極触媒層は、高分子電解質組成物と、必要に応じて触媒金属の微粒子とこれを担持した導電剤とを含むものとすることができる。また、必要に応じて撥水剤を含んでいてもよい。電極触媒層に使用される触媒金属としては、特に限定されず、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればよく、以下に限定されるものではないが、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、及びこれらの合金等が挙げられる。これらの中では、主として白金が好ましく用いられる。
(electrode catalyst layer)
The electrode catalyst layer of this embodiment constitutes the membrane electrode assembly. As the electrode catalyst layer, a known electrode catalyst layer used for MEA can be applied.
The electrode catalyst layer preferably contains the polymer electrolyte composition of the present embodiment described above. That is, in the membrane electrode assembly of the present embodiment, the electrode catalyst layer contains a polymer electrolyte (a) and niobium oxide (b) having an average particle size of more than 0.050 μm and 5.0 μm or less. is preferred.
The electrode catalyst layer of the present embodiment may contain a polymer electrolyte composition, and, if necessary, fine particles of a catalyst metal and a conductive agent supporting the fine particles of the catalyst metal. Moreover, a water-repellent agent may be included as necessary. The catalyst metal used in the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it is a metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, and is not limited to the following. , silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, and alloys thereof. Among these, platinum is mainly preferably used.

本実施形態の膜電極接合体(MEA)の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、次のような方法が行われる。
まず、電極触媒層用のバインダーイオン交換樹脂をアルコールと水の混合溶液に溶解したものに、触媒金属である白金担持カーボンを分散させてペースト状にする。これをPTFEシートに一定量塗布して乾燥させる。次に、前記PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に上述した高分子電解質膜を挟み込み、100℃~200℃で熱プレスにより転写接合して、膜電極接合体(MEA)を得ることができる。
電極触媒層用のバインダーイオン交換樹脂としては、一般にイオン交換樹脂を溶媒(アルコールや水等)に溶解したものが使用されるが、本実施形態の膜電極接合体を製造する場合には、燃料電池運転時の耐久性の観点から、本実施形態の高分子電解質膜の製造に用いることができる、上述した高分子電解質(a)と酸化ニオブ(b)を含む高分子電解質組成物を使用する。
The method for manufacturing the membrane electrode assembly (MEA) of this embodiment is not particularly limited, but for example, the following method is performed.
First, a binder ion-exchange resin for an electrode catalyst layer is dissolved in a mixed solution of alcohol and water, and platinum-carrying carbon, which is a catalyst metal, is dispersed to form a paste. A certain amount of this is applied to a PTFE sheet and dried. Next, with the coating surfaces of the PTFE sheets facing each other, the polymer electrolyte membrane described above is sandwiched between them, and the sheets are transferred and joined by hot pressing at 100° C. to 200° C. to obtain a membrane electrode assembly (MEA). can be done.
As the binder ion-exchange resin for the electrode catalyst layer, an ion-exchange resin dissolved in a solvent (alcohol, water, etc.) is generally used. From the viewpoint of durability during battery operation, a polymer electrolyte composition containing the polymer electrolyte (a) and niobium oxide (b) described above, which can be used in the production of the polymer electrolyte membrane of the present embodiment, is used. .

〔固体高分子電解質形燃料電池〕
本実施形態の固体高分子電解質形燃料電池は、上述した本実施形態の膜電極接合体(MEA)を具備する。
上述したMEA、当該MEAにさらに一対のガス拡散電極が対向して配置された構造のMEAは、さらにまたバイポーラプレートやバッキングプレート等の一般的な固体高分子電解質形燃料電池に用いられる構成部材と組み合わされて、固体高分子電解質形燃料電池を構成することができる。
[Polymer electrolyte fuel cell]
The solid polymer electrolyte fuel cell of this embodiment includes the membrane electrode assembly (MEA) of this embodiment described above.
The MEA described above, and the MEA having a structure in which a pair of gas diffusion electrodes are arranged to face the MEA, can also be used as a structural member such as a bipolar plate or a backing plate, which is generally used in solid polymer electrolyte fuel cells. They can be combined to form a solid polymer electrolyte fuel cell.

バイポーラプレートとは、その表面に燃料や酸化剤等のガスを流すための溝を形成させたグラファイトと樹脂との複合材料、又は金属製のプレート等を意味する。バイポーラプレートは、電子を外部負荷回路へ伝達する機能の他、燃料や酸化剤を電極触媒近傍に供給する流路としての機能を持っている。こうしたバイポーラプレートの間に、本実施形態のMEAを挿入して複数積み重ねることにより、本実施形態の固体高分子電解質形燃料電池が製造できる。 A bipolar plate means a composite material of graphite and resin, a metal plate, or the like, on the surface of which grooves are formed for allowing gases such as fuel and oxidant to flow. The bipolar plate has a function of transmitting electrons to an external load circuit and also a function of a flow path for supplying fuel and oxidant to the vicinity of the electrode catalyst. By inserting the MEA of this embodiment between these bipolar plates and stacking a plurality of them, the solid polymer electrolyte fuel cell of this embodiment can be manufactured.

以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて本発明について具体的に説明するが、本実施形態は後述する実施例に限定されるものではない。
実施例及び比較例における各種物性の測定方法及び特性の評価方法は、以下の通りである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to the examples described later.
Methods for measuring various physical properties and evaluating properties in Examples and Comparative Examples are as follows.

〔物性の測定方法〕
(平均粒子径、累積通過積分値の測定)
高分子電解質組成物中の金属化合物の微粒子の体積平均粒子径を、(株)堀場製作所製レーザー回折・散乱式粒度測定機LA-950を用いて測定した。
なお前処理として、粒子分散液を600Wにて1分間超音波処理を行い測定した。
マイクロトラック法によるレーザーの散乱光を解析して得られる体積平均粒子径を、金属化合物の微粒子の平均粒子径とした。
同様に、マイクロトラック法によるレーザーの散乱光を解析して得られる累積通過積分値を、金属化合物の微粒子の累積通過積分値とした。これにより、全体に対する、粒子径0.05μm超5.0μm以下の領域における通過積分値の割合(%)を算出した。
[Measurement method of physical properties]
(Measurement of average particle size and cumulative transit integral value)
The volume average particle size of the fine particles of the metal compound in the polymer electrolyte composition was measured using a laser diffraction/scattering particle size analyzer LA-950 manufactured by Horiba, Ltd.
As a pretreatment, the particle dispersion was subjected to ultrasonic treatment at 600 W for 1 minute for measurement.
The volume average particle size obtained by analyzing the scattered light of the laser by the microtrack method was used as the average particle size of the fine particles of the metal compound.
Similarly, the cumulative pass integral value obtained by analyzing the scattered light of the laser by the microtrack method was used as the cumulative pass integral value of the fine particles of the metal compound. As a result, the ratio (%) of the passing integral value in the region with a particle diameter of more than 0.05 μm and 5.0 μm or less to the whole was calculated.

(耐久性試験:発電・OCVサイクル試験)
高温低加湿条件下における高分子電解質膜の耐久性を加速的に評価するため、以下のような手順で、発電、OCVサイクルによる加速試験を実施した。
なお、「OCV」とは、開回路電圧(Open Circuit Voltage)を意味する。
後述のようにして作製した燃料電池単セルを評価装置(東陽テクニカ製燃料電池評価システム890CL)にセットして、発電3時間、OCV3時間のサイクルによる耐久性試験を実施した。
(Durability test: power generation/OCV cycle test)
In order to accelerate the evaluation of the durability of the polymer electrolyte membrane under high-temperature and low-humidity conditions, an accelerated test by power generation and OCV cycle was performed in the following procedure.
In addition, "OCV" means an open circuit voltage (Open Circuit Voltage).
A fuel cell single cell fabricated as described below was set in an evaluation device (Toyo Technica fuel cell evaluation system 890CL), and a durability test was conducted with a cycle of 3 hours of power generation and 3 hours of OCV.

発電の試験条件は、セル温度90℃、加湿ボトル61℃(相対湿度30%RH)とし、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを、それぞれ0.3A/cm2でのガス利用率が75%、55%となるよう供給する条件とした。また、アノード側とカソード側の両方を無加圧(大気圧)とした。 The test conditions for power generation were a cell temperature of 90° C and a humidification bottle of 61°C (relative humidity of 30% RH). The supply conditions were set to 75% and 55%. Moreover, both the anode side and the cathode side were set to no pressure (atmospheric pressure).

OCVの試験条件に関しては、セル温度、加湿ボトル温度、供給ガス、圧力は、発電の試験条件と同様とした。 Regarding the OCV test conditions, the cell temperature, humidification bottle temperature, supply gas, and pressure were the same as those for the power generation test conditions.

<劣化判定>
試験時間0時間(L0)から100時間毎に水素のリーク電流を測定した。試験開始から500時間後(L500)の水素のリーク電流とL0の差(L500-L0)を算出することで劣化判定を行った。
L500-L0が小さい程良好な耐久性を有すると判断した。
なお、水素リーク電流が10mA/cm2以上となった場合、試験時間が500時間に満たなくとも破膜と判断し試験を中止した。
<Deterioration judgment>
The leakage current of hydrogen was measured every 100 hours from the test time 0 hour (L0). Degradation was determined by calculating the difference (L500-L0) between the hydrogen leak current and L0 after 500 hours (L500) from the start of the test.
It was judged that the smaller the L500-L0, the better the durability.
When the hydrogen leakage current was 10 mA/cm 2 or more, the test was stopped, even if the test time was less than 500 hours, as it was judged to be membrane rupture.

水素のリーク電流は、セル温度、加湿ボトルの温度を発電の試験条件と同様にして、無加圧の条件でアノードに水素ガス、カソードに窒素ガスをそれぞれ200cc/min導入することで実施した。
測定にはポテンショガルバノスタット(製品名:ソーラートロン1280B、東陽テクニカ社製)を用い、0.4Vを5分間保持し、5分後の電流値を電極面積で割ることで算出した。
Hydrogen leak current was measured by introducing 200 cc/min of hydrogen gas into the anode and nitrogen gas into the cathode under no pressure conditions, with the same cell temperature and humidifying bottle temperature as the test conditions for power generation.
A potentiogalvanostat (product name: Solartron 1280B, manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) was used for the measurement, 0.4 V was maintained for 5 minutes, and the current value after 5 minutes was calculated by dividing by the electrode area.

<触媒の溶出>
触媒の溶出は、発電時に生じる廃液中の金属イオン濃度を、以下の条件のICP-AESによって測定し、運転開始直後と終了時のイオン濃度を比較することにより、流出の有無を判定した。
<Elution of catalyst>
Elution of the catalyst was determined by measuring the metal ion concentration in the waste liquid generated during power generation by ICP-AES under the following conditions, and comparing the ion concentration immediately after the start of operation and at the end of operation to determine the presence or absence of outflow.

[酸化ニオブ、フッ化ニオブの溶出試験]
酸化ニオブ、又はフッ化ニオブを含有する実施例及び比較例の高分子電解質膜からの、酸化ニオブ又はフッ化ニオブの溶出の有無を、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP-AES装置)(SII(エスアイアイ)製 SPS3520UV-DD)を用い、発電運転開始直後と、終了後の廃液中に含まれるNb量を定量することにより評価した。
ICP発光分光分析用ニオブ標準液(1000mg/L)に、フッ酸含有の1%硝酸水溶液を添加し、0mg/L、1mg/L、10mg/L、50mg/Lの検量線作成用試料を調製し、ICP-AESにて、下記条件下でNb量を測定して、検量線を作成した。
測定試料は、廃液5mLに1%硝酸水溶液45mLを加えることで調製した。
測定試料についても、同条件下ICP-AESにて測定し、検量線から廃液中のNbを算出した。
Nb量が未検出、又は1質量ppm以下の場合は、触媒の溶出は無しと判断し、1質量ppm超の場合は、触媒が流出していると判断した。
(条件)
高周波パワー:1.2kW
プラズマガス(Ar)流量:16L/min
補助ガス(Ar)流量:0.5L/mn
キャリヤーガス(Ar)圧力0.24Mpa
キャリヤーガス(Ar)流量:0.3/min
測光高さ:12mm
Nb測定波長:316.431nm、R分光器
[Elution test of niobium oxide and niobium fluoride]
The presence or absence of elution of niobium oxide or niobium fluoride from the polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples containing niobium oxide or niobium fluoride was measured using a high frequency inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES device) ( Using SII (SII) SPS3520UV-DD), evaluation was made by quantifying the amount of Nb contained in the waste liquid immediately after the start of the power generation operation and after the end.
Add 1% nitric acid aqueous solution containing hydrofluoric acid to the niobium standard solution for ICP emission spectrometry (1000 mg/L) to prepare samples for creating calibration curves of 0 mg/L, 1 mg/L, 10 mg/L, and 50 mg/L. Then, by ICP-AES, the amount of Nb was measured under the following conditions to create a calibration curve.
A measurement sample was prepared by adding 45 mL of a 1% nitric acid aqueous solution to 5 mL of the waste liquid.
The measurement sample was also measured by ICP-AES under the same conditions, and Nb in the waste liquid was calculated from the calibration curve.
When the amount of Nb was not detected or was 1 ppm by mass or less, it was determined that there was no elution of the catalyst, and when it was over 1 ppm by mass, it was determined that the catalyst was outflowing.
(conditions)
RF power: 1.2kW
Plasma gas (Ar) flow rate: 16 L/min
Auxiliary gas (Ar) flow rate: 0.5 L/mn
Carrier gas (Ar) pressure 0.24 Mpa
Carrier gas (Ar) flow rate: 0.3/min
Photometric height: 12mm
Nb measurement wavelength: 316.431 nm, R spectrometer

[酸化セリウム、硝酸セリウムの溶出試験]
上述した酸化ニオブ、フッ化ニオブの溶出試験と同様に、酸化セリウム又は硝酸セリウムを含有する比較例の高分子電解質膜からの、酸化セリウム又は硝酸セリウムの溶出有無を評価した。
ICP発光分光分析用セリウム標準液(1000mg/L)に、1%硝酸水溶液を添加し、0mg/L、1mg/L、10mg/L、50mg/Lの,検量線作成用試料を調製し、ICP-AESにて下記条件下でCe量を測定して、検量線を作成した。
測定試料は、発電運転開始直後と、終了後の廃液5mLに1%硝酸水溶液45mLを加えることで調製した。
測定試料についても、同条件下ICP-AESにて測定し、検量線から廃液中のCe量を算出した。
Ce量が未検出又は1質量ppm以下の場合は、触媒の溶出は無しと判断し、1質量ppm超の場合は、触媒が流出していると判断した。
(条件)
高周波パワー:1.2kW
プラズマガス(Ar)流量:16L/min
補助ガス(Ar)流量0.5L/mn
キャリヤーガス(Ar)圧力0.24MPa
キャリヤーガス(Ar)流量:0.3L/min
測光高さ:12mm
Ce測定波長:413.765nm、L分光器
[Elution test of cerium oxide and cerium nitrate]
In the same manner as the niobium oxide and niobium fluoride elution tests described above, the presence or absence of cerium oxide or cerium nitrate elution from the polymer electrolyte membrane of the comparative example containing cerium oxide or cerium nitrate was evaluated.
A 1% nitric acid aqueous solution was added to the cerium standard solution for ICP emission spectrometry (1000 mg/L) to prepare 0 mg/L, 1 mg/L, 10 mg/L, and 50 mg/L samples for creating a calibration curve, and ICP - The amount of Ce was measured by AES under the following conditions to create a calibration curve.
Measurement samples were prepared by adding 45 mL of a 1% nitric acid aqueous solution to 5 mL of the waste liquid immediately after the start of the power generation operation and after the end of the power generation operation.
The measurement sample was also measured by ICP-AES under the same conditions, and the amount of Ce in the waste liquid was calculated from the calibration curve.
When the amount of Ce was not detected or was 1 mass ppm or less, it was determined that the catalyst was not eluted, and when it exceeded 1 mass ppm, it was determined that the catalyst had flowed out.
(conditions)
RF power: 1.2kW
Plasma gas (Ar) flow rate: 16 L/min
Auxiliary gas (Ar) flow rate 0.5 L/mn
Carrier gas (Ar) pressure 0.24 MPa
Carrier gas (Ar) flow rate: 0.3 L/min
Photometric height: 12mm
Ce measurement wavelength: 413.765 nm, L spectrometer

<添加触媒凝集>
添加触媒凝集は、各粒子分散液と高分子電解質溶液における粒度分布において、粒子径5.0μm以上の通過積分が増加している場合、凝集していると判断した。
<Additional catalyst aggregation>
Aggregation of the added catalyst was judged to be aggregation when the passage integral of particles with a diameter of 5.0 μm or more increased in the particle size distribution of each particle dispersion and polymer electrolyte solution.

〔実施例1〕
(高分子電解質組成物の調製)
ポリ容器中のPFSA(パーフルオロスルホン酸樹脂)分散溶液(アクイヴィオン分散溶液、Sigma-Aldrich社製;PFSA含有量:25質量%、含水量:75質量%)A1:100gに対し、マグネティックスターラーで撹拌しながら1-プロパノール40gを投入し、均一になるまで撹拌した後、23℃で24時間撹拌し、透明で隠逸な高分子電解質溶液B1を得た。
[Example 1]
(Preparation of polymer electrolyte composition)
PFSA (perfluorosulfonic acid resin) dispersion solution in a plastic container (Aquivion dispersion solution, manufactured by Sigma-Aldrich; PFSA content: 25% by mass, water content: 75% by mass) A1: 100 g is stirred with a magnetic stirrer. 40 g of 1-propanol was added while stirring, and after stirring until uniform, the mixture was stirred at 23° C. for 24 hours to obtain a transparent and transparent polymer electrolyte solution B1.

所定のポリ容器中の二酸化ニオブ(高純度化学研究所製)100gに対し、イオン交換水900gを加えて二酸化ニオブ粗粒子液G1を調製した。この二酸化ニオブ粗粒子の体積平均粒子径は17.23μmであった。 A niobium dioxide coarse particle liquid G1 was prepared by adding 900 g of ion-exchanged water to 100 g of niobium dioxide (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory) in a predetermined plastic container. The volume average particle size of the niobium dioxide coarse particles was 17.23 μm.

前記二酸化ニオブ粗粒子液G1を、ビーズミル(アシザワファインテック株式会社製、ラボスターLMZ06)にて0.5mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、二酸化ニオブ粒子分散液H1を得た。得られた二酸化ニオブ粒子分散液H1中の二酸化ニオブ微粒子の体積平均粒子径は3.13μmであった。 The niobium dioxide coarse particle liquid G1 was treated with 0.5 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill (Labostar LMZ06, manufactured by Ashizawa Fine Tech Co., Ltd.) for 60 minutes to obtain a niobium dioxide particle dispersion liquid H1. The volume average particle diameter of the niobium dioxide fine particles in the obtained niobium dioxide particle dispersion H1 was 3.13 μm.

前記二酸化ニオブ粗粒子液H1を、ビーズミル(アシザワファインテック株式会社製、ラボスターLMZ06)にて0.1mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、二酸化ニオブ粒子分散液I1を得た。得られた二酸化ニオブ粒子分散液H1中の二酸化ニオブ微粒子の体積平均粒子径は0.13μmであった。 The niobium dioxide coarse particle liquid H1 was treated with 0.1 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill (Labostar LMZ06, manufactured by Ashizawa Fine Tech Co., Ltd.) for 60 minutes to obtain a niobium dioxide particle dispersion liquid I1. The volume average particle diameter of the niobium dioxide fine particles in the obtained niobium dioxide particle dispersion H1 was 0.13 μm.

500mLのポリ容器中の、前記高分子電解質溶液B1:100gに対し、上記で得られた二酸化ニオブ粒子分散液I1を、PFSA/二酸化ニオブ微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入した後、均一になるまで撹拌し、二酸化ニオブ粒子を含む高分子電解質組成物の溶液J1を得た。 The niobium dioxide particle dispersion liquid I1 obtained above was added to 100 g of the polymer electrolyte solution B1 in a 500 mL plastic container so that PFSA/niobium dioxide fine particles = 99/1 (mass ratio). After the mixture was added while stirring with a stirrer, it was stirred until uniform to obtain a solution J1 of a polymer electrolyte composition containing niobium dioxide particles.

(高分子電解質膜の作製)
高分子電解質組成物の溶液J1を、バーコーター(松尾産業社製、バーNo.200、WET膜厚300μm)を用いて、基材フィルムとしてカプトン(登録商標)フィルム(東レ・デュポン社製250mm×600mm)上に塗布した後(塗布面積:幅約200mm×長さ約500mm)、120℃のオーブンで30分乾燥させた。
このようにして得られた膜を、さらに200℃のオーブンで30分熱処理をし、膜厚約25μmの、高分子電解質膜C1を得た。
(Preparation of polymer electrolyte membrane)
Solution J1 of the polymer electrolyte composition was coated with a Kapton (registered trademark) film (250 mm × 600 mm) (application area: about 200 mm wide x about 500 mm long), and dried in an oven at 120°C for 30 minutes.
The membrane thus obtained was further heat-treated in an oven at 200° C. for 30 minutes to obtain a polymer electrolyte membrane C1 with a thickness of about 25 μm.

(電極触媒インクの調製)
25質量%のPFSA分散溶液(アクイヴィオン分散溶液、Sigma-Aldrich社製、質量等量(EW)720;PFSA含有量:25質量%、含水量:75質量%)、電極触媒(TEC10E40E、田中貴金属販売社製、白金担持量36.7質量%)を、白金/パーフルオロスルホン酸ポリマーが1/1.15(質量)となるように配合した。次に、固形分(電極触媒とパーフルオロスルホン酸ポリマーの和)が11質量%となるようにエタノールを加え、ホモジナイザー(アズワン社製)により回転数が3,000rpmで10分間、撹拌することで電極触媒インクDを得た。
(Preparation of electrode catalyst ink)
25% by mass PFSA dispersion solution (Aquivion dispersion solution, manufactured by Sigma-Aldrich, mass equivalent (EW) 720; PFSA content: 25% by mass, water content: 75% by mass), electrode catalyst (TEC10E40E, Tanaka Kikinzoku Sales 36.7% by mass of platinum supported) was blended so that the ratio of platinum/perfluorosulfonic acid polymer was 1/1.15 (by mass). Next, ethanol was added so that the solid content (the sum of the electrode catalyst and the perfluorosulfonic acid polymer) was 11% by mass, and the mixture was stirred with a homogenizer (manufactured by AS ONE) at 3,000 rpm for 10 minutes. An electrode catalyst ink D was obtained.

(膜電極接合体(MEA)の作製)
自動スクリーン印刷機(製品名:LS-150、ニューロング精密工業株式会社製)を用い、上記のようにして製造した高分子電解質膜C1の両面に、前記電極触媒インクDを白金量がアノード側0.2mg/cm2、カソード側0.3mg/cm2となるように塗布し、140℃、5分の条件で乾燥・固化させることで、膜・電極接合体(MEA)E1を得た。
(Production of membrane electrode assembly (MEA))
Using an automatic screen printer (product name: LS-150, manufactured by Newlong Seimitsu Kogyo Co., Ltd.), the electrode catalyst ink D is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane C1 produced as described above so that the platinum amount is on the anode side. It was applied so as to be 0.2 mg/cm 2 and 0.3 mg/cm 2 on the cathode side, dried and solidified at 140° C. for 5 minutes to obtain a membrane electrode assembly (MEA) E1.

(燃料電池単セルの作製)
前記MEAの両極にガス拡散層(製品名:GDL35BC、MFCテクノロジー社製)を重ね、次いでガスケット、バイポーラプレート、バッキングプレートを重ねることで燃料電池単セルF1を得た。
(Production of single fuel cell)
A gas diffusion layer (product name: GDL35BC, manufactured by MFC Technology) was layered on both electrodes of the MEA, and then a gasket, a bipolar plate, and a backing plate were layered to obtain a single fuel cell F1.

高分子電解質膜:C1、MEA:E1、燃料電池セル:F1について、各種評価の結果を表1に示す。 Table 1 shows the results of various evaluations for polymer electrolyte membrane: C1, MEA: E1, and fuel cell: F1.

〔実施例2〕
PFSA/二酸化ニオブ微粒子=98/2(質量比)となるように、高分子電解質溶液B1と二酸化ニオブ微粒子分散液I1から、高分子電解質組成物の溶液J2を調製した。
その他の条件は実施例1と同様に実施し、高分子電解質膜:C2、MEA:E2、燃料電池セル:F2を得た。各種評価の結果を表1に示す。
[Example 2]
Solution J2 of a polymer electrolyte composition was prepared from polymer electrolyte solution B1 and niobium dioxide fine particle dispersion liquid I1 so that PFSA/niobium dioxide fine particles=98/2 (mass ratio).
Other conditions were the same as in Example 1 to obtain polymer electrolyte membrane: C2, MEA: E2, and fuel cell: F2. Table 1 shows the results of various evaluations.

〔実施例3〕
ポリ容器中の五酸化ニオブ(高純度化学研究所製)100gに対し、イオン交換水900gを加えて五酸化ニオブ粗粒子液G2を調製した。
この五酸化ニオブ粗粒子の体積平均粒径は5.17μmであった。
前記五酸化ニオブ粗粒子液G2を、ビーズミル(アシザワファインテック株式会社製、ラボスターLMZ06)にて0.5mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、五酸化ニオブ粒子分散液H2を得た。得られた五酸化ニオブ粒子分散液H2中の五酸化ニオブ微粒子の体積平均粒子径は3.22μmであった。
前記二酸化ニオブ分散液H2を、同様にビーズミルにて0.1mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、五酸化ニオブ粒子分散液I2を得た。得られた五酸化ニオブ粒子分散液I2中の五酸化ニオブ粒子の体積平均粒子径は0.15μmであった。
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、上記で得られた五酸化ニオブ微粒子分散液I2を、PFSA/五酸化ニオブ微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入した後、均一になるまで撹拌し、五酸化ニオブ微粒子を含む高分子電解質組成物の溶液J3を調製した。
さらに上記手法に従い、高分子電解質膜:C3、MEA:E3、燃料電池セル:F3を得た。各種評価の結果を表1に示す。
[Example 3]
900 g of deionized water was added to 100 g of niobium pentoxide (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory) in a plastic container to prepare niobium pentoxide coarse particle liquid G2.
The volume average particle size of the niobium pentoxide coarse particles was 5.17 μm.
The niobium pentoxide coarse particle liquid G2 was treated with 0.5 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill (Labostar LMZ06, manufactured by Ashizawa Fine Tech Co., Ltd.) for 60 minutes to obtain a niobium pentoxide particle dispersion liquid H2. . The volume average particle size of the niobium pentoxide fine particles in the obtained niobium pentoxide particle dispersion H2 was 3.22 μm.
The niobium dioxide dispersion H2 was similarly treated with 0.1 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill for 60 minutes to obtain a niobium pentoxide particle dispersion I2. The volume average particle diameter of the niobium pentoxide particles in the obtained niobium pentoxide particle dispersion liquid I2 was 0.15 μm.
The niobium pentoxide fine particle dispersion I2 obtained above was added to 100 g of PFSA dispersion B1 in a 500 mL plastic container with a magnetic stirrer so that PFSA/niobium pentoxide fine particles = 99/1 (mass ratio). After the ingredients were added while stirring, they were stirred until uniform, to prepare a solution J3 of a polymer electrolyte composition containing niobium pentoxide microparticles.
Furthermore, polymer electrolyte membrane: C3, MEA: E3, and fuel cell: F3 were obtained according to the above method. Table 1 shows the results of various evaluations.

〔実施例4〕
PFSA/五酸化ニオブ微粒子=98/2(質量比)となるように、高分子電解質溶液B1と五酸化ニオブ粒子分散液I2から高分子電解質組成物の溶液J4を調製した。
その他の条件は、実施例3と同様に実施し、高分子電解質膜:C4、MEA:E4、燃料電池セル:F4を得た。各種評価の結果を表1に示す。
[Example 4]
Solution J4 of a polymer electrolyte composition was prepared from polymer electrolyte solution B1 and niobium pentoxide particle dispersion liquid I2 so that PFSA/niobium pentoxide fine particles=98/2 (mass ratio).
Other conditions were the same as in Example 3 to obtain polymer electrolyte membrane: C4, MEA: E4, and fuel cell: F4. Table 1 shows the results of various evaluations.

〔実施例5〕
PFSA/二酸化ニオブ微粒子/五酸化ニオブ微粒子=99/0.5/0.5(質量比)となるように、高分子電解質溶液B1、二酸化ニオブ微粒子I1、及び五酸化ニオブ粒子分散液I2から、高分子電解質組成物の溶液J5を調製した。
その他の条件は、実施例1と同様に実施し、高分子電解質膜:C5、MEA:E5、燃料電池セル:F5を得た。各種評価の結果を表1に示す。
[Example 5]
From polymer electrolyte solution B1, niobium dioxide fine particles I1, and niobium pentoxide particle dispersion I2, so that PFSA/niobium dioxide fine particles/niobium pentoxide fine particles=99/0.5/0.5 (mass ratio), A solution J5 of a polyelectrolyte composition was prepared.
Other conditions were the same as in Example 1 to obtain polymer electrolyte membrane: C5, MEA: E5, and fuel cell: F5. Table 1 shows the results of various evaluations.

〔実施例6〕
PFSA/二酸化ニオブ微粒子/五酸化ニオブ微粒子=98/1/1(質量比)となるように、高分子電解質溶液B1、二酸化ニオブ粒子分散液I1、及び五酸化ニオブ粒子分散液I2から、高分子電解質組成物の溶液J6を調製した。
その他の条件は、実施例3と同様に実施し、高分子電解質膜:C6、MEA:E6、燃料電池セル:F6を得た。各種評価の結果を表1に示す。
[Example 6]
Polymer electrolyte solution B1, niobium dioxide particle dispersion I1, and niobium pentoxide particle dispersion I2 were added so that PFSA/niobium dioxide fine particles/niobium pentoxide fine particles=98/1/1 (mass ratio). A solution J6 of electrolyte composition was prepared.
Other conditions were the same as in Example 3 to obtain polymer electrolyte membrane: C6, MEA: E6, and fuel cell: F6. Table 1 shows the results of various evaluations.

〔実施例7〕
PFSA/二酸化ニオブ微粒子=99/1(質量比)となるように、高分子電解質溶液B1と、二酸化ニオブ粒子分散液H1から、高分子電解質組成物の溶液J7を調製した。
その他の条件は、実施例1と同様に実施し、高分子電解質膜:C7、MEA:E7、燃料電池セル:F7を得た。各種評価の結果を表2に示す。
[Example 7]
Solution J7 of a polymer electrolyte composition was prepared from polymer electrolyte solution B1 and niobium dioxide particle dispersion H1 so that PFSA/niobium dioxide fine particles=99/1 (mass ratio).
Other conditions were the same as in Example 1 to obtain polymer electrolyte membrane: C7, MEA: E7, and fuel cell: F7. Table 2 shows the results of various evaluations.

〔実施例8〕
PFSA/五酸化ニオブ粒子=99/1(質量比)となるように、高分子電解質溶液B1と五酸化ニオブ粒子分散液H2から、高分子電解質組成物の溶液J8を調製した。
その他の条件は、実施例3と同様に実施し、高分子電解質膜:C8、MEA:E8、燃料電池セル:F8を得た。各種評価の結果を表2に示す。
[Example 8]
Solution J8 of a polymer electrolyte composition was prepared from polymer electrolyte solution B1 and niobium pentoxide particle dispersion liquid H2 so that PFSA/niobium pentoxide particles=99/1 (mass ratio).
Other conditions were the same as in Example 3 to obtain polymer electrolyte membrane: C8, MEA: E8, and fuel cell: F8. Table 2 shows the results of various evaluations.

〔実施例9〕
高分子電解質溶液として、ナフィオン分散液(Sigma-Aldrich社製、質量等量(EW)950;PFSA含有量:20質量%、含水量:36質量%、含1-プロパノール量:44質量%)B2を用いた。
その他の条件は、実施例1と同様に実施し、高分子電解質膜:C9、MEA:E9、燃料電池セル:F9を得た。各種評価の結果を表2に示す。
[Example 9]
As the polymer electrolyte solution, Nafion dispersion (manufactured by Sigma-Aldrich, mass equivalent (EW) 950; PFSA content: 20% by mass, water content: 36% by mass, 1-propanol content: 44% by mass) B2 was used.
Other conditions were the same as in Example 1 to obtain polymer electrolyte membrane: C9, MEA: E9, and fuel cell: F9. Table 2 shows the results of various evaluations.

〔実施例10〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例2と同様に実施し、高分子電解質膜:C10、MEA:E10、燃料電池セル:F10を得た。各種評価の結果を表2に示す。
[Example 10]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 2 to obtain polymer electrolyte membrane: C10, MEA: E10, and fuel cell: F10. Table 2 shows the results of various evaluations.

〔実施例11〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例3と同様に実施し、高分子電解質膜:C11、MEA:E11、燃料電池セル:F11を得た。各種評価の結果を表2に示す。
[Example 11]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 3 to obtain polymer electrolyte membrane: C11, MEA: E11, and fuel cell: F11. Table 2 shows the results of various evaluations.

〔実施例12〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例4と同様に実施し、高分子電解質膜:C12、MEA:E12、燃料電池セル:F12を得た。各種評価の結果を表2に示す。
[Example 12]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 4 to obtain polymer electrolyte membrane: C12, MEA: E12, and fuel cell: F12. Table 2 shows the results of various evaluations.

〔実施例13〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例5と同様に実施し、高分子電解質膜:C13、MEA:E13、燃料電池セル:F13を得た。各種評価の結果を表3に示す。
[Example 13]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 5 to obtain polymer electrolyte membrane: C13, MEA: E13, and fuel cell: F13. Table 3 shows the results of various evaluations.

〔実施例14〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例6と同様に実施し、高分子電解質膜:C14、MEA:E14、燃料電池セル:F14を得た。各種評価の結果を表3に示す。
[Example 14]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 6 to obtain polymer electrolyte membrane: C14, MEA: E14, and fuel cell: F14. Table 3 shows the results of various evaluations.

〔実施例15〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例7と同様に実施し、高分子電解質膜:C15、MEA:E15、燃料電池セル:F15を得た。各種評価の結果を表3に示す。
[Example 15]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 7 to obtain polymer electrolyte membrane: C15, MEA: E15, and fuel cell: F15. Table 3 shows the results of various evaluations.

〔実施例16〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、実施例6と同様に実施し、高分子電解質膜:C16、MEA:E16、燃料電池セル:F16を得た。各種評価の結果を表3に示す。
[Example 16]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Example 6 to obtain polymer electrolyte membrane: C16, MEA: E16, and fuel cell: F16. Table 3 shows the results of various evaluations.

〔比較例1〕
高分子電解質溶液としてB1を用いて、上記に従い高分子電解質膜C17を作製し、MEA:E17、燃料電池セル:F17を得た。各種評価の結果を表4に示す。
[Comparative Example 1]
Using B1 as the polymer electrolyte solution, a polymer electrolyte membrane C17 was produced according to the above procedure to obtain MEA: E17 and fuel cell: F17. Table 4 shows the results of various evaluations.

〔比較例2〕
前記二酸化ニオブ粗粒子液G1を、ビーズミル(アシザワファインテック株式会社製、ラボスターLMZ06)にて0.5mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて30分処理したところ、二酸化ニオブ粒子分散液H18を得た。得られたH18中の二酸化ニオブ微粒子の体積平均粒径は5.12μmであった。
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、上記で得られた二酸化ニオブ微粒子分散液H18を、PFSA/二酸化ニオブ微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入した後、均一になるまで撹拌し、二酸化ニオブ微粒子を含む高分子電解質組成物の溶液J18を得た。
上記手法に従い、高分子電解質膜:C18、MEA:E18、燃料電池セル:F18を得た。各種評価の結果を表4に示す。
[Comparative Example 2]
The niobium dioxide coarse particle liquid G1 was treated with 0.5 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill (Labostar LMZ06, manufactured by Ashizawa Fine Tech Co., Ltd.) for 30 minutes to obtain a niobium dioxide particle dispersion liquid H18. The volume average particle diameter of the niobium dioxide fine particles in the obtained H18 was 5.12 μm.
The niobium dioxide fine particle dispersion H18 obtained above was added to 100 g of PFSA dispersion B1 in a 500 mL plastic container and stirred with a magnetic stirrer so that PFSA/niobium dioxide fine particles = 99/1 (mass ratio). Then, the mixture was stirred until uniform to obtain a solution J18 of a polymer electrolyte composition containing niobium dioxide fine particles.
Polymer electrolyte membrane: C18, MEA: E18, and fuel cell: F18 were obtained according to the above method. Table 4 shows the results of various evaluations.

〔比較例3〕
粒子分散液として、I1に替えてG2を用いた。
その他の条件は実施例1と同様に実施し、高分子電解質膜:C19、MEA:E19、燃料電池セル:F19を得た。各種評価の結果を表4に示す。
[Comparative Example 3]
As the particle dispersion liquid, G2 was used instead of I1.
Other conditions were the same as in Example 1 to obtain polymer electrolyte membrane: C19, MEA: E19, and fuel cell: F19. Table 4 shows the results of various evaluations.

〔比較例4〕
前記二酸化ニオブ分散液H1を、同様にビーズミルにて0.1mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて120分処理し、二酸化ニオブ粒子分散液I20を得た。得られた二酸化ニオブ粒子分散液I20中の二酸化ニオブ粒子の体積平均粒子径は0.038μmであった。
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、上記で得られた二酸化ニオブ粒子分散液I20を、PFSA/二酸化ニオブ微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入したところ、混合液中で凝集が生じ、均一な高分子電解質組成物を得ることができなかった。
[Comparative Example 4]
The niobium dioxide dispersion H1 was similarly treated with 0.1 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill for 120 minutes to obtain a niobium dioxide particle dispersion I20. The volume average particle diameter of the niobium dioxide particles in the obtained niobium dioxide particle dispersion liquid I20 was 0.038 μm.
The niobium dioxide particle dispersion I20 obtained above was added to 100 g of PFSA dispersion B1 in a 500 mL plastic container with a magnetic stirrer so that PFSA/niobium dioxide fine particles=99/1 (mass ratio). As a result, aggregation occurred in the mixed solution, and a uniform polymer electrolyte composition could not be obtained.

〔比較例5〕
前記五酸化ニオブ粒子分散液H2を、同様にビーズミルにて0.1mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、五酸化ニオブ粒子分散液I21を得た。得られた五酸化ニオブ粒子分散液I21中の五酸化ニオブ粒子の体積平均粒子径は0.041μmであった。
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、上記で得られた五酸化ニオブ粒子分散液I21を、PFSA/五酸化ニオブ微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入したところ、混合液中で凝集が生じ、均一な高分子電解質組成物を得ることができなかった。
[Comparative Example 5]
Similarly, the niobium pentoxide particle dispersion H2 was treated with 0.1 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill for 60 minutes to obtain a niobium pentoxide particle dispersion I21. The volume average particle size of the niobium pentoxide particles in the obtained niobium pentoxide particle dispersion liquid I21 was 0.041 μm.
The niobium pentoxide particle dispersion I21 obtained above was added to PFSA dispersion B1: 100 g in a 500 mL plastic container with a magnetic stirrer so that PFSA/niobium pentoxide fine particles = 99/1 (mass ratio). When the mixture was added while stirring, aggregation occurred in the mixed solution, and a uniform polymer electrolyte composition could not be obtained.

〔比較例6〕
ポリ容器中の二酸化セリウム(高純度化学研究所製)100gに対し、イオン交換水900gを加えて二酸化セリウム粒子液G22を調製した。この二酸化セリウム粒子の体積平均粒子径は13.49μmであった。
前記二酸化セリウム粒子液G22を、ビーズミルにて0.5mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、二酸化セリウム粒子分散液H22を得た。得られた二酸化セリウム粒子液H22中の二酸化セリウム微粒子の体積平均粒子径は2.29μmであった。
前記二酸化セリウム分散液H22を、同様にビーズミルにて0.1mm部分安定化ジルコニアビーズを用いて60分処理し、二酸化セリウム粒子分散液I22を得た。得られた二酸化セリウム分散液I22中の二酸化セリウム粒子の体積平均粒子径は0.12μmであった。
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、上記で得られた二酸化セリウム分散液I22を、PFSA/二酸化セリウム微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入したところ、若干の凝集沈殿が生じた。この沈殿をPTFE製孔径1.0μmメンブレンフィルター(アドバンテック東洋株式会社製)を用いて除去し、均一な溶液として、二酸化セリウム微粒子を含む高分子電解質組成物の溶液J22を得た。さらに上記手法に従い、高分子電解質膜:C22、MEA:E22、燃料電池セル:F22を得た。各種評価の結果を表4に示す。
[Comparative Example 6]
A cerium dioxide particle liquid G22 was prepared by adding 900 g of ion-exchanged water to 100 g of cerium dioxide (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory) in a plastic container. The volume average particle diameter of the cerium dioxide particles was 13.49 μm.
The cerium dioxide particle liquid G22 was treated with 0.5 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill for 60 minutes to obtain a cerium dioxide particle dispersion liquid H22. The volume average particle diameter of the cerium dioxide fine particles in the obtained cerium dioxide particle liquid H22 was 2.29 μm.
The cerium dioxide dispersion H22 was similarly treated with 0.1 mm partially stabilized zirconia beads in a bead mill for 60 minutes to obtain a cerium dioxide particle dispersion I22. The volume average particle size of the cerium dioxide particles in the obtained cerium dioxide dispersion I22 was 0.12 μm.
The cerium dioxide dispersion I22 obtained above was added to 100 g of PFSA dispersion B1 in a 500 mL plastic container while stirring with a magnetic stirrer so that PFSA/cerium dioxide microparticles = 99/1 (mass ratio). After charging, some coagulation sedimentation occurred. This precipitate was removed using a PTFE membrane filter with a pore size of 1.0 μm (manufactured by Advantec Toyo Co., Ltd.) to obtain a uniform solution J22 of a polymer electrolyte composition containing cerium dioxide microparticles. Furthermore, polymer electrolyte membrane: C22, MEA: E22, and fuel cell: F22 were obtained according to the above method. Table 4 shows the results of various evaluations.

〔比較例7〕
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、硝酸セリウム六水和物(高純度化学研究所製)を、PFSA/硝酸セリウム=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入した後、均一になるまで撹拌し、硝酸セリウムを含む高分子電解質組成物の溶液J23を得た。さらに上記手法に従い、高分子電解質膜:C23、MEA:E23、燃料電池セル:F23を得た。各種評価の結果を表5に示す。
[Comparative Example 7]
Cerium nitrate hexahydrate (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory) is added to PFSA dispersion solution B1: 100 g in a 500 mL plastic container with a magnetic stirrer so that PFSA / cerium nitrate = 99/1 (mass ratio). After charging while stirring, the mixture was stirred until uniform to obtain a solution J23 of a polymer electrolyte composition containing cerium nitrate. Furthermore, polymer electrolyte membrane: C23, MEA: E23, and fuel cell: F23 were obtained according to the above method. Table 5 shows the results of various evaluations.

〔比較例8〕
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B1:100gに対し、五フッ化ニオブ(高純度化学研究所製)を、PFSA/五フッ化ニオブ=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入した後、均一になるまで撹拌し、五フッ化ニオブを含む高分子電解質組成物の溶液J24を得た。さらに上記手法に従い、高分子電解質膜:C24、MEA:E24、燃料電池セル:F24を得た。各種評価の結果を表5に示す。
[Comparative Example 8]
Niobium pentafluoride (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory) is added to PFSA dispersion solution B1: 100 g in a 500 mL plastic container with a magnetic stirrer so that PFSA / niobium pentafluoride = 99/1 (mass ratio). After charging while stirring, the mixture was stirred until uniform to obtain a solution J24 of a polymer electrolyte composition containing niobium pentafluoride. Furthermore, polymer electrolyte membrane: C24, MEA: E24, and fuel cell: F24 were obtained according to the above method. Table 5 shows the results of various evaluations.

〔比較例9〕
高分子電解質溶液としてB2を用いて、上記に従い高分子電解質膜C25を作製しし、MEA:E25、燃料電池セル:F25を得た。各種評価の結果を表5に示す。
[Comparative Example 9]
Using B2 as the polymer electrolyte solution, a polymer electrolyte membrane C25 was produced according to the above procedure to obtain MEA: E25 and fuel cell: F25. Table 5 shows the results of various evaluations.

〔比較例10〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、比較例2と同様に実施し、高分子電解質膜:C26、MEA:E26、燃料電池セル:F26を得た。各種評価の結果を表5に示す。
[Comparative Example 10]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Comparative Example 2 to obtain polymer electrolyte membrane: C26, MEA: E26, and fuel cell: F26. Table 5 shows the results of various evaluations.

〔比較例11〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、比較例3と同様に実施し、高分子電解質膜:C27、MEA:E27、燃料電池セル:F27を得た。各種評価の結果を表5に示す。
[Comparative Example 11]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Comparative Example 3 to obtain polymer electrolyte membrane: C27, MEA: E27, and fuel cell: F27. Table 5 shows the results of various evaluations.

〔比較例12〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、比較例4と同様に実施し、高分子電解質膜:C28、MEA:E28、燃料電池セル:F28を得た。各種評価の結果を表5に示す。
[Comparative Example 12]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Comparative Example 4 to obtain polymer electrolyte membrane: C28, MEA: E28, and fuel cell: F28. Table 5 shows the results of various evaluations.

〔比較例13〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、比較例5と同様に実施し、高分子電解質膜:C29、MEA:E29、燃料電池セル:F29を得た。各種評価の結果を表6に示す。
[Comparative Example 13]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Comparative Example 5 to obtain polymer electrolyte membrane: C29, MEA: E29, and fuel cell: F29. Table 6 shows the results of various evaluations.

〔比較例14〕
500mLポリ容器中のPFSA分散溶液B2:100gに対し、上記比較例2で得られた二酸化セリウム粒子分散液I18を、PFSA/二酸化セリウム微粒子=99/1(質量比)となるように、マグネティックスターラーで撹拌しながら投入したところ、若干の凝集沈殿が生じた。この沈殿をPTFE製孔径1.0μmメンブレンフィルター(アドバンテック東洋株式会社製)を用いて除去し、均一な溶液として、二酸化セリウム微粒子を含む高分子電解質組成物の溶液J30を得た。さらに上記手法に従い、高分子電解質膜:C30、MEA:E30、燃料電池セル:F30を得た。各種評価の結果を表6に示す。
[Comparative Example 14]
The cerium dioxide particle dispersion I18 obtained in Comparative Example 2 was added to 100 g of PFSA dispersion B2 in a 500 mL plastic container with a magnetic stirrer so that PFSA/cerium dioxide fine particles = 99/1 (mass ratio). When the solution was added while stirring at , some coagulation sedimentation occurred. This precipitate was removed using a PTFE membrane filter with a pore size of 1.0 μm (manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.) to obtain a uniform solution J30 of a polymer electrolyte composition containing cerium dioxide microparticles. Furthermore, polymer electrolyte membrane: C30, MEA: E30, and fuel cell: F30 were obtained according to the above method. Table 6 shows the results of various evaluations.

〔比較例15〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、比較例7と同様に実施し、高分子電解質膜:C31、MEA:E31、燃料電池セル:F31を得た。各種評価の結果を表6に示す。
[Comparative Example 15]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Comparative Example 7 to obtain polymer electrolyte membrane: C31, MEA: E31, and fuel cell: F31. Table 6 shows the results of various evaluations.

〔比較例16〕
高分子電解質溶液としてB2を用いた。
その他の条件は、比較例8と同様に実施し、高分子電解質膜:C32、MEA:E32、燃料電池セル:F32を得た。各種評価の結果を表6に示す。
[Comparative Example 16]
B2 was used as the polymer electrolyte solution.
Other conditions were the same as in Comparative Example 8 to obtain polymer electrolyte membrane: C32, MEA: E32, and fuel cell: F32. Table 6 shows the results of various evaluations.

Figure 2022190524000001
Figure 2022190524000001

Figure 2022190524000002
Figure 2022190524000002

Figure 2022190524000003
Figure 2022190524000003

Figure 2022190524000004
Figure 2022190524000004

Figure 2022190524000005
Figure 2022190524000005

Figure 2022190524000006
Figure 2022190524000006

表1~表6に示すように、上記実施例1~16の酸化ニオブ微粒子を添加した高分子電解質膜を用いた場合、上述した耐久性試験において実用上良好な結果が得られた。 As shown in Tables 1 to 6, when the polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 16 to which niobium oxide fine particles were added were used, practically good results were obtained in the durability test described above.

本発明の高分子電解質組成物は、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池の分野において産業上の利用可能性を有している。 The polymer electrolyte composition of the present invention has industrial applicability in the fields of polymer electrolyte membranes, electrode catalyst layers, membrane electrode assemblies, and polymer electrolyte fuel cells.

Claims (8)

高分子電解質(a)と、
レーザー回折式粒度分布測定によって得られる平均粒子径が0.050μm超5.0μm以下である酸化ニオブ(b)と、
を、含有する、高分子電解質組成物。
a polymer electrolyte (a);
Niobium oxide (b) having an average particle size of more than 0.050 μm and 5.0 μm or less as measured by laser diffraction particle size distribution measurement;
A polymer electrolyte composition containing
前記酸化ニオブ(b)が、
二酸化ニオブ、及び五酸化ニオブからなる群より選ばれる、少なくとも1種の酸化ニオブである、
請求項1に記載の高分子電解質組成物。
The niobium oxide (b) is
at least one niobium oxide selected from the group consisting of niobium dioxide and niobium pentoxide;
The polymer electrolyte composition according to claim 1.
前記酸化ニオブ(b)のレーザー回折式粒度分布測定によって得られる体積基準粒度分布による通過積分値が、粒子径0.050μm超5.0μm以下の領域において、全体の30%以上である、
請求項1又は2に記載の高分子電解質組成物。
The passage integral value of the volume-based particle size distribution obtained by the laser diffraction particle size distribution measurement of the niobium oxide (b) is 30% or more of the total in the region where the particle size is more than 0.050 μm and 5.0 μm or less.
The polymer electrolyte composition according to claim 1 or 2.
前記高分子電解質(a)が、
下記の一般式(1)で示される、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物。
-[CF2CX12a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF23))b-Oc-(CFR1d-(CFR2e-(CF2f-X4)]g- (1)
(一般式(1)中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基である。
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1である。
bは0以上8以下の整数である。cは0又は1である。
d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数である。
fは、0以上10以下の整数である。
ただし、d+e+fは0に等しくない。
1及びR2は、互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基である。
4は、COOZ、SO3Z、PO32、又はPO3HZである。前記Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH33、NH234、NHR345、NR3456)である。また、R3、R4、R5、及びR6はアルキル基又はアレーン基である。)
The polymer electrolyte (a) is
represented by the following general formula (1),
The polymer electrolyte composition according to any one of claims 1 to 3.
-[ CF2CX1X2 ] a- [CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b - Oc- ( CFR1 ) d- ( CFR2 ) e- (CF 2 ) f -X 4 )] g- (1)
(In general formula (1), X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
a and g are 0≦a<1, 0<g≦1, and a+g=1.
b is an integer of 0 to 8; c is 0 or 1;
d and e are each independently an integer of 0 to 6;
f is an integer of 0 or more and 10 or less.
However, d+e+f is not equal to 0.
R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a fluorochloroalkyl group.
X4 is COOZ , SO3Z , PO3Z2 , or PO3HZ . Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom , or an amine ( NH4 , NH3R3 , NH2R3R4 , NHR3R4R5 , NR3R4R5R 6 ). R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups or arene groups. )
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物を含む、高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte composition according to any one of claims 1 to 4. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物を含む、電極触媒層。 An electrode catalyst layer comprising the polymer electrolyte composition according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載の高分子電解質膜、及び/又は、請求項6に記載の電極触媒層を有する、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 5 and/or the electrode catalyst layer according to claim 6. 請求項7に記載の膜電極接合体を有する、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7 .
JP2021098890A 2021-06-14 2021-06-14 Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell Pending JP2022190524A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021098890A JP2022190524A (en) 2021-06-14 2021-06-14 Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021098890A JP2022190524A (en) 2021-06-14 2021-06-14 Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022190524A true JP2022190524A (en) 2022-12-26

Family

ID=84601666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021098890A Pending JP2022190524A (en) 2021-06-14 2021-06-14 Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022190524A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3897059B2 (en) Liquid composition, process for producing the same, and process for producing membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP3915846B2 (en) Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, production method thereof, and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP4997971B2 (en) Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, production method thereof and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JPWO2007007767A1 (en) Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, production method thereof and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
WO2018207325A1 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2006099999A (en) Electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, its manufacturing method, and membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP5286651B2 (en) Liquid composition, process for producing the same, and process for producing membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP5354935B2 (en) POLYMER ELECTROLYTIC COMPOSITION AND USE THEREOF
JP5189394B2 (en) Polymer electrolyte membrane
JP2007031718A5 (en)
JP2009021231A (en) Catalyst ink, catalyst ink producing method, membrane-electrode assembly producing method, membrane-electrode assembly produced by the method, and fuel cell
JP2009021234A (en) Membrane/electrode conjugant, its manufacturing method, and solid high polymer fuel cell
JP2015153573A (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP6890467B2 (en) Polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2022190524A (en) Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2014234445A (en) Polymer electrolyte composition, as well as polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell using the same
JP2014110232A (en) Fluorine-based polymer electrolyte film
JP7106002B2 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, solid polymer electrolyte fuel cell, and method for producing polymer electrolyte membrane
JP2019102330A (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2008311146A (en) Membrane-electrode assembly, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240228