JP4836438B2 - Polymer electrolyte laminate film - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、電池内で、燃料(水素源)と酸化剤(酸素)から電気化学的反応により電気エネルギーを得るものである。つまり燃料の化学エネルギーから直接電気エネルギーに変換している。燃料源としては、純水素をはじめ水素元素を含む石油、天然ガス(メタン等)、メタノールなどが使用できる。
燃料電池自体は、機械部分がないため騒音の発生が少なく、また外部からの燃料と酸化剤を供給し続け原理的には半永久的に発電させることができるのが特徴である。
電解質は、液体電解質や固体電解質に分類されるが、この中で電解質として高分子電解質膜を用いたものが固体高分子形燃料電池である。
特に、固体高分子形燃料電池は、他と比較して低温で作動することから、自動車等の代替動力源や家庭用コジェネレーションシステム、携帯用発電機として期待されている。
固体高分子形燃料電池には、電極触媒層とガス拡散層が積層されたガス拡散電極がプロトン交換樹脂膜の両面に接合された膜電極接合体が少なくとも備えられている。ここで言うプロトン交換樹脂膜は、高分子鎖中にスルホン酸基や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材料である。このようなプロトン交換樹脂膜としては、化学的安定性の高いNafion(登録商標、米国デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン交換樹脂膜が好適に用いられる。
A fuel cell obtains electric energy by electrochemical reaction from a fuel (hydrogen source) and an oxidant (oxygen) in the cell. In other words, the chemical energy of the fuel is directly converted into electrical energy. As the fuel source, pure hydrogen and other oils containing hydrogen elements, natural gas (methane, etc.), methanol, and the like can be used.
Since the fuel cell itself has no mechanical part, it generates less noise, and is characterized in that it can generate electric power semi-permanently by continuing to supply external fuel and oxidant.
Electrolytes are classified into liquid electrolytes and solid electrolytes. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is one that uses a polymer electrolyte membrane as an electrolyte.
In particular, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature as compared with others, it is expected as an alternative power source such as an automobile, a household cogeneration system, and a portable generator.
The polymer electrolyte fuel cell includes at least a membrane electrode assembly in which a gas diffusion electrode in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated is bonded to both surfaces of a proton exchange resin membrane. The proton exchange resin membrane here is a material having a strong acidic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in a polymer chain and a property of selectively transmitting protons. As such a proton exchange resin membrane, a perfluoro proton exchange resin membrane represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont, USA) having high chemical stability is preferably used.

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)をそれぞれ供給し、両電極間を外部回路で接続することにより作動する。具体的には、水素を燃料とした場合、アノード触媒上にて水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンがアノード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換樹脂膜内を移動し、カソード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通ってカソード触媒上に達する。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ガス拡散電極に到達し、カソード触媒上にて上記プロトンと酸化剤中の酸素と反応して水が生成され、このとき電気エネルギーを取り出すことができる。この際、プロトン交換樹脂膜はガスバリアとしての役割も果たす必要があり、プロトン交換樹脂膜のガス透過率が高いと、アノード側水素のカソード側へのリーク及びカソード側酸素のアノード側へのリーク、即ちクロスリークが発生して、いわゆるケミカルショート(化学的短絡)の状態となって良好な電圧を取り出せなくなる。
このような固体高分子形燃料電池は、高出力特性を得るために80℃近辺で運転するのが通常である。しかしながら、自動車用途として用いる場合には、夏場の自動車走行を想定して、高温低加湿条件下(運転温度100℃近辺で、60℃加湿(湿度20%RHに相当))でも燃料電池を運転できることが望まれている。ところが、従来のパーフルオロ系プロトン交換樹脂膜を用いて高温低加湿条件下で燃料電池を長時間運転すると、プロトン交換樹脂膜にピンホールが生じクロスリークが発生するという問題があり、十分な耐久性を得られなかった。
パーフルオロ系プロトン交換膜の耐久性を向上させる方法として、フィブリル状PTFEの添加による補強を行う方法(特許文献1及び特許文献2参照)、延伸処理したPTFE多孔膜による補強を行う方法(特許文献3及び特許文献4参照)が知られているが、これらの方法では上記問題を解決することはできなかった。また、含水率の異なるパーフルオロカーボン重合体フィルムの積層体(特許文献5〜7参照)が公知であるが、このような積層体でも高耐久性を実現することはできなかった。
During operation of the fuel cell, fuel (for example, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and oxidant (for example, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side, and both electrodes are connected by an external circuit. It works by. Specifically, when hydrogen is used as the fuel, hydrogen is oxidized on the anode catalyst to generate protons, and these protons move through the proton conductive polymer in the anode catalyst layer and then move through the proton exchange resin membrane. And reaches the cathode catalyst through the proton conducting polymer in the cathode catalyst layer. On the other hand, electrons generated simultaneously with protons due to the oxidation of hydrogen reach the cathode side gas diffusion electrode through an external circuit, and react with the protons and oxygen in the oxidant on the cathode catalyst to generate water. Sometimes electrical energy can be taken out. At this time, the proton exchange resin membrane also needs to play a role as a gas barrier. If the gas permeability of the proton exchange resin membrane is high, leakage of anode side hydrogen to the cathode side and leakage of cathode side oxygen to the anode side, That is, a cross leak occurs, so that a so-called chemical short circuit (chemical short circuit) occurs and a good voltage cannot be taken out.
Such a polymer electrolyte fuel cell is usually operated near 80 ° C. in order to obtain high output characteristics. However, when used for automobiles, the fuel cell can be operated even under high-temperature and low-humidification conditions (operating temperature around 100 ° C., humidification at 60 ° C. (equivalent to humidity 20% RH)) assuming that the vehicle is driven in summer. Is desired. However, when a fuel cell is operated for a long time under a high temperature and low humidity condition using a conventional perfluoro proton exchange resin membrane, there is a problem that a pinhole is generated in the proton exchange resin membrane and a cross leak occurs. I could not get sex.
As a method for improving the durability of the perfluoro proton exchange membrane, a method of reinforcing by adding fibrillar PTFE (see Patent Document 1 and Patent Document 2), a method of reinforcing by a stretched PTFE porous membrane (Patent Document) 3 and Patent Document 4) are known, but these methods cannot solve the above problem. Moreover, although the laminated body (refer patent documents 5-7) of the perfluorocarbon polymer film from which a moisture content differs is known, high durability was not able to be implement | achieved even with such a laminated body.

一方、高耐熱性を有するポリベンズイミダゾール(以下、PBIと称する)に燐酸等の強酸をドープしたプロトン交換膜が、100℃以上の高温で燃料電池運転が可能であることが報告されている(特許文献8参照)。しかしながら、100℃未満での燃料電池運転では液体水が存在するため、強酸が膜から水へ溶出してしまって出力が低下するため、100℃未満での燃料電池運転には不適当であった。従って、運転のオンオフが頻繁に行われ、100℃未満においても燃料電池を運転することが求められる自動車用途に用いることは困難であった。
また、PBIとのポリマーブレンドとして、スルホン化芳香族ポリエーテルケトンとの組成物(特許文献9参照)や、非プロトン性溶媒の存在下でイオン交換基を有する炭化水素系ポリマーと塩基性ポリマーとをブレンドした後、キャストして得たプロトン交換膜(特許文献10及び特許文献11参照)が代表例として知られている。しかしながら、このような炭化水素系ポリマーとPBIとのブレンドポリマーでは化学的安定性が不十分であり、上記のようなクロスリーク発生の問題を解決することはできなかった。
さらに、特許文献12にイオン伝導性材料を相互貫入させた多孔質ポリマー基体を含む複合固体ポリマー電解質膜、特許文献13にPBI等の窒素を有する膜とイオン導電性膜との複合体が開示されている。しかしながら、このような場合、イオン伝導性材料が多孔質ポリマー基体又はPBI等の窒素を有する膜とは別個に存在しており、イオン伝導性材料自体の化学的安定性は改善されておらず、十分な耐久性を得ることができなかった。
On the other hand, it has been reported that a proton exchange membrane in which polybenzimidazole (hereinafter referred to as PBI) having high heat resistance is doped with a strong acid such as phosphoric acid can be operated at a high temperature of 100 ° C. or more ( (See Patent Document 8). However, since liquid water is present when the fuel cell is operated at a temperature lower than 100 ° C., the strong acid is eluted from the membrane into the water and the output is reduced. Therefore, the fuel cell is not suitable for the fuel cell operation at a temperature lower than 100 ° C. . Therefore, the operation is frequently turned on and off, and it has been difficult to use in automobile applications that require driving the fuel cell even at temperatures below 100 ° C.
Further, as a polymer blend with PBI, a composition with a sulfonated aromatic polyether ketone (see Patent Document 9), a hydrocarbon polymer having an ion exchange group in the presence of an aprotic solvent, and a basic polymer Proton exchange membranes obtained by casting after blending (see Patent Document 10 and Patent Document 11) are known as representative examples. However, such a blend polymer of hydrocarbon-based polymer and PBI has insufficient chemical stability, and it has not been possible to solve the above-described problem of cross leak occurrence.
Further, Patent Document 12 discloses a composite solid polymer electrolyte membrane including a porous polymer substrate in which ion conductive materials are interpenetrated, and Patent Document 13 discloses a composite of a nitrogen-containing film such as PBI and an ion conductive film. ing. However, in such a case, the ion conductive material exists separately from the porous polymer substrate or the nitrogen-containing film such as PBI, and the chemical stability of the ion conductive material itself is not improved, Sufficient durability could not be obtained.

一方、特許文献14、及び特許文献15の比較例3中にPBIとNafionとのブレンド膜が開示されている。このブレンド膜は、PBIとNafionを各々ジメチルアセトアミドに溶解させ、これらを混合しキャストする事によって製造されている。しかしながら、このような製法では、PBIをNafion中に均一に微分散させることができず、PBIが不均一に分散してまだらな膜になってしまう。つまり、PBIが少なく、所望の効果が得られない部分があちこちに存在してしまうが、このような部分は通常のNafionと同様に化学的安定性が十分でなく、クロスリーク発生の原因となる。従って、このようなブレンド膜では、高温低加湿条件下での燃料電池運転において十分な耐久性を得ることができなかった。
このように、化学的安定性、機械強度および耐熱性に優れ、高温下の使用の際にも高耐久性を有する、実用性の高い高分子電解質膜は従来技術では得られていない。具体的には、高温低加湿条件下(運転温度100℃近辺で、60℃加湿(湿度20%RHに相当))において長時間運転を行ってもクロスリークが発生せず、かつ、運転のオンオフを頻繁に行っても出力特性が低下しない優れた燃料電池を製造するのに有利に用いることのできる高分子電解質膜は従来技術では得られておらず、そのような高分子電解質膜の開発が望まれている。
On the other hand, a blend film of PBI and Nafion is disclosed in Patent Document 14 and Comparative Example 3 of Patent Document 15. This blend membrane is manufactured by dissolving PBI and Nafion in dimethylacetamide, mixing and casting. However, in such a manufacturing method, PBI cannot be finely dispersed uniformly in Nafion, and PBI is unevenly dispersed to form a mottled film. In other words, there are parts where PBI is small and the desired effect cannot be obtained, but such parts are not sufficiently chemically stable like ordinary Nafion and cause cross leaks. . Therefore, with such a blend membrane, sufficient durability could not be obtained in fuel cell operation under high temperature and low humidification conditions.
Thus, a highly practical polymer electrolyte membrane that is excellent in chemical stability, mechanical strength and heat resistance and has high durability even when used at high temperatures has not been obtained in the prior art. Specifically, no cross-leak occurs even if the operation is performed for a long time under high temperature and low humidification conditions (60 ° C. humidification (equivalent to 20% humidity) at an operation temperature of about 100 ° C.), and the operation is turned on / off. The polymer electrolyte membrane that can be used advantageously to produce an excellent fuel cell that does not deteriorate its output characteristics even if it is frequently used is not obtained in the prior art, and the development of such a polymer electrolyte membrane has not been achieved. It is desired.

特開昭53−149881号公報JP-A-53-149981 特公昭63−61337号公報Japanese Examined Patent Publication No. 63-61337 特公平5−75835号公報Japanese Patent Publication No. 5-75835 特表平11−501964号公報Japanese National Patent Publication No. 11-501964 特開平6−231781号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-231781 特開平6−231782号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-231782 特開平6−231783号公報JP-A-6-231783 特表平11−503262号公報Japanese National Patent Publication No. 11-503262 特表2002−529546号公報JP 2002-529546 A 特表2002−512285号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-512285 特表2002−512291号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-512291 特表2001−514431号公報JP-T-2001-514431 特許第3425405号公報Japanese Patent No. 3425405 韓国公開特許公報2004−36396号公報Korean Published Patent Publication No. 2004-36396 韓国公開特許公報2003−32321号公報Korean Published Patent Publication No. 2003-32321

本発明は、化学的安定性、機械強度、耐熱性に優れ、高温下でも高耐久性を有する高分子電解質膜を提供することを目的とする。また、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で60℃加湿(湿度20%RHに相当))において、長期間運転を行ってもクロスリークが発生しない高耐久な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明者等は、従来技術の上記課題を解決するため鋭意検討した。その結果、意外にも、プロトン交換樹脂を有するフィルム2層以上の積層体であり、少なくとも1層のフィルムは塩基性重合体(b)がフッ素系高分子電解質(a)中に均一に微分散した構造を有する高分子電解質から構成される補強層であることを特徴とする高分子電解質積層膜により、上記の目的が達成できることを見出した。また、本発明者らは、上記補強層が、(a)イオン交換基を有するフッ素系高分子電解質と(b)塩基性重合体とからなるポリマー混合物を、プロトン性溶媒を包含する液状媒体と混合したキャスト液を提供し、該キャスト液を支持体上にキャストして、支持体上に液状塗膜を形成し、そして液状塗膜から該液状媒体を除去することにより製造できることを見出した。こうして得られた補強層が積層された高分子電解質積層膜は、化学的安定性、機械強度および耐熱性に優れ、高温下の使用の際にも高耐久性を有するため、これを用いた固体高分子形燃料電池は、高温低加湿条件下(運転温度100℃近辺で、60℃加湿(湿度20%RHに相当))において長時間運転を行ってもクロスリークが発生しない。また、上記の高分子電解質積層膜を用いた固体高分子形燃料電池は、従来のパーフルオロ系プロトン交換膜を用いた燃料電池と同様に、運転のオンオフを頻繁に行っても燃料電池の出力特性が低下しないことが確認された。これらの知見に基づき、本発明を完成した。すなわち、本発明は以下のとおりである。
(1) プロトン交換樹脂を有するフィルム2層以上の積層体からなる高分子電解質積層膜であって、該フィルムの少なくとも1層のフィルムが、50.00〜99.99質量%のフッ素系高分子電解質と0.01〜50.00質量%の塩基性重合体から構成される補強層であることを特徴とする高分子電解質積層膜。
(2) 該塩基性重合体が、ポリ[(2,2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンゾイミダゾール]であることを特徴とする(1)に記載の高分子電解質積層膜。
(3) 換算ヘイズ値(H50)が25%以下であり、該換算ヘイズ値(H50)は、高分子電解質積層膜の膜厚が50μmであると仮定して算出されるヘイズ値として定義され、該換算ヘイズ値(H50)は下記式で算出されることを特徴とする(1)又は(2)に記載の高分子電解質積層膜。
An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane that is excellent in chemical stability, mechanical strength, and heat resistance and has high durability even at high temperatures. Also, a highly durable fuel cell that does not generate cross-leakage even when operated for a long time under high temperature and low humidification conditions (for example, 60 ° C. humidification at an operating temperature of 100 ° C. (equivalent to a humidity of 20% RH)) is provided. With the goal.
The present inventors have intensively studied in order to solve the above-described problems of the prior art. As a result, surprisingly, it is a laminate of two or more films having a proton exchange resin, and at least one layer of the basic polymer (b) is finely dispersed uniformly in the fluorine-based polymer electrolyte (a). It has been found that the above object can be achieved by a polymer electrolyte laminate film characterized by being a reinforcing layer composed of a polymer electrolyte having the above structure. In addition, the inventors of the present invention provide a liquid medium containing a protic solvent in which the reinforcing layer includes a polymer mixture composed of (a) a fluorine-based polymer electrolyte having an ion exchange group and (b) a basic polymer. It has been found that it can be produced by providing a mixed casting solution, casting the casting solution on a support, forming a liquid coating on the support, and removing the liquid medium from the liquid coating. The polymer electrolyte laminate film in which the reinforcing layer thus obtained is laminated is excellent in chemical stability, mechanical strength and heat resistance, and has high durability even when used at high temperatures. Even when the polymer fuel cell is operated for a long time under high temperature and low humidification conditions (operating temperature near 100 ° C., 60 ° C. humidification (equivalent to humidity 20% RH)), no cross leak occurs. In addition, the solid polymer fuel cell using the above polymer electrolyte laminated membrane is similar to the fuel cell using a conventional perfluoro proton exchange membrane, and the output of the fuel cell can be obtained even if the operation is frequently turned on and off. It was confirmed that the characteristics did not deteriorate. Based on these findings, the present invention has been completed. That is, the present invention is as follows.
(1) A polymer electrolyte laminate film comprising a laminate of two or more layers of a film having a proton exchange resin, wherein at least one layer of the film is 50.00 to 99.99% by mass of a fluorine-based polymer A polymer electrolyte laminate film, which is a reinforcing layer composed of an electrolyte and 0.01 to 50.00% by mass of a basic polymer.
(2) The polymer electrolyte laminate according to (1), wherein the basic polymer is poly [(2,2 ′-(m-phenylene) -5,5′-bibenzimidazole]. film.
(3) The converted haze value (H 50 ) is 25% or less, and the converted haze value (H 50 ) is defined as a haze value calculated on the assumption that the film thickness of the polymer electrolyte laminated film is 50 μm. The converted haze value (H 50 ) is calculated by the following formula: the polymer electrolyte laminate film according to (1) or (2).

Figure 0004836438
(式中、tは高分子電解質積層膜の膜厚(μm)を表し、Ht はJIS K 7136に従って測定した高分子電解質積層膜のヘイズ値を表す。)
(4) 上記補強層が、上記(a)成分を主体とする海構造と上記(b)成分を主体とする島構造から構成される補強層であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の高分子電解質積層膜。
(5) (1)〜(4)のいずれかに記載の高分子電解質積層膜がアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体であって、アノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層からなり、プロトン伝導性を有することを特徴とする膜/電極接合体。
(6) (5)に記載の膜/電極接合体であって、高分子電解質積層膜を構成する補強層がカソード触媒層に隣接しており、該補強層に於けるフッ素系高分子電解質(a)の含有率が70〜99質量%、該補強層に於ける塩基性重合体(b)の含有率が1〜30質量%、該補強層の膜厚が1〜20μmであることを特徴とする膜/電極接合体。
(7) (5)又は(6)の膜/電極接合体を包含し、アノードとカソードが、高分子電解質積層膜の外側に位置する電子伝導性材料を介して互いに結合されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
Figure 0004836438
(In the formula, t represents the film thickness (μm) of the polymer electrolyte laminate film, and H t represents the haze value of the polymer electrolyte laminate film measured according to JIS K 7136.)
(4) The reinforcing layer is a reinforcing layer composed of a sea structure mainly composed of the component (a) and an island structure mainly composed of the component (b). The polymer electrolyte laminate film according to any one of the above.
(5) A membrane / electrode assembly in which the polymer electrolyte laminate film according to any one of (1) to (4) is held tightly between an anode and a cathode, the anode comprising an anode catalyst layer, A membrane / electrode assembly having proton conductivity, a cathode comprising a cathode catalyst layer, and having proton conductivity.
(6) The membrane / electrode assembly according to (5), wherein the reinforcing layer constituting the polymer electrolyte laminated film is adjacent to the cathode catalyst layer, and the fluorine-based polymer electrolyte ( The content of a) is 70 to 99% by mass, the content of the basic polymer (b) in the reinforcing layer is 1 to 30% by mass, and the thickness of the reinforcing layer is 1 to 20 μm. And a membrane / electrode assembly.
(7) The membrane / electrode assembly according to (5) or (6) is included, and the anode and the cathode are bonded to each other through an electron conductive material located outside the polymer electrolyte laminated film. Solid polymer fuel cell.

本発明の高分子電解質積層膜は、化学的安定性、機械強度、耐熱性に優れる。また、本発明の高分子電解質積層膜を用いることで、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で60℃加湿(湿度20%RHに相当))において、長期間運転を行ってもクロスリークが発生しない高耐久な燃料電池を提供できる。   The polymer electrolyte laminate film of the present invention is excellent in chemical stability, mechanical strength, and heat resistance. In addition, by using the polymer electrolyte laminate film of the present invention, even if it is operated for a long time under high temperature and low humidification conditions (for example, 60 ° C. humidification at an operating temperature of 100 ° C. (equivalent to a humidity of 20% RH)) A highly durable fuel cell that does not cause leakage can be provided.

以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明の高分子電解質積層膜は、プロトン交換樹脂を有するフィルム2層以上の積層体からなり、該フィルムの少なくとも1層のフィルムが、50.00〜99.99質量%のフッ素系高分子電解質と0.01〜50.00質量%の塩基性重合体から構成される補強層であることを特徴とする。
該補強層を構成するフッ素系高分子電解質としては特に限定されないが、Nafion(登録商標;米国デュポン社製)、Aciplex(登録商標;日本国旭化成(株)社製)、Flemion(登録商標;日本国旭硝子(株)社製)に代表される、下記化学式(1)で表されるイオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体が代表例として挙げられる。
[CF2 CX1 2 a −[CF2 −CF(−O−(CF2 −CF(CF2 3 ))b −Oc −(CFR1 d −(CFR2 e −(CF2 f −X4 )]g
・・・(1)
(式中、X1 、X2 およびX3 はそれぞれ独立にハロゲン元素または炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、0≦b≦8、cは0または1であり、d、eおよびfはそれぞれ独立に0〜6の範囲の数(ただし、d+e+fは0に等しくない)、R1 およびR2 はそれぞれ独立にハロゲン元素、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基であり、X4 は、−COOZ、−SO3 Z、−PO3 2 、−PO3 HZ(Zは水素原子、金属原子(Na、K、Ca等)、又はアミン類(NH4 、NH3 R、NH2 2 、NHR3 、NR4 (Rはアルキル基、又はアレーン基))
中でも、下記式(2)又は(3)で表されるパーフルオロカーボン重合体が好ましい。[CF2 CF2 a −[CF2 −CF(−O−(CF2 −CF(CF3 ))b −O−(CF2 f −X4 )]g ・・・(2)
(式中0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、1≦b≦3、1≦f≦8、そしてX4 は−COOH、−SO3 H、−PO3 2 又は−PO3 Hである。)
[CF2 CF2 a −[CF2 −CF(−O−(CF2 f −X4 )]g
・・・(3)
(式中0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、1≦f≦8、そしてX4 は−COOH、−SO3 H、−PO3 2 又は−PO3 Hである。)
The present invention is described in detail below.
The polymer electrolyte laminate film of the present invention is composed of a laminate of two or more films having a proton exchange resin, and at least one film of the film is 50.00 to 99.99% by mass of a fluorine-based polymer electrolyte. And a reinforcing layer composed of 0.01 to 50.00% by mass of a basic polymer.
The fluorine-based polymer electrolyte constituting the reinforcing layer is not particularly limited, but Nafion (registered trademark; manufactured by DuPont, USA), Aciplex (registered trademark; manufactured by Asahi Kasei Corporation, Japan), Flemion (registered trademark; Japan) As a representative example, a perfluorocarbon polymer having an ion exchange group represented by the following chemical formula (1) represented by the following chemical formula (1) represented by Kuniasa Asahi Glass Co., Ltd. can be given.
[CF 2 CX 1 X 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - (CF 2) f -X 4)] g
... (1)
Wherein X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 0 ≦ b ≦ 8, c is 0 or 1, d, e and f are each independently a number in the range of 0-6 (where d + e + f is not equal to 0), R 1 and R 2 are each independently a halogen element, A perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X 4 is —COOZ, —SO 3 Z, —PO 3 Z 2 , —PO 3 HZ (Z is a hydrogen atom, a metal atom (Na , K, Ca, etc.) or amines (NH 4 , NH 3 R, NH 2 R 2 , NHR 3 , NR 4 (R is an alkyl group or arene group))
Among these, a perfluorocarbon polymer represented by the following formula (2) or (3) is preferable. [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 3)) b -O- (CF 2) f -X 4)] g ··· (2)
(Where 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 1 ≦ b ≦ 3, 1 ≦ f ≦ 8, and X 4 represents —COOH, —SO 3 H, —PO 3 H 2 or — PO 3 H.)
[CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2) f -X 4)] g
... (3)
(Where 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 1 ≦ f ≦ 8, and X 4 is —COOH, —SO 3 H, —PO 3 H 2 or —PO 3 H. )

上記のようなパーフルオロカーボン重合体は、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン等のパーフルオロオレフィンや、パーフルオロアルキルビニルエーテル等のコモノマーに由来する単位をさらに含む共重合体であってもよい。
該補強層に於けるフッ素系高分子電解質(a)の含有率は、50.00〜99.99質
量%であり、好ましくは60.0〜99.9質量%、より好ましくは70〜99質量%、さらに好ましくは80〜98質量%、最も好ましくは85〜95質量%である。フッ素系高分子電解質(a)の含有率を上記の範囲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積層膜を得ることができる。
該補強層を構成する塩基性重合体(b)としては、特に限定されないが、窒素含有脂肪族塩基性重合体や窒素含有芳香族塩基性重合体が挙げられる。
窒素含有脂肪族塩基性重合体の例としては、ポリエチレンイミンが挙げられる。窒素含有芳香族塩基性重合体の例としては、ポリアニリン、及び複素環式化合物であるポリベンズイミダゾール、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリビニルピリジン、ポリイミダゾール、ポリピロリジン、ポリビニルイミダゾール等が挙げられる。この中でもポリベンズイミダゾールは耐熱性が高いことから特に好ましい。
ポリベンズイミダゾールとしては、化学式(4)、化学式(5)に表される化合物、化学式(6)で表されるポリ2,5−ベンズイミダゾール等が挙げられる。
The perfluorocarbon polymer as described above may be a copolymer further including units derived from a perfluoroolefin such as hexafluoropropylene or chlorotrifluoroethylene, or a comonomer such as perfluoroalkyl vinyl ether.
The content of the fluorine-based polymer electrolyte (a) in the reinforcing layer is 50.00 to 99.99% by mass, preferably 60.0 to 99.9% by mass, more preferably 70 to 99% by mass. %, More preferably 80 to 98% by mass, most preferably 85 to 95% by mass. By setting the content of the fluorine-based polymer electrolyte (a) within the above range, a polymer electrolyte laminate film having high durability can be obtained while maintaining good proton conductivity.
The basic polymer (b) constituting the reinforcing layer is not particularly limited, and examples thereof include a nitrogen-containing aliphatic basic polymer and a nitrogen-containing aromatic basic polymer.
Examples of nitrogen-containing aliphatic basic polymers include polyethyleneimine. Examples of nitrogen-containing aromatic basic polymers include polyaniline and heterocyclic compounds such as polybenzimidazole, polypyridine, polypyrimidine, polyvinylpyridine, polyimidazole, polypyrrolidine, and polyvinylimidazole. Among these, polybenzimidazole is particularly preferable because of its high heat resistance.
Examples of polybenzimidazole include compounds represented by chemical formula (4) and chemical formula (5), poly 2,5-benzimidazole represented by chemical formula (6), and the like.

Figure 0004836438
及びアルカン鎖、又はフルオロアルカン鎖などの二価の基である。
ここで各R1 はそれぞれ独立に水素原子、アルキル、フェニル、又はピリジルである。
また、上記式中、xは、10以上1.0×107 以下の数である。
Figure 0004836438
And a divalent group such as an alkane chain or a fluoroalkane chain.
Here, each R 1 is independently a hydrogen atom, alkyl, phenyl, or pyridyl.
In the above formula, x is a number of 10 or more and 1.0 × 10 7 or less.

Figure 0004836438
(式中、lは、10以上1.0×107 以下の数、RとR1 は、上記式(4)で定義したのと同じである)
Figure 0004836438
(In the formula, l is a number of 10 or more and 1.0 × 10 7 or less, and R and R 1 are the same as defined in the above formula (4)).

Figure 0004836438
(式中、mは、10以上1.0×107 以下の数であり、R1 は、上記式(4)で定義したのと同じである)
以上のようなポリベンズイミダゾールの中でも、下記式(7)で表されるポリ[ 2、2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンゾイミダゾール] が特に好ましい。
Figure 0004836438
(In the formula, m is a number of 10 or more and 1.0 × 10 7 or less, and R 1 is the same as defined in the above formula (4)).
Among the polybenzimidazoles as described above, poly [2,2 ′-(m-phenylene) -5,5′-bibenzimidazole] represented by the following formula (7) is particularly preferable.

Figure 0004836438
(式中、nは、10以上1.0×107 以下の数である)
Figure 0004836438
(In the formula, n is a number of 10 or more and 1.0 × 10 7 or less)

該補強層に於ける塩基性重合体(b)の含有率は、0.01〜50.00質量%であり、好ましくは0.1〜40.0質量%、より好ましくは1〜30質量%、さらに好ましくは2〜20質量%、最も好ましくは5〜15質量%である(尚、上記(a)成分と上記(b)成分の含有率の和は100質量%である。)。
塩基性重合体(b)の含有率を上記の範囲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積層膜を得ることができる。
該補強層においては、膜厚方向の断面の15μm×15μmの領域を透過型電子顕微鏡(以下、「TEM」と称する)で観察したときに海/島構造を示すことが好ましい。ここで言う海/島構造とは、染色処理を施さずに電子顕微鏡観察を行った時の電子顕微鏡像に黒い島粒子が灰色あるいは白色の海(連続相)に分散した状態のことを指す。島粒子の形状は、円形、楕円形、多角形、不定形など、特に限定されない。島粒子の直径(又は長径や最大径)は0.01〜10μmの範囲にある。海/島構造において、黒い島粒子のコントラストは主に塩基性重合体(b)に起因し、白色の海(連続相)の部分は主にフッ素系
高分子電解質(a)に起因する。
The content of the basic polymer (b) in the reinforcing layer is 0.01 to 50.00% by mass, preferably 0.1 to 40.0% by mass, more preferably 1 to 30% by mass. More preferably, the content is 2 to 20% by mass, and most preferably 5 to 15% by mass (note that the sum of the contents of the component (a) and the component (b) is 100% by mass).
By setting the content of the basic polymer (b) within the above range, a polymer electrolyte laminate film having high durability can be obtained while maintaining good proton conductivity.
The reinforcing layer preferably exhibits a sea / island structure when a 15 μm × 15 μm region of the cross section in the film thickness direction is observed with a transmission electron microscope (hereinafter referred to as “TEM”). The sea / island structure here refers to a state in which black island particles are dispersed in a gray or white sea (continuous phase) in an electron microscopic image obtained by observation with an electron microscope without performing a staining treatment. The shape of the island particles is not particularly limited, such as a circle, an ellipse, a polygon, and an indeterminate shape. The diameter (or major axis or maximum diameter) of the island particles is in the range of 0.01 to 10 μm. In the sea / island structure, the contrast of the black island particles is mainly caused by the basic polymer (b), and the white sea (continuous phase) part is mainly caused by the fluorine-based polymer electrolyte (a).

海/島構造においては、海/島構造の島粒子の合計面積が、膜断面の該15μm×15μmの領域の0.1〜70%であることが好ましく、より好ましくは1〜70%であり、さらに好ましくは5〜50%である。また、海/島構造の島粒子の密度が、膜断面の該15μm×15μmの領域の1μm2 当たり0.1〜100個であることが好ましい。ここで言う海/島構造における島粒子の合計面積と島粒子の密度は、以下のように求められる。図1に示されるTEM像を例にとって説明する。まず、図1に示されるTEM像をスキャナーで読み取ってデジタル化した後、画像解析装置IP1000(日本国旭化成(株)社製)を用いて、各部分の黒化度(グレースケール256階調)を測定し、横軸がグレースケール、縦軸が個数のヒストグラムを作成する。TEM像が海/島構造もしくはこれに多少類似する構造を示している場合(即ち、主に塩基性重合体(b)からなる黒色部だけの場合、及び、主にフッ素系高分子電解質(a)からなる白色部だけの場合のいずれでもない場合)は、前記ヒストグラムは2山分布となる。2山分布の谷間のグレースケール値を閾値として、それより大きいグレースケール値の部分を黒と判断し、それ以下のグレースケール値の部分を白と判断して、2値化を実施した。(即ち、図1のTEM写真におけるグレーの部分を上記の基準で白黒いずれかに判定して、黒と判定したグレーの部分を黒くする加工を行った。)こうして図2の画像を得た。こうして2値化した画像において、所定領域(膜断面の15μm×15μmの領域に相当する部分)について、画像解析装置IP1000(日本国旭化成(株)社製)を用いて、主に塩基性重合体(b)に相当する、海/島構造の黒い島粒子部分と、主にフッ素系高分子電解質(a)に相当する海部分とを画像処理で分離した。そして、上記15μm×15μmの領域に存在する島粒子の個数と島粒子の合計面積を計測した。上記15μm×15μmの領域に占める島粒子の合計面積の百分率を求めた。また、上記15μm×15μmの領域の1μm2 当たりの島粒子の個数を求めて、島粒子の密度とした。 In the sea / island structure, the total area of the island particles of the sea / island structure is preferably 0.1 to 70%, more preferably 1 to 70% of the 15 μm × 15 μm region of the membrane cross section. More preferably, it is 5 to 50%. Moreover, it is preferable that the density of island particles having a sea / island structure is 0.1 to 100 per 1 μm 2 in the 15 μm × 15 μm region of the film cross section. The total area of island particles and the density of island particles in the sea / island structure referred to here are obtained as follows. A description will be given taking the TEM image shown in FIG. 1 as an example. First, the TEM image shown in FIG. 1 is read by a scanner and digitized, and then the degree of blackening of each part (grayscale 256 gradations) using an image analyzer IP1000 (manufactured by Asahi Kasei Corporation, Japan). The horizontal axis is grayscale, and the vertical axis is the number of histograms. When the TEM image shows a sea / island structure or a structure somewhat similar to this (that is, only the black part mainly composed of the basic polymer (b), and mainly the fluorine-based polymer electrolyte (a ), The histogram has a two-peak distribution. The binarization was carried out by setting the gray scale value between the valleys of the two mountain distributions as a threshold value, determining that the gray scale value portion larger than that was black, and determining the gray scale value portion below that as white. (That is, the gray portion in the TEM photograph of FIG. 1 was determined to be black and white on the basis of the above criteria, and the gray portion determined to be black was processed to be black.) Thus, the image of FIG. 2 was obtained. In the binarized image in this way, a predetermined region (a portion corresponding to a 15 μm × 15 μm region of the membrane cross section) is mainly used as a basic polymer by using an image analysis apparatus IP1000 (manufactured by Asahi Kasei Corporation, Japan). The black island particle portion of the sea / island structure corresponding to (b) and the sea portion mainly corresponding to the fluorine-based polymer electrolyte (a) were separated by image processing. Then, the number of island particles present in the 15 μm × 15 μm region and the total area of the island particles were measured. The percentage of the total area of the island particles in the 15 μm × 15 μm region was determined. Further, the number of island particles per 1 μm 2 in the 15 μm × 15 μm region was determined and used as the density of the island particles.

このような海/島構造を有することは、塩基性重合体(b)を主体とする部分がフッ素系高分子電解質(a)を主体とする部分中に均一に微分散していることを表しており、より高い耐久性を得ることができる。このような海/島構造の代表例として、図3に示すものが挙げられる。このような海/島構造を有する補強層は、フッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)とからなるポリマー混合物を、プロトン性溶媒を包含する液状媒体と混合したキャスト液を用いて製膜するという本願開示の方法によって得ることができる。一方、特許文献14,15に示される方法、つまりフッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)とからなるポリマー混合物を、非プロトン性溶媒のみを包含する液状媒体と混合したキャスト液を用いて製膜すると、図4に示すように、海/島構造を有さず、塩基性重合体(b)を主体とする部分がフッ素系高分子電解質(a)を主体とする部分中に均一に微分散していない構造となってしまう。その結果として、海/島構造を有しない補強層からなる高分子電解質積層膜は、高い耐久性を得ることができない。
該補強層のプロトン交換容量としては特に限定されないが、1g当たり0.4〜3.0ミリ当量が好ましく、より好ましくは0.6〜2.0ミリ当量、最も好ましくは0.7〜1.4ミリ当量である。より大きいプロトン交換容量の高分子電解質積層膜を用いる方が、高温低加湿条件下においてより高いプロトン伝導性を示し、燃料電池に用いた場合、運転時により高い出力を得ることができる。
プロトン交換容量は、以下の方法で測定することができる。まず、10cm2 程度に切り出した高分子電解質積層膜を110℃にて真空乾燥して、乾燥重量W(g)を求める。この膜を50mlの25℃飽和NaCl水溶液に浸漬してH+ を遊離させ、フェノールフタレインを指示薬として、0.01N水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定を行い、中和に要したNaOHの等量M(ミリ等量)を求める。このようにして求めたMをWで割って得られる値がプロトン交換容量(ミリ等量/g)である。また、WをMで割って1000倍した値が当量質量EWであり、プロトン交換基1当量当りの乾燥質量グラム数である。
該補強層の厚みは制限されないが、0.1〜400μmであることが好ましく、より好ましくは0.2〜100μm、さらに好ましくは0.5〜50μm、最も好ましくは1〜20μmである。膜厚が厚いほど耐久性は良くなる一方で、初期特性は悪くなるため、上記の範囲で膜厚を設定するのが好ましい。
Having such a sea / island structure indicates that the portion mainly composed of the basic polymer (b) is uniformly finely dispersed in the portion mainly composed of the fluoropolymer electrolyte (a). And higher durability can be obtained. A typical example of such a sea / island structure is shown in FIG. The reinforcing layer having such a sea / island structure is obtained by mixing a cast liquid obtained by mixing a polymer mixture composed of a fluorine-based polymer electrolyte (a) and a basic polymer (b) with a liquid medium containing a protic solvent. It can be obtained by the method disclosed in the present application in which a film is formed using the film. On the other hand, the method shown in Patent Documents 14 and 15, that is, a cast in which a polymer mixture comprising a fluorine-based polymer electrolyte (a) and a basic polymer (b) is mixed with a liquid medium containing only an aprotic solvent. When the film is formed using the liquid, as shown in FIG. 4, the portion mainly composed of the basic polymer (b) does not have the sea / island structure, and the portion mainly composed of the fluorine-based polymer electrolyte (a). The structure is not uniformly finely dispersed. As a result, the polymer electrolyte multilayer film composed of the reinforcing layer having no sea / island structure cannot obtain high durability.
The proton exchange capacity of the reinforcing layer is not particularly limited, but is preferably 0.4 to 3.0 milliequivalent per gram, more preferably 0.6 to 2.0 milliequivalent, and most preferably 0.7 to 1. 4 milliequivalents. The use of a polymer electrolyte laminate film having a larger proton exchange capacity exhibits higher proton conductivity under high temperature and low humidification conditions, and when used in a fuel cell, a higher output can be obtained during operation.
The proton exchange capacity can be measured by the following method. First, the polymer electrolyte laminated film cut out to about 10 cm 2 is vacuum-dried at 110 ° C. to obtain a dry weight W (g). This membrane is immersed in 50 ml of a 25 ° C. saturated NaCl aqueous solution to release H + , neutralized with 0.01 N sodium hydroxide aqueous solution using phenolphthalein as an indicator, and the equivalent amount of NaOH required for neutralization. Obtain M (millimeter equivalent). The value obtained by dividing M thus determined by W is the proton exchange capacity (milli equivalent / g). The value obtained by dividing W by M and multiplying by 1000 is the equivalent mass EW, which is the dry mass in grams per equivalent of proton exchange groups.
The thickness of the reinforcing layer is not limited, but is preferably 0.1 to 400 μm, more preferably 0.2 to 100 μm, still more preferably 0.5 to 50 μm, and most preferably 1 to 20 μm. The thicker the film thickness, the better the durability and the worse the initial characteristics. Therefore, it is preferable to set the film thickness within the above range.

また、該補強層におけるフッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)の状態は例えば、成分(a)と成分(b)が単純に物理混合している状態でもよいし、成分(a)の少なくとも一部と成分(b)の少なくとも一部が互いに反応している状態(例えば、イオン結合して、酸塩基のイオンコンプレックスを形成している状態や、共有結合している状態)でもよい。
上記のようにフッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)が化学結合しているかどうかは、例えばフーリエ変換赤外分光光度計(Fourier-Transform Infrared Spectrometer )(以下、「FT−IR」と称する)により確認することができる。つまり、フッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)からなる補強層を有する高分子電解質積層膜のFT−IR測定を行った時に、フッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)のいずれか以外に由来する吸収ピークが観察されれば、化学結合していると判断できる。例えば、上記式(3)で表されるパーフルオロカーボン重合体と上記式(7)で表されるポリ[(2,2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンゾイミダゾール](以下、PBIと称する)とからなる補強層を有する本発明の高分子電解質積層膜の場合には、FT−IR測定を行うと、1460cm-1、1565cm-1、1635cm-1付近に吸収ピークが観察され、化学結合が存在することがわかる。
The state of the fluorine-based polymer electrolyte (a) and the basic polymer (b) in the reinforcing layer may be, for example, a state where the component (a) and the component (b) are simply physically mixed, A state in which at least a part of (a) and at least a part of component (b) react with each other (for example, a state in which an ionic bond is formed to form an acid-base ion complex, or a state in which a covalent bond is formed) )
Whether or not the fluorine-based polymer electrolyte (a) and the basic polymer (b) are chemically bonded as described above is determined by, for example, a Fourier-Transform Infrared Spectrometer (hereinafter referred to as “FT-”). (Referred to as “IR”). That is, when the FT-IR measurement of the polymer electrolyte laminated film having the reinforcing layer composed of the fluorine-based polymer electrolyte (a) and the basic polymer (b) is performed, the fluorine-based polymer electrolyte (a) and the basic property are obtained. If an absorption peak derived from any other than the polymer (b) is observed, it can be determined that chemical bonding has occurred. For example, the perfluorocarbon polymer represented by the above formula (3) and the poly [(2,2 ′-(m-phenylene) -5,5′-bibenzimidazole] represented by the above formula (7) (hereinafter, , in the case of the polymer electrolyte laminated membrane of the present invention having a reinforcing layer consisting of a called) and PBI, Doing FT-IR measurement, 1460cm -1, 1565cm -1, absorption peaks observed around 1635 cm -1 It can be seen that chemical bonds exist.

本発明の高分子電解質積層膜は、上記補強層が2つ以上積層されて形成された積層体、該塩基性重合体を含まずプロトン交換樹脂からなる無補強層と上記補強層とが少なくとも各1層ずつ積層されて形成された積層体のいずれもがこれに該当する。例えば、積層体が2層の場合は、補強層/補強層、補強層/無補強層、3層の場合は、補強層/補強層/補強層、補強層/無補強層/補強層、補強層/補強層/無補強層、無補強層/補強層/無補強層、4層の場合は、補強層/補強層/補強層/補強層、補強層/補強層/補強層/無補強層、補強層/補強層/無補強層/補強層、補強層/無補強層/補強層/無補強層、無補強層/補強層/補強層/無補強層、5層の場合は、補強層/補強層/補強層/補強層/補強層、無補強層/補強層/補強層/補強層/補強層、補強層/無補強層/補強層/補強層/補強層、補強層/補強層/無補強層/補強層/補強層、補強層/無補強層/補強層/無補強層/補強層、補強層/無補強層/補強層/補強層/無補強層、補強層/補強層/無補強層/補強層/無補強層、無補強層/補強層/補強層/補強層/無補強層、無補強層/補強層/無補強層/補強層/無補強層等の構成が挙げられる。また、複数の補強層又は無補強層を用いる場合、各々が異なる組成や物性を有していても良い。例えば2層の場合は、補強層1/補強層2、3層の場合は、補強層1/補強層2/補強層3、4層の場合は、補強層1/補強層2/補強層3/補強層4、無補強層1/補強層1/無補強層2/補強層2等の構成ができる。   The polymer electrolyte laminate film of the present invention comprises at least each of a laminate formed by laminating two or more of the above reinforcing layers, an unreinforced layer made of a proton exchange resin not containing the basic polymer, and the above reinforcing layers. Any of the laminated bodies formed by laminating one layer corresponds to this. For example, when the laminate has two layers, the reinforcing layer / reinforcing layer, the reinforcing layer / non-reinforcing layer, and in the case of three layers, the reinforcing layer / reinforcing layer / reinforcing layer, the reinforcing layer / non-reinforcing layer / reinforcing layer, reinforcing In the case of 4 layers, reinforcing layer / reinforcing layer / reinforcing layer / reinforcing layer, reinforcing layer / reinforcing layer / reinforcing layer / unreinforcing layer Reinforced layer / reinforced layer / unreinforced layer / reinforced layer, reinforced layer / unreinforced layer / reinforced layer / unreinforced layer, unreinforced layer / reinforced layer / reinforced layer / unreinforced layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer, Non-reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer, Reinforcing layer / Non-reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer / Reinforcing layer, Reinforcing layer / Reinforcing layer / Unreinforced layer / reinforced layer / reinforced layer, reinforced layer / unreinforced layer / reinforced layer / unreinforced layer / reinforced layer, reinforced layer / unreinforced layer / reinforced layer / reinforced layer / unreinforced layer, reinforced layer / reinforced layer / Unreinforced layer / Reinforcement / Unreinforced layer, unreinforced layer / reinforcing layer / reinforcing layer / reinforcing layer / unreinforced layer, structure such as unreinforced layer / reinforcing layer / unreinforced layer / reinforcing layer / unreinforced layer. Moreover, when using a some reinforcement layer or a non-reinforcement layer, each may have a different composition and physical property. For example, in the case of two layers, reinforcing layer 1 / reinforcing layer 2 and in the case of three layers, reinforcing layer 1 / reinforcing layer 2 / reinforcing layer 3 and in the case of four layers, reinforcing layer 1 / reinforcing layer 2 / reinforcing layer 3 / Reinforcing layer 4, unreinforced layer 1 / reinforced layer 1 / unreinforced layer 2 / reinforced layer 2 and the like can be formed.

無補強層を構成するプロトン交換樹脂としては、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリトリフルオロスチレン樹脂、トリフルオロスチレン樹脂、ポリ(2,3−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)樹脂、ポリ(アリルエーテルケトン)樹脂、ポリ(アリルエーテルスルホン)樹脂、ポリ(フェニルキノサンリン)樹脂、ポリ(ベンジルシラン)樹脂、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン樹脂、ポリスチレン−グラフト−ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリスチレン−グラフト−テトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂といった炭化水素部を有する高分子にスルホン酸基やカルボン酸基を導入したものがこれに該当するが、最も好適なものは上記に示したフッ素系高分子電解質である。
本発明の高分子電解質積層膜のプロトン交換容量としては特に限定されないが、1g当たり0.5〜4.0ミリ当量が好ましく、より好ましくは0.8〜3.0ミリ当量、最も好ましくは1.0〜1.5ミリ当量である。より大きいプロトン交換容量の高分子電解質積層膜を用いる方が、高温低加湿条件下においてより高いプロトン伝導性を示し、燃料電池に用いた場合、運転時により高い出力を得ることができる。
本発明の高分子電解質積層膜の厚みは制限されないが、1〜500μmであることが好ましく、より好ましくは2〜150μm、さらに好ましくは5〜75μm、最も好ましくは5〜50μmである。膜厚が厚いほど耐久性は良くなる一方で、初期特性は悪くなるため、上記の範囲で膜厚を設定するのが好ましい。
本発明の高分子電解質積層膜は、膜厚50μmのときに、JIS K 7136に従って測定したヘイズ値が25%以下であることが好ましく、より好ましくは20%以下、最も好ましくは15%以下である。ヘイズ値は光の内部散乱の程度によって影響を受け、膜厚に依存する値である。本発明の高分子電解質積層膜の膜厚が50μmではない場合は、換算ヘイズ値(H50)が25%以下であることが好ましく、該換算ヘイズ値(H50)は、高分子電解質積層膜の膜厚が50μmであると仮定して算出されるヘイズ値として定義され、
該換算ヘイズ値(H50)は下記式で算出される。
Examples of the proton exchange resin constituting the unreinforced layer include polyether sulfone resin, polyether ether ketone resin, phenol-formaldehyde resin, polystyrene resin, polytrifluorostyrene resin, trifluorostyrene resin, poly (2,3-diphenyl- 1,4-phenylene oxide) resin, poly (allyl ether ketone) resin, poly (allyl ether sulfone) resin, poly (phenylquinosan phosphorus) resin, poly (benzylsilane) resin, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene resin, Polystyrene-graft-polyvinylidene fluoride resin, polystyrene-graft-tetrafluoroethylene resin, polyimide resin, polybenzimidazole resin, etc. While those introduced this is true, most preferred are fluorine-based polymer electrolytes shown above.
The proton exchange capacity of the polymer electrolyte laminate film of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 4.0 milliequivalents per gram, more preferably 0.8 to 3.0 milliequivalents, most preferably 1 0.0 to 1.5 milliequivalents. The use of a polymer electrolyte laminate film having a larger proton exchange capacity exhibits higher proton conductivity under high temperature and low humidification conditions, and when used in a fuel cell, a higher output can be obtained during operation.
The thickness of the polymer electrolyte laminate film of the present invention is not limited, but is preferably 1 to 500 μm, more preferably 2 to 150 μm, still more preferably 5 to 75 μm, and most preferably 5 to 50 μm. The thicker the film thickness, the better the durability and the worse the initial characteristics. Therefore, it is preferable to set the film thickness within the above range.
When the polymer electrolyte laminate film of the present invention has a film thickness of 50 μm, the haze value measured according to JIS K 7136 is preferably 25% or less, more preferably 20% or less, and most preferably 15% or less. . The haze value is influenced by the degree of internal scattering of light and is a value depending on the film thickness. When the film thickness of the polymer electrolyte laminate film of the present invention is not 50 μm, the converted haze value (H 50 ) is preferably 25% or less, and the converted haze value (H 50 ) is the polymer electrolyte laminate film. Is defined as a haze value calculated on the assumption that the film thickness is 50 μm,
The converted haze value (H 50 ) is calculated by the following formula.

Figure 0004836438
(式中、tは高分子電解質積層膜の膜厚(μm)を表し、Ht はJIS K 7136に従って測定した高分子電解質積層膜のヘイズ値を表す。)
Figure 0004836438
(In the formula, t represents the film thickness (μm) of the polymer electrolyte laminate film, and H t represents the haze value of the polymer electrolyte laminate film measured according to JIS K 7136.)

ヘイズ値が上記範囲である(即ち、膜厚が50μmのときに、JIS K 7136に従って測定したヘイズ値が25%以下であるか、又は、膜厚が50μmではないときに、上記換算ヘイズ値(H50)が25%以下である)ということは、塩基性重合体(b)を主体とする島構造部分がフッ素系高分子電解質(a)を主体とする海構造部分中に均一に微分散していることを表しており、より高い耐久性を得ることができる。
また、本発明の高分子電解質積層膜は、他の公知技術により補強が施されていてもよい。公知の補強方法の例としては、フィブリル状PTFEの添加による補強(日本国特開昭53−149881号公報(米国特許第4, 218, 542号明細書に対応)と日本国特公昭63−61337号公報(EP94679号に対応)参照)))、延伸処理したPTFE多孔膜による補強(日本国特公平5−75835号公報と日本国特表平11−501964号公報(米国特許第5, 599, 614号明細書と米国特許第5, 547, 551号明細書に対応)参照)、無機粒子(Al2 3 、SiO2 、TiO2 、ZrO2 など)の添加による補強(日本国特開平6−111827号公報、日本国特開平9−219206号公報及び米国特許第5, 523, 181号明細書参照)、架橋による補強(日本国特開2000−188013号公報参照)、ゾルゲル反応を利用して膜内にシリカを含有させることによる補強((K. A. Mauritz, R. F. Storey and C. K. Jones, in Multiphase Polymer Materials: Blends and Ionomers, L. A. Utracki and R. A. Weiss, Editors, ACS Symposium Series No. 395, p. 401, American Chemical Society, Washington, DC (1989)参照)が挙げられる。
When the haze value is in the above range (that is, when the film thickness is 50 μm, the haze value measured according to JIS K 7136 is 25% or less, or when the film thickness is not 50 μm, the converted haze value ( H 50 ) is 25% or less) means that the island structure part mainly composed of the basic polymer (b) is finely dispersed uniformly in the sea structure part mainly composed of the fluoropolymer electrolyte (a). This means that higher durability can be obtained.
Further, the polymer electrolyte laminate film of the present invention may be reinforced by other known techniques. Examples of known reinforcing methods include reinforcement by addition of fibrillar PTFE (Japanese Patent Laid-Open No. 53-149981 (corresponding to US Pat. No. 4,218,542) and Japanese Patent Publication No. 63-61337). No. (corresponding to EP 94679))), reinforcement with a stretched PTFE porous membrane (Japanese Patent Publication No. 5-75835 and Japanese Patent Publication No. 11-501964 (US Pat. No. 5,599, 614 and U.S. Pat. No. 5,547,551)) and inorganic particles (Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2, etc.) are added for reinforcement (Japanese Unexamined Patent Publication No. 6) No.-1111827, Japanese Patent Laid-Open No. 9-219206 and US Pat. No. 5,523,181), reinforcement by crosslinking (see Japanese Patent Laid-Open No. 2000-188013) Reinforcement by incorporating silica into the membrane using sol-gel reaction ((KA Mauritz, RF Storey and CK Jones, in Multiphase Polymer Materials: Blends and Ionomers, LA Utracki and RA Weiss, Editors, ACS Symposium Series No. 395, p. 401, American Chemical Society, Washington, DC (1989)).

(本発明の高分子電解質積層膜の製造例)
本発明の高分子電解質積層膜を製造する方法としては、補強層、及び必要に応じて無補強層を用意し、これらを積層した状態で、ホットプレス、ロールプレス、真空プレス等の
公知のプレス技術やラミネーション技術を用いることにより接合する方法等が例示できる。この際、補強層、及び必要に応じて無補強層を、一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、Si等の基材上に形成した状態で接合を行ってもよい。また接合後に、用いた基材を剥離してもよい。補強層は、例えば下記のように製造される。
(a)イオン交換基を有するフッ素系高分子電解質が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して50.00〜99.99質量%と
(b)塩基性重合体が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して0.01〜50.00質量%と
からなるポリマー混合物を、プロトン性溶媒を包含する液状媒体と混合したキャスト液を提供し、
該キャスト液を支持体上にキャストして、支持体上に液状塗膜を形成し、そして液状塗膜から該液状媒体を除去して、補強層を形成する、ことを特徴とする製造方法。
上記キャスト液は、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)、又はミセル状液体(多数の小分子が分子間力で会合して出来た親液コロイド分散系)などであり、これらの複合系であってもよい。
(Production example of the polymer electrolyte laminate film of the present invention)
As a method for producing the polymer electrolyte laminate film of the present invention, a reinforcing layer and, if necessary, a non-reinforcing layer are prepared, and these are laminated in a known press such as a hot press, a roll press, or a vacuum press. Examples of the bonding method include using a technique or a lamination technique. Under the present circumstances, you may join in the state which formed the reinforcement layer and the non-reinforcement layer as needed on base materials, such as a general polymer film, metal foil, an alumina, and Si. Moreover, you may peel the used base material after joining. The reinforcing layer is manufactured as follows, for example.
(A) The fluorine-based polymer electrolyte having an ion exchange group is 50.00 to 99.99% by mass based on the total mass of the component (a) and the component (b), and (b) the basic polymer is the component (a And a polymer mixture composed of 0.01 to 50.00% by mass with respect to the total mass of the component (b) is provided with a casting liquid mixed with a liquid medium containing a protic solvent,
A production method comprising casting the casting liquid onto a support, forming a liquid coating film on the support, and removing the liquid medium from the liquid coating film to form a reinforcing layer.
The cast liquid is, for example, an emulsion (in which a liquid particle is dispersed as a colloidal particle or a coarser particle in the liquid to form a milky state), a suspension (a solid particle in the liquid is colloidal particles or a microscope). Such as particles dispersed as visible particles), colloidal liquid (macromolecules dispersed), or micellar liquid (a lyophilic colloidal dispersion system formed by the intermolecular force of many small molecules). These composite systems may also be used.

プロトン性溶媒を包含する液状媒体を含むキャスト液を用いる上記製造方法により、塩基性重合体(b)がフッ素系高分子電解質(a)中に均一に微分散した補強層を製膜できる。ここで言うプロトン性溶媒とは、プロトンを出すことができる官能基を有する溶媒であり、その例として、水、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等)、フェノール類が挙げられる。これらのプロトン性溶媒のうち、最も好ましいものは水である。プロトン性溶媒の量としては特に限定されないが、キャスト液の液状媒体の質量に対して0.5〜99.5質量%であることが好ましく、より好ましくは1〜90質量%であり、最も好ましくは10〜60質量%である。
また、これらのプロトン性溶媒は1種もしくは2種以上を混合して用いてもよい。特に、水とアルコールの混合溶媒を用いることが好ましく、水/エタノール=3/1〜1/3(体積割合)、水/イソプロパノール=3/1〜1/3(体積割合)の混合溶媒を用いることがより好ましい。
キャスト液の液状媒体が更に非プロトン性溶媒を包含することが好ましい。ここで、非プロトン性溶媒とは上記プロトン性溶媒以外の溶媒であり、その例として、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、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン等が挙げられる。これらの非プロトン性溶媒は1種もしくは2種以上を混合して用いてもよい。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、ジメチルスルホキシドを用いることが特に好ましい。非プロトン性溶媒の量としては特に限定されないが、キャスト液の液状媒体の質量に対して99.5〜0.5質量%であることが好ましく、より好ましくは99〜10質量%、最も好ましくは90〜40質量%である。
By the above production method using a casting liquid containing a liquid medium containing a protic solvent, a reinforcing layer in which the basic polymer (b) is finely dispersed uniformly in the fluorine-based polymer electrolyte (a) can be formed. The protic solvent mentioned here is a solvent having a functional group capable of emitting protons, and examples thereof include water, alcohols (methanol, ethanol, propanol, isopropanol, etc.), and phenols. Of these protic solvents, the most preferred is water. The amount of the protic solvent is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 99.5% by mass, more preferably 1 to 90% by mass, and most preferably based on the mass of the liquid medium of the casting liquid. Is 10-60 mass%.
Moreover, you may use these protic solvents 1 type or in mixture of 2 or more types. In particular, a mixed solvent of water and alcohol is preferably used, and a mixed solvent of water / ethanol = 3/1 to 1/3 (volume ratio) and water / isopropanol = 3/1 to 1/3 (volume ratio) is used. It is more preferable.
It is preferable that the liquid medium of the casting liquid further includes an aprotic solvent. Here, the aprotic solvent is a solvent other than the protic solvent, and examples thereof include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, acetone, and methyl ethyl ketone. Can be mentioned. These aprotic solvents may be used alone or in combination of two or more. It is particularly preferable to use N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone or dimethyl sulfoxide. The amount of the aprotic solvent is not particularly limited, but is preferably 99.5 to 0.5% by mass, more preferably 99 to 10% by mass, and most preferably based on the mass of the liquid medium of the casting liquid. It is 90-40 mass%.

キャスト液中の液状媒体の濃度は限定されないが、キャスト液の質量に対して、20.000〜99.989質量%が好ましく、40.000〜99.895質量%がより好ましく、75.000〜98.990質量%が最も好ましい。
キャスト液中のフッ素系高分子電解質(a)の濃度は限定されないが、キャスト液の質量に対して、0.010〜50.000質量%が好ましく、より好ましくは0.100〜40.000質量%、最も好ましくは1.000〜20.000質量%である。
また、キャスト液中の塩基性重合体(b)の濃度は限定されないが、キャスト液の質量に対して、0.001〜30.000質量%が好ましく、より好ましくは0.005〜20.000質量%、最も好ましくは0.010〜5.000質量%である。
尚、前記キャスト液中のフッ素系高分子電解質(a)と塩基性重合体(b)の質量比(
フッ素系高分子電解質(a):塩基性重合体(b))は、特に限定されないが、99.99:0.01〜50.00:50.00の範囲であることが好ましく、より好ましくは99.9:0.1〜60.0:40.0、さらにより好ましくは98:2〜80:20、最も好ましくは95:5〜85:15である。
このようなキャスト液を用いることで、液状媒体の除去が容易となり、かつ、塩基性重合体(b)を主体とする島構造部分がフッ素系高分子電解質(a)を主体とする海構造部分中に均一に微分散した補強層の製造が可能となり、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積層膜を得ることができる。
キャスト液は、例えば、塩基性重合体(b)をジメチルアセトアミド等の非プロトン性溶媒に溶解したポリマー溶液(以下、「前段階溶液A」、と称する)と、フッ素系高分子電解質(a)をジメチルアセトアミド等の非プロトン性溶媒に溶解したポリマー溶液(以下、「前段階溶液B」、と称する)を添加して撹拌し、そこに、さらにフッ素系高分子電解質(a)をプロトン性溶媒に溶解したポリマー溶液(以下、「前段階溶液C」、と称する)を添加して撹拌することで得ることができる。
Although the density | concentration of the liquid medium in a casting liquid is not limited, 20.000-99.989 mass% is preferable with respect to the mass of a casting liquid, 40.000-99.895 mass% is more preferable, 75.000- 98.990 mass% is most preferable.
Although the density | concentration of the fluorine-type polymer electrolyte (a) in a casting liquid is not limited, 0.010-50.000 mass% is preferable with respect to the mass of a casting liquid, More preferably, it is 0.100-40.000 mass. %, Most preferably 1.000 to 20.000 mass%.
Moreover, the density | concentration of the basic polymer (b) in a cast liquid is although it is not limited, 0.001-30.000 mass% is preferable with respect to the mass of a cast liquid, More preferably, 0.005-20.000. % By mass, most preferably from 0.010 to 5.000% by mass.
The mass ratio of the fluorine-based polymer electrolyte (a) and the basic polymer (b) in the casting solution (
The fluorine-based polymer electrolyte (a): basic polymer (b)) is not particularly limited, but is preferably in the range of 99.99: 0.01 to 50.00: 50.00, more preferably 99.9: 0.1-60.0: 40.0, even more preferably 98: 2-80: 20, most preferably 95: 5-85: 15.
By using such a casting solution, it is easy to remove the liquid medium, and the island structure portion mainly composed of the basic polymer (b) is the sea structure portion mainly composed of the fluoropolymer electrolyte (a). A reinforcing layer that is uniformly finely dispersed therein can be produced, and a polymer electrolyte laminate film having high durability can be obtained while maintaining good proton conductivity.
The casting liquid includes, for example, a polymer solution obtained by dissolving the basic polymer (b) in an aprotic solvent such as dimethylacetamide (hereinafter referred to as “pre-stage solution A”), and a fluorine-based polymer electrolyte (a). Is added to and stirred with a polymer solution (hereinafter referred to as “pre-stage solution B”) dissolved in an aprotic solvent such as dimethylacetamide, and the fluorine-based polymer electrolyte (a) is further added to the protic solvent. A polymer solution dissolved in (hereinafter referred to as “preliminary solution C”) is added and stirred.

塩基性重合体(b)の一例である窒素含有芳香族塩基性重合体は、一般的に非プロトン性溶媒には溶解するが、プロトン性溶媒には不溶である。しかしながら、上記のように前段階溶液Aと前段階溶液Bを混合した後、これにプロトン性溶媒を含有する前段階溶液Cを添加混合しても、驚くべきことに、窒素含有芳香族塩基性重合体は析出することなく、キャスト液中に溶解もしくは均一微分散した状態を保つことができる。このようになるメカニズムはまだ完全には解明されていないが、窒素含有芳香族塩基性重合体(b)がフッ素系高分子電解質(a)との何らかの相互作用により安定化するためと推察される。
塩基性重合体(b)は、公知文献に記載された重合方法により製造することができる(例えば、実験化学講座28高分子合成第4版、日本化学会編、日本国丸善(株)を参照)。塩基性重合体(b)の重量平均分子量は限定されないが、好ましくは10000〜1000000であり、より好ましくは20000〜100000であり、最も好ましくは50000〜100000である。重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定できる。
また、このような重量平均分子量に代わる指標として、固有粘度(dl/g)を用いても良い。固有粘度は、塩基性重合体(b)をジメチルアセトアミドに溶解して得られるポリマー溶液の粘度ηP(mPa・s)とジメチルアセトアミドの粘度ηS(mPa・s)、及び該ポリマー溶液の濃度Cp(g/dL)から、下記式を用いて求めることができる。ここでいう粘度とは、例えば25℃にて円錐平板型の回転式粘度計(E型粘度計)を用いて測定される値である。
固有粘度=ln(ηP/ηS)/Cp
(式中、lnは自然対数を表す。)
The nitrogen-containing aromatic basic polymer that is an example of the basic polymer (b) is generally soluble in an aprotic solvent, but is insoluble in a protic solvent. However, surprisingly, even if the pre-stage solution A and the pre-stage solution B are mixed as described above and then the pre-stage solution C containing a protic solvent is added and mixed therewith, surprisingly, the nitrogen-containing aromatic basicity The polymer can be kept dissolved or uniformly finely dispersed in the casting solution without precipitating. The mechanism of this has not been fully elucidated, but it is presumed that the nitrogen-containing aromatic basic polymer (b) is stabilized by some interaction with the fluorine-based polymer electrolyte (a). .
The basic polymer (b) can be produced by a polymerization method described in known literature (for example, see Experimental Chemistry Course 28, Polymer Synthesis 4th Edition, edited by the Chemical Society of Japan, Nippon Kunimaru Maruzen Co., Ltd.). ). Although the weight average molecular weight of a basic polymer (b) is not limited, Preferably it is 10,000-1 million, More preferably, it is 20000-100,000, Most preferably, it is 50000-100,000. The weight average molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).
Moreover, you may use an intrinsic viscosity (dl / g) as a parameter | index instead of such a weight average molecular weight. Intrinsic viscosity includes viscosity ηP (mPa · s) of polymer solution obtained by dissolving basic polymer (b) in dimethylacetamide, viscosity ηS (mPa · s) of dimethylacetamide, and concentration Cp ( g / dL) and can be determined using the following formula. The viscosity here is a value measured using, for example, a conical plate type rotary viscometer (E-type viscometer) at 25 ° C.
Intrinsic viscosity = ln (ηP / ηS) / Cp
(In the formula, ln represents a natural logarithm.)

塩基性重合体(b)の固有粘度としては、好ましくは0.1〜10.0dL/g、より好ましくは0.3〜5.0dL/g、最も好ましくは0.5〜1.0dL/gである。
塩基性重合体(b)と非プロトン性溶媒をオートクレーブに入れ、40〜300℃で10分〜100時間の加熱処理する等の方法によって前段階溶液Aを得ることができる。前段階溶液Aにおける塩基性重合体(b)の含有率は、前段階溶液Aの質量に対して、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.1〜30質量%以下、最も好ましくは1〜10質量%である。
前段階溶液Bと前段階溶液Cに含まれるフッ素系高分子電解質(a)の代表例であるプロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体は、下記式(8)で示される前駆体ポリマーを下記の方法で重合した後、加水分解、酸処理を行って製造することができる。
[CF2 CX1 2 a −[CF2 −CF(−O−(CF2 −CF(CF2 3 ))b −Oc−(CFR1 d −(CFR2 e −(CF2 f −X5 )]g
・・・(8)
(式中、X1 、X2 およびX3 は、それぞれ独立に、ハロゲン元素または炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、bは0〜8の数、cは0または1、d、eおよびfはそれぞれ独立に0〜6の数(但し、d+e+fは、0に等しくない)、R1 およびR2 はそれぞれ独立に、ハロゲン元素、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基、X5 は−COOR3 、−COR4 または−SO2 4 (R3 は、炭素数1〜3のアルキル基(フッ素置換されていないもの)、R4 はハロゲン元素)) 上記式(8)で示される前駆体ポリマーは、フッ化オレフィン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される。具体的なフッ化オレフィンとしては、CF2 =CF2 ,CF2 =CFCl,CF2 =CCl2 等が挙げられる。具体的なフッ化ビニル化合物としては、CF2 =CFO(CF2 z −SO2 F,CF2 =CFOCF2 CF(CF3 )O(CF2 z −SO2 F,CF2 =CF(CF2 z −SO2 F,CF2 =CF(OCF2 CF(CF3 ))z −(CF2 z-1 −SO2 F,CF2 =CFO(CF2 z −CO2 R,CF2 =CFOCF2 CF(CF3 )O(CF2 z −CO2 R,CF2 =CF(CF2 z −CO2 R,CF2 =CF(OCF2 CF(CF3 ))z −(CF2 2 −CO2 R(Zは1〜8の整数、Rは炭素数1〜3のアルキル基(フッ素置換されていないもの)を表す)等が挙げられる。
The intrinsic viscosity of the basic polymer (b) is preferably 0.1 to 10.0 dL / g, more preferably 0.3 to 5.0 dL / g, most preferably 0.5 to 1.0 dL / g. It is.
The pre-stage solution A can be obtained by a method in which the basic polymer (b) and the aprotic solvent are put in an autoclave and subjected to heat treatment at 40 to 300 ° C. for 10 minutes to 100 hours. The content of the basic polymer (b) in the pre-stage solution A is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.1 to 30% by mass, most preferably based on the mass of the pre-stage solution A. Preferably it is 1-10 mass%.
A perfluorocarbon polymer having a proton exchange group, which is a representative example of the fluorine-based polymer electrolyte (a) contained in the pre-stage solution B and the pre-stage solution C, represents a precursor polymer represented by the following formula (8) as follows: After polymerization by the method, it can be produced by hydrolysis and acid treatment.
[CF 2 CX 1 X 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -Oc- (CFR 1) d - (CFR 2) e - (CF 2 ) F −X 5 )] g
... (8)
(Wherein X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a C 1-3 perfluoroalkyl group, 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is 0 to 8, c is 0 or 1, d, e and f are each independently a number from 0 to 6 (where d + e + f is not equal to 0), R 1 and R 2 are each independently a halogen element , A C 1-10 perfluoroalkyl group or fluorochloroalkyl group, X 5 is —COOR 3 , —COR 4 or —SO 2 R 4 (R 3 is a C 1-3 alkyl group (fluorinated not even one), the precursor polymer R 4 is represented by a halogen element)) the equation (8) is prepared by copolymerizing a fluorinated olefin with vinyl fluoride compound. Specific examples of the fluorinated olefin include CF 2 = CF 2 , CF 2 = CFCl, CF 2 = CCl 2 and the like. Specific fluorinated vinyl compounds, CF 2 = CFO (CF 2 ) z -SO 2 F, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) z -SO 2 F, CF 2 = CF ( CF 2) z -SO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2) z-1 -SO 2 F, CF 2 = CFO (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CF (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2 ) 2 —CO 2 R (Z represents an integer of 1 to 8, R represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms (not substituted with fluorine)) and the like.

このような前駆体ポリマーの重合方法としては、フッ化ビニル化合物をフロン等の溶媒に溶かした後、テトラフルオロエチレンのガスと反応させ重合する溶液重合法、フロン等の溶媒を使用せずに重合する塊状重合法、フッ化ビニル化合物を界面活性剤とともに水中に仕込んで乳化させた後、テトラフルオロエチレンのガスと反応させ重合する乳化重合法等が挙げられる。上記のいずれの重合方法においても、反応温度は30〜90℃が好ましく、また、反応圧力は280〜1100kPaが好ましい。
このように製造された前駆体ポリマーの、JIS K−7210に基づいた270℃、荷重2.16kgf、オリフィス内径2.09mmで測定されるメルトインデックスMI(g/10分)は限定されないが、0.001以上1000以下が好ましく、より好ましくは0.01以上100以下、最も好ましくは0.1以上10以下である。
次に、前駆体ポリマーを、塩基性反応液体に浸漬させて、10〜90℃で10秒〜100時間の加水分解処理を行う。塩基性反応液体は限定されないが、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液が好ましい。塩基性反応液体におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の含有率は限定されないが、塩基性反応液体の質量に対して10〜30質量%であることが好ましい。塩基性反応液体は、ジメチルスルホキシド、メチルアルコール等の膨潤性有機化合物を含有するのが好ましい。塩基性反応液体における膨潤性有機化合物の含有率としては、塩基性反応液体の質量に対して1〜30質量%であることが好ましい。
このように加水分解処理した後、さらに塩酸等で酸処理を行うことにより、プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体が製造される。プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体のプロトン交換容量は限定されないが、1g当り0.6〜4.1が好ましく、より好ましくは1.0〜3.5、最も好ましくは1.2〜2.0である。
As a method for polymerizing such a precursor polymer, a solution polymerization method in which a vinyl fluoride compound is dissolved in a solvent such as chlorofluorocarbon and then reacted with a tetrafluoroethylene gas to perform polymerization. Polymerization is performed without using a solvent such as chlorofluorocarbon. Examples thereof include a bulk polymerization method, and an emulsion polymerization method in which a vinyl fluoride compound is charged with water in a surfactant and emulsified, and then reacted with tetrafluoroethylene gas for polymerization. In any of the above polymerization methods, the reaction temperature is preferably 30 to 90 ° C., and the reaction pressure is preferably 280 to 1100 kPa.
The melt index MI (g / 10 minutes) measured at 270 ° C., load 2.16 kgf, orifice inner diameter 2.09 mm based on JIS K-7210 of the precursor polymer thus produced is not limited. It is preferably 0.001 or more and 1000 or less, more preferably 0.01 or more and 100 or less, and most preferably 0.1 or more and 10 or less.
Next, the precursor polymer is immersed in a basic reaction liquid and subjected to a hydrolysis treatment at 10 to 90 ° C. for 10 seconds to 100 hours. The basic reaction liquid is not limited, but an aqueous solution of an alkali metal or alkaline earth metal hydroxide such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is preferred. The content of the alkali metal or alkaline earth metal hydroxide in the basic reaction liquid is not limited, but is preferably 10 to 30% by mass with respect to the mass of the basic reaction liquid. The basic reaction liquid preferably contains a swellable organic compound such as dimethyl sulfoxide or methyl alcohol. As a content rate of the swellable organic compound in a basic reaction liquid, it is preferable that it is 1-30 mass% with respect to the mass of a basic reaction liquid.
After the hydrolysis treatment as described above, the perfluorocarbon polymer having a proton exchange group is produced by further acid treatment with hydrochloric acid or the like. The proton exchange capacity of the perfluorocarbon polymer having a proton exchange group is not limited, but is preferably 0.6 to 4.1 per gram, more preferably 1.0 to 3.5, and most preferably 1.2 to 2. 0.

次に、プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体とプロトン性溶媒をオートクレーブに入れ、40〜300℃で10分〜100時間加熱処理する等の方法により、プロトン性溶媒にプロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体を溶解させた前段階溶液Cを得ることができる。ここで言う溶液には、前記パーフルオロカーボン重合体がミセル状に分散した状態も含む。前段階溶液Cにおける前記パーフルオロカーボン重合体の含有率は、前段階溶液Cの質量に対して、好ましくは0.1〜50質量%、より好ましくは0.1〜30質量%、最も好ましくは1〜10質量%である。
前段階溶液Bに関しては、プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体と非プロトン性溶媒をオートクレーブに入れ、40〜300℃で10分〜100時間の加熱処理する方法、もしくは前段階溶液Cの溶媒置換(プロトン性溶媒を揮発させた後、非プロト
ン性溶媒を添加する)を行うことで製造することができる。前段階溶液Bにおける前記パーフルオロカーボン重合体の含有率は、前段階溶液Bの質量に対して、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.1〜30質量%、最も好ましくは1〜10質量%である。
以上のように製造した前段階溶液Aと前段階溶液Bとを公知の攪拌方法により混合し、更に前段階溶液Cを添加し撹拌して混合する。また、所望により濃縮を行う。こうして、キャスト液が得られる。
Next, a perfluorocarbon having a proton exchange group in the protic solvent is obtained by a method in which a perfluorocarbon polymer having a proton exchange group and a protic solvent are placed in an autoclave and heat-treated at 40 to 300 ° C. for 10 minutes to 100 hours. A pre-stage solution C in which the polymer is dissolved can be obtained. The solution here includes a state in which the perfluorocarbon polymer is dispersed in a micelle form. The content of the perfluorocarbon polymer in the pre-stage solution C is preferably 0.1 to 50 mass%, more preferably 0.1 to 30 mass%, most preferably 1 with respect to the mass of the pre-stage solution C. -10 mass%.
For the pre-stage solution B, a perfluorocarbon polymer having a proton exchange group and an aprotic solvent are placed in an autoclave and subjected to heat treatment at 40 to 300 ° C. for 10 minutes to 100 hours, or solvent substitution of the pre-stage solution C (The aprotic solvent is volatilized and then an aprotic solvent is added). The content of the perfluorocarbon polymer in the pre-stage solution B is preferably 0.01 to 50 mass%, more preferably 0.1 to 30 mass%, most preferably 1 with respect to the mass of the pre-stage solution B. -10 mass%.
The pre-stage solution A and the pre-stage solution B produced as described above are mixed by a known stirring method, and the pre-stage solution C is further added and stirred to mix. Further, if necessary, concentration is performed. In this way, a casting liquid is obtained.

次にキャスト液を支持体上にキャストして、支持体上に液状塗膜を形成し、そして、液状塗膜から液状媒体を除去することにより、補強層を得ることができる。キャスト方法としては、グラビアロールコータ、ナチュラルロールコータ、リバースロールコータ、ナイフコータ、ディップコータ等の公知の塗工方法を用いることができる。キャストに用いる支持体は限定されないが、一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、Si等の基板等が好適に使用できる。このような支持体は、膜/電極接合体(後述する)を形成する際には、所望により、補強層から除去される。また、日本国特公平5−75835号公報に記載のPTFE膜を延伸処理した多孔質膜にキャスト液を含浸させてから液状媒体を除去することにより、補強体(該多孔質膜)を含んだ補強層を製造することもできる。また、キャスト液にPTFE等からなるフィブリル化繊維を添加してキャストしてから液状媒体を除去することにより、日本国特開昭53−149881号公報と日本国特公昭63−61337号公報に示されるような、フィブリル化繊維で補強された補強層を製造することもできる。このようにして得られた補強層は、所望により、40〜300℃、好ましくは80〜200℃で加熱処理(アニーリング)に付してもよい。
以上の方法で製造された複数の補強層、もしくは補強層とプロトン交換樹脂からなる無補強層を用意し、これらを積層した状態で、ホットプレス、ロールプレス、真空プレス等の公知のプレス技術やラミネーション技術により接合させることで、本発明の高分子電解質積層膜を製造できる。この際、必要に応じて、補強層又は無補強層を一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、Si等の基材上に形成した状態で接合を行ってもよく、必要に応じて接合後に用いた基材を剥離してもよい。また、同じ塩基性重合体を用い、かつ同一の組成からなる補強層を複数積層させて得られる高分子電解質膜は均一膜とみなされ、本発明の高分子電解質積層膜には該当しない。
Next, a cast liquid is cast on a support, a liquid coating film is formed on the support, and a liquid medium is removed from the liquid coating film, whereby a reinforcing layer can be obtained. As a casting method, a known coating method such as a gravure roll coater, a natural roll coater, a reverse roll coater, a knife coater, or a dip coater can be used. Although the support body used for casting is not limited, a general polymer film, a metal foil, a substrate made of alumina, Si, or the like can be suitably used. Such a support is optionally removed from the reinforcing layer when a membrane / electrode assembly (described later) is formed. Further, the porous medium obtained by stretching the PTFE film described in Japanese Patent Publication No. 5-75835 was impregnated with the casting liquid, and then the liquid medium was removed, thereby including a reinforcing body (the porous film). A reinforcing layer can also be produced. Further, by adding a fibrillated fiber made of PTFE or the like to the casting solution and casting it, and removing the liquid medium, it is shown in Japanese Patent Publication No. 53-149981 and Japanese Patent Publication No. 63-61337. It is also possible to produce a reinforcing layer reinforced with fibrillated fibers. The reinforcing layer thus obtained may be subjected to heat treatment (annealing) at 40 to 300 ° C., preferably 80 to 200 ° C., if desired.
A plurality of reinforcing layers manufactured by the above method, or a non-reinforcing layer composed of a reinforcing layer and a proton exchange resin is prepared, and these are laminated in a known press technology such as hot press, roll press, vacuum press, etc. The polymer electrolyte laminate film of the present invention can be produced by bonding using a lamination technique. At this time, if necessary, the reinforcing layer or the non-reinforcing layer may be bonded on a general polymer film, metal foil, alumina, Si, or other substrate, and may be bonded as necessary. You may peel the used base material. A polymer electrolyte membrane obtained by laminating a plurality of reinforcing layers having the same composition and using the same basic polymer is regarded as a uniform membrane and does not correspond to the polymer electrolyte laminated membrane of the present invention.

上記接合時の温度条件としては、10〜300℃であることが好ましく、より好ましくは40〜250℃、最も好ましくは80〜200℃である。また、上記接合時のプレス圧力条件としては、0.01〜100MPaであることが好ましく、より好ましくは0.1〜10MPa、最も好ましくは1〜5MPaである。プレス時間としては、プレス圧力によるが、0.01〜100分であることが好ましく、より好ましくは0.1〜50分、最も好ましくは1〜20分である。さらに、上記接合時の雰囲気圧力としては、0.01〜200kPaであることが好ましく、より好ましくは0.1〜100kPa、最も好ましくは1〜50kPaである。
このようにして得られた高分子電解質積層膜は、所望により、40〜300℃、好ましくは80〜200℃で加熱処理(アニーリング)に付してもよい。更に、本来のプロトン交換容量を充分に発揮させるために、所望により、塩酸や硝酸等で酸処理を行ってもよい。また、横1軸テンターや同時2軸テンターを使用することによって延伸配向を付与することもできる。
(膜/電極接合体)
As temperature conditions at the time of the said joining, it is preferable that it is 10-300 degreeC, More preferably, it is 40-250 degreeC, Most preferably, it is 80-200 degreeC. Moreover, as a press pressure condition at the time of the said joining, it is preferable that it is 0.01-100 Mpa, More preferably, it is 0.1-10 Mpa, Most preferably, it is 1-5 Mpa. The pressing time is preferably 0.01 to 100 minutes, more preferably 0.1 to 50 minutes, and most preferably 1 to 20 minutes, depending on the pressing pressure. Furthermore, the atmospheric pressure at the time of joining is preferably 0.01 to 200 kPa, more preferably 0.1 to 100 kPa, and most preferably 1 to 50 kPa.
The polymer electrolyte laminate film thus obtained may be subjected to heat treatment (annealing) at 40 to 300 ° C., preferably 80 to 200 ° C., if desired. Further, acid treatment with hydrochloric acid, nitric acid or the like may be carried out if desired in order to fully exhibit the original proton exchange capacity. In addition, stretch orientation can be imparted by using a horizontal uniaxial tenter or a simultaneous biaxial tenter.
(Membrane / electrode assembly)

本発明の高分子電解質積層膜を固体高分子形燃料電池に用いる場合、本発明の高分子電解質積層膜がアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体(membrane/electrode assembly )( 以下、しばしば「MEA」と称する) として使用される。ここでアノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層
からなり、プロトン伝導性を有する。また、アノード触媒層とカソード触媒層のそれぞれの外側表面にガス拡散層(後述する)を接合したものもMEAと呼ぶ。
アノード触媒層は、燃料(例えば水素)を酸化して容易にプロトンを生ぜしめる触媒を包含し、カソード触媒層は、プロトン及び電子と酸化剤(例えば酸素や空気)を反応させて水を生成させる触媒を包含する。アノードとカソードのいずれについても、触媒としては白金もしくは白金とルテニウム等を合金化した触媒が好適に用いられ、10〜1000オングストローム以下の触媒粒子であることが好ましい。また、このような触媒粒子は、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、活性炭、黒鉛といった0.01〜10μm程度の大きさの導電性粒子に担持されていることが好ましい。触媒層投影面積に対する触媒粒子の担持量は、0.001mg/cm2 〜10mg/cm2 以下であることが好ましい。
さらにアノード触媒層とカソード触媒層は、上記式(2)又は上記式(3)で表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含有することが好ましい。触媒層投影面積に対する担持量として、0.001mg/cm2 〜10mg/cm2 以下であることが好ましい。
When the polymer electrolyte laminate film of the present invention is used in a polymer electrolyte fuel cell, a membrane / electrode assembly in which the polymer electrolyte laminate film of the present invention is held tightly between an anode and a cathode (Hereinafter often referred to as "MEA"). Here, the anode is composed of an anode catalyst layer and has proton conductivity, and the cathode is composed of a cathode catalyst layer and has proton conductivity. Further, a gas diffusion layer (described later) joined to the outer surface of each of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is also referred to as MEA.
The anode catalyst layer includes a catalyst that easily oxidizes fuel (for example, hydrogen) to easily generate protons, and the cathode catalyst layer reacts protons and electrons with an oxidizing agent (for example, oxygen or air) to generate water. Includes catalyst. For both the anode and the cathode, platinum or a catalyst in which platinum and ruthenium are alloyed is preferably used as the catalyst, and the catalyst particles are preferably 10 to 1000 angstroms or less. Such catalyst particles are preferably supported on conductive particles having a size of about 0.01 to 10 μm such as furnace black, channel black, acetylene black, carbon black, activated carbon, and graphite. The amount of catalyst particles supported relative to the projected area of the catalyst layer is preferably 0.001 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 or less.
Further, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer preferably contain a perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by the above formula (2) or the above formula (3). The supported amount with respect to the projected area of the catalyst layer is preferably 0.001 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 or less.

また、MEAにおいて、高分子電解質積層膜を構成する補強層がカソード触媒層に隣接していることが好ましい。さらに、該補強層に於けるフッ素系高分子電解質(a)の含有率が70〜99質量%、該補強層に於ける塩基性重合体(b)の含有率が1〜30質量%、膜厚としては1〜20μmであることが好ましい。MEAがこのような構造を有することで、より優れた耐久性を得ることができる。
MEAの作製方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。まず、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをアルコールと水の混合溶液に溶解したものに、触媒として市販の白金担持カーボン(例えば、日本国田中貴金属(株)社製TEC10E40E)を分散させてペースト状にする。これを2枚のPTFEシートのそれぞれの片面に一定量塗布して乾燥させて触媒層を形成する。次に、各PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に本発明の高分子電解質積層膜を挟み込み、100〜200℃で熱プレスにより転写接合してから、PTFEシートを取り除くことにより、MEAを得ることができる。当業者にはMEAの作製方法は周知である。MEAの作製方法は、例えば、JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY,22(1992)p.1−7に詳しく記載されている。
ガス拡散層としては、市販のカーボンクロスもしくはカーボンペーパーを用いることができる。前者の代表例としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製カーボンクロスE−tek,B−1が挙げられ、後者の代表例としては、CARBEL(登録商標、日本国ジャパンゴアテックス(株))、日本国東レ社製TGP−H、米国SPECTRACORP社製カーボンペーパー2050等が挙げられる。また、電極触媒層とガス拡散層が一体化した構造体は「ガス拡散電極」と呼ばれる。ガス拡散電極を本発明の高分子電解質積層膜に接合してもMEAが得られる。市販のガス拡散電極の代表例としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製ガス拡散電極ELAT(登録商標)(ガス拡散層としてカーボンクロスを使用)が挙げられる。
(固体高分子形燃料電池)
In the MEA, it is preferable that the reinforcing layer constituting the polymer electrolyte laminated film is adjacent to the cathode catalyst layer. Furthermore, the content of the fluorine-based polymer electrolyte (a) in the reinforcing layer is 70 to 99% by mass, the content of the basic polymer (b) in the reinforcing layer is 1 to 30% by mass, The thickness is preferably 1 to 20 μm. Since MEA has such a structure, more excellent durability can be obtained.
As a method for manufacturing the MEA, for example, the following method can be given. First, a commercially available platinum-supporting carbon (for example, TEC10E40E manufactured by Kuninaka Tanaka Kikai Co., Ltd.) is used as a catalyst in a perfluorocarbon sulfonic acid polymer dissolved in a mixed solution of alcohol and water to form a paste. A certain amount of this is applied to one side of each of the two PTFE sheets and dried to form a catalyst layer. Next, the coated surfaces of the PTFE sheets face each other, the polymer electrolyte laminate film of the present invention is sandwiched therebetween, and is transferred and bonded by hot pressing at 100 to 200 ° C., and then the PTFE sheet is removed to remove the MEA. Can be obtained. A person skilled in the art knows how to make MEAs. The method for producing MEA is described in, for example, JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY, 22 (1992) p. 1-7.
As the gas diffusion layer, commercially available carbon cloth or carbon paper can be used. Representative examples of the former include carbon cloth E-tek, B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA. Representative examples of the latter include CARBEL (registered trademark, Japan Gore-Tex, Japan), Japan. Examples include TGP-H manufactured by Kunito Toray Industries, Inc., and carbon paper 2050 manufactured by SPECTRACORP USA. A structure in which the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a “gas diffusion electrode”. MEA can also be obtained by bonding the gas diffusion electrode to the polymer electrolyte laminate film of the present invention. A typical example of a commercially available gas diffusion electrode is a gas diffusion electrode ELAT (registered trademark) manufactured by DE NORA NORTH AMERICA (using carbon cloth as a gas diffusion layer).
(Solid polymer fuel cell)

基本的には、上記MEAのアノードとカソードを高分子電解質積層膜の外側に位置する電子伝導性材料を介して互いに結合させると、作動可能な固体高分子形燃料電池を得ることができる。当業者には固体高分子形燃料電池の作成方法は周知である。固体高分子形燃料電池の作成方法は、例えば、FUEL CELL HANDBOOK(VAN NOSTRAND REINHOLD、A.J.APPLEBY et.al、ISBN 0−442−31926−6)、化学One Point,燃料電池(第二版),谷口雅夫,妹尾学編,共立出版(1992)等に詳しく記載されている。
電子伝導性材料としては、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
たグラファイトまたは樹脂との複合材料、金属製のプレート等の集電体を用いる。上記MEAがガス拡散層を有さない場合、MEAのアノードとカソードのそれぞれの外側表面にガス拡散層を位置させた状態で単セル用ケーシング(例えば、米国エレクトロケム社製 PEFC単セル)に組み込むことにより固体高分子形燃料電池が得られる。
Basically, when the MEA anode and cathode are bonded to each other via an electron conductive material located outside the polymer electrolyte laminate film, an operable solid polymer fuel cell can be obtained. A person skilled in the art knows how to make a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell is prepared by, for example, FUEL CELL HANDBOOK (VAN NOSTRAND REINHOLD, AJ APPLEBY et.al, ISBN 0-442-31926-6), Chemical One Point, Fuel Cell (Second Edition). ), Masao Taniguchi, Manabu Senoo, Kyoritsu Shuppan (1992).
As the electron conductive material, a current collector such as a composite material of graphite or resin having a groove for flowing a gas such as fuel or oxidant on its surface, or a metal plate is used. When the MEA does not have a gas diffusion layer, the MEA is incorporated into a single cell casing (for example, PEFC single cell manufactured by Electrochem Inc., USA) with the gas diffusion layer positioned on the outer surface of each anode and cathode of the MEA. Thus, a polymer electrolyte fuel cell can be obtained.

高電圧を取り出すためには、上記のような単セルを複数積み重ねたスタックセルとして燃料電池を作動させる。このようなスタックセルとしての燃料電池を作成するためには、複数のMEAを作成してスタックセル用ケーシング(例えば、米国エレクトロケム社製 PEFCスタックセル)に組み込む。このようなスタックセルとしての燃料電池においては、隣り合うセルの燃料と酸化剤を分離する役割と隣り合うセル間の電気的コネクターの役割を果たすバイポーラプレートと呼ばれる集電体が用いられる。
燃料電池の運転は、一方の電極に水素を、他方の電極に酸素または空気を供給することによって行われる。燃料電池の作動温度は高温であるほど触媒活性が上がるために好ましい。通常は、水分管理が容易な50〜80℃で作動させることが多いが、80℃〜150℃で作動させることもできる。
本発明の高分子電解質積層膜は、クロルアルカリ電解、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に用いることも可能である。高分子電解質膜を酸素濃縮器に利用する方法については、例えば、化学工学,56(3),p.178−180(1992)や、米国特許第4, 879, 016号明細書を参照できる。高分子電解質膜を湿度センサーに利用する方法については、例えば、日本イオン交換学会誌,8(3),p.154−165(1997)や、J. Fang et al., Macromolecules, 35, 6070 (2002) を参照できる。高分子電解質膜をガスセンサーに利用する方法については、例えば、分析化学,50(9),p.585−594(2001)や、X. Yang,
S. Johnson, J. Shi, T. Holesinger, B. Swanson: Sens. Actuators B, 45, 887 (1997) を参照できる。
In order to extract a high voltage, the fuel cell is operated as a stack cell in which a plurality of single cells as described above are stacked. In order to produce such a fuel cell as a stack cell, a plurality of MEAs are produced and assembled into a stack cell casing (for example, PEFC stack cell manufactured by US Electrochem Corp.). In such a fuel cell as a stack cell, a current collector called a bipolar plate is used which serves to separate the fuel and oxidant of adjacent cells and to serve as an electrical connector between the adjacent cells.
The fuel cell is operated by supplying hydrogen to one electrode and oxygen or air to the other electrode. The higher the operating temperature of the fuel cell, the higher the catalyst activity. Usually, it is often operated at 50 to 80 ° C., where moisture management is easy, but it can also be operated at 80 to 150 ° C.
The polymer electrolyte laminate film of the present invention can also be used for chloralkali electrolysis, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor and the like. For a method of using the polymer electrolyte membrane for the oxygen concentrator, see, for example, Chemical Engineering, 56 (3), p. 178-180 (1992) and U.S. Pat. No. 4,879,016. For a method of using a polymer electrolyte membrane for a humidity sensor, see, for example, Journal of the Japan Ion Exchange Society, 8 (3), p. 154-165 (1997) and J. Fang et al., Macromolecules, 35, 6070 (2002). For a method of using a polymer electrolyte membrane for a gas sensor, see, for example, Analytical Chemistry, 50 (9), p. 585-594 (2001), X. Yang,
See S. Johnson, J. Shi, T. Holesinger, B. Swanson: Sens. Actuators B, 45, 887 (1997).

以下、本発明を実施例と比較例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。実施例と比較例で用いられる評価法および測定法は以下のとおりである。
(ヘイズ値測定)
日本国(株)東洋精機製作所社製ヘイズガードIIを用いて、JIS K 7136に基づき、高分子電解質膜のヘイズ値測定を行った。また、膜厚が50μm以外の場合、換算ヘイズ値H50を下記式にて算出した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not restrict | limited to these Examples. Evaluation methods and measurement methods used in Examples and Comparative Examples are as follows.
(Haze value measurement)
Based on JIS K 7136, the haze value of the polymer electrolyte membrane was measured using a haze guard II manufactured by Toyo Seiki Seisakusho, Japan. When the film thickness was other than 50 μm, the converted haze value H 50 was calculated by the following formula.

Figure 0004836438
(式中、tは高分子電解質膜の膜厚(μm)を表し、Ht はJIS K 7136に従って測定した高分子電解質膜のヘイズ値を表す。)
Figure 0004836438
(In the formula, t represents the film thickness (μm) of the polymer electrolyte membrane, and H t represents the haze value of the polymer electrolyte membrane measured according to JIS K 7136.)

(プロトン伝導度測定)
膜サンプルを湿潤状態にて切り出し、厚みTを測定する。そして、幅1cm、長さ5cmの膜長さ方向の伝導度を測定する2端子式の伝導度測定セルに装着した。このセルを80℃のイオン交換水中に入れ、交流インピーダンス法により、周波数10kHzにおける実数成分の抵抗値Rを測定し、以下の式からプロトン伝導度σを導出した。
σ=L/(R×T×W)
σ:プロトン伝導度(S/cm)
T:厚み(cm)
R:抵抗値(Ω)
L(=5):膜長(cm)
W(=1):膜幅(cm)
(OCV加速試験)
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OCV加速試験を実施した。ここで言う「OCV」とは、開回路電圧(Open Circuit Voltage)を意味する。
(Proton conductivity measurement)
A membrane sample is cut out in a wet state and the thickness T is measured. And it attached to the conductivity measuring cell of 2 terminal type which measures the conductivity of the film length direction of width 1cm and length 5cm. This cell was placed in ion exchange water at 80 ° C., and the resistance value R of the real component at a frequency of 10 kHz was measured by an alternating current impedance method, and proton conductivity σ was derived from the following equation.
σ = L / (R × T × W)
σ: proton conductivity (S / cm)
T: Thickness (cm)
R: Resistance value (Ω)
L (= 5): film length (cm)
W (= 1): film width (cm)
(OCV acceleration test)
In order to accelerate evaluation of the durability of the polymer electrolyte membrane under high temperature and low humidification conditions, the following OCV accelerated test was conducted. Here, “OCV” means an open circuit voltage.

まず、アノード側ガス拡散電極とカソード側ガス拡散電極を向い合わせて、その間に高分子電解質膜を挟み込み、評価用セルに組み込んだ。ガス拡散電極としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製ガス拡散電極ELAT(登録商標)(Pt担持量0.4mg/cm2 、以下同じ)に、5質量%のパーフルオロスルホン酸ポリマー溶液SS−910(旭化成(株)製、当量質量(EW):910、溶媒組成(質量比):エタノール/水=50/50)を塗布した後、大気雰囲気中、140℃で乾燥・固定化したものを使用した。ポリマー担持量は0.8mg/cm2 であった。
この評価用セルを評価装置(日本国(株)チノー社製)にセットして昇温した後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを200cc/minで流してOCV状態に保持した。ガス加湿には水バブリング方式を用い、水素ガス、空気ガスともに加湿してセルへ供給した。試験条件としては、セル温度100℃、ガス加湿温度50℃、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。
上記試験の開始から10時間ごとに、高分子電解質膜にピンホールを生じたか否かを調べるため、日本国GTRテック(株)製フロー式ガス透過率測定装置GTR−100FAを用いて水素ガス透過率を測定した。評価セルのアノード側を水素ガスで0.15MPaに保持した状態で、カソード側にキャリアガスとしてアルゴンガスを10cc/minで流し、評価セル中をクロスリークによりアノード側からカソード側に透過してきた水素ガスとともにガスクロマトグラフG2800に導入し、水素ガスの透過量を定量化する。水素ガス透過量をX(cc)、補正係数をB(=1.100)、高分子電解質膜の膜厚T(cm)、水素分圧をP(Pa)、高分子電解質膜の水素透過面積をA(cm2 )、測定時間をD(sec)とした時の水素ガス透過率はL(cc×cm/cm2 /sec/Pa)は、下記式から計算される。
L=(X×B×T)/(P×A×D)
水素ガス透過率がOCV試験前の値の10倍に達した時点でクロスリークと判定し、試験終了とした。
First, the anode-side gas diffusion electrode and the cathode-side gas diffusion electrode were faced to each other, and a polymer electrolyte membrane was sandwiched between them and incorporated in an evaluation cell. As the gas diffusion electrode, a gas diffusion electrode ELAT (registered trademark) manufactured by DE NORA NORTH AMERICA (Pt loading amount of 0.4 mg / cm 2 , the same shall apply hereinafter) to a 5% by mass perfluorosulfonic acid polymer solution SS-910 (Asahi Kasei Co., Ltd., equivalent mass (EW): 910, solvent composition (mass ratio): ethanol / water = 50/50) applied, dried and fixed at 140 ° C. in an air atmosphere did. The amount of polymer supported was 0.8 mg / cm 2 .
After this evaluation cell was set in an evaluation apparatus (manufactured by Chino Co., Ltd., Japan) and heated, hydrogen gas was supplied to the anode side and air gas was supplied to the cathode side at 200 cc / min to maintain the OCV state. A water bubbling method was used for gas humidification, and both hydrogen gas and air gas were humidified and supplied to the cell. The test conditions were a cell temperature of 100 ° C., a gas humidification temperature of 50 ° C., and no pressure (atmospheric pressure) on both the anode side and the cathode side.
In order to investigate whether or not pinholes were generated in the polymer electrolyte membrane every 10 hours from the start of the above test, hydrogen gas permeation was performed using a flow type gas permeability measuring device GTR-100FA manufactured by GTR Tech, Japan. The rate was measured. With the anode side of the evaluation cell held at 0.15 MPa with hydrogen gas, argon gas was flowed at 10 cc / min as the carrier gas to the cathode side, and hydrogen that had permeated from the anode side to the cathode side due to cross leak in the evaluation cell. It introduce | transduces into gas chromatograph G2800 with gas, and quantifies the permeation | transmission amount of hydrogen gas. Hydrogen gas permeation amount X (cc), correction coefficient B (= 1.100), polymer electrolyte membrane thickness T (cm), hydrogen partial pressure P (Pa), hydrogen permeation area of polymer electrolyte membrane A (cm 2 ) and D (sec) as the measurement time, the hydrogen gas permeability L (cc × cm / cm 2 / sec / Pa) is calculated from the following equation.
L = (X × B × T) / (P × A × D)
When the hydrogen gas permeability reached 10 times the value before the OCV test, it was determined as a cross leak and the test was terminated.

[実施例1]
フッ素系高分子電解質として、[CF2 CF2 0.812 −[CF2 −CF(−O−(CF2 2 −SO3 H)]0.188 で表されるパーフルオロスルホン酸重合体(以下、「PFS」と称する)を、塩基性重合体としてポリ[2,2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンズイミダゾール](以下、PBIと称する)を用いて、PFS/PBI=99/1(質量比)のフィルム1(膜厚30μm)と、PFS/PBI=90/10(質量比)のフィルム2(膜厚20μm)とが積層された高分子電解質積層膜(膜厚50μm)を以下のように製造した。
重量平均分子量が27000であるPBI(日本国シグマアルドリッチジャパン(株)社製)をジメチルアセトアミド(DMAC)とともにオートクレーブ中に入れて密閉し、200℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、PBI/DMAC=10/90(質量比)の組成のPBI溶液を得た。このPBI溶液の固有粘度は0.8(dl/g)であった。さらに、このPBI溶液をジメチルアセトアミドで10倍に希釈して、PBI/DMAC=1/99(質量比)の組成の前段階溶液Aを作製し
た。
一方、PFSは以下のように準備した。まず、PFSの前駆体ポリマーとして、テトラフルオロエチレンとCF2 =CFO(CF2 2 −SO2 Fとのパーフルオロカーボン重合体(MI:3.0)を製造した。この前駆体ポリマーを、水酸化カリウム(15質量%)とジメチルスルホキシド(30質量%)を溶解した水溶液中に、60℃で4時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に4時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥することで、プロトン交換容量1.41ミリ当量/gのPFSを得た。
[Example 1]
As a fluorine-based polymer electrolyte, a perfluorosulfonic acid polymer represented by [CF 2 CF 2 ] 0.812- [CF 2 -CF (—O— (CF 2 ) 2 —SO 3 H)] 0.188 (hereinafter referred to as “ PFS ”) and poly [2,2 ′-(m-phenylene) -5,5′-bibenzimidazole] (hereinafter referred to as PBI) as the basic polymer, PFS / PBI = 99 / 1 (mass ratio) film 1 (film thickness 30 μm) and PFS / PBI = 90/10 (mass ratio) film 2 (film thickness 20 μm) laminated polymer electrolyte laminate film (film thickness 50 μm) Was manufactured as follows.
PBI having a weight average molecular weight of 27000 (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., Japan) was sealed together with dimethylacetamide (DMAC) in an autoclave, heated to 200 ° C. and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to obtain a PBI solution having a composition of PBI / DMAC = 10/90 (mass ratio). The intrinsic viscosity of this PBI solution was 0.8 (dl / g). Further, this PBI solution was diluted 10-fold with dimethylacetamide to prepare a pre-stage solution A having a composition of PBI / DMAC = 1/99 (mass ratio).
On the other hand, PFS was prepared as follows. First, as a PFS precursor polymer, a perfluorocarbon polymer (MI: 3.0) of tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F was produced. The precursor polymer was subjected to a hydrolysis treatment by bringing it into contact with an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and dimethyl sulfoxide (30% by mass) were dissolved at 60 ° C. for 4 hours. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 4 hours. Next, it was immersed in a 2N aqueous hydrochloric acid solution at 60 ° C. for 3 hours, washed with ion-exchanged water and dried to obtain PFS having a proton exchange capacity of 1.41 meq / g.

このPFSをエタノール水溶液(水:エタノール=50.0:50.0(質量比))とともにオートクレーブ中に入れて密閉し、180℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、PFS:水:エタノール=5.0:47.5:47.5(質量%)の組成のポリマー溶液を得た。このポリマー溶液をエバポレータで減圧濃縮を行った後、水を添加してPFS:水=8.5/91.5(質量比)溶液を前段階溶液Cとして製造した。
これと同じ前段階溶液CにDMACを添加し、120℃で1時間還流した後、エバポレータで減圧濃縮を行って、PFS/DMAC=1.5/98.5(質量比)溶液を前段階溶液Bとして製造した。
次に40.0gの前段階溶液Bに6.5gの前段階溶液Aを添加し混合した後、68.9gの前段階溶液Cを加えて攪拌し、さらに80℃にて減圧濃縮してキャスト液1を得た。このキャスト液1中のPFSとPBIの濃度は、各々5.600質量%と0.057質量%であった。
19gの上記キャスト液1を直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃1時間及び80℃1時間及び160℃1時間の熱処理を行い、溶媒を除去した。その後、冷却したシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚30μmのPFS/PBI=99/1(質量比)のフィルム1を得た。
This PFS was placed in an autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50.0: 50.0 (mass ratio)), sealed, heated to 180 ° C. and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to obtain a polymer solution having a composition of PFS: water: ethanol = 5.0: 47.5: 47.5 (mass%). The polymer solution was concentrated under reduced pressure using an evaporator, and then water was added to prepare a PFS: water = 8.5 / 91.5 (mass ratio) solution as the pre-stage solution C.
DMAC was added to the same pre-stage solution C and refluxed at 120 ° C. for 1 hour, followed by concentration under reduced pressure using an evaporator, and the PFS / DMAC = 1.5 / 98.5 (mass ratio) solution was added to the pre-stage solution. Manufactured as B.
Next, after adding 6.5 g of the pre-stage solution A to 40.0 g of the pre-stage solution B and mixing, 68.9 g of the pre-stage solution C is added and stirred, and further concentrated under reduced pressure at 80 ° C. and cast. Liquid 1 was obtained. The concentrations of PFS and PBI in this casting liquid 1 were 5.600 mass% and 0.057 mass%, respectively.
19 g of the cast solution 1 was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and heat treatment was performed on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour, 80 ° C. for 1 hour, and 160 ° C. for 1 hour to remove the solvent. Thereafter, ion-exchanged water was poured into the cooled petri dish, and the peeled film was dried with a filter paper to obtain a film 1 having a PFS / PBI = 99/1 (mass ratio) film thickness of 30 μm.

一方、19.0gの前段階溶液Bに3.4gの前段階溶液Aを添加し混合した後、0.3gの前段階溶液Cを加えて攪拌し、さらに80℃にて減圧濃縮してキャスト液2を得た。このキャスト液2中のPFSとPBIの濃度は、各々5.60質量%と0.62質量%であった。
13gの上記キャスト液2を直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃1時間及び90℃1時間及び160℃1時間の熱処理を行い、溶媒を除去した。その後、冷却したシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚20μmのPFS/PBI=90/10(質量比)のフィルム2を得た。
次に、上記のようにして得られたフィルム1とフィルム2を、以下のように積層、接合した。まず、フィルム1とフィルム2を積層させた後、その両側をカプトンフィルム(300H、膜厚75μm)で挟み込んだ。これを圧縮成形機((株)神藤工業所社製、VSF−10)にセットして雰囲気が1.6kPaになるまで真空脱気を行い、190℃まで昇温した後、1.6kPaにて10分間プレスした。プレス終了後に圧力を開放して50℃まで降温させた後、雰囲気を大気圧に戻し、サンプルを取り出した。
さらに、サンプルをイオン交換水中に浸漬し、カプトンフィルムから積層フィルムを剥離させ乾燥させた後、200℃で熱処理を行うことで本発明の高分子電解質積層膜を得た。
この積層膜は均一に僅かに黄色がかっているが透明性が高く、ヘイズ値は3.0%であった(H50も3.0%)。また、この積層膜のプロトン伝導度は0.31S/cmであった。
この積層膜のフィルム1側がアノード、フィルム2側がカソードに向くようにセルに組
み込み、OCV加速試験を200hr行ったが、クロスリークは発生しなかった。以上のように、耐久性と高プロトン伝導性の両方に優れる良い結果が得られた。
On the other hand, after adding 3.4 g of the pre-stage solution A to 19.0 g of the pre-stage solution B and mixing, 0.3 g of the pre-stage solution C is added and stirred, and further concentrated under reduced pressure at 80 ° C. and cast. Liquid 2 was obtained. The concentrations of PFS and PBI in the casting liquid 2 were 5.60% by mass and 0.62% by mass, respectively.
13 g of the cast solution 2 was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and heat treatment was performed on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour, 90 ° C. for 1 hour, and 160 ° C. for 1 hour to remove the solvent. Thereafter, ion-exchanged water was poured into the cooled petri dish, and the peeled film was dried with filter paper to obtain a film 2 having a PFS / PBI = 90/10 (mass ratio) film thickness of 20 μm.
Next, the film 1 and the film 2 obtained as described above were laminated and joined as follows. First, after laminating film 1 and film 2, both sides thereof were sandwiched between Kapton films (300H, film thickness 75 μm). This was set in a compression molding machine (VSF-10, manufactured by Kamito Kogyo Co., Ltd.), vacuum deaeration was performed until the atmosphere became 1.6 kPa, the temperature was raised to 190 ° C., and then 1.6 kPa Pressed for 10 minutes. After the press, the pressure was released and the temperature was lowered to 50 ° C., then the atmosphere was returned to atmospheric pressure, and a sample was taken out.
Furthermore, the sample was immersed in ion-exchanged water, the laminated film was peeled off from the Kapton film, dried, and then heat treated at 200 ° C. to obtain the polymer electrolyte laminated film of the present invention.
The multilayer film is uniformly but slightly yellow has bought high transparency, the haze value was 3.0% (H 50 also 3.0%). Moreover, the proton conductivity of this laminated film was 0.31 S / cm.
The laminated film was assembled in a cell so that the film 1 side was facing the anode and the film 2 side was facing the cathode, and the OCV accelerated test was conducted for 200 hours, but no cross leak occurred. As described above, good results excellent in both durability and high proton conductivity were obtained.

[実施例2]
実施例1と同じ前段階溶液を用いて、フッ素系高分子電解質として、PFS/PBI=97/3(質量比)のフィルム3(膜厚15μm)と、PFS/PBI=90/10(質量比)のフィルム4(膜厚10μm)とが積層された高分子電解質積層膜(膜厚25μm)を以下のように製造した。
まず、19.0gの前段階溶液Bに3.4gの前段階溶液Aを添加し混合した後、9.6gの前段階溶液Cを加えて攪拌し、さらに80℃にて減圧濃縮してキャスト液3を得た。このキャスト液3中のPFSとPBIの濃度は、各々5.60質量%と0.17質量%であった。
9.5gの上記キャスト液3を直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃1時間及び80℃1時間及び160℃1時間の熱処理を行い、溶媒を除去した。その後、冷却したシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚15μmのPFS/PBI=97/3(質量比)のフィルム3を得た。
一方、実施例1で用いたキャスト液2,6.5gを直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃1時間及び90℃1時間及び160℃1時間の熱処理を行い、溶媒を除去した。その後、冷却したシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚10μmのPFS/PBI=90/10(質量比)のフィルム4を得た。
以上のようにして得られたフィルム3,4を実施例1と同様な方法で積層、接合させて、本発明の高分子電解質積層膜を製造した。この積層膜は均一に僅かに黄色がかっているが透明性が高く、ヘイズ値は5.2%であった(H50は10.1%)。また、この積層膜のプロトン伝導度は0.30S/cmであった。
この積層膜のフィルム3側がアノード、フィルム4側がカソードに向くようにセルに組み込み、OCV加速試験を200hr行ったが、クロスリークは発生しなかった。以上のように、耐久性と高プロトン伝導性の両方に優れる良い結果が得られた。
[Example 2]
Using the same pre-stage solution as in Example 1, as a fluorine-based polymer electrolyte, PFS / PBI = 97/3 (mass ratio) film 3 (film thickness 15 μm) and PFS / PBI = 90/10 (mass ratio) ) Film 4 (film thickness of 10 μm) was manufactured as follows.
First, 3.4 g of the pre-stage solution A was added to 19.0 g of the pre-stage solution B and mixed, and then 9.6 g of the pre-stage solution C was added and stirred. Liquid 3 was obtained. The concentrations of PFS and PBI in the cast liquid 3 were 5.60% by mass and 0.17% by mass, respectively.
9.5 g of the cast solution 3 was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and heat treatment was performed on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour, 80 ° C. for 1 hour, and 160 ° C. for 1 hour to remove the solvent. Thereafter, ion-exchanged water was poured into the cooled petri dish, and the peeled film was dried with filter paper to obtain a film 3 having a PFS / PBI = 97/3 (mass ratio) with a film thickness of 15 μm.
On the other hand, 2,6.5 g of the cast solution used in Example 1 was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and heat treatment was performed on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour, 90 ° C. for 1 hour, and 160 ° C. for 1 hour. Was removed. Thereafter, ion-exchanged water was poured into the cooled petri dish, and the peeled film was dried with a filter paper to obtain a film 4 having a PFS / PBI = 90/10 (mass ratio) film thickness of 10 μm.
The films 3 and 4 obtained as described above were laminated and bonded in the same manner as in Example 1 to produce a polymer electrolyte laminated film of the present invention. The multilayer film is uniformly but slightly yellow has bought high transparency, the haze value was 5.2% (H 50 10.1%). Moreover, the proton conductivity of this laminated film was 0.30 S / cm.
The laminated film was assembled in a cell with the film 3 side facing the anode and the film 4 side facing the cathode, and an OCV accelerated test was conducted for 200 hr, but no cross leak occurred. As described above, good results excellent in both durability and high proton conductivity were obtained.

[実施例3]
実施例1と同じ前段階溶液を用いて、実施例2で作製したものと同じPFS/PBI=90/10(質量比)のフィルム4(膜厚10μm)の両側に、PFS/PBI=99/1(質量比)のフィルム5(膜厚20μm)が2枚積層された高分子電解質積層膜(膜厚50μm)を以下のように製造した。
実施例1で用いたキャスト液1の12.7gを直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃1時間及び80℃1時間及び160℃1時間の熱処理を行い、溶媒を除去した。その後、冷却したシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚20μmのPFS/PBI=99/1(質量比)のフィルム5を2枚作製した。
実施例2で作製したものと同じPFS/PBI=90/10(質量比)のフィルム4(膜厚10μm)の両側に、上記フィルム5を2枚積層させたこと以外は、実施例1と同じ方法で積層、接合を行って、本発明の高分子電解質積層膜を製造した。この積層膜は均一に僅かに黄色がかっているが透明性が高く、ヘイズ値は3.8%であった(H50も3.8%)。また、この積層膜のプロトン伝導度は0.32S/cmであった。
この積層膜をセルに組み込み、OCV加速試験を200hr行ったが、クロスリークは発生しなかった。以上のように、耐久性と高プロトン伝導性の両方に優れる良い結果が得られた。
[Example 3]
Using the same pre-stage solution as in Example 1, PFS / PBI = 99 / on both sides of film 4 (film thickness: 10 μm) having the same PFS / PBI = 90/10 (mass ratio) as that prepared in Example 2 A polymer electrolyte laminate film (film thickness 50 μm) in which two 1 (mass ratio) films 5 (film thickness 20 μm) were laminated was produced as follows.
Pour 12.7 g of cast liquid 1 used in Example 1 into a petri dish with a diameter of 15.4 cm, and perform heat treatment on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour, 80 ° C. for 1 hour, and 160 ° C. for 1 hour to remove the solvent. did. Thereafter, ion-exchanged water was poured into the cooled petri dish, and the peeled film was dried with filter paper to produce two films 5 having a PFS / PBI = 99/1 (mass ratio) film thickness of 20 μm.
Same as Example 1 except that two films 5 are laminated on both sides of film 4 (film thickness 10 μm) having the same PFS / PBI = 90/10 (mass ratio) as produced in Example 2. The polymer electrolyte laminate film of the present invention was manufactured by laminating and joining by the method. The multilayer film is uniformly but slightly yellow has bought high transparency, the haze value was 3.8% (H 50 also 3.8%). Moreover, the proton conductivity of this laminated film was 0.32 S / cm.
This laminated film was incorporated into a cell and an OCV accelerated test was conducted for 200 hours, but no cross leak occurred. As described above, good results excellent in both durability and high proton conductivity were obtained.

[比較例]
プロトン交換容量1.41ミリ当量/g、膜厚50μmの高分子電解質膜を、実施例1で製造した前段階溶液Cを用いて、以下のように製造した。
前段階溶液Cの32gを直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃1時間及び80℃1時間の熱処理を行い、溶媒を除去した。その後、シャーレをオーブンに入れ200℃で1時間熱処理を行った。その後、オーブンから取り出し、冷却したシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、高分子電解質膜を得た。この膜は透明で、ヘイズ値は0.6%であった(H50は0.6%)。また、この膜のプロトン伝導度は0.35S/cmであった。
この膜のOCV加速試験を行ったところ、40hrで水素ガス透過率が急上昇したため試験を終了した。以上のように、プロトン伝導性は良いものの十分な耐久性は得られなかった。
[Comparative example]
A polymer electrolyte membrane having a proton exchange capacity of 1.41 meq / g and a film thickness of 50 μm was produced as follows using the pre-stage solution C produced in Example 1.
32 g of the pre-stage solution C was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and heat treatment was performed on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour and 80 ° C. for 1 hour to remove the solvent. Thereafter, the petri dish was placed in an oven and heat treated at 200 ° C. for 1 hour. Then, it took out from oven, poured ion-exchange water into the cooled petri dish, the peeled film was dried with the filter paper, and the polymer electrolyte membrane was obtained. This film was transparent and had a haze value of 0.6% (H 50 was 0.6%). The proton conductivity of this membrane was 0.35 S / cm.
When an OCV accelerated test was performed on this film, the hydrogen gas permeability rapidly increased after 40 hours, and the test was terminated. As described above, although proton conductivity is good, sufficient durability was not obtained.

本発明の高分子電解質積層膜は、化学的安定性、機械強度および耐熱性に優れ、高温下の使用の際にも高耐久性を有する。本発明の高分子電解質積層膜を用いる固体高分子形燃料電池は、高温低加湿条件下(運転温度100℃近辺で、60℃加湿(湿度20%RHに相当))において長時間運転を行っても、膜の破れ(ピンホールの発生など)が起きることがないので、クロスリーク(膜の破れにより燃料と酸化剤が混合すること)が発生せず、厳しい条件下でも長時間安定に使用することができる。   The polymer electrolyte laminate film of the present invention is excellent in chemical stability, mechanical strength and heat resistance, and has high durability even when used at high temperatures. The polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte laminated membrane of the present invention is operated for a long time under high temperature and low humidification conditions (operating temperature near 100 ° C., humidification at 60 ° C. (equivalent to humidity 20% RH)). However, no film breakage (pinholes, etc.) occurs, so there is no cross leak (mixing of fuel and oxidant due to film breakage), and it can be used stably for a long time even under severe conditions. be able to.

補強層の膜厚方向断面のTEM写真TEM photograph of cross section of reinforcing layer in film thickness direction 図1のTEM写真を2値化処理して得た画像Image obtained by binarizing the TEM photograph of FIG. 海/島構造を有する補強層の膜厚方向断面のTEM写真TEM photograph of the cross section in the film thickness direction of a reinforcing layer having a sea / island structure 海/島構造を有しない補強層の膜厚方向断面のTEM写真TEM photograph of the cross section in the film thickness direction of the reinforcing layer that does not have a sea / island structure

Claims (9)

プロトン交換樹脂を有するフィルム2層以上の積層体からなる高分子電解質積層膜であって、該フィルムの少なくとも1層のフィルムが、85〜99.99質量%のフッ素系高分子電解質(a)と0.01〜15質量%の塩基性重合体(b)から構成され、膜厚方向の断面の15μm×15μmの領域を透過型電子顕微鏡で観察すると、上記(a)成分を主体とする海構造と上記(b)成分を主体とする島構造から構成される海/島構造を示す補強層であることを特徴とする高分子電解質積層膜。 A polymer electrolyte laminate film comprising a laminate of two or more films having a proton exchange resin, wherein at least one layer of the film comprises 85 to 99.99% by mass of the fluorine-based polymer electrolyte (a) and A sea structure mainly composed of the component (a) is composed of 0.01 to 15 % by mass of a basic polymer (b), and a 15 μm × 15 μm region of the cross section in the film thickness direction is observed with a transmission electron microscope. And a reinforcing layer exhibiting a sea / island structure composed of an island structure mainly composed of the component (b) . 該塩基性重合体が、ポリ[(2,2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンゾイミダゾール]であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質積層膜。   The polymer electrolyte multilayer film according to claim 1, wherein the basic polymer is poly [(2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole]. 換算ヘイズ値(H50)が25%以下であり、該換算ヘイズ値(H50)は、高分子電解質積層膜の膜厚が50μmであると仮定して算出されるヘイズ値として定義され、該換算ヘイズ値(H50)は下記式で算出されることを特徴とする請求項1又は2に記載の高分子電解質積層膜。
Figure 0004836438

(式中、tは高分子電解質積層膜の膜厚(μm)を表し、Ht はJIS K 7136に従って測定した高分子電解質積層膜のヘイズ値を表す。)
The converted haze value (H 50 ) is 25% or less, and the converted haze value (H 50 ) is defined as a haze value calculated on the assumption that the film thickness of the polymer electrolyte laminate film is 50 μm, The polymer electrolyte laminate film according to claim 1 or 2, wherein the converted haze value (H 50 ) is calculated by the following formula.
Figure 0004836438

(In the formula, t represents the film thickness (μm) of the polymer electrolyte laminate film, and H t represents the haze value of the polymer electrolyte laminate film measured according to JIS K 7136.)
補強層が以下の工程(1)〜(3)を含むプロセスで提供される請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質積層膜。The polymer electrolyte laminate film according to any one of claims 1 to 3, wherein the reinforcing layer is provided by a process including the following steps (1) to (3).
(1)塩基性重合体(b)を非プロトン性溶液に溶解したポリマー溶液である前段階溶液Aと、フッ素系高分子電解質(a)を非プロトン性溶媒に溶解したポリマー溶液である前段階溶液Bとを混合攪拌して前段階溶液Aと前段階溶液Bの混合物を得る工程;(1) A pre-stage solution A which is a polymer solution in which a basic polymer (b) is dissolved in an aprotic solution, and a pre-stage which is a polymer solution in which the fluoropolymer electrolyte (a) is dissolved in an aprotic solvent. A step of mixing and stirring the solution B to obtain a mixture of the pre-stage solution A and the pre-stage solution B;
(2)フッ素高分子電解質(a)をプロトン性溶媒に溶解したポリマー溶液である前段階溶液Cを得る工程;(2) A step of obtaining a pre-stage solution C which is a polymer solution obtained by dissolving the fluoropolymer electrolyte (a) in a protic solvent;
(3)前段階溶液Aと前段階溶液Bの混合物に前段階溶液Cを添加して混合攪拌する工程、(3) A step of adding the pre-stage solution C to the mixture of the pre-stage solution A and the pre-stage solution B and mixing and stirring the mixture,
フッ素系高分子電解質(a)が下記式(2)で表される請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質膜。The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluorine-based polymer electrolyte (a) is represented by the following formula (2).

[CF[CF 2 2 CFCF 2 2 ] a a −[CF-[CF 2 2 −CF(−O−(CF-CF (-O- (CF 2 2 −CF(CF-CF (CF 3 Three )))) b b −O−(CF-O- (CF 2 2 ) f f −X-X 4 Four )]]] g g ・・・(2)... (2)
(式中0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、1≦b≦3、1≦f≦8、そしてX(Where 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 1 ≦ b ≦ 3, 1 ≦ f ≦ 8, and X 4 Four は−COOH、−SOIs -COOH, -SO 3 Three H、−POH, -PO 3 Three H 2 2 又は−POOr -PO 3 Three Hである。)H. )
フッ素系高分子電解質(a)が下記式(3)で表される請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質膜。The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluorine-based polymer electrolyte (a) is represented by the following formula (3).

[CF[CF 2 2 CFCF 2 2 ] a a −[CF-[CF 2 2 −CF(−O−(CF-CF (-O- (CF 2 2 ) f f −X-X 4 Four )]]] g g
・・・(3)... (3)
(式中0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、1≦f≦8、そしてX(Where 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 1 ≦ f ≦ 8, and X 4 Four は−COOH、−SOIs -COOH, -SO 3 Three H、−POH, -PO 3 Three H 2 2 又は−POOr -PO 3 Three Hである。)H. )
請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質積層膜がアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体であって、アノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層からなり、プロトン伝導性を有することを特徴とする膜/電極接合体。 A membrane / electrode assembly in which the polymer electrolyte laminate film according to any one of claims 1 to 6 is held tightly between an anode and a cathode, wherein the anode is composed of an anode catalyst layer and has proton conductivity. The membrane / electrode assembly is characterized in that the cathode comprises a cathode catalyst layer and has proton conductivity. 請求項に記載の膜/電極接合体であって、高分子電解質積層膜を構成する補強層がカソード触媒層に隣接しており、該補強層に於けるフッ素系高分子電解質(a)の含有率が70〜99質量%、該補強層に於ける塩基性重合体(b)の含有率が1〜30質量%、該補強層の膜厚が1〜20μmであることを特徴とする膜/電極接合体。 8. The membrane / electrode assembly according to claim 7 , wherein the reinforcing layer constituting the polymer electrolyte laminate film is adjacent to the cathode catalyst layer, and the fluorine-based polymer electrolyte (a) in the reinforcing layer is formed. A membrane having a content of 70 to 99% by mass, a content of the basic polymer (b) in the reinforcing layer of 1 to 30% by mass, and a thickness of the reinforcing layer of 1 to 20 μm / Electrode assembly. 請求項又はの膜/電極接合体を包含し、アノードとカソードが、高分子電解質積層膜の外側に位置する電子伝導性材料を介して互いに結合されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 A solid polymer comprising the membrane / electrode assembly according to claim 7 or 8 , wherein the anode and the cathode are bonded to each other via an electron conductive material located outside the polymer electrolyte laminate film. Fuel cell.
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