JP4950539B2 - Diaphragm for direct liquid fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diaphragm for a direct liquid type fuel cell endowed with high proton conductivity and high alcohol non-permeability, and with little occurrence of cracks due to thermal press or the like at formation of an electrode. <P>SOLUTION: The diaphragm for direct liquid type fuel cell is made by filling crosslinking ion exchange resin with a cation exchange group covalent bonded in holes of a porous film, with a thickness of the porous film of 40 to 120 &mu;m, a void ratio of 45% or more, and a ratio of tensile breaking strength (PMD/PTD) of a tensile breaking strength PMD in a film-flowing direction of the porous film to a tensile breaking strength PTD in a direction crossing the film-flowing direction of the porous film of 10 or less. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、多孔質フィルムの空孔部にカチオン交換樹脂が充填されてなる直接液体型燃料電池用隔膜に関する。該隔膜は、メタノール等の燃料液体の透過性が小さく、プロトン伝導性が高い。   The present invention relates to a diaphragm for a direct liquid fuel cell in which pores of a porous film are filled with a cation exchange resin. The diaphragm has low permeability of fuel liquid such as methanol and high proton conductivity.

イオン交換膜は、固体高分子型燃料電池、レドックス・フロー電池、亜鉛−臭素電池等の電池用隔膜や、透析用隔膜等として汎用的に使用されている。イオン交換膜を電解質隔膜として用いる固体高分子型燃料電池は、燃料電池に燃料と酸化剤とを連続的に供給し、これらが反応した時の化学エネルギーを電力として取り出すクリーンで高効率な発電システムの一つである。近年、固体高分子型燃料電池は低温作動や小型化を期待できることから、自動車用途、家庭用途、携帯用途としてその重要性を増している。   Ion exchange membranes are widely used as battery membranes such as polymer electrolyte fuel cells, redox flow cells, zinc-bromine cells, and dialysis membranes. A polymer electrolyte fuel cell that uses an ion exchange membrane as an electrolyte membrane is a clean and highly efficient power generation system that continuously supplies fuel and oxidant to the fuel cell and extracts the chemical energy when they react as power. one of. In recent years, polymer electrolyte fuel cells can be expected to operate at low temperatures and can be miniaturized, and thus are becoming increasingly important for automobiles, households, and portable applications.

固体高分子型燃料電池は、一般的に電解質として作用する固体高分子の隔膜の両面に、触媒が坦持された電極がそれぞれ接合された構造を有する。固体高分子型燃料電池から電力を取出す際には、一方の電極が存在する側の室(燃料室)に水素ガスあるいはメタノール等の燃料液体からなる燃料を供給し、他方のガス拡散電極が存在する側の室(酸化剤室)に酸化剤である酸素や空気等の酸素含有ガスをそれぞれ供給する。この状態で、両拡散電極間に外部負荷回路を接続することにより、燃料電池が作動し、外部負荷回路に電力が供給される。   2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrode carrying a catalyst is bonded to both surfaces of a solid polymer diaphragm that acts as an electrolyte. When power is taken out from the polymer electrolyte fuel cell, a fuel composed of a fuel liquid such as hydrogen gas or methanol is supplied to the chamber (fuel chamber) on the side where one electrode exists, and the other gas diffusion electrode exists. An oxygen-containing gas such as oxygen or air, which is an oxidant, is supplied to each chamber (oxidant chamber). In this state, by connecting an external load circuit between the two diffusion electrodes, the fuel cell operates and power is supplied to the external load circuit.

固体高分子型燃料電池の中でも、メタノール等を直接燃料として用いる直接液体型燃料電池は、燃料が液体であるので取り扱い易く、しかも燃料が安価であることが評価され、特に携帯機器用の比較的小出力規模の電源としての利用が期待されている。   Among solid polymer fuel cells, a direct liquid fuel cell using methanol or the like as a direct fuel is evaluated because it is easy to handle because the fuel is liquid, and the fuel is inexpensive. It is expected to be used as a power source with a small output scale.

直接液体型燃料電池の基本構造を図1に示す。図中、1a、1bは電池隔壁で、隔膜として作用する固体高分子電解質膜6を挟んで該固体高分子電解質膜6の両側にそれぞれ設けられている。2は一方の電池隔壁1aの内壁に形成された燃料流通孔、3は他方の電池隔壁1bの内壁に形成された酸化剤ガス流通孔である。4は燃料室側拡散電極、5は酸化剤室側ガス拡散電極である。   The basic structure of a direct liquid fuel cell is shown in FIG. In the figure, reference numerals 1a and 1b denote battery partition walls, which are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 6 with a solid polymer electrolyte membrane 6 acting as a diaphragm interposed therebetween. 2 is a fuel flow hole formed in the inner wall of one battery partition wall 1a, and 3 is an oxidant gas flow hole formed in the inner wall of the other battery partition wall 1b. 4 is a fuel chamber side diffusion electrode, and 5 is an oxidant chamber side gas diffusion electrode.

この直接液体型燃料電池において、燃料室7にアルコール等の燃料液体が供給されると、燃料室側拡散電極4においてプロトン(水素イオン)と電子が生成する。生成したプロトンは固体高分子電解質膜6内を伝導して他方の酸化剤室8に移動し、ここで空気又は酸素ガス中の酸素と反応して水が生成される。一方、燃料室側拡散電極4で生成される電子は、不図示の外部負荷回路を通じて酸化剤室側ガス拡散電極5へと送られ、この際に外部負荷回路に電気エネルギーが与えられる。   In this direct liquid fuel cell, when a fuel liquid such as alcohol is supplied to the fuel chamber 7, protons (hydrogen ions) and electrons are generated in the fuel chamber side diffusion electrode 4. The generated protons conduct in the solid polymer electrolyte membrane 6 and move to the other oxidant chamber 8, where they react with oxygen in the air or oxygen gas to generate water. On the other hand, electrons generated in the fuel chamber side diffusion electrode 4 are sent to the oxidant chamber side gas diffusion electrode 5 through an external load circuit (not shown), and at this time, electric energy is given to the external load circuit.

上記構造の直接液体型燃料電池において、上記固体高分子電解質膜6には、通常、カチオン交換膜が使用される。該カチオン交換膜には、電気抵抗が小さく、物理的な強度が強く、更に使用される燃料液体の透過性が低い特性が要求される。カチオン交換膜に対する燃料液体の透過性が高い場合には、燃料室に供給される燃料液体が酸化室側に拡散移動し、その結果電池出力の低下が生じる。   In the direct liquid fuel cell having the above structure, a cation exchange membrane is usually used for the solid polymer electrolyte membrane 6. The cation exchange membrane is required to have low electric resistance, high physical strength, and low permeability of the fuel liquid used. When the permeability of the fuel liquid to the cation exchange membrane is high, the fuel liquid supplied to the fuel chamber diffuses and moves toward the oxidation chamber, resulting in a decrease in battery output.

従来、燃料電池用隔膜として使用されるカチオン交換膜としては、例えば、ポリオレフィン系やフッ素系樹脂製の多孔質フィルムの空孔部に、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体および架橋性重合性単量体からなる重合性組成物が充填されて重合され、次いで重合により得られる樹脂の有する該カチオン交換基を導入可能な官能基にカチオン交換基が導入される方法により得た隔膜が知られている(例えば、特許文献1〜3)。この方法によれば、燃料電池用隔膜は比較的安価に製造され、得られる隔膜は電気抵抗が小さく、水素ガスの透過性も小さく、燃料液体に対する膨潤、変形も少ない。   Conventionally, as a cation exchange membrane used as a fuel cell membrane, for example, a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group into a pore portion of a porous film made of polyolefin or fluorine resin. By a method in which a polymerizable composition comprising a polymer and a crosslinkable polymerizable monomer is charged and polymerized, and then a cation exchange group is introduced into a functional group capable of introducing the cation exchange group of a resin obtained by polymerization. The obtained diaphragm is known (for example, patent documents 1 to 3). According to this method, the diaphragm for a fuel cell is manufactured at a relatively low cost, and the obtained diaphragm has a low electrical resistance, a low hydrogen gas permeability, and a small swelling and deformation with respect to the fuel liquid.

重合性組成物を充填する多孔質フィルムの製造方法としては、例えば、ポリオレフィン系やフッ素系樹脂に例えばシリカや水溶性塩の結晶などのフィラーを分散させて製膜し、この膜を一方向に延伸後、膜中のフィラーを必要に応じて該フィラーに対して溶解性のある溶媒に溶解させて除去することにより多孔質フィルムを得る延伸開孔法がある。他の多孔質フィルムの製造方法としては、ポリオレフィン系やフッ素系樹脂とパラフィンとの混合物を溶融状態で製膜し、これを冷却することにより製膜したフィルム中にパラフィンの微細粒子を相分離させた後、相分離したパラフィンを溶媒抽出することにより多孔質フィルムを得る相分離法がある。
特開2001−135328号公報 特開平11−310649号公報 特開2005−5171号公報
As a method for producing a porous film filled with a polymerizable composition, for example, a polyolefin or fluorine resin is dispersed in a filler such as silica or a water-soluble salt crystal to form a film. After stretching, there is a stretching / opening method in which a porous film is obtained by dissolving and removing a filler in a film in a solvent soluble in the filler as necessary. As another method for producing a porous film, a mixture of a polyolefin-based or fluororesin and paraffin is formed in a molten state, and this is cooled to phase-separate fine paraffin particles in the formed film. Then, there is a phase separation method in which a porous film is obtained by solvent extraction of phase-separated paraffin.
JP 2001-135328 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-310649 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-5171

直接液体型燃料電池用隔膜に用いるカチオン交換膜のプロトン伝導性は、多孔質フィルムの膜厚や空孔率などの条件により変化する。膜厚が薄く、空孔率が高い場合には、プロトンが隔膜内を移動し易くなり、隔膜のプロトン伝導性が高くなると考えられる。しかし、上記伝導性が高い条件下においては、メタノール等の燃料液体も隔膜を透過しやすくなると考えられる。従って、高い伝導度と燃料液体の低透過性を両立させることは非常に困難である。   The proton conductivity of the cation exchange membrane used for the diaphragm for a direct liquid fuel cell varies depending on conditions such as the film thickness and porosity of the porous film. When the film thickness is thin and the porosity is high, it is considered that protons easily move in the diaphragm and the proton conductivity of the diaphragm increases. However, it is considered that fuel liquids such as methanol are likely to pass through the diaphragm under the above-described high conductivity conditions. Therefore, it is very difficult to achieve both high conductivity and low fuel liquid permeability.

上記問題を解決するために、本発明者らは種々検討を行った。その結果、燃料電池用隔膜を構成する多孔質フィルムの厚さ及び空孔率と、プロトン伝導度及び燃料液体の透過性とはいずれも一次の相関関係にあることが認められた。しかし多孔質フィルムの空孔率に着目すると、空孔率の増加に対する燃料液体の透過度の増加率に比較してプロトン伝導度の増加率の方が数倍大きくなることを発見した。従って、高空孔率で厚膜の燃料電池用隔膜を用いて燃料電池を構成する場合、燃料液体の透過性を相対的に低く保ちながら、プロトン伝導性を高められることが分った。   In order to solve the above problems, the present inventors have made various studies. As a result, it was recognized that the thickness and porosity of the porous film constituting the fuel cell membrane, proton conductivity, and fuel liquid permeability were all in a first-order correlation. However, focusing on the porosity of the porous film, it was discovered that the rate of increase in proton conductivity is several times greater than the rate of increase in the permeability of the fuel liquid with respect to the increase in porosity. Accordingly, it has been found that when a fuel cell is constructed using a high porosity and thick membrane for a fuel cell, proton conductivity can be increased while keeping the permeability of the fuel liquid relatively low.

一方、イオン交換膜を用いて膜−電極接合体を製造する方法としては、イオン交換膜を乾燥後、ポリテトラフルオロエチレン等の支持体上に形成した触媒電極層を乾燥したイオン交換膜の両面に熱転写することにより、イオン交換膜の両面に触媒電極を形成する方法がある。   On the other hand, as a method of producing a membrane-electrode assembly using an ion exchange membrane, both sides of the ion exchange membrane are obtained by drying a catalyst electrode layer formed on a support such as polytetrafluoroethylene after drying the ion exchange membrane. There is a method in which a catalyst electrode is formed on both surfaces of an ion exchange membrane by thermal transfer.

しかし、膜厚が厚く高空孔率の多孔質フィルムを用いて製造するイオン交換膜は、乾燥時や触媒電極形成時にイオン交換膜にクラックが発生し易いことが本発明者らの検討により分った。クラックが発生している隔膜を直接液体型燃料電池に使用すると、クラックが目視で確認し難いような微細な段階でもメタノールの非透過性は悪化し始め、大きなものが裂開すると該クラックを通して燃料液体が燃料室から酸化剤室にリークして発電不能となる。   However, the present inventors have found that an ion exchange membrane produced using a porous film having a large thickness and a high porosity is likely to crack in the ion exchange membrane during drying or formation of a catalyst electrode. It was. When a diaphragm with cracks is used directly in a liquid fuel cell, the impermeability of methanol begins to deteriorate even at a minute stage where cracks are difficult to visually confirm. The liquid leaks from the fuel chamber to the oxidizer chamber and power generation becomes impossible.

本発明者らは、上記問題を解決すべく更に検討を行った結果、厚膜、高空孔率の多孔質フィルムで形成する隔膜においては、多孔質フィルムの面内方向に沿う引張破断強度の不均一が、クラックの発生に大きく関与していることを知得した。   As a result of further investigations to solve the above problems, the present inventors have found that a diaphragm formed of a thick film and a porous film having a high porosity has a low tensile fracture strength along the in-plane direction of the porous film. It was found that uniformity is greatly involved in the generation of cracks.

本発明は上記知見に基づいて完成するに至ったもので、その目的とするところは、アルコール等の燃料液体の透過性、特にメタノール透過性が低く、隔膜のプロトン伝導性の高いカチオン交換膜からなる燃料電池用隔膜を提供することにある。   The present invention has been completed on the basis of the above findings, and the object of the present invention is from a cation exchange membrane having a low permeability of fuel liquid such as alcohol, particularly methanol, and a high proton conductivity of the diaphragm. An object of the present invention is to provide a diaphragm for a fuel cell.

上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。   The present invention for solving the above problems is described below.

〔1〕 カチオン交換基が共有結合した架橋型イオン交換樹脂が多孔質フィルムの空孔に充填されてなる燃料電池用隔膜であって、多孔質フィルムの厚さが40〜120μm、空孔率が45%以上、多孔質フィルムのフィルム流れ方向の引張り破断強度PMDと該多孔質フィルムのフィルム流れ方向に直行する方向の破断強度PTDとの引張り破断強度比(PMD/PTD)が10以下である直接液体型燃料電池用隔膜。   [1] A membrane for a fuel cell in which pores of a porous film are filled with a crosslinked ion exchange resin having a covalently bonded cation exchange group, the porous film having a thickness of 40 to 120 μm and a porosity of 45% or more, the tensile breaking strength ratio (PMD / PTD) of the tensile breaking strength PMD in the film flow direction of the porous film and the breaking strength PTD in the direction perpendicular to the film flow direction of the porous film is 10 or less directly A diaphragm for liquid fuel cells.

〔2〕 空孔の平均孔径が0.01〜2μmである〔1〕に記載の直接液体型燃料電池用隔膜。   [2] The diaphragm for a direct liquid fuel cell according to [1], wherein the average pore diameter of the pores is 0.01 to 2 μm.

本発明の隔膜は、所定の膜厚、空孔率、引張破断強度比を有しており、高い燃料液体の非透過性と高いプロトン伝導性を両立した直接液体型燃料電池用隔膜である。   The diaphragm of the present invention is a diaphragm for a direct liquid fuel cell having a predetermined film thickness, a porosity, and a tensile fracture strength ratio and having both high fuel liquid impermeability and high proton conductivity.

本発明の隔膜を使用する直接液体型燃料電池は、メタノール等の燃料液体のクロスオーバーが抑制されるため、高い電池出力が得られる。   Since the direct liquid fuel cell using the diaphragm of the present invention suppresses the crossover of fuel liquid such as methanol, a high battery output can be obtained.

本発明の直接液体型燃料電池用隔膜を製造する際に用いる多孔質フィルムは、 その内部に細孔等による空孔を有する樹脂製のフィルムであって、前記空孔を介して、少なくとも空孔の一部により多孔質フィルムの表裏が連通されている。このようなフィルムとしては、公知の樹脂製多孔質フィルムが制限なく使用できる。   The porous film used in manufacturing the diaphragm for a direct liquid fuel cell according to the present invention is a resin film having pores such as pores inside thereof, and at least the pores through the pores The front and back of the porous film communicate with each other. As such a film, a known resinous porous film can be used without limitation.

多孔質フィルムの膜厚は40μm以上120μm以下であり、45〜110μmが好ましく、50〜105μmがより好ましい。多孔質フィルムの膜厚が40μm未満の場合は、強度が不足する。また、膜厚が120μmを超える場合はプロトン伝導性が減少する傾向にある。   The film thickness of the porous film is 40 μm or more and 120 μm or less, preferably 45 to 110 μm, and more preferably 50 to 105 μm. When the film thickness of the porous film is less than 40 μm, the strength is insufficient. On the other hand, when the film thickness exceeds 120 μm, proton conductivity tends to decrease.

高いプロトン伝導性を付与する観点から、多孔質フィルムの空孔率は45%以上であり、47%以上が好ましい。空孔率の上限には特に制限がないが、隔膜の強度を維持するため、空孔率は95%以下が好ましく、75%以下がより好ましい。   From the viewpoint of imparting high proton conductivity, the porosity of the porous film is 45% or more, preferably 47% or more. Although there is no restriction | limiting in particular in the upper limit of a porosity, In order to maintain the intensity | strength of a diaphragm, 95% or less of a porosity is preferable and 75% or less is more preferable.

多孔質フィルムの空孔の平均孔径は、0.01〜2μmが好ましく、0.015〜0.4μmがより好ましい。細孔が0.01μm未満の場合は、カチオン交換樹脂の充填量が低下する。細孔径が2μmを超える場合はアルコールの透過性が大きくなる。なお、本発明において、上記多孔質フィルムの空孔の平均孔径は、JIS K 3832に従ったバブルポイント法により測定した値をいう。   The average pore diameter of the pores of the porous film is preferably from 0.01 to 2 μm, more preferably from 0.015 to 0.4 μm. When the pore is less than 0.01 μm, the filling amount of the cation exchange resin is lowered. When the pore diameter exceeds 2 μm, the alcohol permeability increases. In addition, in this invention, the average hole diameter of the hole of the said porous film says the value measured by the bubble point method according to JISK3832.

透気度(JIS P−8117)は1500秒以下が好ましく、1000秒以下がより好ましい。この範囲の透気度の多孔質フィルムを用いることにより、得られる燃料電池用隔膜のプロトン伝導性が高くなり、しかも隔膜に高い物理的強度を付与できる。   The air permeability (JIS P-8117) is preferably 1500 seconds or less, and more preferably 1000 seconds or less. By using a porous film having an air permeability in this range, the proton conductivity of the obtained fuel cell membrane is increased, and high physical strength can be imparted to the membrane.

表面平滑性は、粗さ指数で表して10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましい。この範囲の平滑性の多孔質フィルムを用いることにより、得られる燃料電池用隔膜にアルコールに対する高い非透過性を付与できる。   The surface smoothness is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, expressed as a roughness index. By using a smooth porous film in this range, high impermeability to alcohol can be imparted to the resulting fuel cell membrane.

多孔質フィルムのフィルム流れ方向(MD方向、長尺方向)の引張り破断強度(PMD)と、MD方向と直交する方向(TD方向、幅方向)の引張り破断強度(PTD)との引張破断強度比(PMD/PTD)は10以下である。この点に付、図2を参照して説明する。即ち、多孔質フィルム200のある点Aから多孔質フィルム表面に沿ってMD方向の多孔質フィルムの引張り破断強度をPMDとする。また、前記Aから前記MD方向と直交する、多孔質フィルムの表面に沿うTD方向の多孔質フィルムの引張り破断強度をPTDとするものである。   Tensile breaking strength ratio between the tensile breaking strength (PMD) in the film flow direction (MD direction, long direction) of the porous film and the tensile breaking strength (PTD) in the direction orthogonal to the MD direction (TD direction, width direction) (PMD / PTD) is 10 or less. This point will be described with reference to FIG. That is, the tensile breaking strength of the porous film in the MD direction from the point A of the porous film 200 along the surface of the porous film is defined as PMD. Further, the tensile rupture strength of the porous film in the TD direction along the surface of the porous film perpendicular to the MD direction from A is defined as PTD.

この引張り破断強度比は、クラックの発生によるメタノール透過性の増加や、さらには燃料液体の燃料室から酸化剤室へのリークの発生の防止の観点からは、7以下であるのが好ましく、5以下であるのが最も好ましい。ここで、多孔質フィルムの製造段階でフィルムの延伸が行われている場合は、延伸の程度に応じてMD方向とTD方向との引張り破断強度比は大きくなる。   This tensile fracture strength ratio is preferably 7 or less from the viewpoint of increasing methanol permeability due to the occurrence of cracks, and further preventing leakage of fuel liquid from the fuel chamber to the oxidant chamber. Most preferably: Here, when the film is stretched in the production stage of the porous film, the tensile fracture strength ratio between the MD direction and the TD direction increases depending on the degree of stretching.

即ち、多孔質フィルム延伸開孔法で代表される製造方法により製造されている場合には、多孔質フィルムはMD方向に延伸されている場合が多く、この場合はMD方向の引張破断強度が最大になる。   That is, when manufactured by a manufacturing method typified by a porous film stretching opening method, the porous film is often stretched in the MD direction, and in this case, the tensile breaking strength in the MD direction is the maximum. become.

多孔質フィルムの製造段階でフィルムの延伸が行われていない場合には、即ち相分離法で代表される製造方法により製造されている場合には、引張り破断強度は何れの方向でも略均一になる。   If the film is not stretched in the porous film production stage, that is, if it is produced by a production method represented by a phase separation method, the tensile strength at break is substantially uniform in any direction. .

MD方向とTD方向との引張破断強度比は、多孔質フィルムの製造時の延伸率、多孔質フィルムの空孔率、多孔質フィルムを構成するポリマーの平均分子量等を適宜調整することにより10以下とすることができる。MD方向とTD方向の引張破断強度比の値が10以下の多孔質フィルムは、フィルム製造時の延伸率が低いものが多い。このフィルムは分子配向の偏りが少ないため、厚膜で高空孔率の多孔質フィルムを用いて燃料電池用隔膜を製造する場合、電極形成時等にクラックの発生が無い。   The tensile fracture strength ratio between the MD direction and the TD direction is 10 or less by appropriately adjusting the stretch ratio during the production of the porous film, the porosity of the porous film, the average molecular weight of the polymer constituting the porous film, and the like. It can be. Many porous films having a tensile rupture strength ratio of 10 or less in the MD direction and the TD direction have a low stretch ratio during film production. Since this film has little molecular orientation bias, when a fuel cell membrane is manufactured using a porous film having a thick film and a high porosity, there is no generation of cracks during electrode formation.

引張破断強度の値は、多孔質フィルムの強度維持の観点から、少なくともMD方向の引張破断強度を1MPa以上とすることが好ましく、4MPa以上とすることがより好ましい。   From the viewpoint of maintaining the strength of the porous film, at least the tensile breaking strength in the MD direction is preferably 1 MPa or more, and more preferably 4 MPa or more.

当該多孔質フィルムの材質は、上述した膜厚、空孔率、引張破断強度比を有するものであれば特に限定されず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が例示される。多孔質フィルムの材質は熱可塑性樹脂組成物であることが好ましい。熱可塑性樹脂を用いると多孔質フィルムの製造が容易になる。かつ、後述するイオン交換樹脂との密着強度が高い利点がある。   The material of the porous film is not particularly limited as long as it has the above-described film thickness, porosity, and tensile fracture strength ratio, and examples thereof include thermoplastic resins and thermosetting resins. The material of the porous film is preferably a thermoplastic resin composition. The use of a thermoplastic resin facilitates the production of a porous film. And there exists an advantage with high adhesive strength with the ion exchange resin mentioned later.

該熱可塑性樹脂組成物としては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテン等のα−オレフィンを単独重合又はこれらを共重合させたポリオレフィン樹脂;ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−オレフィン共重合体等の塩化ビニル系樹脂;ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフロオロエチレン−ペルフロオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等のフッ素径樹脂;ナイロン6、ナイロン66等のポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが例示される。   Examples of the thermoplastic resin composition include ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, and 5-methyl-1-heptene. Polyolefin resins obtained by homopolymerizing α-olefins or copolymerizing them; polyvinyl chlorides such as polyvinyl chloride, vinyl chloride-vinyl acetate copolymers, vinyl chloride-vinylidene chloride copolymers, vinyl chloride-olefin copolymers Resin; polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer Fluorine diameter resin such as nylon 6, nylon 66, etc. Polyamide resins, such as polyimide resin.

これらの樹脂のなかでも、特に機械的強度、化学的安定性、耐薬品性に優れ、炭化水素系イオン交換樹脂との親和性が高いことから、ポリオレフィン樹脂が好ましい。ポリオレフィン樹脂のうちでも、ポリエチレン樹脂又はポリプロピレン樹脂が特に好ましく、ポリエチレン樹脂が最も好ましい。   Among these resins, polyolefin resins are preferable because they are particularly excellent in mechanical strength, chemical stability, and chemical resistance and have high affinity with hydrocarbon ion exchange resins. Among polyolefin resins, polyethylene resin or polypropylene resin is particularly preferable, and polyethylene resin is most preferable.

これらの多孔質フィルムは、例えば特開2002−338721号公報等に記載された方法によって製造することができる。あるいは、市販品(例えば、旭化成「ハイポア」、東燃タピルス「セテラ」、三井化学「ハイレット」等)の内で上記引張り破断強度比の値を持つものを入手することも可能である。   These porous films can be produced, for example, by the method described in JP-A-2002-338721. Alternatively, commercially available products (for example, Asahi Kasei “Hypore”, Tonen Tapils “Setera”, Mitsui Chemicals “Hilet”, etc.) having the above-mentioned tensile strength at break ratio can also be obtained.

本発明の隔膜は、上述する多孔質フィルムの空孔にカチオン交換基を有するイオン交換樹脂を充填した隔膜である。   The diaphragm of the present invention is a diaphragm in which the pores of the porous film described above are filled with an ion exchange resin having a cation exchange group.

多孔質フィルムの空孔へイオン交換樹脂を充填する方法は、所定の重合性単量体を含む重合性組成物を多孔質フィルムに形成された空孔部に充填させた後、前記充填した重合性組成物を重合硬化させる方法が好ましい。所定の重合性単量体を含む重合性組成物が既にカチオン交換基を有する場合は上記方法により多孔質フィルムの空孔にカチオン交換基を有するイオン交換樹脂を充填した隔膜が得られる。所定の重合性単量体を含む重合性組成物が未だカチオン交換基を導入されていない場合は、重合硬化させて得られる樹脂にカチオン交換基を導入することにより、多孔質フィルムの空孔にカチオン交換基を有するイオン交換樹脂を充填した隔膜が得られる。後者の場合、重合性単量体はカチオン交換基を後で導入できる官能基を有する。この官能基としては、一般的にベンゼン環で代表される芳香族基である。   In the method of filling the pores of the porous film with the ion exchange resin, the polymerizable composition containing a predetermined polymerizable monomer is filled into the pores formed in the porous film, and then the filled polymerization is performed. A method of polymerizing and curing the functional composition is preferred. When the polymerizable composition containing a predetermined polymerizable monomer already has a cation exchange group, a membrane in which the pores of the porous film are filled with an ion exchange resin having a cation exchange group can be obtained by the above method. In the case where the polymerizable composition containing the predetermined polymerizable monomer has not yet been introduced with a cation exchange group, by introducing a cation exchange group into a resin obtained by polymerization and curing, the pores of the porous film are introduced. A diaphragm filled with an ion exchange resin having a cation exchange group is obtained. In the latter case, the polymerizable monomer has a functional group that can later introduce a cation exchange group. This functional group is an aromatic group generally represented by a benzene ring.

以下、本発明の隔膜の製造方法の一例につき詳細に説明する。   Hereinafter, it demonstrates in detail about an example of the manufacturing method of the diaphragm of this invention.

(重合性組成物)
本隔膜を製造する原料である重合性組成物は、a)陽イオン交換基が導入可能な官能基又は陽イオン交換基を有する重合性単量体、b)架橋性重合性単量体、c)重合開始剤を必須成分とする。
(Polymerizable composition)
The polymerizable composition which is a raw material for producing the diaphragm includes a) a polymerizable monomer having a functional group or a cation exchange group into which a cation exchange group can be introduced, b) a crosslinkable polymerizable monomer, c ) A polymerization initiator is an essential component.

a)重合性単量体
重合性単量体としては、従来使用されている公知の単量体を制限なく使用することができる。陽イオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体としては、例えば、スチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、アセナフチレン、α−ハロゲン化スチレン類等を挙げることができる。陽イオン交換基を有する単量体としては、α−ハロゲン化ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸等のスルホン酸系単量体;メタクリル酸、アクリル酸、無水マレイン酸等のカルボン酸系単量体;ビニルリン酸等のホスホン酸系単量体、それらの塩類、エステル類等が挙げられる。
a) Polymerizable monomer As the polymerizable monomer, a conventionally known monomer can be used without limitation. Examples of the monomer having a functional group into which a cation exchange group can be introduced include styrene, vinyl toluene, vinyl xylene, α-methyl styrene, vinyl naphthalene, acenaphthylene, and α-halogenated styrenes. . Monomers having a cation exchange group include sulfonic acid monomers such as α-halogenated vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, and vinyl sulfonic acid; carboxylic acid monomers such as methacrylic acid, acrylic acid, and maleic anhydride. Monomer; Phosphonic acid monomers such as vinyl phosphoric acid, salts thereof, esters and the like.

b)架橋性重合性単量体
重合性組成物に配合する架橋性重合性単量体としては、従来公知のイオン交換膜の製造において用いられる単量体が制限無く使用できる。架橋性重合性単量体が重合性組成物に配合されることにより、得られるカチオン交換樹脂は架橋型になる。架橋型のイオン交換樹脂は本質的に溶媒に不溶性である。このため、燃料液体に含まれる水やアルコールに対する溶解性は無く、膨潤も最小限になり、樹脂にカチオン交換基を多量に導入することができる。その結果、本隔膜のプロトン伝導性を極めて高くできる。
b) Crosslinkable polymerizable monomer As the crosslinkable polymerizable monomer to be blended in the polymerizable composition, a monomer used in the production of a conventionally known ion exchange membrane can be used without limitation. When the crosslinkable polymerizable monomer is blended in the polymerizable composition, the resulting cation exchange resin becomes a crosslinkable type. Cross-linked ion exchange resins are essentially insoluble in solvents. Therefore, there is no solubility in water or alcohol contained in the fuel liquid, swelling is minimized, and a large amount of cation exchange groups can be introduced into the resin. As a result, the proton conductivity of the diaphragm can be made extremely high.

架橋性重合性単量体としては、具体的には、例えばm−、p−、o−ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプレン、イソプレン、トリビニルベンゼン類、ジビニルナフタリン、ジアリルアミン、トリアリルアミン、ジビニルピリジン類などのジビニル化合物が挙げられる。   Specific examples of the crosslinkable polymerizable monomer include m-, p-, o-divinylbenzene, divinylsulfone, butadiene, chloroprene, isoprene, trivinylbenzenes, divinylnaphthalene, diallylamine, triallylamine, divinyl. And divinyl compounds such as pyridines.

重合性組成物中の架橋性重合性単量体の含有量は、特に制限されるものではないが、重合性組成物中に含まれる重合性単量体合計量の1〜40質量%が好ましく、2〜30質量%がより好ましい。架橋性重合性単量体の含有量がこの範囲に制御されることにより、得られるカチオン交換樹脂は、燃料液体の非透過性が高く、膨潤等が最小限に抑制され、プロトン伝導性が特に高いものが得られる。   The content of the crosslinkable polymerizable monomer in the polymerizable composition is not particularly limited, but is preferably 1 to 40% by mass of the total amount of polymerizable monomers contained in the polymerizable composition. 2 to 30% by mass is more preferable. By controlling the content of the crosslinkable polymerizable monomer within this range, the resulting cation exchange resin has high fuel liquid impermeability, swelling and the like are minimized, and proton conductivity is particularly high. A high one is obtained.

c)重合開始剤
上記重合性組成物には、重合開始剤が含有される。重合開始剤としては、上記重合性単量体、架橋性重合性単量体の重合を開始させる化合物であれば特に限定されない。
c) Polymerization initiator The polymerizable composition contains a polymerization initiator. The polymerization initiator is not particularly limited as long as it is a compound that initiates polymerization of the polymerizable monomer and the crosslinkable polymerizable monomer.

重合開始剤としては、有機過酸化物が好ましい。例えば、オクタノイルパーオキシド、ラウロイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、ベンゾイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシイソブチレート、t−ブチルパーオキシラウレート、t−ヘキシルパーオキシベンゾエート、ジ−t−ブチルパーオキシド等のラジカル重合開始剤が挙げられる。   As the polymerization initiator, an organic peroxide is preferable. For example, octanoyl peroxide, lauroyl peroxide, t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, benzoyl peroxide, t-butylperoxyisobutyrate, t-butylperoxylaurate, t-hexylperoxy Examples thereof include radical polymerization initiators such as benzoate and di-t-butyl peroxide.

重合開始剤の含有量は、使用される重合性単量体の組成や該重合開始剤の種類に応じて、常法に準じて適宜採択される。通常は、前記重合性単量体成分合計(後述するその他の重合性単量体を使用する場合は、その含有量も含む)100質量部に対して、0.1〜20質量部を配合されることが好ましく、0.5〜10質量部がより好ましい。   The content of the polymerization initiator is appropriately selected according to a conventional method depending on the composition of the polymerizable monomer used and the kind of the polymerization initiator. Usually, 0.1 to 20 parts by mass is blended with respect to 100 parts by mass of the total amount of the polymerizable monomer components (including the content of other polymerizable monomers described later). It is preferably 0.5 to 10 parts by mass.

さらに、重合性組成物には、上記各必須成分の他に、機械的強度等の物性や重合性等の反応性を調節するために、本発明の目的に反しない限度内で、必要に応じてその他の成分が少量配合されていても良い。このような任意の成分としては、例えば、アクリロニトリル、アクロレイン、メチルビニルケトン、ビニルシクロヘキサン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾール等の重合性単量体や、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、ジメチルイソフタレート、ジブチルアジペート、トリエチルシトレート、アセチルトリブチルシトレート、ジブチルセバケート等の可塑剤類が挙げられる。   Furthermore, in addition to each of the above essential components, the polymerizable composition may be adjusted as necessary within the limits that do not contradict the purpose of the present invention in order to adjust the physical properties such as mechanical strength and the reactivity such as polymerizability. Other components may be mixed in a small amount. Examples of such optional components include polymerizable monomers such as acrylonitrile, acrolein, methyl vinyl ketone, vinyl cyclohexane, vinyl pyridine, and vinyl imidazole, dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, dimethyl isophthalate, dibutyl adipate, and triethyl. Examples thereof include plasticizers such as citrate, acetyltributyl citrate, and dibutyl sebacate.

その他の成分として、上記の重合性単量体を重合性組成物中に含有させる場合、その含有量は、全重合性単量体成分合計量の45質量%以下が好ましく、35質量%以下がより好ましい。可塑剤類の使用量は上記全重合性単量体成分合計100質量部に対して50質量部以下が好ましい。   As other components, when the polymerizable monomer is contained in the polymerizable composition, the content thereof is preferably 45% by mass or less, and 35% by mass or less of the total amount of all polymerizable monomer components. More preferred. The amount of the plasticizer used is preferably 50 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the total polymerizable monomer components.

(多孔質フィルム)
本隔膜の製造方法においては、上記重合性組成物は、上述した多孔質フィルムと接触させられる。これにより、重合性組成物は多孔質フィルムの有する空孔部に充填される。その後、空孔部に充填された重合性組成物は重合硬化される。
(Porous film)
In the manufacturing method of this diaphragm, the said polymeric composition is made to contact with the porous film mentioned above. Thereby, the polymerizable composition is filled in the pores of the porous film. Thereafter, the polymerizable composition filled in the pores is polymerized and cured.

このように、多孔質フィルムを基材として製造されるカチオン交換膜からなる燃料電池用隔膜は、該多孔質フィルムが強度を補強するので、プロトン伝導性を損うことなく物理的強度が高い。   Thus, the fuel cell membrane made of a cation exchange membrane produced using a porous film as a base material has high physical strength without impairing proton conductivity because the porous film reinforces the strength.

(重合性組成物と多孔質フィルムの接触)
重合性組成物と多孔質フィルムとの接触は、重合性組成物が多孔質フィルムの有する空孔部に浸入できる方法で接触されるのであれば特に限定されない。例えば、重合性組成物を多孔質フィルムに塗布し、またはスプレーし、あるいは、多孔質フィルムを重合性組成物中に浸漬する方法などが例示される。多孔質フィルムが重合性組成物に浸漬されて接触させられる場合、その浸漬時間は多孔質フィルムの種類や重合性組成物の組成により相違するが、一般的には0.1秒〜十数分である。
(Contact between polymerizable composition and porous film)
The contact between the polymerizable composition and the porous film is not particularly limited as long as the polymerizable composition is contacted by a method capable of entering the pores of the porous film. For example, a method in which the polymerizable composition is applied to or sprayed on the porous film, or the porous film is immersed in the polymerizable composition is exemplified. When the porous film is immersed in the polymerizable composition and brought into contact therewith, the immersion time varies depending on the type of the porous film and the composition of the polymerizable composition, but is generally 0.1 second to 10 minutes or more. It is.

(重合)
多孔質フィルムの空孔部に充填された重合性組成物は、次いで重合させられる。重合方法は特に限定されず、用いた重合性単量体の組成及び重合開始剤の種類に応じて適宜公知の方法を採用すればよい。重合開始剤として前記有機過酸化物を用いる場合は、加熱による重合方法(熱重合)が一般的である。この方法は、操作が容易で、また比較的均一に重合させられるので、他の方法よりも好ましい。
(polymerization)
The polymerizable composition filled in the pores of the porous film is then polymerized. The polymerization method is not particularly limited, and a known method may be appropriately employed depending on the composition of the polymerizable monomer used and the kind of the polymerization initiator. When using the said organic peroxide as a polymerization initiator, the polymerization method by heating (thermal polymerization) is common. This method is preferable to other methods because it is easy to operate and can be polymerized relatively uniformly.

重合に際しては、酸素による重合阻害を防止し、また表面の平滑性を得るため、重合性組成物が充填されている多孔質フィルムをポリエステル等のフィルムで覆って両者が密着された状態で重合が行われることが好ましい。フィルムで多孔質フィルムを覆うことにより、過剰の重合性組成物が多孔質フィルムから排除され、薄く、均一な燃料電池用隔膜が製造される。   In the polymerization, in order to prevent polymerization inhibition due to oxygen and to obtain smoothness of the surface, the porous film filled with the polymerizable composition is covered with a film such as polyester, and the polymerization is performed in a state where both are in close contact with each other. Preferably, it is done. By covering the porous film with the film, excess polymerizable composition is excluded from the porous film, and a thin and uniform diaphragm for a fuel cell is produced.

熱重合させる場合、重合温度は特に制限されず、公知の温度条件を適宜選択すればよいが、一般的には50〜150℃、好ましくは60〜120℃である。重合時間は、10分〜10時間が好ましい。   In the case of thermal polymerization, the polymerization temperature is not particularly limited, and a known temperature condition may be appropriately selected, but is generally 50 to 150 ° C, preferably 60 to 120 ° C. The polymerization time is preferably 10 minutes to 10 hours.

以上に記載した方法により、多孔質フィルムの空孔部に重合性組成物の重合体の樹脂が充填されてなる膜状高分子体が得られる。この膜状高分子体の樹脂が、陽イオン交換基を持つ単量体を含む樹脂組成物の硬化体である場合は、そのまま燃料電池用隔膜として用いられる。膜状高分子体の樹脂が陽イオン交換基を持たない場合は、次のカチオン基の導入において述べるように樹脂にカチオン交換基が導入された後、燃料電池用隔膜として用いられる。   By the method described above, a film-like polymer obtained by filling the pores of the porous film with the polymer resin of the polymerizable composition is obtained. When the resin of the membrane polymer is a cured product of a resin composition containing a monomer having a cation exchange group, it is used as it is as a fuel cell membrane. When the resin of the membrane polymer does not have a cation exchange group, the cation exchange group is introduced into the resin as described in the next introduction of the cation group, and then used as a fuel cell membrane.

(カチオン交換基の導入)
カチオン交換基は、多孔質フィルムの空孔部に充填されてなる上記樹脂の芳香族環に導入される。なお、この芳香族環は、重合性組成物中に配合されている芳香族系重合性単量体の芳香族環に由来する。
(Introduction of cation exchange groups)
The cation exchange group is introduced into the aromatic ring of the resin filled in the pores of the porous film. This aromatic ring is derived from the aromatic ring of the aromatic polymerizable monomer blended in the polymerizable composition.

芳香族環に導入されるカチオン交換基としては、従来公知のものが特に制限無く採用される。具体的には、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等が挙げられる。得られる隔膜の電気抵抗が低くなる点で強酸性基であるスルホン酸基が特に好ましい。   As the cation exchange group introduced into the aromatic ring, a conventionally known cation exchange group is employed without any particular limitation. Specific examples include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphonic acid group. A sulfonic acid group which is a strongly acidic group is particularly preferable in that the electric resistance of the obtained diaphragm is lowered.

芳香族環にスルホン酸基を導入する方法としては、例えば、濃硫酸、発煙硫酸、二酸化硫黄、クロロスルホン酸などのスルホン化剤を、前記製造した膜状高分子体に接触させて反応させる方法が挙げられる。   As a method for introducing a sulfonic acid group into an aromatic ring, for example, a method in which a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur dioxide, chlorosulfonic acid or the like is brought into contact with the produced film-like polymer and reacted. Is mentioned.

芳香族環にホスホン基を導入させる方法としては、ハロゲン化アルキル基を有する膜状高分子体に無水塩化アルミニウムの存在下、三塩化リンを反応させた後、アルカリ性水溶液中で加水分解反応する方法等が挙げられる。   As a method of introducing a phosphone group into an aromatic ring, a method of reacting a membrane polymer having an alkyl halide group with phosphorus trichloride in the presence of anhydrous aluminum chloride and then hydrolyzing in an alkaline aqueous solution. Etc.

芳香族環にカルボン酸基を導入させる方法としては、ハロゲン化鉄などの触媒の存在下、ハロゲンガスと接触させることによりハロゲン化し、更にアルキルリチウムと反応させた後、二酸化炭素と反応させる方法等が挙げられる。   As a method of introducing a carboxylic acid group into an aromatic ring, a method of halogenating by contacting with a halogen gas in the presence of a catalyst such as iron halide and further reacting with alkyl lithium and then reacting with carbon dioxide, etc. Is mentioned.

これらのカチオン交換基を導入する方法自体は、公知の方法である。   The method for introducing these cation exchange groups is a known method.

(直接液体型燃料電池用隔膜)
このようにして得られる、多孔質フィルムの空孔部にカチオン交換樹脂が充填されてなるカチオン交換膜は、必要に応じて洗浄、裁断などが行われ、定法に従って直接液体型燃料電池用の隔膜として用いられる。
(Diaphragm for direct liquid fuel cell)
The cation exchange membrane obtained by filling the pores of the porous film with the cation exchange resin thus obtained is washed, cut as necessary, and directly separated according to a conventional method for a liquid fuel cell. Used as

本発明の直接液体型燃料電池用隔膜は、カチオン交換容量が、定法による測定で、通常0.1〜5mmol/g、特に0.1〜4mmol/gの高い値を有する。そのため、高い電池出力を有し、燃料液体透過性が低く、膜のプロトン伝導性は充分高い。また、本発明の隔膜は、前記組成の重合性組成物を使用する結果、含水率が、通常5〜90%、より好適には10〜80%であり、乾燥による電気抵抗の増加、即ちプロトンの伝導性の低下が生じ難いものになっている。さらに、燃料液体に対して不溶性であり、電気抵抗が通常、40℃、湿潤状態における交流インピーダンス法による電気抵抗であらわして0.25Ω・cm以下、更には0.20Ω・cmと小さい。しかも、燃料液体の透過性が極めて小さく、例えば、25℃において30質量%のメタノール接触している場合の隔膜中のメタノールの透過率は通常1000g/m・hr以下、特に10〜800g/m・hrの範囲である。 The diaphragm for a direct liquid fuel cell of the present invention has a high cation exchange capacity of 0.1 to 5 mmol / g, particularly 0.1 to 4 mmol / g, as measured by a conventional method. Therefore, it has high battery output, low fuel liquid permeability, and sufficiently high proton conductivity of the membrane. In addition, as a result of using the polymerizable composition having the above composition, the diaphragm of the present invention has a moisture content of usually 5 to 90%, more preferably 10 to 80%, and an increase in electrical resistance due to drying, that is, proton. It is difficult for a decrease in conductivity to occur. Furthermore, an insoluble in the fuel liquid, the electrical resistance is usually, 40 ℃, 0.25Ω · cm 2 or less represent an electric resistance by the AC impedance method in wet condition, even as small as 0.20Ω · cm 2. Moreover, the permeability of the fuel liquid is extremely small. For example, the methanol permeability in the diaphragm when contacting with 30% by mass of methanol at 25 ° C. is usually 1000 g / m 2 · hr or less, particularly 10 to 800 g / m. The range is 2 · hr.

本発明の燃料電池用隔膜は、このように電気抵抗が低く、かつ燃料液体の透過率も小さいため、直接液体型燃料電池用隔膜として使用する場合に、燃料室に供給する燃料液体が該隔膜を透過して反対の室に拡散することを有効に防止でき、高い出力の電池が得られる。   Since the diaphragm for a fuel cell according to the present invention has such a low electrical resistance and a low fuel liquid permeability, the fuel liquid supplied to the fuel chamber is used when directly used as a diaphragm for a liquid fuel cell. Can be effectively prevented from diffusing to the opposite chamber and a high output battery can be obtained.

本発明の隔膜を用いて製造される直接液体型燃料電池としては、図1の基本構造を有するものが一般的であるが、その他の公知の構造を有する直接液体型燃料電池にも勿論適用することができる。燃料の液体としては、メタノールが最も一般的であり、本発明の効果が最も顕著に発揮されるものであるが、その他、エタノール、エチレングリコール、ジメチルエーテル、ヒドラジン等においても同様の優れた効果が発揮される。また更に、燃料は液体に限られず、気体の水素ガス等を用いることもできる。   The direct liquid fuel cell manufactured using the diaphragm of the present invention is generally one having the basic structure of FIG. 1, but of course also applies to other direct liquid fuel cells having a known structure. be able to. As the fuel liquid, methanol is the most common, and the effect of the present invention is most prominent. In addition, ethanol, ethylene glycol, dimethyl ether, hydrazine, and the like have the same excellent effect. Is done. Furthermore, the fuel is not limited to liquid, and gaseous hydrogen gas or the like can be used.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例、比較例においては、多孔質フィルムの隔膜の膜厚、空孔率、細孔径、破断強度、およびそれらを用いて調製した燃料電池隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、メタノール透過率、燃料電池出力電圧を測定して燃料電池用隔膜の特性を評価した。これらの測定方法を以下に説明する。   In Examples and Comparative Examples, the membrane thickness of the porous film, porosity, pore diameter, breaking strength, and cation exchange capacity, moisture content, membrane resistance, methanol permeation of fuel cell membranes prepared using them The characteristics of the fuel cell membrane were evaluated by measuring the fuel cell output voltage. These measurement methods will be described below.

1)空孔率
多孔質フィルムの見かけの比重dを測定し、ポリエチレンの比重約0.9を用いて、下記の式により算出した。
1) Porosity The apparent specific gravity d of the porous film was measured and calculated by the following formula using a specific gravity of polyethylene of about 0.9.

空孔率(%)=[(0.9−d)/0.9]×100   Porosity (%) = [(0.9−d) /0.9] × 100

2)平均孔径
JIS K 3832に従ったバブルポイント法に基づき、自動口径分布測定機を用いて測定した。
2) Average pore diameter Based on the bubble point method according to JIS K3832, it measured using the automatic aperture size distribution measuring machine.

3)引張破断強度
多孔質フィルムを1cm幅、10cm長の長方形にカットした。カットした膜を引張強度試験装置(島津製作所製オートグラフ)にセットし、50mm/minの速度で破断試験を実施し、破断強度PMDおよびPTDを得た。
3) Tensile strength at break The porous film was cut into a 1 cm wide and 10 cm long rectangle. The cut film was set in a tensile strength tester (manufactured by Shimadzu Corporation Autograph), and a break test was performed at a speed of 50 mm / min to obtain break strengths PMD and PTD.

4)カチオン交換容量および含水率
カチオン交換膜を1mol/L−HCl水溶液に10時間以上浸漬し、水素イオン型とした後、このカチオン交換膜を1mol/L−NaCl水溶液に浸漬して水素イオン型をナトリウムイオン型に置換させた。遊離した水素イオンを水酸化ナトリウム水溶液を用いて電位差滴定装置(COMTITE−900、平沼産業株式会社製)で定量した(Amol)。
4) Cation exchange capacity and water content After immersing the cation exchange membrane in a 1 mol / L-HCl aqueous solution for 10 hours or more to form a hydrogen ion type, the cation exchange membrane is immersed in a 1 mol / L-NaCl aqueous solution to form a hydrogen ion type. Was replaced with the sodium ion form. The liberated hydrogen ions were quantified with a potentiometric titrator (COMMITE-900, manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd.) using an aqueous sodium hydroxide solution (Amol).

次に、同じカチオン交換膜を1mol/L−HCl水溶液に4時間以上浸漬した後、膜を取り出し、イオン交換水で十分水洗した。その後ティッシュペーパーで表面の水分を拭き取り、湿潤時の膜の質量(Wg)を測定した。さらに膜を60℃で5時間減圧乾燥させた後、その質量を測定した(Dg)。上記測定値に基づいて、カチオン交換容量および含水率を次式により求めた。   Next, after immersing the same cation exchange membrane in 1 mol / L-HCl aqueous solution for 4 hours or more, the membrane was taken out and sufficiently washed with ion exchange water. Thereafter, the moisture on the surface was wiped off with a tissue paper, and the mass (Wg) of the film when wet was measured. The membrane was further dried under reduced pressure at 60 ° C. for 5 hours, and then its mass was measured (Dg). Based on the above measured values, the cation exchange capacity and water content were determined by the following equations.

カチオン交換容量=A×1000/D[mmol/g−乾燥質量]
含水率=100×(W−D)/D[%]
Cation exchange capacity = A × 1000 / D [mmol / g-dry mass]
Moisture content = 100 × (WD) / D [%]

5)膜抵抗
線幅0.3mmの白金線5本を互いに離して平行に配置した絶縁基板を用い、前記白金線に純水に湿潤した2.0cm幅の短冊状サンプル隔膜を押し当てた。40℃、90%RHの恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間に1kHzの交流を印加したときの交流インピーダンスを測定した。白金線間距離を0.5〜2.0cmに変化させたときのそれぞれの交流インピーダンスを測定した。
5) Membrane resistance A strip-shaped sample diaphragm having a width of 2.0 cm wetted with pure water was pressed against the platinum wire using an insulating substrate in which five platinum wires having a line width of 0.3 mm were arranged parallel to each other. The sample was held in a constant temperature and humidity chamber of 40 ° C. and 90% RH, and the alternating current impedance was measured when an alternating current of 1 kHz was applied between the platinum wires. Each AC impedance when the distance between platinum wires was changed to 0.5 to 2.0 cm was measured.

白金線と隔膜との間には接触による抵抗が生じるが、白金線間距離と抵抗の勾配から隔膜の比抵抗を算出することでこの影響を除外した。白金線間距離と抵抗測定値との間には良い直線関係が得られた。抵抗勾配と膜厚から下式により膜抵抗を算出した。   Although resistance due to contact occurs between the platinum wire and the diaphragm, this effect was excluded by calculating the specific resistance of the diaphragm from the distance between the platinum wires and the gradient of resistance. A good linear relationship was obtained between the distance between the platinum wires and the resistance measurement. The film resistance was calculated from the resistance gradient and film thickness by the following formula.

R=2.0×L×S
R :膜抵抗[Ω・cm
L :膜厚[cm]
S :抵抗極間勾配[Ω/cm]
R = 2.0 × L 2 × S
R: membrane resistance [Ω · cm 2 ]
L: Film thickness [cm]
S: resistance-to-resistance gradient [Ω / cm]

6)メタノール透過率
図1に示す燃料電池セルにガス拡散電極を用いずに膜のみを組み込んだ。燃料室に濃度30質量%のメタノール水溶液を液体クロマトグラフ用ポンプで供給し、酸化剤室に調湿した空気を300ml/minで供給した。測定は25℃の恒温槽内で行った。酸化剤室から流出する調湿空気の一定量をガスサンプラを用いてガスクロマトグラフ装置(島津製作所製GC14B)に直接導入してメタノール濃度を測定し、その結果から隔膜を透過したメタノール量を算出した。なお、測定には調湿空気として25℃における相対湿度で20%および80%の2点を用い、それぞれの状態におけるメタノール透過率を測定した。
6) Methanol permeability The fuel cell shown in FIG. 1 was assembled with only a membrane without using a gas diffusion electrode. An aqueous methanol solution having a concentration of 30% by mass was supplied to the fuel chamber with a liquid chromatograph pump, and conditioned air was supplied to the oxidizer chamber at 300 ml / min. The measurement was performed in a constant temperature bath at 25 ° C. A certain amount of humidity-controlling air flowing out from the oxidant chamber was directly introduced into a gas chromatograph (GC14B manufactured by Shimadzu Corporation) using a gas sampler, and the methanol concentration was measured. From the results, the amount of methanol that permeated the diaphragm was calculated. . For measurement, two points of 20% and 80% relative humidity at 25 ° C. were used as humidity control air, and the methanol permeability in each state was measured.

7)燃料電池出力電圧
ポリテトラフルオロエチレンで撥水化処理した厚さ100μm、空孔率80%のカーボンペーパー上に、触媒が4mg/cmとなるように塗布し、80℃で4時間減圧乾燥してガス拡散電極を得た。塗布した触媒分散液は、白金とルテニウムとの合金触媒(ルテニウム50mol%)を50質量%担持したカーボンブラックと、アルコールと水とにパーフルオロカーボンスルホン酸を5%溶解(デュポン社製、商品名ナフィオン)したものとを混合して調製した。
7) Fuel cell output voltage On carbon paper with a thickness of 100 μm and porosity of 80% treated with polytetrafluoroethylene for water repellency, the catalyst was applied to 4 mg / cm 2 and decompressed at 80 ° C. for 4 hours. A gas diffusion electrode was obtained by drying. The applied catalyst dispersion was 5% perfluorocarbon sulfonic acid dissolved in carbon black carrying 50% by mass of an alloy catalyst of platinum and ruthenium (ruthenium 50 mol%), alcohol and water (trade name Nafion, manufactured by DuPont). ) Was mixed and prepared.

次に、測定する燃料電池隔膜の両面に上記のガス拡散電極をセットし、100℃、圧力5MPaの加圧下で100秒間熱プレスした後、室温で2分間放置した。これを図1に示す構造の燃料電池セルに組み込んだ。燃料電池セル温度を25℃に設定し、燃料室側に30質量%のメタノール水溶液を、酸化剤室側に大気圧下、25℃、相対湿度50%の空気を200ml/min.で供給して発電試験を行ない、電流密度0A/cm、0.1A/cmにおけるセルの端子電圧を測定した。 Next, the above gas diffusion electrodes were set on both surfaces of the fuel cell diaphragm to be measured, and hot pressed for 100 seconds under a pressure of 100 ° C. and a pressure of 5 MPa, and then allowed to stand at room temperature for 2 minutes. This was incorporated into a fuel cell having the structure shown in FIG. The fuel cell temperature was set to 25 ° C., a 30 mass% methanol aqueous solution was added to the fuel chamber side, and air at 25 ° C. and a relative humidity of 50% was supplied to the oxidizer chamber side at 200 ml / min. A power generation test was carried out and cell terminal voltages at current densities of 0 A / cm 2 and 0.1 A / cm 2 were measured.

実施例1〜3
スチレン90質量部、ジビニルベンゼン10質量部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシエチルヘキサノエート5質量部を混合して重合性組成物を得た。重合性組成物400gを500mlのガラス容器に入れ、これに表1に示した多孔質フィルムを浸漬した。
Examples 1-3
90 parts by mass of styrene, 10 parts by mass of divinylbenzene, and 5 parts by mass of t-butyl peroxyethyl hexanoate as a polymerization initiator were mixed to obtain a polymerizable composition. 400 g of the polymerizable composition was placed in a 500 ml glass container, and the porous film shown in Table 1 was immersed therein.

続いて、これらの多孔質フィルムを重合性組成物中から取り出し、100μmのポリエステルフィルムを剥離材として多孔質フィルムの両側を被覆した後、0.3MPaの窒素加圧下、80℃で5時間加熱重合した。   Subsequently, these porous films were taken out from the polymerizable composition, coated on both sides of the porous film using a 100 μm polyester film as a release material, and then heated and polymerized at 80 ° C. for 5 hours under nitrogen pressure of 0.3 MPa. did.

得られた膜状高分子体を98%濃硫酸と純度90%以上のクロロスルホン酸の1:1の混合物中に40℃で60分間浸漬してベンゼン環をスルホン化し、燃料電池用隔膜を得た。   The obtained membrane polymer was immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more at 40 ° C. for 60 minutes to sulfonate the benzene ring to obtain a fuel cell membrane. It was.

この燃料電池用隔膜を1mol/L−塩酸水溶液に1時間に一回液交換しながら3時間浸漬し、スルホン酸基の対イオンを水素イオンに交換した。さらに、膜内に存在する余剰の塩酸を除去するため、イオン交換水に一晩浸漬して洗浄を実施した。洗浄後の燃料電池用隔膜をガラス板上で風乾した。風乾後の燃料電池用隔膜について、目視にてクラックの有無を確認した。風乾した燃料電池用隔膜の、カチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、メタノール透過率、燃料電池出力電圧を測定した。結果を表2に示す。   This fuel cell membrane was immersed in a 1 mol / L-hydrochloric acid aqueous solution for 3 hours while changing the solution once every hour, so that the counter ion of the sulfonic acid group was exchanged with hydrogen ion. Furthermore, in order to remove surplus hydrochloric acid existing in the membrane, washing was carried out by immersing in ion exchange water overnight. The washed fuel cell membrane was air-dried on a glass plate. The air-dried fuel cell membrane was visually checked for cracks. The air-dried fuel cell membrane was measured for cation exchange capacity, moisture content, membrane resistance, film thickness, methanol permeability, and fuel cell output voltage. The results are shown in Table 2.

比較例1〜4
表1に示した多孔質フィルムを用いた以外は実施例1と同じ操作を行い、燃料電池用隔膜を得た。
Comparative Examples 1-4
The same operation as in Example 1 was performed except that the porous film shown in Table 1 was used to obtain a fuel cell membrane.

この燃料電池用隔膜について、実施例1の記載と同じ操作を行い、クラックの有無を確認した。クラックが発生しなかった燃料電池用隔膜について、カチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、メタノール透過率、燃料電池出力電圧を測定した。結果を表2に示す。   About this fuel cell diaphragm, the same operation as description of Example 1 was performed, and the presence or absence of the crack was confirmed. The cation exchange capacity, water content, membrane resistance, film thickness, methanol permeability, and fuel cell output voltage were measured for the fuel cell membrane in which no cracks occurred. The results are shown in Table 2.

Figure 0004950539
Figure 0004950539

Figure 0004950539
Figure 0004950539

固体高分子形燃料電池の基本構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell. 多孔性フィルムの引張り破断強度比の求め方の説明図である。It is explanatory drawing of how to obtain | require the tensile breaking strength ratio of a porous film.

符号の説明Explanation of symbols

1a、1b 電池隔壁
2 燃料流通孔
3 酸化剤ガス流通孔
4 燃料室側拡散電極
5 酸化剤室側ガス拡散電極
6 固体高分子電解質膜(カチオン交換膜)
7 燃料室
8 酸化剤室
1a, 1b Battery partition 2 Fuel flow hole 3 Oxidant gas flow hole 4 Fuel chamber side diffusion electrode 5 Oxidant chamber side gas diffusion electrode 6 Solid polymer electrolyte membrane (cation exchange membrane)
7 Fuel chamber 8 Oxidant chamber

Claims (3)

カチオン交換基が共有結合した芳香族基を有する架橋型イオン交換樹脂がポリオレフィン樹脂製の多孔質フィルムの空孔に充填されてなる燃料電池用隔膜であって、多孔質フィルムの厚さが40〜120μm、空孔率が45%以上、多孔質フィルムのフィルム流れ方向の引張り破断強度PMDと該多孔質フィルムのフィルム流れ方向に直行する方向の引張破断強度PTDとの引張り破断強度比(PMD/PTD)が10以下である直接液体型燃料電池用隔膜。 A membrane for a fuel cell in which a crosslinked ion exchange resin having an aromatic group covalently bonded to a cation exchange group is filled in pores of a porous film made of a polyolefin resin , wherein the porous film has a thickness of 40 to The tensile breaking strength ratio (PMD / PTD) between the tensile breaking strength PMD in the film flow direction of the porous film and the tensile breaking strength PTD in the direction perpendicular to the film flow direction of the porous film. ) Is a diaphragm for a direct liquid fuel cell, which is 10 or less. 空孔の平均孔径が0.01〜2μmである請求項1に記載の直接液体型燃料電池用隔膜。   The diaphragm for a direct liquid fuel cell according to claim 1, wherein the average pore diameter of the pores is 0.01 to 2 µm. 厚さが40〜120μm、空孔率が45%以上のポリオレフィン樹脂製の多孔質フィルムであって、該多孔質フィルムのフィルム流れ方向の引張り破断強度PMDと該多孔質フィルムのフィルム流れ方向に直行する方向の引張破断強度PTDとの引張り破断強度比(PMD/PTD)が10以下である多孔質フィルムの空孔に、  A porous film made of a polyolefin resin having a thickness of 40 to 120 μm and a porosity of 45% or more, which is perpendicular to the tensile breaking strength PMD in the film flow direction of the porous film and the film flow direction of the porous film In the pores of the porous film having a tensile breaking strength ratio (PMD / PTD) of 10 or less with the tensile breaking strength PTD in the direction of
カチオン交換基が導入可能な官能基を有する単量体、架橋性重合性単量体、重合開始剤とを含む重合性組成物を含浸して重合した後、カチオン交換基を導入する請求項1又は2に記載の直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法。  2. A cation exchange group is introduced after impregnating and polymerizing a polymerizable composition containing a monomer having a functional group into which a cation exchange group can be introduced, a crosslinkable polymerizable monomer, and a polymerization initiator. Or the manufacturing method of the diaphragm for direct liquid fuel cells of 2.
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