JP5189394B2 - Polymer electrolyte membrane - Google Patents

Polymer electrolyte membrane Download PDF

Info

Publication number
JP5189394B2
JP5189394B2 JP2008093193A JP2008093193A JP5189394B2 JP 5189394 B2 JP5189394 B2 JP 5189394B2 JP 2008093193 A JP2008093193 A JP 2008093193A JP 2008093193 A JP2008093193 A JP 2008093193A JP 5189394 B2 JP5189394 B2 JP 5189394B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
compound
membrane
group
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2008093193A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009242688A (en
Inventor
直人 三宅
三知代 山根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei E Materials Corp
Original Assignee
Asahi Kasei E Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei E Materials Corp filed Critical Asahi Kasei E Materials Corp
Priority to JP2008093193A priority Critical patent/JP5189394B2/en
Publication of JP2009242688A publication Critical patent/JP2009242688A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5189394B2 publication Critical patent/JP5189394B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

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

Description

本発明は、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.

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

このような固体高分子電解質型燃料電池は、電極触媒層(アノード触媒層、カソード触媒層)とガス拡散層とを積層した構成を有するガス拡散電極がプロトン交換膜の両面に接合された膜電極接合体を少なくとも備えている。ここでいうプロトン交換膜は、高分子鎖中にスルホン酸基、カルボン酸基等の強酸性基を有し、プロトンを選択的に透過する性質を有する組成物からなる高分子電解質膜である。このようなプロトン交換膜に用いられる組成物としては、化学的安定性の高いナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン組成物が挙げられ、これを用いたプロトン交換膜が好適に用いられる。   Such a solid polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode in which gas diffusion electrodes having a structure in which an electrode catalyst layer (anode catalyst layer, cathode catalyst layer) and a gas diffusion layer are laminated are bonded to both surfaces of a proton exchange membrane. At least a joined body is provided. The proton exchange membrane here is a polymer electrolyte membrane made of a composition having a strongly acidic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in a polymer chain and a property of selectively transmitting protons. Examples of the composition used for such a proton exchange membrane include a perfluoro proton composition typified by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) having high chemical stability, and a proton exchange membrane using the same. Are 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)がそれぞれ供給される。そして、両電極間が外部回路で接続されることにより、燃料電池の作動が実現される。具体的には、水素を燃料とした場合、アノード触媒層内のアノード触媒上で水素が酸化されてプロトンが生じる。このプロトンは、アノード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換膜内を移動し、カソード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通って同層内の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のガス拡散電極に到達する。カソード電極層内のカソード触媒上では、上記プロトンと酸化剤中の酸素とが反応して水が生成する。そして、このとき電気エネルギーが取り出される。   During operation of the fuel cell, fuel (eg, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and oxidant (eg, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side. The operation of the fuel cell is realized by connecting both electrodes with an external circuit. Specifically, when hydrogen is used as fuel, hydrogen is oxidized on the anode catalyst in the anode catalyst layer to generate protons. After passing through the proton conductive polymer in the anode catalyst layer, the proton moves in the proton exchange membrane and reaches the cathode catalyst in the same layer through the proton conductive polymer in the cathode catalyst layer. On the other hand, electrons generated simultaneously with protons due to oxidation of hydrogen reach the gas diffusion electrode on the cathode side through an external circuit. On the cathode catalyst in the cathode electrode layer, the proton and oxygen in the oxidant react to generate water. At this time, electric energy is extracted.

この際、プロトン交換膜は、ガス透過率を低くすることによりガスバリア隔壁としての役割も果たす必要がある。プロトン交換膜のガス透過率が高いと、アノード側水素のカソード側へのリークおよびカソード側酸素のアノード側へのリーク、すなわち、クロスリークが発生する。クロスリークが発生すると、いわゆるケミカルショートの状態となって良好な電圧が取り出せなくなる。また、アノード側水素とカソード側酸素とが反応して過酸化水素が発生しプロトン交換膜を劣化させるという問題もある。   At this time, the proton exchange membrane must also serve as a gas barrier partition by lowering the gas permeability. When the gas permeability of the proton exchange membrane is high, leakage of anode-side hydrogen to the cathode and leakage of cathode-side oxygen to the anode, that is, cross-leakage occurs. When a cross leak occurs, a so-called chemical short circuit occurs and a good voltage cannot be taken out. There is also a problem that the hydrogen on the anode side reacts with the oxygen on the cathode side to generate hydrogen peroxide and deteriorate the proton exchange membrane.

一方で、電池の内部抵抗を小さくし、出力をより高くするという観点から、電解質であるプロトン交換膜の薄膜化が検討されている。しかし、このプロトン交換膜を薄膜化するとガスバリア隔壁としての効果が低下するため、クロスリークの問題はより深刻なものとなる。さらに、プロトン交換膜を薄膜化することで、膜自体の機械的強度が低下するため、膜電極接合体の作製やセル組み立て時の膜の取扱い性が困難になったり、カソード側で発生した水を含んで寸法変化することにより膜が破れたりするという問題がある。   On the other hand, from the viewpoint of reducing the internal resistance of the battery and increasing the output, it has been studied to reduce the thickness of the proton exchange membrane that is an electrolyte. However, if this proton exchange membrane is thinned, the effect as a gas barrier partition is reduced, and the problem of cross leak becomes more serious. Furthermore, since the mechanical strength of the membrane itself is reduced by reducing the thickness of the proton exchange membrane, it becomes difficult to handle the membrane during fabrication of the membrane electrode assembly and cell assembly, and water generated on the cathode side. There is a problem that the film is torn by changing the dimensions including the.

そこで、このような問題を解決するために、ポリテトラフルオロエチレン多孔膜にスルホン酸基を有するフッ素イオン交換樹脂を含浸させたプロトン交換膜が提案されている(特許文献1参照)。また、ポリエチレン多孔膜にイオン交換樹脂を含浸させたプロトン交換膜が提案されている(特許文献2参照)。
特公平5−75835号公報 特公平7−68377号公報
In order to solve such problems, a proton exchange membrane in which a polytetrafluoroethylene porous membrane is impregnated with a fluorine ion exchange resin having a sulfonic acid group has been proposed (see Patent Document 1). A proton exchange membrane in which a polyethylene porous membrane is impregnated with an ion exchange resin has been proposed (see Patent Document 2).
Japanese Patent Publication No. 5-75835 Japanese Examined Patent Publication No. 7-68377

しかしながら、特許文献1に開示されているプロトン交換膜は、ポリテトラフルオロエチレンが弾性に乏しい材料であるために、機械的強度の観点から不十分であった。また、特許文献2に開示されているプロトン交換膜は、ポリエチレンの耐熱性が不十分であるために、プロトン交換膜を熱処理したり、膜電極接合体を作製したりした際に膜が溶融し破れてしまうといった問題がある。   However, the proton exchange membrane disclosed in Patent Document 1 is insufficient from the viewpoint of mechanical strength because polytetrafluoroethylene is a material with poor elasticity. In addition, since the proton exchange membrane disclosed in Patent Document 2 has insufficient heat resistance of polyethylene, the membrane melts when the proton exchange membrane is heat-treated or a membrane electrode assembly is produced. There is a problem of being torn.

そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、従来よりも寸法安定性、機械的強度及び耐熱性に優れた高分子電解質膜を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane having superior dimensional stability, mechanical strength, and heat resistance as compared with the prior art.

上記課題を解決する本発明は、ポリプロピレンを5質量%以上と重量平均分子量が5×10 5 以上の超高分子量ポリエチレンとを含有するポリオレフィン組成物を含み、空孔率10%〜90%、膜厚0.1μm〜50μm、空孔の孔径0.03μm〜5μmであるポリオレフィン微多孔膜と、上記ポリオレフィン微多孔膜の上記空孔に充填され、イオン交換容量が1.3〜3.0ミリ当量/gの高分子電解質と、を含む高分子電解質膜であって、上記高分子電解質がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であり、当該パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が、下記式(1)で表される繰り返し単位と、下記一般式(2)で表される繰り返し単位と、を有する共重合体及びその金属塩からなる群より選ばれるものである、高分子電解質膜である。
−(CF 2 CF 2 )− (1)
−(CF 2 −CF(−O−(CF 2 CFXO) n −(CF 2 m −SO 3 H))− (2)
(式中、Xはフッ素原子又は−CF 3 基を示し、nは0〜5の整数、mは0〜12の整数を示す。ただし、n及びmは同時に0にならない。)
ここで、上記高分子電解膜は、耐久性の観点から、高分子電解質と混合されて上記空孔に充填されたポリアゾール化合物を更に含有し、チオエーテル化合物はポリフェニレンスルフィドであると好ましく、高分子電解質と混合されて上記空孔に充填されたチオエーテル化合物を更に含有し、チオエーテル化合物はポリフェニレンスルフィドであると好ましく、あるいは、高分子電解質と混合されて上記空孔に充填された、ポリアゾール化合物とチオエーテル化合物とを更に含有し、前記ポリアゾール化合物はポリイミダゾール系化合物であり、前記チオエーテル化合物はポリフェニレンスルフィドであると好ましい
The present invention for solving the above-mentioned problems includes a polyolefin composition containing 5% by mass or more of polypropylene and ultrahigh molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 5 × 10 5 or more, and has a porosity of 10% to 90%, a membrane A polyolefin microporous membrane having a thickness of 0.1 μm to 50 μm and a pore diameter of 0.03 μm to 5 μm, and the pores of the polyolefin microporous membrane are filled with an ion exchange capacity of 1.3 to 3.0 meq. / G polymer electrolyte , wherein the polymer electrolyte is a perfluorocarbon sulfonic acid resin, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin is a repeating unit represented by the following formula (1) And a polymer electrolyte membrane selected from the group consisting of a copolymer having a repeating unit represented by the following general formula (2) and a metal salt thereof.
-(CF 2 CF 2 )-(1)
- (CF 2 -CF (-O- ( CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H)) - (2)
(In the formula, X represents a fluorine atom or —CF 3 group, n represents an integer of 0 to 5, and m represents an integer of 0 to 12. However, n and m are not 0 at the same time.)
Here, from the viewpoint of durability, the polymer electrolyte membrane further contains a polyazole compound mixed with the polymer electrolyte and filled in the pores, and the thioether compound is preferably polyphenylene sulfide, and the polymer electrolyte And further containing a thioether compound filled in the pores, and the thioether compound is preferably polyphenylene sulfide , or mixed with a polymer electrolyte and filled in the pores, a polyazole compound and a thioether compound It is preferable that the polyazole compound is a polyimidazole compound, and the thioether compound is polyphenylene sulfide .

本発明によると、従来よりも寸法安定性、機械的強度及び耐熱性に優れた高分子電解質膜を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane that is more excellent in dimensional stability, mechanical strength, and heat resistance than before.

以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の本実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.

本実施形態は、ポリプロピレンを1質量%以上含有するポリオレフィン組成物を含み、空孔率10%〜90%、膜厚0.1μm〜50μm、空孔の孔径0.03μm〜5μmであるポリオレフィン微多孔膜と、上記ポリオレフィン微多孔膜の上記空孔に充填されたイオン交換容量が0.5〜3.0ミリ当量/gの高分子電解質とを含む高分子電解質膜である。   This embodiment includes a polyolefin composition containing 1% by mass or more of polypropylene, a polyolefin microporous material having a porosity of 10% to 90%, a film thickness of 0.1 μm to 50 μm, and a pore diameter of 0.03 μm to 5 μm. A polymer electrolyte membrane comprising a membrane and a polymer electrolyte having an ion exchange capacity of 0.5 to 3.0 meq / g filled in the pores of the polyolefin microporous membrane.

(高分子電解質)
本実施形態に係る高分子電解質は、そのイオン交換容量が0.5〜3.0ミリ当量/gであり、この条件を満足するようにイオン交換基を有する高分子化合物である。イオン交換容量を3.0ミリ当量/g以下とすることにより、この高分子電解質を含む高分子電解質膜が、燃料電池運転中の高温高加湿下での膨潤を低減されるため、好ましい。高分子電解質膜の膨潤が低減されることは、高分子電解質膜の強度が低下したり、しわが発生して電極から剥離したりするなどの問題、さらには、ガス遮断性が低下する問題を改善し得る。一方、イオン交換容量を0.5ミリ当量/g以上とすることにより、そのような条件を満足する高分子電解質膜を備えた燃料電池は、その発電能力を良好に維持し得る。これらの観点から、高分子電解質のイオン交換容量は、より好ましくは0.65〜2.0ミリ当量/g、さらに好ましくは0.8〜1.5ミリ当量/gである。
(Polymer electrolyte)
The polymer electrolyte according to this embodiment has a ion exchange capacity of 0.5 to 3.0 meq / g, and is a polymer compound having an ion exchange group so as to satisfy this condition. By setting the ion exchange capacity to 3.0 meq / g or less, a polymer electrolyte membrane containing this polymer electrolyte is preferable because swelling under high temperature and high humidity during fuel cell operation is reduced. Reduction of the swelling of the polymer electrolyte membrane causes problems such as a decrease in strength of the polymer electrolyte membrane, generation of wrinkles and separation from the electrode, and a problem of reduced gas barrier properties. Can improve. On the other hand, by setting the ion exchange capacity to 0.5 meq / g or more, the fuel cell equipped with the polymer electrolyte membrane satisfying such conditions can maintain its power generation capability well. From these viewpoints, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte is more preferably 0.65 to 2.0 meq / g, and still more preferably 0.8 to 1.5 meq / g.

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

このイオン交換容量は、高分子電解質膜1g中に存在するイオン交換基数を調整することで上記数値範囲内に入るよう調整される。   This ion exchange capacity is adjusted to fall within the above numerical range by adjusting the number of ion exchange groups present in 1 g of the polymer electrolyte membrane.

また、本実施形態に係る高分子電解質は、燃料電池運転時の耐熱性の観点から、ガラス転移温度が好ましくは80℃以上であり、より好ましくは100℃以上、さらに好ましくは120℃以上、特に好ましくは130℃以上である。ここで、高分子電解質のガラス転移温度は、JIS−C−6481に準拠して測定される。具体的には、膜状に成形した高分子電解質を5mm幅に切り出し、動的粘弾性測定装置を用いて試験片を室温から2℃/分の割合で昇温させ、粘弾性測定装置にて試験片の動的粘弾性及び損失正接を測定する。測定した損失正接のピーク温度をガラス転移温度とする。また、このガラス転移温度は、高分子電解質の構造式、分子量、イオン交換容量等を制御することによって調整される。   In addition, the polymer electrolyte according to the present embodiment has a glass transition temperature of preferably 80 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher, more preferably 120 ° C. or higher, particularly from the viewpoint of heat resistance during fuel cell operation. Preferably it is 130 degreeC or more. Here, the glass transition temperature of the polymer electrolyte is measured according to JIS-C-6481. Specifically, the polymer electrolyte molded into a film shape is cut into a width of 5 mm, and the test piece is heated from room temperature at a rate of 2 ° C./minute using a dynamic viscoelasticity measuring device. The dynamic viscoelasticity and loss tangent of the specimen are measured. The measured peak temperature of loss tangent is defined as the glass transition temperature. The glass transition temperature is adjusted by controlling the structural formula, molecular weight, ion exchange capacity, etc. of the polymer electrolyte.

高分子電解質としては、例えば、分子内にイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物、分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物にイオン交換基を導入したもの、及びそれらの金属塩からなる群より選ばれる1種以上のものが好ましい。これらの中では、化学的安定性の観点から、分子内にイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物及びその金属塩からなる群より選ばれる1種以上のものが特に好ましい。 分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物としては、例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカーボネートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Examples of the polymer electrolyte include perfluorocarbon polymer compounds having an ion exchange group in the molecule, those obtained by introducing an ion exchange group into a hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule, and metal salts thereof. One or more selected from the group consisting of Among these, from the viewpoint of chemical stability, one or more selected from the group consisting of perfluorocarbon polymer compounds having an ion exchange group in the molecule and metal salts thereof are particularly preferable. Examples of the hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule include polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polythioetherethersulfone, polythiol. Thioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, Polyimide, polyether imide, polyester imide, polyamide imide, poly Rate, aromatic polyamide, polystyrene, polyesters, polycarbonates. These are used singly or in combination of two or more.

これらの分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物の中でも、耐熱性や耐酸化性、耐加水分解性の観点から、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミドからなる群より選ばれる1種以上のものが好ましい。なお、これらに導入するイオン交換基は、例えば、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、カルボン酸基、リン酸基が好ましく、特にスルホン酸基が好ましい。このイオン交換基は、常法により上記炭化水素系高分子化合物に導入される。   Among these hydrocarbon polymer compounds having an aromatic ring in the molecule, from the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance and hydrolysis resistance, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polythioetherethersulfone, Polythioetherketone, Polythioetheretherketone, Polybenzimidazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polybenzoxazinone, Polyxylylene, Polyphenylene, Polythiophene, Polypyrrole, Polyaniline , Polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide, polyetherimide, poly One or more members selected from the group consisting of esters imide are preferable. In addition, the ion exchange group introduced into these is, for example, preferably a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group, and particularly preferably a sulfonic acid group. This ion exchange group is introduced into the hydrocarbon polymer compound by a conventional method.

また、分子内にイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物は、分子内に下記一般式(I)
−(CF− (I)
で表されるパーフルオロアルキレン基、及びイオン交換基を有する高分子化合物である。なお上記式(I)中、pは整数を示す。かかる高分子化合物としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホンイミド樹脂、パーフルオロカーボンスルホンアミド樹脂、パーフルオロカーボンリン酸樹脂が挙げられる。あるいは、これらの樹脂のアミン塩、金属塩が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
In addition, perfluorocarbon polymer compounds having an ion exchange group in the molecule are represented by the following general formula (I)
- (CF 2) p - ( I)
Is a polymer compound having a perfluoroalkylene group and an ion exchange group. In the above formula (I), p represents an integer. Examples of such a polymer compound include perfluorocarbon sulfonic acid resin, perfluorocarbon carboxylic acid resin, perfluorocarbon sulfonimide resin, perfluorocarbon sulfonamide resin, and perfluorocarbon phosphoric acid resin. Or the amine salt and metal salt of these resin are mentioned. These are used singly or in combination of two or more.

より具体的には、上記パーフルオロカーボン高分子化合物として、下記一般式(II)で表される構造単位を有する重合体が挙げられる。
−(CFCX−[CF−CF(−O−(CF−CF(CF))−O−(CFR−(CFR−(CF−X)]− (II)
ここで、式(II)中、X、X及びXは、それぞれ独立にハロゲン原子又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示す。a及びgは、それぞれ独立に0以上1未満の数を示し、a+g=1である。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立に0〜10の整数を示すが、d+e+fは0よりも大きな整数となる。R及びRは、それぞれ独立にフッ素原子以外のハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜10のフルオロクロロアルキル基を示す。XはCOOZ、SOZ、PO又はPOHZを示す。Zは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又は置換若しくは未置換のアンモニウム基(NH、NH、NH、NHR若しくはNR)を示す。R、R、R及びRは、それぞれ独立にアルキル基又はアリール基を示す。
More specifically, the perfluorocarbon polymer compound includes a polymer having a structural unit represented by the following general formula (II).
- (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 - (II)
Here, in the formula (II), X 1, X 2 and X 3 represents a halogen atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms independently. a and g each independently represent a number of 0 or more and less than 1, and a + g = 1. b shows the integer of 0-8. c represents 0 or 1; d, e, and f each independently represent an integer of 0 to 10, but d + e + f is an integer larger than 0. R 1 and R 2 each independently represent a halogen atom other than a fluorine atom, a C 1-10 perfluoroalkyl group or a C 1-10 fluorochloroalkyl group. X 4 represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. Z represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or a substituted or unsubstituted ammonium group (NH 4 , NH 3 R 3 , NH 2 R 3 R 4 , NHR 3 R 4 R 5, or NR 3 R 4 R 5 R 6 ). R 3 , R 4 , R 5 and R 6 each independently represents an alkyl group or an aryl group.

これらの中でも、上記パーフルオロカーボン高分子化合物として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂及びその金属塩からなる群より選ばれるものが好ましい。上記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂としては、上記式(1)で表される繰り返し単位と、上記一般式(2)で表される繰り返し単位とを有する共重合体がより好ましい。さらには、上記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂及びその金属塩としては、下記一般式(III)及び(IV)で表される構造単位を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂からなる群より選ばれる1種以上のものが特に好ましい。
−(CFCF−[CF−CF(−O−CF−CF(CF))−O−(CF−SOZ)]− (III)
ここで、式(III)中、a及びgは、それぞれ独立に0以上1未満の数を示し、a+g=1である。bは1〜8の整数を示す。fは0〜10の整数を示す。Zは水素原子又はアルカリ金属原子を示す。
−(CFCF−[CF−CF(−O−(CF−SOZ)]− (IV)
ここで、式(IV)中、a及びgは、それぞれ独立に0以上1未満の数を示し、a+g=1である。bは1〜8の整数を示す。fは0〜10の整数を示す。Zは水素原子又はアルカリ金属原子を示す。
Among these, the perfluorocarbon polymer compound is preferably selected from the group consisting of perfluorocarbon sulfonic acid resins and metal salts thereof. As the perfluorocarbon sulfonic acid resin, a copolymer having a repeating unit represented by the above formula (1) and a repeating unit represented by the above general formula (2) is more preferable. Furthermore, the perfluorocarbon sulfonic acid resin and the metal salt thereof are at least one selected from the group consisting of perfluorocarbon sulfonic acid resins having structural units represented by the following general formulas (III) and (IV) Is particularly preferred.
- (CF 2 CF 2) a - [CF 2 -CF (-O-CF 2 -CF (CF 3)) b -O- (CF 2) f -SO 3 Z)] g - (III)
Here, in formula (III), a and g each independently represent a number of 0 or more and less than 1, and a + g = 1. b shows the integer of 1-8. f shows the integer of 0-10. Z represents a hydrogen atom or an alkali metal atom.
- (CF 2 CF 2) a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2) f -SO 3 Z)] g - (IV)
Here, in formula (IV), a and g each independently represent a number of 0 or more and less than 1, and a + g = 1. b shows the integer of 1-8. f shows the integer of 0-10. Z represents a hydrogen atom or an alkali metal atom.

本実施形態に係るイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物、例えば前駆体ポリマーを合成した後、その前駆体ポリマーのアルカリ加水分解、酸分解等により得られる。例えば、上記一般式(II)で表される構造単位を有する重合体は、下記一般式(V)で表される構造単位を有する前駆体ポリマーを重合により得た後、その前駆体ポリマーのアルカリ加水分解、酸処理等により得られる。
−[CFCX−[CF−CF(−O−(CF−CF(CF))−O−(CFR−(CFR−(CF−X)]− (V)
ここで、式(V)中、X、X、X、R及びR、並びに、a、b、c、d、e、f及びgは、上記式(II)中におけるものと同義である。XはCOOR、COR又はSOである。Rは炭素数1〜3のアルキル基を示し、Rはハロゲン原子を示す。)
After synthesizing a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group according to this embodiment, for example, a precursor polymer, the precursor polymer is obtained by alkali hydrolysis, acid decomposition, or the like. For example, the polymer having the structural unit represented by the general formula (II) is obtained by polymerizing a precursor polymer having the structural unit represented by the following general formula (V), and then the alkali of the precursor polymer. Obtained by hydrolysis, acid treatment and the like.
- [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 5)] g - (V)
Here, in formula (V), X 1 , X 2 , X 3 , R 1 and R 2 , and a, b, c, d, e, f and g are the same as those in formula (II) above. It is synonymous. X 5 is COOR 7 , COR 8 or SO 2 R 8 . R 7 represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and R 4 represents a halogen atom. )

上記前駆体ポリマーは、例えば、フッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物とを共重合させることにより製造される。ここで、フッ化オレフィン化合物としては、例えば、テトラフルオロエチレン、六フッ化プロピレン、トリフルオロエチレン、モノクロルトリフルオロエチレン、パーフルオロブチルエチレン(CCH=CH)、パーフルオロヘキサエチレン(C13CH=CH)、パーフルオロオクタエチレン(C17CH=CH)等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The precursor polymer is produced, for example, by copolymerizing a fluorinated olefin compound and a vinyl fluoride compound. Here, examples of the fluorinated olefin compound include tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, monochlorotrifluoroethylene, perfluorobutylethylene (C 4 F 9 CH═CH 2 ), perfluorohexaethylene ( C 6 F 13 CH═CH 2 ), perfluorooctaethylene (C 6 F 17 CH═CH 2 ) and the like. These are used singly or in combination of two or more.

また、フッ化ビニル化合物としては、例えば、下記に列挙する一般式;
CF=CFO(CF−SOF、CF=CFOCFCF(CF)O(CF−SOF、CF=CF(CF−SOF、CF=CF(OCFCF(CF))−(CF−SOF、CF=CFO(CF−CO,CF=CFOCFCF(CF)O(CF−CO、CF=CF(CF−CO、CF=CF(OCFCF(CF))−(CF−CO
で表されるものが挙げられる。上記式中、qは1〜8の整数を示し、Rは炭素数1〜3のアルキル基を示す。
Examples of the vinyl fluoride compound include the general formulas listed below;
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 2 F, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 3) q -SO 2 F, CF 2 = CF (CF 2) q -SO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF ( CF 3)) q - (CF 2) q - 1 -SO 2 F, CF 2 = CFO (CF 2) q -CO 2 R 9, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2) q -CO 2 R 9, CF 2 = CF (CF 2) q -CO 2 R 9, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) q - (CF 2) 2 -CO 2 R 9
The thing represented by is mentioned. In the above formulas, q is an integer of 1 to 8, R 9 represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.

上記前駆体ポリマーは、公知の共重合により合成することができる。このような合成方法としては、特に限定されるものではないが、以下のような方法を挙げることができる。   The precursor polymer can be synthesized by known copolymerization. Such a synthesis method is not particularly limited, and examples thereof include the following methods.

(i)含フッ素炭化水素などの重合溶媒を用い、この重合溶媒に充填溶解した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合が行われる方法(溶液重合)。上記含フッ素炭化水素として、例えば、トリクロロトリフルオロエタン、1、1、1、2、3、4、4、5、5、5−デカフロロペンタンなど、「フロン」と総称される化合物からなる群より選ばれるものが好適に用いられる。
(ii)含フッ素炭化水素などの溶媒を用いず、フッ化ビニル化合物そのものを重合溶剤として用いてフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合が行われる方法(塊状重合)。
(iii)界面活性剤の水溶液を重合溶媒として用い、この重合溶媒に充填溶解した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合が行われる方法(乳化重合)。
(iv)界面活性剤及びアルコールなどの助乳化剤の水溶液を用い、この水溶液に充填乳化した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合が行われる方法(ミニエマルジョン重合、マイクロエマルジョン重合)。
(v)懸濁安定剤の水溶液を用い、この水溶液に充填懸濁した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合が行われる方法(懸濁重合)。
(I) A method (solution polymerization) in which a polymerization solvent such as a fluorinated hydrocarbon is used and a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound are reacted while being charged and dissolved in the polymerization solvent. As the fluorine-containing hydrocarbon, for example, a group consisting of compounds collectively called “Freon” such as trichlorotrifluoroethane, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 4, 5, 5, 5-decafluoropentane and the like. Those selected are preferably used.
(Ii) A method in which polymerization is carried out by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound using a vinyl fluoride compound itself as a polymerization solvent without using a solvent such as fluorine-containing hydrocarbon (bulk polymerization). .
(Iii) A method (emulsion polymerization) in which an aqueous solution of a surfactant is used as a polymerization solvent, and polymerization is performed by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound in a state of being charged and dissolved in the polymerization solvent.
(Iv) A method in which an aqueous solution of a surfactant and an auxiliary emulsifier such as alcohol is used, and polymerization is performed by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound in a state where the aqueous solution is filled and emulsified (mini-emulsion polymerization). , Microemulsion polymerization).
(V) A method in which an aqueous solution of a suspension stabilizer is used and polymerization is carried out by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound in a state of being filled and suspended in this aqueous solution (suspension polymerization).

本実施形態においては、前駆体ポリマーの重合度の指標としてメルトマスフローレート(以下「MFR」と略称する)を用いることができる。本実施形態において、前駆体ポリマーのMFRは、0.01以上が好ましく、0.1以上がより好ましく、0.3以上が更に好ましい。MFRの上限は限定されないが、100以下が好ましく、10以下がより好ましく、5以下が更に好ましい。MFRを0.01〜100の範囲に調整することにより、成膜等の成型加工を良好に行うことができる。なお、前駆体ポリマーのMFRは、JIS K−7210に準拠して測定される。具体的には、オリフィスの内径2.09mm、長さ8mmの装置を用いて温度270℃、荷重2.16kgで測定した含フッ素イオン交換樹脂前駆体のメルトフローレートをMFR(g/10分)とする。
によって測定される。
In the present embodiment, melt mass flow rate (hereinafter abbreviated as “MFR”) can be used as an index of the polymerization degree of the precursor polymer. In the present embodiment, the MFR of the precursor polymer is preferably 0.01 or more, more preferably 0.1 or more, and still more preferably 0.3 or more. Although the upper limit of MFR is not limited, 100 or less are preferable, 10 or less are more preferable, and 5 or less are still more preferable. By adjusting the MFR to a range of 0.01 to 100, molding processing such as film formation can be favorably performed. The MFR of the precursor polymer is measured according to JIS K-7210. Specifically, the melt flow rate of the fluorine-containing ion exchange resin precursor measured at a temperature of 270 ° C. and a load of 2.16 kg using an apparatus having an inner diameter of 2.09 mm and a length of 8 mm was MFR (g / 10 min). And
Measured by.

以上のようにして調製された前駆体ポリマーは、例えば、塩基性反応液体中で加水分解処理され、温水などで十分に水洗され、酸処理されてもよい。この酸処理によって前駆体ポリマーがプロトン化されて、パーフルオロカーボン高分子化合物が得られる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の前駆体ポリマーがプロトン化されて、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が得られる。   The precursor polymer prepared as described above may be hydrolyzed in a basic reaction liquid, sufficiently washed with warm water or the like, and acid-treated. By this acid treatment, the precursor polymer is protonated to obtain a perfluorocarbon polymer compound. For example, a perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor polymer is protonated to obtain a perfluorocarbon sulfonic acid resin.

(ポリオレフィン微多孔膜)
本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、微細な空孔を有し、ポリプロピレンを1質量%以上含有するポリオレフィン組成物を含むものである。このポリオレフィン組成物はポリオレフィンからなるものであるが、その中には、ポリプロピレンに加えて、他のポリオレフィンが含まれてもよい。そのようなポリオレフィンとしては、プロピレン又はエチレンを主な単量体成分として有する重合体が好ましい。このポリオレフィンは上記主な単量体成分のみからなるものであってもよいが、それ以外にブテン、ペンテン、ヘキセン、4−メチルペンテンなどの単量体成分を有していてもよい。上記他のポリオレフィンの具体例としては、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、チーグラー系マルチサイト触媒を用いて得られる直鎖状低密度ポリエチレン及び超低密度ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、シングルサイト触媒を用いて得られるエチレン系重合体、及びプロピレンと共重合可能な他の単量体との共重合体(プロピレン−エチレン共重合体、プロピレン−エチレン−α−オレフィン共重合体等)が挙げられる。
(Polyolefin microporous membrane)
The polyolefin microporous membrane according to this embodiment includes a polyolefin composition having fine pores and containing 1% by mass or more of polypropylene. Although this polyolefin composition consists of polyolefin, in addition to polypropylene, other polyolefin may be contained in it. Such polyolefin is preferably a polymer having propylene or ethylene as a main monomer component. This polyolefin may be composed of only the main monomer component, but may have other monomer components such as butene, pentene, hexene, 4-methylpentene. Specific examples of the other polyolefin include high-density polyethylene, medium-density polyethylene, low-density polyethylene, linear low-density polyethylene and ultra-low-density polyethylene obtained using a Ziegler-based multisite catalyst, and ethylene-vinyl acetate copolymer. Copolymers, ethylene polymers obtained using a single site catalyst, and copolymers with other monomers copolymerizable with propylene (propylene-ethylene copolymers, propylene-ethylene-α-olefin copolymers) Etc.).

本実施形態に係るポリオレフィン組成物は、耐熱性の観点からポリプロピレンを1質量%以上含有するものが好ましく、5質量%以上含有するものがより好ましく、20質量%以上含有するものが更に好ましく、50質量%以上含有するものが特に好ましく、90質量%以上の含有するものが極めて好ましい。   The polyolefin composition according to the present embodiment preferably contains 1% by mass or more of polypropylene from the viewpoint of heat resistance, more preferably contains 5% by mass or more, more preferably contains 20% by mass or more, and 50 Those containing at least mass% are particularly preferred, and those containing at least 90 mass% are very particularly preferred.

ポリオレフィン組成物中にポリプロピレンを含有するポリオレフィン微多孔膜は、ポリエチレン単体からなる微多孔膜と比較して、耐熱性を飛躍的に向上させることができる。つまり、本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、100℃以上の高温での燃料電池の運転を可能にできる他、高分子電解質膜を成形後、150℃以上で熱処理することが可能となる。本実施形態の高分子電解質膜は、熱処理により、その機械的強度が安定化され得る。この観点から、特に上記高分子電解質のガラス転移温度が130℃以上である場合、ポリオレフィン組成物中のポリプロピレンの含有量が5質量%以上であることがより好ましく、20質量%以上であることが更に好ましく、50質量%以上であることが特に好ましく、90質量%以上であることが特に好ましい。   A polyolefin microporous membrane containing polypropylene in the polyolefin composition can dramatically improve heat resistance as compared to a microporous membrane made of polyethylene alone. That is, the polyolefin microporous membrane according to the present embodiment can operate the fuel cell at a high temperature of 100 ° C. or higher, and can be heat-treated at 150 ° C. or higher after forming the polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane of this embodiment can have its mechanical strength stabilized by heat treatment. From this viewpoint, in particular, when the glass transition temperature of the polymer electrolyte is 130 ° C. or higher, the content of polypropylene in the polyolefin composition is more preferably 5% by mass or more, and more preferably 20% by mass or more. More preferably, it is particularly preferably 50% by mass or more, and particularly preferably 90% by mass or more.

本実施形態に係るポリプロピレンは、プロピレンの単独重合体(ホモポリプロピレン)、並びに、単量体成分としてプロピレン以外にエチレンを1.0質量%以下含むエチレンプロピレンランダムコポリマー及びエチレンプロピレンブロックコポリマーを含む。   The polypropylene according to this embodiment includes a propylene homopolymer (homopolypropylene), and an ethylene propylene random copolymer and an ethylene propylene block copolymer containing 1.0% by mass or less of ethylene as a monomer component in addition to propylene.

本実施形態に係るポリプロピレンは、プロピレン重合単位からなる結晶性の重合体であってもよい。本実施形態に係るポリプロピレンは、耐熱性の観点から、その重量平均分子量が3.0×10以上であると好ましく、3.5×10〜7.5×10であるとより好ましい。なお、本実施形態において、重量平均分子量は、ポリスチレン換算のゲルパーミエーションクロマトグラフィ法(GPC法)によって測定される。
また、本実施形態に係るポリプロピレンは、上述の高分子電解質の充填性を向上させる目的で、末端変性されていてもよい。末端変性に用いられるイオン交換基は、例えば、スルホン酸基(スルホ基)、スルホンイミド基、スルホンアミド基、カルボン酸基(カルボキシル基)、リン酸基からなる群より選ばれるものが好ましく、特にスルホン酸基が好ましい。
The polypropylene according to this embodiment may be a crystalline polymer composed of propylene polymer units. The weight average molecular weight of the polypropylene according to this embodiment is preferably 3.0 × 10 5 or more, and more preferably 3.5 × 10 5 to 7.5 × 10 5 from the viewpoint of heat resistance. In the present embodiment, the weight average molecular weight is measured by a gel-permeation chromatography method (GPC method) in terms of polystyrene.
Moreover, the polypropylene which concerns on this embodiment may be terminal-modified in order to improve the filling property of the above-mentioned polymer electrolyte. The ion exchange group used for terminal modification is preferably, for example, one selected from the group consisting of a sulfonic acid group (sulfo group), a sulfonimide group, a sulfonamide group, a carboxylic acid group (carboxyl group), and a phosphoric acid group. Sulfonic acid groups are preferred.

上記ポリオレフィン組成物中に含まれるポリプロピレン以外のポリオレフィンとしては、ポリエチレンが好ましい。   Polyethylene other than polypropylene contained in the polyolefin composition is preferably polyethylene.

本実施形態に係るポリエチレンは、耐熱性の観点から、重量平均分子量が好ましくは5×10以上、より好ましくは1×10〜15×10の超高分子量のポリエチレンである。ポリオレフィン組成物中におけるポリエチレンの含有量は、耐熱性の観点から、好ましくは95質量%以下、より好ましくは80質量%以下、更に好ましくは50質量%以下、特に好ましくは10質量%以下である。また、本実施形態においては、後述のポリオレフィン溶液の高濃度化とポリオレフィン微多孔膜の強度の向上とを図るために、重量平均分子量1×10以上の超高分子量ポリエチレンと重量平均分子量1×10以上5×10未満の高密度ポリエチレンとの組成物(ポリエチレン組成物)を用いることができる。超高分子量ポリエチレンのポリエチレン組成物中の含有量は、ポリエチレン組成物全体を100質量%として、1質量%以上が好ましく、10〜70質量%であるとより好ましい。 The polyethylene according to this embodiment is an ultrahigh molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of preferably 5 × 10 5 or more, more preferably 1 × 10 6 to 15 × 10 6 from the viewpoint of heat resistance. The polyethylene content in the polyolefin composition is preferably 95% by mass or less, more preferably 80% by mass or less, still more preferably 50% by mass or less, and particularly preferably 10% by mass or less from the viewpoint of heat resistance. In this embodiment, in order to increase the concentration of the polyolefin solution described later and improve the strength of the polyolefin microporous membrane, the ultrahigh molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 1 × 10 6 or more and the weight average molecular weight of 1 × A composition (polyethylene composition) with 10 5 or more and less than 5 × 10 5 high-density polyethylene can be used. The content of the ultrahigh molecular weight polyethylene in the polyethylene composition is preferably 1% by mass or more, more preferably 10 to 70% by mass, based on 100% by mass of the entire polyethylene composition.

また、本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、必要に応じて、ステアリン酸カリウムやステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、防曇剤、着色顔料等の公知の添加剤を、本発明の課題達成及び効果を損なわない範囲で含有してもよい。   In addition, the polyolefin microporous membrane according to the present embodiment, if necessary, metal soaps such as potassium stearate and zinc stearate, ultraviolet absorbers, light stabilizers, antistatic agents, antifogging agents, coloring pigments, etc. The known additives may be contained within a range that does not impair the achievement and effects of the present invention.

本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、その空孔率が10%〜90%であると好ましく、20%〜90%であるとより好ましく、30%〜90%であると更に好ましく、50%〜85%であると特に好ましい。ここで、ポリオレフィン微多孔膜の空孔率は水銀圧入法により水銀ポロシメータ(例えば、島津製作所製、商品名:オートポアIV 9520、初期圧約20kPa)によって測定される。この空孔率が10%〜90%の範囲にあることにより、高分子電解質膜のイオン導電性の向上と高分子電解質膜の強度の向上及び寸法変化の抑制を両立することができるという効果が奏される。ポリオレフィン微多孔膜の空孔率はポリオレフィン微多孔膜中の孔数、孔径、孔形状、延伸倍率、可塑剤添加量及び可塑剤の種類によって、その数値を調整される。   The polyolefin microporous membrane according to this embodiment preferably has a porosity of 10% to 90%, more preferably 20% to 90%, still more preferably 30% to 90%, and 50%. It is especially preferable that it is -85%. Here, the porosity of the polyolefin microporous membrane is measured by a mercury porosimeter (for example, manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: Autopore IV 9520, initial pressure of about 20 kPa) by a mercury intrusion method. When the porosity is in the range of 10% to 90%, there is an effect that it is possible to achieve both improvement in ion conductivity of the polymer electrolyte membrane, improvement in strength of the polymer electrolyte membrane, and suppression of dimensional change. Played. The porosity of the polyolefin microporous membrane is adjusted by the number of pores, pore diameter, pore shape, draw ratio, plasticizer addition amount and type of plasticizer in the polyolefin microporous membrane.

本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、その膜厚が0.1μm〜50μmであると好ましく、0.5μm〜30μmであるとより好ましく、1.0μm〜20μmであると更に好ましく、2.0μm〜20μmであると特に好ましい。ここで、ポリオレフィン微多孔膜の膜厚は、その膜を50%RHの恒温恒湿の室内で十分に静置した後、公知の膜厚計(例えば、東洋精機製作所製、商品名「B−1」)を用いて測定される。この膜厚が0.1μm〜50μmの範囲にあることにより、高分子電解質がポリオレフィン微多孔膜中に孔充填できるとともに、高分子電解質の寸法変化が抑制されるという効果が奏される。ポリオレフィン微多孔膜の膜厚は、キャスト溶液の固形分量、押し出し樹脂量、押し出し速度、ポリオレフィン微多孔膜の延伸倍率によって、その数値を調整される。   The polyolefin microporous membrane according to this embodiment preferably has a thickness of 0.1 μm to 50 μm, more preferably 0.5 μm to 30 μm, still more preferably 1.0 μm to 20 μm, and 2.0 μm. It is particularly preferable that it is ˜20 μm. Here, the film thickness of the polyolefin microporous film is determined by sufficiently placing the film in a room with a constant temperature and humidity of 50% RH and then using a known film thickness meter (for example, trade name “B-” manufactured by Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.). 1 "). When the film thickness is in the range of 0.1 μm to 50 μm, the polymer electrolyte can fill the polyolefin microporous film with pores, and the dimensional change of the polymer electrolyte is suppressed. The film thickness of the polyolefin microporous film is adjusted by the solid content of the cast solution, the amount of the extruded resin, the extrusion speed, and the draw ratio of the polyolefin microporous film.

本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、その空孔の孔径が0.03μm〜5μmであると好ましく、0.03μm〜3μmであるとより好ましく、0.05μm〜3μmであると更に好ましく、0.05μm〜1μmであると特に好ましい。ここで、ポリオレフィン微多孔膜の空孔の孔径は平均孔径であり、水銀圧入法により水銀ポロシメータ(例えば、島津製作所製、商品名:オートポアIV 9520)を用いて測定される。この孔径が0.03μm〜5μmの範囲にあることにより、高分子電解質がポリオレフィン微多孔膜の空隙に充填しやすく、抜け出し難いという効果が奏される。ポリオレフィン微多孔膜の空孔の孔径は可塑剤の分散性、ポリオレフィン微多孔膜の延伸倍率、照射線量及び照射時間、可塑剤抽出溶剤及び抽出時間によって、その数値を調整される。   The polyolefin microporous membrane according to this embodiment preferably has a pore diameter of 0.03 μm to 5 μm, more preferably 0.03 μm to 3 μm, still more preferably 0.05 μm to 3 μm, and 0 It is particularly preferable that the thickness is 0.05 μm to 1 μm. Here, the pore diameter of the polyolefin microporous membrane is an average pore diameter, and is measured by a mercury porosimeter (for example, trade name: Autopore IV 9520, manufactured by Shimadzu Corporation) by a mercury intrusion method. When the pore diameter is in the range of 0.03 μm to 5 μm, the polymer electrolyte can be easily filled in the voids of the polyolefin microporous membrane, and the effect that it is difficult to escape is produced. The numerical value of the pore diameter of the polyolefin microporous membrane is adjusted by the dispersibility of the plasticizer, the draw ratio of the polyolefin microporous membrane, the irradiation dose and the irradiation time, the plasticizer extraction solvent and the extraction time.

ポリオレフィン微多孔膜は、例えば、次のような製造方法により得られる。まず、ポリプロピレンを1質量%以上含有するポリオレフィン組成物に可塑剤、酸化防止剤等を添加した混合物を溶融混練する。その後、得られた混合物を押出成形し、抽出、延伸等を施して膜状に成形することにより、ポリオレフィン微多孔膜が得られる。また、ポリオレフィン組成物と添加剤とからなる上記混合物に更に無機微粉体等を添加してもよい。本実施形態で用いられるポリオレフィン微多孔膜の製造方法は、ポリプロピレンを1質量%以上含有するポリオレフィン組成物、可塑剤及び酸化防止剤を窒素雰囲気下で溶融混練する工程(i)と、工程(i)を経て得られた溶融混練物を押し出し、シート状に成形して冷却固化する工程(ii)と、工程(ii)を経て得られたシート状の冷却固化物を少なくとも一軸方向へ延伸して膜状の成形物を得る工程(iii)と、工程(iii)を経て得られた成形物から可塑剤を抽出する工程(iv)と、を有すると好ましい。   The polyolefin microporous membrane can be obtained, for example, by the following production method. First, a mixture obtained by adding a plasticizer, an antioxidant and the like to a polyolefin composition containing 1% by mass or more of polypropylene is melt-kneaded. Thereafter, the obtained mixture is extruded, extracted, stretched, etc., and formed into a film, whereby a polyolefin microporous film is obtained. Moreover, you may add inorganic fine powder etc. further to the said mixture which consists of a polyolefin composition and an additive. The method for producing a polyolefin microporous membrane used in the present embodiment includes a step (i) of melt-kneading a polyolefin composition containing 1% by mass or more of polypropylene, a plasticizer and an antioxidant in a nitrogen atmosphere, and a step (i The melt-kneaded product obtained through the step (ii) is extruded, formed into a sheet and cooled and solidified (ii), and the sheet-like cooled and solidified product obtained through the step (ii) is stretched at least in a uniaxial direction. It is preferable to have a step (iii) of obtaining a film-like molded product and a step (iv) of extracting a plasticizer from the molded product obtained through the step (iii).

上記酸化防止剤としては、1次酸化防止剤であるフェノール系酸化防止剤が好ましい。さらには、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、ペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート等が挙げられる。なお、2次酸化防止剤である、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)フォスファイト、テトラキス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)−4,4−ビフェニレン−ジフォスフォナイト等のリン系酸化防止剤、ジラウリル−チオ−ジプロピオネート等のイオウ系酸化防止剤が、必要に応じてフェノール系酸化防止剤と併用されてもよい。   As said antioxidant, the phenolic antioxidant which is a primary antioxidant is preferable. Furthermore, 2,6-di-t-butyl-4-methylphenol, pentaerythrityl-tetrakis- [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate and the like. In addition, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, tetrakis (2,4-di-t-butylphenyl) -4,4-biphenylene-diphosphonite, which are secondary antioxidants A phosphorus-based antioxidant such as dilauryl-thio-dipropionate may be used in combination with a phenol-based antioxidant as necessary.

また、上記可塑剤は、ポリオレフィン組成物と混合した際に、その融点以上において均一溶液を形成し得る不揮発性溶媒を指す。このような可塑剤としては、例えば、流動パラフィンやパラフィンワックス等の炭化水素類、ジ−2−エチルヘキシルフタレート、ジイソデシルフタレート、ジヘプチルフタレートなどが挙げられる。これらの中では、可塑剤として炭化水素類が好ましい。   Moreover, the said plasticizer points out the non-volatile solvent which can form a uniform solution above the melting | fusing point, when it mixes with a polyolefin composition. Examples of such a plasticizer include hydrocarbons such as liquid paraffin and paraffin wax, di-2-ethylhexyl phthalate, diisodecyl phthalate, and diheptyl phthalate. Of these, hydrocarbons are preferred as the plasticizer.

また、工程(iv)において、可塑剤を抽出する際に用いられる溶媒(抽出溶媒)としては、ポリエチレン及びポリプロピレンに対して貧溶媒であり、且つ、可塑剤に対しては良溶媒であり、沸点がポリオレフィン組成物の融点よりも低いものが望ましい。このような抽出溶媒としては、n−ヘキサンやシクロヘキサン等の炭化水素類、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、塩化メチレン、1,1,1−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類に代表される有機溶媒が挙げられる。これらの抽出溶媒は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   In step (iv), the solvent (extraction solvent) used when extracting the plasticizer is a poor solvent for polyethylene and polypropylene, and a good solvent for the plasticizer, and has a boiling point. Is preferably lower than the melting point of the polyolefin composition. Examples of such extraction solvents include hydrocarbons such as n-hexane and cyclohexane, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as tetrahydrofuran, methylene chloride, 1,1, Examples thereof include organic solvents represented by halogenated hydrocarbons such as 1-trichloroethane. These extraction solvents are used alone or in combination of two or more.

上記工程(iii)では、例えば、一軸延伸機による延伸や、同時二軸延伸機、逐次二軸延伸等による延伸により、膜状の成形物を得ることができる。本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、空隙率と機械的強度とをバランスよく良好なものにする観点より、その延伸倍率が面積倍率で20倍以上であると好ましく、40倍以上であると更に好ましい。また、延伸温度は100〜135℃であると好ましく、110〜130℃であると更に好ましい。   In the step (iii), for example, a film-like molded product can be obtained by stretching by a uniaxial stretching machine, stretching by a simultaneous biaxial stretching machine, sequential biaxial stretching, or the like. The polyolefin microporous membrane according to the present embodiment is preferably 20 times or more in terms of the area magnification and 40 times or more in terms of the area magnification from the viewpoint of improving the porosity and mechanical strength in a good balance. Further preferred. The stretching temperature is preferably 100 to 135 ° C, and more preferably 110 to 130 ° C.

上記工程(iv)では、上述の抽出溶媒に膜状の成形物を浸漬することにより、成形物内に含まれていた大部分の可塑剤を抽出し、その後、成形物を充分に乾燥させてポリオレフィン微多孔膜が得られる。この抽出により、ポリオレフィン微多孔膜中の可塑剤残量を1質量%未満とすることが、燃料電池運転時に高分子電解質から溶出される不純物を低減する観点から好ましい。   In the step (iv), most of the plasticizer contained in the molded product is extracted by immersing the film-shaped molded product in the extraction solvent described above, and then the molded product is sufficiently dried. A polyolefin microporous membrane is obtained. By this extraction, it is preferable that the residual amount of plasticizer in the polyolefin microporous membrane be less than 1% by mass from the viewpoint of reducing impurities eluted from the polymer electrolyte during fuel cell operation.

上記のような各工程を経て得られたポリオレフィン微多孔膜は、さらに、収縮低減のため熱固定処理を施されることが好ましい。この熱固定処理を行うことにより、高温雰囲気下でのポリオレフィン微多孔膜の収縮を低減し、高分子電解質膜の寸法変化を低減することができる。熱固定は、例えばTDテンターにより、100〜135℃程度の温度範囲でTD方向の応力を緩和させることにより、ポリオレフィン微多孔膜に施される。   It is preferable that the polyolefin microporous film obtained through each of the above steps is further subjected to a heat setting treatment to reduce shrinkage. By performing this heat setting treatment, the shrinkage of the polyolefin microporous membrane under a high temperature atmosphere can be reduced, and the dimensional change of the polymer electrolyte membrane can be reduced. The heat setting is performed on the polyolefin microporous film by, for example, relaxing the stress in the TD direction in a temperature range of about 100 to 135 ° C. with a TD tenter.

また、本実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、本発明の課題解決及び効果を損なわない範囲で、電子線照射、プラズマ照射、界面活性剤塗布、化学的改質などの表面処理を必要に応じて施されてもよい。表面処理を施すことでポリオレフィン微多孔膜の表面を親水化することができるため、高分子電解質溶液の充填性の観点から好ましい。   In addition, the polyolefin microporous membrane according to the present embodiment may be subjected to surface treatment such as electron beam irradiation, plasma irradiation, surfactant coating, chemical modification, etc., as long as the problems and effects of the present invention are not impaired. May be applied. Since the surface of the polyolefin microporous membrane can be hydrophilized by applying the surface treatment, it is preferable from the viewpoint of the filling property of the polymer electrolyte solution.

(添加剤)
本実施形態の高分子電解質膜は、上記高分子電解質及びポリオレフィン微多孔膜に加えて、耐久性を向上させる目的で、ポリアゾール化合物やチオエーテル化合物)等の添加剤を含有してもよい。これらの添加剤は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
(Additive)
In addition to the polymer electrolyte and the polyolefin microporous membrane, the polymer electrolyte membrane of the present embodiment may contain an additive such as a polyazole compound or a thioether compound) for the purpose of improving durability. These additives are used singly or in combination of two or more.

(ポリアゾール化合物)
本実施形態に係るポリアゾール化合物としては、例えば、ポリイミダゾール系化合物、ポリベンズイミダゾール系化合物、ポリベンゾビスイミダゾール系化合物、ポリベンゾオキサゾール系化合物、ポリオキサゾール系化合物、ポリチアゾール系化合物、ポリベンゾチアゾール系化合物等の環内に窒素原子を1個以上含む複素五員環を構成要素とする化合物の重合体が挙げられる。なお、上記複素五員環には、窒素原子以外に酸素原子、硫黄原子等を含むものであってもよい。
(Polyazole compound)
Examples of the polyazole compound according to this embodiment include a polyimidazole compound, a polybenzimidazole compound, a polybenzobisimidazole compound, a polybenzoxazole compound, a polyoxazole compound, a polythiazole compound, and a polybenzothiazole compound. Examples thereof include a polymer of a compound having a hetero five-membered ring containing one or more nitrogen atoms in the ring of the compound as a constituent element. The hetero five-membered ring may contain an oxygen atom, a sulfur atom or the like in addition to the nitrogen atom.

また、ポリアゾール化合物の分子量は、GPC測定を行った場合の重量平均分子量として、300〜500,000(ポリスチレン換算)であると好ましい。   Moreover, it is preferable that the molecular weight of a polyazole compound is 300-500,000 (polystyrene conversion) as a weight average molecular weight at the time of GPC measurement.

上記複素五員環を構成要素とする化合物として、例えば、p−フェニレン基、m−フェニレン基、ナフタレン基、ジフェニレンエーテル基、ジフェニレンスルホン基、ビフェニレン基、ターフェニル基、2,2−ビス(4−カルボキシフェニレン)ヘキサフルオロプロパン基に代表される2価の芳香族基が複素五員環と結合した化合物を用いることが、耐熱性を得る観点から好ましい。具体的には、ポリアゾール化合物として、ポリベンズイミダゾールが好ましく用いられる。   Examples of the compound having the five-membered ring as a constituent element include p-phenylene group, m-phenylene group, naphthalene group, diphenylene ether group, diphenylene sulfone group, biphenylene group, terphenyl group, and 2,2-bis. From the viewpoint of obtaining heat resistance, it is preferable to use a compound in which a divalent aromatic group represented by (4-carboxyphenylene) hexafluoropropane group is bonded to a hetero five-membered ring. Specifically, polybenzimidazole is preferably used as the polyazole compound.

また、ポリアゾール化合物は、下記の一般的な変性方法を用いて、イオン交換基が導入されたもの(変性ポリアゾール化合物)であってもよい。このような変性ポリアゾール化合物としては、ポリアゾール化合物に、アミノ基、四級アンモニウム基、カルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基からなる群より選ばれる1種以上の基を導入したものが挙げられる。なお、アニオン性のイオン交換基をポリアゾール化合物に導入することにより、本実施形態の高分子電解質膜全体のイオン交換容量を増加させることができ、結果的に燃料電池運転時の高い出力を得ることができるため、有用である。上記変性ポリアゾール化合物のイオン交換容量は0.1〜3.5ミリ当量/gであることが好ましい。   In addition, the polyazole compound may be a compound in which an ion exchange group is introduced (modified polyazole compound) using the following general modification method. Examples of such modified polyazole compounds include those obtained by introducing one or more groups selected from the group consisting of amino groups, quaternary ammonium groups, carboxyl groups, sulfonic acid groups, and phosphonic acid groups into the polyazole compounds. In addition, by introducing an anionic ion exchange group into the polyazole compound, the ion exchange capacity of the entire polymer electrolyte membrane of the present embodiment can be increased, resulting in high output during fuel cell operation. This is useful. The ion exchange capacity of the modified polyazole compound is preferably 0.1 to 3.5 meq / g.

ポリアゾール化合物の変性方法は、特に限定されないが、例えば、発煙硫酸、濃硫酸、無水硫酸及びその錯体、プロパンサルトン等のスルトン類、α−ブロモトルエンスルホン酸、クロロアルキルスルホン酸等を用いて、ポリアゾール化合物にイオン交換基を導入する方法や、ポリアゾール化合物のモノマー合成時にイオン交換基を含有させて重合する方法等が挙げられる。   The modification method of the polyazole compound is not particularly limited. For example, fuming sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, sulfuric anhydride and its complex, sultone such as propane sultone, α-bromotoluenesulfonic acid, chloroalkylsulfonic acid, etc. Examples thereof include a method of introducing an ion exchange group into the polyazole compound, a method of polymerizing by adding an ion exchange group at the time of monomer synthesis of the polyazole compound, and the like.

また、ポリアゾール化合物は、高分子電解質の相に島状に分散していることが好適である。ここで、「島状に分散している」とは、染色処理を施さずにTEM観察を行った場合に、高分子電解質の相の中にポリアゾール化合物を含む相が粒子状に分散した状態を意味する。このような状態で分散することは、ポリアゾール化合物を主体とする部分が高分子電解質を主体とする部分に均一に微分散していることを表しており、耐久性の観点から好ましい。   The polyazole compound is preferably dispersed in islands in the polymer electrolyte phase. Here, “is dispersed in the form of islands” means a state in which a phase containing a polyazole compound is dispersed in the form of particles in a polymer electrolyte phase when TEM observation is performed without performing a staining treatment. means. Dispersion in such a state indicates that the portion mainly composed of the polyazole compound is uniformly finely dispersed in the portion mainly composed of the polymer electrolyte, which is preferable from the viewpoint of durability.

さらに、高分子電解質とポリアゾール化合物とは、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を形成していてもよいし、共有結合している状態であってもよい。すなわち、例えば、高分子電解質がスルホン酸基を有し、ポリアゾール化合物がイミダゾール基、オキサゾール基、チアゾール基等の反応基を有する場合、高分子電解質中のスルホン酸基と、ポリアゾール化合物中の各反応基が有する窒素原子とが、イオン結合や共有結合により互いに結合してもよい。   Further, the polymer electrolyte and the polyazole compound may form, for example, an ion-bonded ion-base complex or a covalent bond. That is, for example, when the polymer electrolyte has a sulfonic acid group and the polyazole compound has a reactive group such as an imidazole group, an oxazole group, or a thiazole group, the sulfonic acid group in the polymer electrolyte and each reaction in the polyazole compound A nitrogen atom of the group may be bonded to each other by an ionic bond or a covalent bond.

なお、上記イオン結合や共有結合が存在するか否かについては、フーリエ変換赤外分光計(Fourier−Transform Infrared Spectrometer)(以下、FT−IRとする)を用いて確認することができる。例えば、高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリアゾール化合物としてポリ[2,2’(m−フェニレン)−5,5’−ベンゾイミダゾール](以下PBIとする)を用いた場合、FT−IRによる測定を行うと、上記高分子電解質中のスルホン酸基とPBI中のイミダゾール基との化学結合に由来するシフトした吸収ピークが、1458cm−1付近、1567cm−1付近、1634cm−1付近に認められる。 Whether or not the ionic bond or the covalent bond exists can be confirmed using a Fourier-Transform Infrared Spectrometer (hereinafter referred to as FT-IR). For example, when perfluorocarbon sulfonic acid resin is used as the polymer electrolyte and poly [2,2 ′ (m-phenylene) -5,5′-benzimidazole] (hereinafter referred to as PBI) is used as the polyazole compound, it is determined by FT-IR. When performing the measurement, the absorption peak was shifted from chemical bond with the imidazole group of sulfonic acid groups and in PBI of the polymer electrolyte is observed 1458cm around -1, 1567Cm around -1, around 1634 cm -1 .

また、PBIを添加した高分子電解質膜を作製し、その膜について動的粘弾性試験を行うと、室温から200℃の昇温過程で得られる損失正接(Tanδ)のピーク温度(Tg)が、PBIを添加しない高分子電解質膜に比較して高くなる。このようなTgの上昇は、高分子電解質膜の耐熱性の向上や機械強度の向上を実現させ得ることから好ましい。
(チオエーテル化合物)
Further, when a polymer electrolyte membrane to which PBI was added was prepared and a dynamic viscoelasticity test was performed on the membrane, the peak temperature (Tg) of the loss tangent (Tan δ) obtained in the temperature rising process from room temperature to 200 ° C. Higher than that of a polymer electrolyte membrane to which PBI is not added. Such an increase in Tg is preferable because the heat resistance and mechanical strength of the polymer electrolyte membrane can be improved.
(Thioether compound)

本実施形態に係るチオエーテル化合物としては、−(R−S)−(Sは硫黄原子、Rは炭化水素基、rは1以上の整数)の化学構造を有する化合物である。このような化学構造を有する化合物としては、具体的には、例えば、ジメチルチオエーテル、ジエチルチオエーテル、ジプロピルチオエーテル、メチルエチルチオエーテル、メチルブチルチオエーテルのようなジアルキルチオエーテル、テトラヒドロチオフェン、テトラヒドロアピランのような環状チオエーテル、メチルフェニルスルフィド、エチルフェニルスルフィド、ジフェニルスルフィド、ジベンジルスルフィドのような芳香族チオエーテル等が挙げられる。なお、ここで例示したものをチオエーテル化合物としてそのまま用いてもよく、例えばポリフェニレンスルフィド(PPS)のように、例示したものを単量体に用いて得られる重合体をチオエーテル化合物として用いてもよい。 The thioether compound according to the present embodiment is a compound having a chemical structure of — (R—S) r — (S is a sulfur atom, R is a hydrocarbon group, and r is an integer of 1 or more). Specific examples of the compound having such a chemical structure include dialkyl thioethers such as dimethylthioether, diethylthioether, dipropylthioether, methylethylthioether, and methylbutylthioether, tetrahydrothiophene, and tetrahydroapiran. Examples thereof include aromatic thioethers such as cyclic thioether, methylphenyl sulfide, ethylphenyl sulfide, diphenyl sulfide, and dibenzyl sulfide. In addition, you may use what was illustrated here as a thioether compound as it is, for example, you may use the polymer obtained by using what was illustrated for a monomer like a polyphenylene sulfide (PPS) as a thioether compound.

チオエーテル化合物は、耐久性の観点からrが10以上の重合体(オリゴマー、ポリマー)であることが好ましく、rが1,000以上の重合体であることがより好ましい。特に好ましいチオエーテル化合物は、ポリフェニレンスルフィド(PPS)である。   From the viewpoint of durability, the thioether compound is preferably a polymer (oligomer or polymer) having r of 10 or more, more preferably a polymer having r of 1,000 or more. A particularly preferred thioether compound is polyphenylene sulfide (PPS).

ここでポリフェニレンスルフィドについて説明する。本実施形態において用いられるポリフェニレンスルフィドは、パラフェニレンスルフィド骨格を好ましくは70モル%以上、より好ましくは90モル%以上有するポリフェニレンスルフィドである。   Here, polyphenylene sulfide will be described. The polyphenylene sulfide used in the present embodiment is a polyphenylene sulfide having a paraphenylene sulfide skeleton of preferably 70 mol% or more, more preferably 90 mol% or more.

上記ポリフェニレンスルフィドの製造方法は、特に限定されないが、例えば、ハロゲン置換芳香族化合物(p−ジクロルベンゼン等)を硫黄及び炭酸ソーダの存在下で重合させる方法、極性溶媒中でハロゲン置換芳香族化合物を硫化ナトリウム若しくは硫化水素ナトリウムと水酸化ナトリウムの存在下で重合させる方法、極性溶媒中でハロゲン置換芳香族化合物を硫化水素と水酸化ナトリウム若しくはナトリウムアミノアルカノエートの存在下で重合させる方法、または、p−クロルチオフェノールの自己縮合による方法等が挙げられる。これらの中でもN−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒やスルホラン等のスルホン系溶媒中で硫化ナトリウムとp−ジクロルベンゼンとを反応させる方法が好適に用いられる。   The method for producing the polyphenylene sulfide is not particularly limited. For example, a method in which a halogen-substituted aromatic compound (p-dichlorobenzene or the like) is polymerized in the presence of sulfur and sodium carbonate, a halogen-substituted aromatic compound in a polar solvent. Is polymerized in the presence of sodium sulfide or sodium hydrogen sulfide and sodium hydroxide, a method of polymerizing a halogen-substituted aromatic compound in the presence of hydrogen sulfide and sodium hydroxide or sodium aminoalkanoate in a polar solvent, or Examples include a method by self-condensation of p-chlorothiophenol. Among these, a method of reacting sodium sulfide and p-dichlorobenzene in an amide solvent such as N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide or a sulfone solvent such as sulfolane is preferably used.

また、ポリフェニレンスルフィドにおける−SX基(Sは硫黄原子、Xはアルカリ金属原子又は水素原子である)の含有量は、通常10μmol/g〜10,000μmol/gであると好ましく、より好ましくは15μmol/g〜10,000μmol/g、更に好ましくは20μmol/g〜10,000μmol/gである。   Further, the content of -SX group (S is a sulfur atom, X is an alkali metal atom or a hydrogen atom) in polyphenylene sulfide is preferably usually 10 μmol / g to 10,000 μmol / g, more preferably 15 μmol / g. g to 10,000 μmol / g, more preferably 20 μmol / g to 10,000 μmol / g.

−SX基の含有量が上記範囲にあるということは、反応活性点が多いことを意味する。−SX基の含有量濃度が上記範囲を満たすポリフェニレンスルフィドを用いることで、本実施形態に係る高分子電解質との混和性が向上し、その分散性が向上し、高温低加湿条件下でより高い耐久性が得られると考えられる。   That the content of the —SX group is in the above range means that there are many reaction active sites. By using polyphenylene sulfide in which the content concentration of -SX group satisfies the above range, the miscibility with the polymer electrolyte according to the present embodiment is improved, the dispersibility is improved, and it is higher under high temperature and low humidification conditions. It is thought that durability is obtained.

また、チオエーテル化合物は、末端に酸性官能基を導入したものも好適に用いることができる。導入する酸性官能基としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基、イタコン酸基、アクリル酸基、メタクリル酸基からなる群より選ばれるものが好ましく、スルホン酸基が最も好ましい。   Moreover, what introduce | transduced the acidic functional group into the terminal can also be used suitably for a thioether compound. The acidic functional group to be introduced is selected from the group consisting of sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, maleic acid group, maleic anhydride group, fumaric acid group, itaconic acid group, acrylic acid group, and methacrylic acid group. Are preferred, and sulfonic acid groups are most preferred.

なお、酸性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法が用いられる。例えば、スルホン酸基をチオエーテル化合物に導入する場合、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で導入することができる。より具体的には、例えば、K.Hu, T.Xu, W.Yang, Y.Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol.91,や、 E.Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol.27, 3043−3051(1989)に記載の条件で導入できる。   In addition, the introduction method of an acidic functional group is not specifically limited, A general method is used. For example, when introducing a sulfonic acid group into a thioether compound, it can be introduced under known conditions using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride or fuming sulfuric acid. More specifically, for example, K.K. Hu, T .; Xu, W .; Yang, Y. et al. Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 91, E.E. Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 27, 3043-3051 (1989).

また、導入した上記酸性官能基を更に金属塩又はアミン塩に置換したものもチオエーテル化合物として好適に用いられる。金属塩としてはナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましい。   Further, those in which the introduced acidic functional group is further substituted with a metal salt or an amine salt are also suitably used as the thioether compound. The metal salt is preferably an alkali metal salt such as sodium salt or potassium salt, or an alkaline earth metal salt such as calcium salt.

さらに、チオエーテル化合物を粉末状で用いる場合、チオエーテル化合物の平均粒子径は、高分子電解質中での分散性が向上することで高寿命化等の効果を良好に実現させる観点から、0.01μm〜2.0μmであることが好ましく、0.01μm〜1.0μmがより好ましく、0.01μm〜0.5μmがさらに好ましく、0.01μm〜0.1μmが最も好ましい。この平均粒子径は、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置(例えば、堀場製作所製、型番:LA−950)によって測定される値である。   Furthermore, when the thioether compound is used in a powder form, the average particle diameter of the thioether compound is 0.01 μm to from the viewpoint of favorably realizing an effect such as a long life by improving dispersibility in the polymer electrolyte. It is preferably 2.0 μm, more preferably 0.01 μm to 1.0 μm, further preferably 0.01 μm to 0.5 μm, and most preferably 0.01 μm to 0.1 μm. This average particle size is a value measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (for example, model number: LA-950, manufactured by Horiba, Ltd.).

チオエーテル化合物を高分子電解質中に微分散させる方法としては、例えば、高分子電解質等との溶融混練時に高せん断を与えて粉砕及び微分散させる方法、後述の高分子電解質溶液を得た後、その溶液をろ過し粗大チオエーテル化合物粒子を除去し、ろ過後の溶液を用いる方法、等が挙げられる。溶融混練を行う場合に好適に用いられるポリフェニレンスルフィドの溶融粘度が、成形加工性の観点から、1〜10,000ポイズであると好ましく、さらに好ましくは100〜10,000ポイズである。なお、溶融粘度は、フローテスターを用いて、300℃、荷重196N、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持して得られる値である。   As a method of finely dispersing the thioether compound in the polymer electrolyte, for example, a method of pulverizing and finely dispersing by applying high shear at the time of melt kneading with the polymer electrolyte, etc., after obtaining a polymer electrolyte solution described later, Examples thereof include a method of filtering the solution to remove coarse thioether compound particles and using the solution after filtration. From the viewpoint of molding processability, the melt viscosity of polyphenylene sulfide suitably used for melt kneading is preferably 1 to 10,000 poise, and more preferably 100 to 10,000 poise. The melt viscosity is a value obtained by holding for 6 minutes at 300 ° C., a load of 196 N, L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1 using a flow tester.

チオエーテル化合物の質量(Wd)に対する高分子電解質の質量(Wa)の比(Wa/Wd)は、60/40〜99.99/0.01であることが好ましく、70/30〜99.95/0.05がより好ましく、80/20〜99.9/0.1が更に好ましく、90/10〜99.5/0.5が特に好ましい。高分子電解質の質量の比を60以上とすることにより、一層良好なイオン伝導性が実現され得、一層良好な電池特性が実現され得る。一方、チオエーテル化合物の質量の比を40以下とすることにより、高温低加湿条件での電池運転における耐久性が向上し得る。   The ratio (Wa / Wd) of the mass (Wa) of the polymer electrolyte to the mass (Wd) of the thioether compound is preferably 60/40 to 99.99 / 0.01, and 70/30 to 99.95 / 0.05 is more preferable, 80/20 to 99.9 / 0.1 is still more preferable, and 90/10 to 99.5 / 0.5 is particularly preferable. By setting the mass ratio of the polymer electrolyte to 60 or more, better ion conductivity can be realized, and better battery characteristics can be realized. On the other hand, by setting the mass ratio of the thioether compound to 40 or less, durability in battery operation under high temperature and low humidity conditions can be improved.

また、チオエーテル化合物の質量(Wd)に対するポリアゾール化合物の質量(Wc)の比(Wc/Wd)は、1/99〜99/1であると好ましい。さらに、化学的安定性と耐久性(分散性)とのバランスの観点から、Wc/Wdは5/95〜95/5がより好ましく、10/90〜90/10が更に好ましく、20/80〜80/20が特に好ましい。   The ratio (Wc / Wd) of the mass (Wc) of the polyazole compound to the mass (Wd) of the thioether compound is preferably 1/99 to 99/1. Further, from the viewpoint of the balance between chemical stability and durability (dispersibility), Wc / Wd is more preferably 5/95 to 95/5, further preferably 10/90 to 90/10, and 20/80 to 80/20 is particularly preferred.

さらに、ポリアゾール化合物とチオエーテル化合物との合計質量が高分子電解質膜中に占める割合は、0.01質量%〜50質量%であると好ましい。イオン伝導性と耐久性(分散性)とのバランスの観点から、上記合計質量は0.05質量%〜45質量%であるとより好ましく、0.1質量%〜40質量%であると更に好ましく、0.2質量%〜35質量%であると特に好ましく、0.3質量%〜30質量%であると極めて好ましい。   Furthermore, the proportion of the total mass of the polyazole compound and the thioether compound in the polymer electrolyte membrane is preferably 0.01% by mass to 50% by mass. From the viewpoint of balance between ion conductivity and durability (dispersibility), the total mass is more preferably 0.05% by mass to 45% by mass, and further preferably 0.1% by mass to 40% by mass. 0.2 mass% to 35 mass% is particularly preferable, and 0.3 mass% to 30 mass% is extremely preferable.

(高分子電解質膜)
本実施形態において、高分子電解質膜の膜厚は、1μm〜500μmであることが好ましく、より好ましくは2μm〜100μm、更に好ましくは5μm〜50μmである。膜厚をこの範囲に調整することは、水素と酸素との直接反応のような不都合を低減し得る点、燃料電池製造時の取り扱いの際や燃料電池運転中に差圧・歪み等が生じても、膜の損傷等が発生し難いという点で好ましい。さらに、高分子電解質膜のイオン透過性を維持し、固体高分子電解質膜としての性能を維持する観点からも、膜厚をこの範囲に調整することが好ましい。
(Polymer electrolyte membrane)
In the present embodiment, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1 μm to 500 μm, more preferably 2 μm to 100 μm, and still more preferably 5 μm to 50 μm. Adjusting the film thickness within this range can reduce inconveniences such as direct reaction between hydrogen and oxygen, and may cause differential pressure, strain, etc. during handling of the fuel cell and during fuel cell operation. However, it is preferable in that the film is hardly damaged. Furthermore, it is preferable to adjust the film thickness within this range from the viewpoint of maintaining the ion permeability of the polymer electrolyte membrane and maintaining the performance as a solid polymer electrolyte membrane.

次に、本実施形態の高分子電解質膜の製造方法について説明する。本実施形態の高分子電解質膜は、ポリオレフィン微多孔膜の微細な空孔に高分子電解質を充填することで得ることができる。   Next, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of this embodiment is demonstrated. The polymer electrolyte membrane of the present embodiment can be obtained by filling the polymer electrolyte in the fine pores of the polyolefin microporous membrane.

ポリオレフィン微多孔膜の空孔に高分子電解質を充填する方法としては、特に限定されないが、例えば、後述する高分子電解質溶液をポリオレフィン微多孔膜に塗工する方法や、高分子電解質溶液にポリオレフィン微多孔膜を含浸させた後乾燥する方法等が挙げられる。また、高分子電解質を含むシートを押し出し成形やキャスト成形等で予め成形しておき、このシートをポリオレフィン微多孔膜と重ねて熱プレスすることにより充填してもよい。   The method of filling the pores of the polyolefin microporous membrane with the polymer electrolyte is not particularly limited. For example, a method of applying a polymer electrolyte solution described later to the polyolefin microporous membrane, For example, a method of drying after impregnating the porous film may be used. Alternatively, a sheet containing a polymer electrolyte may be preliminarily molded by extrusion molding, cast molding, or the like, and this sheet may be filled with a polyolefin microporous film by hot pressing.

さらに、高分子電解質膜の伝導性や機械的強度を向上する目的で、このようにして作製された高分子電解質膜の少なくとも一方の主面上に、高分子電解質を含む層を1層以上積層してもよい。また、本実施形態の高分子電解質膜は、架橋剤や紫外線、電子線、放射線等を用いて、そこに含まれる化合物同士を架橋されてもよい。   Further, for the purpose of improving the conductivity and mechanical strength of the polymer electrolyte membrane, one or more layers containing the polymer electrolyte are laminated on at least one main surface of the polymer electrolyte membrane thus produced. May be. Moreover, the polymer electrolyte membrane of this embodiment may bridge | crosslink the compounds contained there, using a crosslinking agent, an ultraviolet-ray, an electron beam, a radiation.

本実施形態の高分子電解質膜は、上述のように成形して得られた後、さらに熱処理が施されることが好ましい。この熱処理により高分子電解質膜中の結晶物部分と高分子固体電解質部分とが強固に接着され、その結果、機械的強度が安定化され得る。この熱処理の温度は、好ましくは120℃〜230℃、より好ましくは130℃〜210℃、更に好ましくは150℃〜200℃である。熱処理の温度をこの範囲に調整することで、結晶物部分と電解質組成物部分との間の密着力が向上される。また、高分子電解質膜の特性を維持する観点からも上記熱処理の温度が好適である。熱処理の時間は、熱処理の温度にもよるが、高耐久性を有する高分子電解質膜を得る観点から、好ましくは5分間〜3時間、更に好ましくは10分間〜2時間である。   The polymer electrolyte membrane of the present embodiment is preferably subjected to heat treatment after being obtained by molding as described above. By this heat treatment, the crystal part and the polymer solid electrolyte part in the polymer electrolyte membrane are firmly bonded, and as a result, the mechanical strength can be stabilized. The temperature of this heat treatment is preferably 120 ° C to 230 ° C, more preferably 130 ° C to 210 ° C, and further preferably 150 ° C to 200 ° C. By adjusting the temperature of the heat treatment within this range, the adhesion between the crystal part and the electrolyte composition part is improved. The temperature for the heat treatment is also suitable from the viewpoint of maintaining the characteristics of the polymer electrolyte membrane. Although depending on the temperature of the heat treatment, the heat treatment time is preferably 5 minutes to 3 hours, more preferably 10 minutes to 2 hours, from the viewpoint of obtaining a polymer electrolyte membrane having high durability.

(高分子電解質溶液)
本実施形態に係る高分子電解質溶液は、上記高分子電解質と溶媒と、必要に応じてその他の添加剤とを含むものである。この高分子電解質溶液は、そのまま、あるいはろ過、濃縮等の工程を経た後、ポリオレフィン微多孔膜への充填液として用いられる。あるいは、この溶液を単独又は他の電解質溶液と混合して、高分子電解質膜や電極バインダー等の材料として用いることもできる。
(Polymer electrolyte solution)
The polymer electrolyte solution according to the present embodiment contains the polymer electrolyte, a solvent, and other additives as necessary. This polymer electrolyte solution is used as it is, or after passing through processes such as filtration and concentration, as a filling liquid for the polyolefin microporous membrane. Alternatively, this solution can be used alone or in combination with another electrolyte solution and used as a material such as a polymer electrolyte membrane or an electrode binder.

本実施形態に係る高分子電解質溶液の製造方法について説明する。この高分子電解質溶液の製造方法は特に限定されず、例えば、高分子電解質を溶媒に溶解又は分散させた溶液を得た後、必要に応じてその液に添加剤を分散させる。あるいは、まず、溶融押出し、延伸等の工程を経ることにより高分子電解質と添加剤とを混合し、その混合物を溶媒に溶解又は分散させ。このようにして高分子電解質溶液が得られる。   A method for producing a polymer electrolyte solution according to this embodiment will be described. The method for producing the polymer electrolyte solution is not particularly limited. For example, after obtaining a solution in which the polymer electrolyte is dissolved or dispersed in a solvent, the additive is dispersed in the solution as necessary. Alternatively, first, the polymer electrolyte and the additive are mixed through steps such as melt extrusion and stretching, and the mixture is dissolved or dispersed in a solvent. In this way, a polymer electrolyte solution is obtained.

より具体的には、まず、高分子電解質の前駆体ポリマーからなる成形物を塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解する。この加水分解処理により、上記高分子電解質の前駆体ポリマーは高分子電解質に変換される。
次に、加水分解処理された上記成形物を温水などで十分に水洗し、その後、成形物に酸処理を施し行う。酸処理に用いられる酸は、特に限定されないが、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸類やシュウ酸、酢酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましい。この酸処理によって、高分子電解質の前駆体ポリマーはプロトン化され、高分子電解質、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が得られる。
More specifically, first, a molded product made of a polymer electrolyte precursor polymer is immersed in a basic reaction liquid and hydrolyzed. By this hydrolysis treatment, the precursor polymer of the polymer electrolyte is converted into a polymer electrolyte.
Next, the hydrolyzed molded product is sufficiently washed with warm water, and then the molded product is subjected to an acid treatment. The acid used for the acid treatment is not particularly limited, but mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid are preferred. By this acid treatment, the precursor polymer of the polymer electrolyte is protonated, and a polymer electrolyte such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin is obtained.

上述のように酸処理された上記成形物(高分子電解質を含む成形物)は、上記高分子電解質を溶解又は懸濁させ得る溶媒(樹脂との親和性が良好な溶媒)に溶解又は懸濁される。このような溶媒としては、例えば、水やエタノール、メタノール、n−プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、グリセリンなどのプロトン性有機溶媒や、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。特に、1種の溶媒を用いる場合、溶媒が水であると好ましい。また、2種以上を組み合わせて用いる場合、水とプロトン性有機溶媒との混合溶媒が特に好ましい。   The above-mentioned molded product (molded product containing a polymer electrolyte) treated with an acid as described above is dissolved or suspended in a solvent (solvent having good affinity with the resin) that can dissolve or suspend the polymer electrolyte. It is. Examples of such solvents include protic organic solvents such as water, ethanol, methanol, n-propanol, isopropyl alcohol, butanol, and glycerin, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methyl. And aprotic organic solvents such as pyrrolidone. These are used singly or in combination of two or more. In particular, when one kind of solvent is used, the solvent is preferably water. Moreover, when using 2 or more types in combination, the mixed solvent of water and a protic organic solvent is especially preferable.

高分子電解質を溶媒に溶解又は懸濁する方法は、特に限定されない。例えば、上記溶媒中にそのまま高分子電解質を溶解又は分散させてもよいが、大気圧下又はオートクレーブ等で密閉加圧した条件のもとで、0〜250℃の温度範囲で高分子電解質を溶媒に溶解又は分散するのが好ましい。特に、溶媒として水及びプロトン性有機溶媒を用いる場合、水とプロトン性有機溶媒との混合比は、溶解方法、溶解条件、高分子電解質の種類、総固形分濃度、溶解温度、攪拌速度等に応じて適宜選択できるが、水に対するプロトン性有機溶媒の質量の比は、水1に対してプロトン性有機溶媒0.1〜10であると好ましく、より好ましくは水1に対して該有機溶媒0.1〜5である。   The method for dissolving or suspending the polymer electrolyte in the solvent is not particularly limited. For example, the polymer electrolyte may be dissolved or dispersed as it is in the above solvent, but the polymer electrolyte may be dissolved in a temperature range of 0 to 250 ° C. under atmospheric pressure or under conditions of airtight pressure in an autoclave or the like. It is preferable to dissolve or disperse in. In particular, when water and a protic organic solvent are used as the solvent, the mixing ratio of water and the protic organic solvent depends on the dissolution method, dissolution conditions, type of polymer electrolyte, total solid content concentration, dissolution temperature, stirring speed, etc. The ratio of the mass of the protic organic solvent to water is preferably 0.1 to 10 protic organic solvent relative to water 1, and more preferably 0 to 1 relative to water 1. .1-5.

なお、高分子電解質溶液は、乳濁液(液体中に液体粒子がコロイド粒子又はそれよりも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又は顕微鏡で見える程度の粒子として分散したもの)、コロイド状液体(巨大分子が分散した状態)、ミセル状液体(多数の小分子が分子間力で会合してできた親液コロイド分散系)等の1種又は2種以上が含まれる。   The polyelectrolyte solution is an emulsion (a liquid particle in which liquid particles are dispersed as colloidal particles or coarser particles to form a milky state), a suspension (solid particles in a liquid are colloidal particles or Such as those dispersed as particles that can be seen with a microscope), colloidal liquid (macromolecules dispersed), micellar liquid (a lyophilic colloidal dispersion system formed by a large number of intermolecular forces) 1 type or 2 types or more are included.

また、高分子電解質膜の成形方法や用途に応じて、高分子電解質溶液を濃縮したり、ろ過することが可能である。濃縮の方法としては特に限定されないが、例えば、高分子電解質溶液を加熱し、溶媒を蒸発させる方法や、減圧濃縮する方法等がある。高分子電解質溶液を塗工用溶液として用いる場合、高分子電解質溶液の固形分率は、高すぎると粘度が上昇し、取り扱い難くなり、一方、低すぎると生産性が低下する観点から、0.5質量%〜50質量%であると好ましい。高分子電解質溶液をろ過する方法としては、特に限定ないが、例えば、フィルターを用いて、加圧ろ過する方法が代表的に挙げられる。上記フィルターには、90%捕集粒子径が高分子電解質溶液に含まれる固体粒子の平均粒子径の10倍〜100倍の濾材を用いることが好ましい。この濾材の材質としては紙、金属等が挙げられる。特に濾材が紙の場合は、90%捕集粒子径が上記固体粒子の平均粒子径の10倍〜50倍であることが好ましい。金属製フィルターを用いる場合、90%捕集粒子径が上記固体粒子の平均粒子径の50倍〜100倍であることが好ましい。当該90%捕集粒子径を平均粒子径の10倍以上に設定することは、送液するときに必要な圧力が高くなりすぎることを抑制したり、フィルターが短期間で閉塞してしまうことを抑制し得る。一方、90%捕集粒子径を平均粒子径の100倍以下に設定することは、フィルムで異物の原因となるような粒子の凝集物や樹脂の未溶解物を良好に除去する観点から好ましい。   In addition, the polymer electrolyte solution can be concentrated or filtered according to the molding method and application of the polymer electrolyte membrane. The concentration method is not particularly limited, and examples thereof include a method of heating a polymer electrolyte solution to evaporate a solvent and a method of concentrating under reduced pressure. When the polymer electrolyte solution is used as a coating solution, if the solid content of the polymer electrolyte solution is too high, the viscosity increases and it becomes difficult to handle. It is preferable in it being 5 mass%-50 mass%. A method for filtering the polymer electrolyte solution is not particularly limited, but a typical example is a method of pressure filtration using a filter. It is preferable to use a filter medium having a 90% collection particle size of 10 to 100 times the average particle size of solid particles contained in the polymer electrolyte solution. Examples of the material of the filter medium include paper and metal. In particular, when the filter medium is paper, the 90% collection particle diameter is preferably 10 to 50 times the average particle diameter of the solid particles. When using a metal filter, it is preferable that the 90% collection particle diameter is 50 to 100 times the average particle diameter of the solid particles. Setting the 90% collection particle size to 10 times or more of the average particle size suppresses that the pressure required for liquid feeding becomes too high or that the filter is blocked in a short period of time. Can be suppressed. On the other hand, setting the 90% collection particle size to 100 times or less of the average particle size is preferable from the viewpoint of satisfactorily removing particle agglomerates and resin undissolved materials that cause foreign matters on the film.

(膜電極接合体)
本実施形態の高分子電解質膜は、膜電極接合体、及び固体高分子電解質型燃料電池の構成部材として用いることができる。高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードの2種類の電極触媒層が接合したユニットは、膜電極接合体(以下、「MEA」と略称することがある。)と呼ばれる。電極触媒層の更に外側に一対のガス拡散層を対向するように接合したものについても、MEAと呼ばれる場合がある。本実施形態に係るMEAは、高分子電解質膜として本実施形態のものを採用する以外は公知のMEAと同様の構成を有していればよい。
(Membrane electrode assembly)
The polymer electrolyte membrane of this embodiment can be used as a constituent member of a membrane electrode assembly and a solid polymer electrolyte fuel cell. A unit in which two types of electrode catalyst layers of an anode and a cathode are bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes abbreviated as “MEA”). A material in which a pair of gas diffusion layers are bonded to the outer side of the electrode catalyst layer so as to face each other may be referred to as MEA. The MEA according to this embodiment may have the same configuration as that of a known MEA except that the polymer electrolyte membrane according to this embodiment is adopted.

電極触媒層は、触媒金属の微粒子とこれを担持した導電剤とから構成され、必要に応じて撥水剤が含まれる。上記触媒としては、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればよく、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、及びこれらの合金からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。これらの中では、主として白金が好ましい。   The electrode catalyst layer is composed of fine particles of a catalytic metal and a conductive agent supporting the catalyst metal, and a water repellent is included as necessary. The catalyst may be any metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. Platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium And one or more selected from the group consisting of these alloys. Of these, platinum is mainly preferred.

MEAの製造方法としては、高分子電解質膜として本実施形態のものを用いる以外は公知の製造方法であればよいが、例えば、次のような方法が挙げられる。まず、電極用バインダーイオン交換樹脂をアルコールと水との混合溶液に溶解したものに、電極物質となる白金担持カーボンを分散させてペースト状にする。これをPTFEシートに一定量塗布して乾燥させる。次に、PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に高分子電解質膜を挟み込み、100℃〜200℃で熱プレスにより転写接合してMEAを得ることができる。電極用バインダーは一般にイオン交換樹脂を溶媒(アルコールや水等)に溶解したものが用いられるが、本実施形態の高分子電解質溶液を用いることもでき、耐久性の観点からこの高分子電解質溶液が好ましい。   The MEA production method may be any known production method except that the polymer electrolyte membrane of the present embodiment is used, and examples thereof include the following methods. First, platinum-supported carbon serving as an electrode material is dispersed in a solution obtained by dissolving an electrode binder ion exchange resin in a mixed solution of alcohol and water to obtain a paste. A certain amount of this is applied to a PTFE sheet and dried. Next, the application surface of the PTFE sheet is faced to each other, and a polymer electrolyte membrane is sandwiched therebetween, and transfer joining is performed by hot pressing at 100 ° C. to 200 ° C. to obtain an MEA. The electrode binder is generally prepared by dissolving an ion exchange resin in a solvent (alcohol, water, etc.). However, the polymer electrolyte solution of this embodiment can also be used, and this polymer electrolyte solution is used from the viewpoint of durability. preferable.

(固体高分子電解質型燃料電池)
上述のようにして得られたMEA、場合によっては更に一対のガス拡散電極が電極触媒層の更に外側に対向した構造を有するMEAは、更にバイポーラプレートやバッキングプレート等の一般的な固体高分子電解質型燃料電池に用いられる構成成分と組み合わされて、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。このような固体高分子電解質型燃料電池は、MEAとして上記のMEAを採用する以外は公知のものと同様の構成を有していればよい。
(Solid polymer electrolyte fuel cell)
The MEA obtained as described above, and in some cases, a MEA having a structure in which a pair of gas diffusion electrodes are further opposed to the outer side of the electrode catalyst layer, is a common solid polymer electrolyte such as a bipolar plate or a backing plate. A solid polymer electrolyte fuel cell is configured in combination with components used in the fuel cell. Such a solid polymer electrolyte fuel cell may have the same configuration as a known one except that the above MEA is adopted as the MEA.

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

以上説明した本実施形態によると、耐熱性に優れ、取り扱いも容易であり、かつ高い信頼性及び高い性能を発揮することのできる高分子電解質膜を提供することができる。この高分子電解質膜は、固体高分子電解質型燃料電池用の電解質材料として好適である。また、本実施形態の高分子電解質膜は、高い寸法安定性、機械的強度を有する。そのため、固体高分子電解質型燃料電池におけるMEA作製やセル組み立て時に膜が破れるのを抑制したり、含水率に依存して寸法変化することを抑制する効果がある。また、この高分子電解質膜は耐熱性が高いため、プロトン交換膜自体の化学的耐久性を高めるために熱処理を施すことができる。   According to the present embodiment described above, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane that has excellent heat resistance, is easy to handle, and can exhibit high reliability and high performance. This polymer electrolyte membrane is suitable as an electrolyte material for a solid polymer electrolyte fuel cell. Moreover, the polymer electrolyte membrane of this embodiment has high dimensional stability and mechanical strength. Therefore, there is an effect of suppressing breakage of the membrane at the time of MEA production and cell assembly in the solid polymer electrolyte fuel cell, and suppressing dimensional change depending on the moisture content. Moreover, since this polymer electrolyte membrane has high heat resistance, it can be subjected to heat treatment in order to enhance the chemical durability of the proton exchange membrane itself.

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   Although the best mode for carrying out the present invention has been described above, the present invention is not limited to the present embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

以下、実施例によりさらに本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。実施例等における各種物性の測定方法及び評価方法は次の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited only to these Examples. Measurement methods and evaluation methods for various physical properties in Examples and the like are as follows.

(1)イオン交換容量
イオン交換基の対イオンがプロトンの状態となっている高分子電解質膜(片方の主面の面積がおよそ2〜20cmのもの)を、25℃の飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、その飽和NaCl水溶液中のプロトンを、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として中和滴定した。中和後にろ過して得られたイオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっている高分子電解質膜を、純水ですすぎ、更に真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの高分子電解質膜の質量をW(mg)とし、下記式により当量質量EW(g/当量)を求めた。
EW=(W/M)−22
更に、得られたEW値の逆数をとって1000倍することにより、イオン交換容量(ミリ当量/g)を算出した。
(1) Ion exchange capacity A polymer electrolyte membrane (with one main surface area of approximately 2 to 20 cm 2 ) in which protons of ion exchange group counter ions are in a proton state is added to 30 mL of a saturated NaCl aqueous solution at 25 ° C. It was immersed and left for 30 minutes with stirring. Subsequently, the proton in the saturated NaCl aqueous solution was neutralized and titrated as a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution using phenolphthalein as an indicator. The polymer electrolyte membrane in which the counter ion of the ion exchange group obtained by filtration after neutralization was in the state of sodium ion was rinsed with pure water, further vacuum dried and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), the mass of the polymer electrolyte membrane whose sodium ion is the counter ion of the ion exchange group is W (mg), and the equivalent mass EW (g / equivalent) )
EW = (W / M) −22
Furthermore, the ion exchange capacity (milli equivalent / g) was calculated by taking the inverse of the obtained EW value and multiplying it by 1000.

(2)膜厚
膜サンプルを23℃、50%RHの恒温恒湿の室内で1時間以上静置した後、膜厚計(東洋精機製作所製、商品名「B−1」)を用いて膜厚を測定した。
(2) Film thickness After the film sample was allowed to stand for 1 hour or more in a constant temperature and humidity room at 23 ° C. and 50% RH, the film was measured using a film thickness meter (trade name “B-1” manufactured by Toyo Seiki Seisakusho). The thickness was measured.

(3)引張強度
膜サンプルを70mm×10mmの矩形膜に切り出し、JIS K−7127に準拠して、その引張強度を測定した。
(3) Tensile strength A membrane sample was cut into a rectangular membrane of 70 mm x 10 mm, and its tensile strength was measured according to JIS K-7127.

(4)突刺強度
圧縮試験機(カトーテック社製、商品名「KES−G5」)を用いて膜サンプルの針突刺試験を行った。得られた荷重変位曲線の最大荷重を突刺強度(gf/25μ)とした。針は直径0.5mm、先端曲率半径0.25mmのものを用い、針の膜サンプルへの突き刺し速度は2cm/秒とした。
(4) Puncture strength Using a compression tester (trade name “KES-G5” manufactured by Kato Tech Co., Ltd.), a needle puncture test of the membrane sample was performed. The maximum load of the obtained load displacement curve was defined as the puncture strength (gf / 25μ). A needle having a diameter of 0.5 mm and a tip curvature radius of 0.25 mm was used, and the piercing speed of the needle into the membrane sample was 2 cm / second.

(5)寸法変化
膜サンプルを4cm×3cmの矩形膜に切り出し、恒温恒湿の室内(23℃、50%RH)に1時間以上放置した後、その乾燥状態の矩形膜サンプルの平面方向の各寸法を測定した。
次に、上記寸法を測定した矩形膜サンプルを80℃の熱水中で1時間煮沸し、電解質膜の水分による質量変化量が5%以下の湿潤状態になるよう充分に水を吸収させた。この際、熱水中から膜を取り出し、表面の水分を十分に除去した状態で、電子天秤で質量変化量が5%以下となったことを確認した。この水を吸収して膨張した湿潤状態の膜サンプルを熱水中から取り出し、平面方向の各寸法を測定した。乾燥状態での平面方向における各寸法を基準として、その乾燥状態での各寸法から湿潤状態での平面方向における各寸法の増分の平均を取って、寸法変化量(%)とした。
(5) Dimensional change The film sample was cut into a rectangular film of 4 cm × 3 cm, left in a constant temperature and humidity room (23 ° C., 50% RH) for 1 hour or longer, and then each of the dried rectangular film samples in the planar direction Dimensions were measured.
Next, the rectangular membrane sample whose dimensions were measured was boiled in hot water at 80 ° C. for 1 hour, and water was sufficiently absorbed so that the amount of mass change due to moisture in the electrolyte membrane was 5% or less. At this time, the film was taken out from the hot water, and it was confirmed that the amount of change in mass was 5% or less with an electronic balance in a state where water on the surface was sufficiently removed. The wet membrane sample that was swollen by absorbing this water was taken out of the hot water, and each dimension in the planar direction was measured. Based on the respective dimensions in the plane direction in the dry state, the average of the increments of the respective dimensions in the plane direction in the wet state from the respective dimensions in the dry state was taken as the dimensional change amount (%).

(6)ガラス転移温度
高分子電解質のガラス転移温度は、JIS−C−6481に準拠して測定した。まず、高分子電解質を5mm幅に切り出し、動的粘弾性測定装置(アイティ計測制御製、型番:DVA−225)を用いて試験片を室温から2℃/分の割合で昇温させ、粘弾性測定装置にて試験片の動的粘弾性及び損失正接を測定した。測定した損失正接のピーク温度をガラス転移温度とした。
(6) Glass transition temperature The glass transition temperature of the polymer electrolyte was measured based on JIS-C-6481. First, the polymer electrolyte was cut into a width of 5 mm, and the viscoelasticity was raised from the room temperature at a rate of 2 ° C./minute using a dynamic viscoelasticity measuring device (made by IT Measurement Control, model number: DVA-225). The dynamic viscoelasticity and loss tangent of the test piece were measured with a measuring device. The measured peak temperature of loss tangent was defined as the glass transition temperature.

[実施例1]
(高分子電解質溶液の作製)
まず、高分子電解質の前駆体ポリマーである、テトラフルオロエチレン、及びCF=CFO(CF−SOFから得られたパーフルオロスルホン酸樹脂の前駆体(加水分解及び酸処理後のEW:730g/当量)ペレットを準備した。次に、その前駆体ペレットを、水酸化カリウム(15質量%)とメチルアルコール(50質量%)とを溶解した水溶液に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後のペレットを、60℃の水中に5時間浸漬した。次いで、水中に浸漬した後のペレットを、60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回塩酸水溶液を新しいものに代えて、5回繰り返した。そして、塩酸水溶液に繰り返し浸漬させた後のペレットを、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、高分子電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)のペレットを得た。
[Example 1]
(Preparation of polymer electrolyte solution)
First, a precursor of a perfluorosulfonic acid resin obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, which is a polymer polymer precursor polymer (after hydrolysis and acid treatment) EW: 730 g / equivalent) pellets were prepared. Next, the precursor pellet was contacted with an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methyl alcohol (50% by mass) were dissolved at 80 ° C. for 20 hours to perform a hydrolysis treatment. The subsequent pellets were immersed in 60 ° C. water for 5 hours. Next, the treatment of immersing the pellets immersed in water in a 2N aqueous hydrochloric acid solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times, each time replacing the aqueous hydrochloric acid solution with a new one. And the pellet after having been repeatedly immersed in hydrochloric acid aqueous solution was washed with ion-exchange water and dried. As a result, pellets of perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA), which is a polymer electrolyte, were obtained.

このペレットを、エタノール水溶液(水:エタノール=50.0:50.0(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で攪拌しながら160℃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、固形分濃度5質量%の均一なパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を得た。これを溶液1とした。   The pellet was placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50.0: 50.0 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to obtain a uniform perfluorosulfonic acid resin solution having a solid content concentration of 5% by mass. This was designated as Solution 1.

(ポリオレフィン微多孔膜の作成)
重量平均分子量が2.5×10の超高分子量ポリエチレン20質量%、重量平均分子量が3.3×10の高密度ポリエチレン70質量%及び重量平均分子量が4×10のポリプロピレン10質量%を含有するポリオレフィン組成物100質量部に酸化防止剤0.375質量部を加えポリオレフィン組成物を得た。このポリオレフィン組成物30質量部を二軸押出機(58mmφ、L/D=42、強混練タイプ)に投入した。また、この二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン70質量部を供給し、200rpmで溶融混練して、押出機中にてポリオレフィン溶液を調製した。
続いて、この押出機の先端に設置されたTダイから190℃で溶融混練物を押し出し、冷却ロールで引き取りながらシートを成形した。次いで、成形したシートを、110℃で5×5に逐次二軸延伸を行い、延伸膜を得た。得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した後、乾燥及び熱処理を行いポリオレフィン微多孔膜を得た。
(Production of polyolefin microporous membrane)
20% by mass of ultrahigh molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 2.5 × 10 6 , 70% by mass of high density polyethylene having a weight average molecular weight of 3.3 × 10 5 and 10% by mass of polypropylene having a weight average molecular weight of 4 × 10 5 A polyolefin composition was obtained by adding 0.375 parts by mass of an antioxidant to 100 parts by mass of a polyolefin composition containing. 30 parts by mass of this polyolefin composition was put into a twin screw extruder (58 mmφ, L / D = 42, strong kneading type). Moreover, 70 mass parts of liquid paraffin was supplied from the side feeder of this twin-screw extruder, and it melt-kneaded at 200 rpm, and prepared the polyolefin solution in an extruder.
Subsequently, the melt-kneaded product was extruded at 190 ° C. from a T die installed at the tip of the extruder, and a sheet was formed while being taken up by a cooling roll. Next, the molded sheet was sequentially biaxially stretched 5 × 5 at 110 ° C. to obtain a stretched film. The obtained stretched membrane was washed with methylene chloride to extract and remove the remaining liquid paraffin, followed by drying and heat treatment to obtain a polyolefin microporous membrane.

(高分子電解質膜の作製)
得られたポリオレフィン微多孔膜(膜厚:8μm、空孔の孔径:0.06μm、空孔率:35%)を、11cm×11cmのSUS製枠でそのポリオレフィン微多孔膜を固定した後、上記溶液1にポリオレフィン微多孔膜を浸漬して、ポリオレフィン微多孔膜の空孔に溶液1を含浸した。溶液1を含浸したポリオレフィン微多孔膜を90℃のオーブンで5分間乾燥した。この含浸及び乾燥の一連の処理を、溶液1がポリオレフィン微多孔膜の空孔内に十分に含浸されるまで、複数回繰り返した。次に、この溶液1が十分に含浸したポリオレフィン微多孔膜を150℃のオーブンで30分間熱処理し、高分子電解質膜を得た。高分子電解質膜の評価結果を表1に示す。
[実施例2]
(Production of polymer electrolyte membrane)
The obtained polyolefin microporous membrane (film thickness: 8 μm, pore diameter: 0.06 μm, porosity: 35%) was fixed on the polyolefin microporous membrane with an 11 cm × 11 cm SUS frame, and then the above The polyolefin microporous membrane was immersed in the solution 1, and the pores of the polyolefin microporous membrane were impregnated with the solution 1. The polyolefin microporous membrane impregnated with the solution 1 was dried in an oven at 90 ° C. for 5 minutes. This series of impregnation and drying processes was repeated a plurality of times until the solution 1 was sufficiently impregnated in the pores of the polyolefin microporous membrane. Next, the polyolefin microporous membrane sufficiently impregnated with the solution 1 was heat-treated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to obtain a polymer electrolyte membrane. Table 1 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membrane.
[Example 2]

(高分子電解質溶液の作製)
実施例1と同様にして、溶液1を作成した。
(Preparation of polymer electrolyte solution)
In the same manner as in Example 1, Solution 1 was prepared.

(ポリオレフィン微多孔膜の作製)
重量平均分子量が4×10のポリプロピレンのみからなるポリオレフィン組成物100質量部に酸化防止剤0.375質量部を加えポリオレフィン組成物を得た。このポリオレフィン組成物30質量部を二軸押出機(58mmφ、L/D=42、強混練タイプ)に投入した。またこの二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン70質量部を供給し、200rpmで溶融混練して、押出機中にてポリオレフィン溶液を調製した。
続いて、この押出機の先端に設置されたTダイから220℃で溶融混練物を押し出し、冷却ロールで引き取りながらシートを成形した。次いで、成形したシートを、110℃で7×5に逐次二軸延伸を行い、延伸膜を得た。得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した後、乾燥及び熱処理を行いポリオレフィン微多孔膜を得た。
(Production of polyolefin microporous membrane)
0.375 parts by mass of an antioxidant was added to 100 parts by mass of a polyolefin composition consisting only of polypropylene having a weight average molecular weight of 4 × 10 5 to obtain a polyolefin composition. 30 parts by mass of this polyolefin composition was put into a twin screw extruder (58 mmφ, L / D = 42, strong kneading type). Moreover, 70 mass parts of liquid paraffin was supplied from the side feeder of this twin-screw extruder, and it melt-kneaded at 200 rpm, and prepared the polyolefin solution in an extruder.
Subsequently, the melt-kneaded product was extruded at 220 ° C. from a T die installed at the tip of the extruder, and a sheet was formed while being taken up by a cooling roll. Subsequently, the molded sheet was sequentially biaxially stretched 7 × 5 at 110 ° C. to obtain a stretched film. The obtained stretched membrane was washed with methylene chloride to extract and remove the remaining liquid paraffin, followed by drying and heat treatment to obtain a polyolefin microporous membrane.

(高分子電解質膜の作製)
得られたポリオレフィン微多孔膜(膜厚:12μm、空孔の孔径:0.1μm、空孔率:50%)から、実施例1と同様にして高分子電解質膜を得た。高分子電解質膜の評価結果を表1に示す。
(Production of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 from the obtained polyolefin microporous membrane (film thickness: 12 μm, pore diameter: 0.1 μm, porosity: 50%). Table 1 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membrane.

[比較例1]
(高分子電解質溶液の作製)
実施例1と同様にして、溶液1を作製した。
[Comparative Example 1]
(Preparation of polymer electrolyte solution)
In the same manner as in Example 1, Solution 1 was prepared.

(高分子電解質膜の作製)
上記溶液1をスターラーを用いて充分に攪拌した後、80℃にて減圧濃縮して、固形分20%のキャスト溶液を得た。
上記キャスト液21g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90℃で1時間の乾燥処理を行った。次に、シャーレをオーブンに入れ160℃で1時間の熱処理を行った。その後、膜がその中に形成されたシャーレをオーブンから取り出して冷却した後、そのシャーレにイオン交換水を注いで膜を剥離させ、膜厚約30μmの高分子電解質膜を得た。高分子電解質膜の評価結果を表1に示す。
(Production of polymer electrolyte membrane)
The solution 1 was sufficiently stirred using a stirrer and then concentrated under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a cast solution having a solid content of 20%.
21 g of the cast solution was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and dried on a hot plate at 90 ° C. for 1 hour. Next, the petri dish was placed in an oven and heat treated at 160 ° C. for 1 hour. Thereafter, the petri dish in which the membrane was formed was taken out of the oven and cooled, and then ion-exchanged water was poured into the petri dish to peel off the membrane to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm. Table 1 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membrane.

以上の結果から、本発明に係る実施例1の高分子電解質膜は、150℃以上の熱処理にも耐える耐熱性を有し、更に寸法安定性、機械的強度(引張強度、突刺強度)にも優れていることが確認された。   From the above results, the polymer electrolyte membrane of Example 1 according to the present invention has heat resistance that can withstand heat treatment at 150 ° C. or higher, and also has dimensional stability and mechanical strength (tensile strength, puncture strength). It was confirmed to be excellent.

Figure 0005189394
Figure 0005189394

Claims (4)

ポリプロピレンを5質量%以上と重量平均分子量が5×10 5 以上の超高分子量ポリエチレンとを含有するポリオレフィン組成物を含み、空孔率10%〜90%、膜厚0.1μm〜50μm、空孔の孔径0.03μm〜5μmであるポリオレフィン微多孔膜と、
前記ポリオレフィン微多孔膜の前記空孔に充填され、イオン交換容量が1.3〜3.0ミリ当量/gの高分子電解質と、を含む高分子電解質膜であって、
前記高分子電解質がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であり、当該パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が、下記式(1)で表される繰り返し単位と、下記一般式(2)で表される繰り返し単位と、を有する共重合体及びその金属塩からなる群より選ばれるものである、高分子電解質膜。
−(CF 2 CF 2 )− (1)
−(CF 2 −CF(−O−(CF 2 CFXO) n −(CF 2 m −SO 3 H))− (2)
(式中、Xはフッ素原子又は−CF 3 基を示し、nは0〜5の整数、mは0〜12の整数を示す。ただし、n及びmは同時に0にならない。)
Including a polyolefin composition containing 5% by mass or more of polypropylene and ultrahigh molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 5 × 10 5 or more , porosity of 10% to 90%, film thickness of 0.1 μm to 50 μm, pores A polyolefin microporous membrane having a pore diameter of 0.03 μm to 5 μm,
A polymer electrolyte membrane filled with the pores of the polyolefin microporous membrane and having an ion exchange capacity of 1.3 to 3.0 meq / g ,
The polymer electrolyte is a perfluorocarbon sulfonic acid resin, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin has a repeating unit represented by the following formula (1) and a repeating unit represented by the following general formula (2). A polymer electrolyte membrane selected from the group consisting of a copolymer and a metal salt thereof.
-(CF 2 CF 2 )-(1)
- (CF 2 -CF (-O- ( CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H)) - (2)
(In the formula, X represents a fluorine atom or —CF 3 group, n represents an integer of 0 to 5, and m represents an integer of 0 to 12. However, n and m are not 0 at the same time.)
前記高分子電解質と混合されて前記空孔に充填されたポリアゾール化合物を更に含有し、前記ポリアゾール化合物はポリイミダゾール系化合物である、請求項1に記載の高分子電解質膜。 2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, further comprising a polyazole compound mixed with the polymer electrolyte and filled in the pores , wherein the polyazole compound is a polyimidazole compound . 前記高分子電解質と混合されて前記空孔に充填されたチオエーテル化合物を更に含有し、前記チオエーテル化合物はポリフェニレンスルフィドである、請求項1に記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to claim 1, further comprising a thioether compound mixed with the polymer electrolyte and filled in the pores , wherein the thioether compound is polyphenylene sulfide . 前記高分子電解質と混合されて前記空孔に充填された、ポリアゾール化合物とチオエーテル化合物とを更に含有し、前記ポリアゾール化合物はポリイミダゾール系化合物であり、前記チオエーテル化合物はポリフェニレンスルフィドである、請求項1に記載の高分子電解質膜。 The polyazole compound and the thioether compound, which are mixed with the polymer electrolyte and filled in the pores, further contain the polyazole compound is a polyimidazole compound, and the thioether compound is polyphenylene sulfide. The polymer electrolyte membrane described in 1.
JP2008093193A 2008-03-31 2008-03-31 Polymer electrolyte membrane Active JP5189394B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008093193A JP5189394B2 (en) 2008-03-31 2008-03-31 Polymer electrolyte membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008093193A JP5189394B2 (en) 2008-03-31 2008-03-31 Polymer electrolyte membrane

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009242688A JP2009242688A (en) 2009-10-22
JP5189394B2 true JP5189394B2 (en) 2013-04-24

Family

ID=41304961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008093193A Active JP5189394B2 (en) 2008-03-31 2008-03-31 Polymer electrolyte membrane

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5189394B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5334273B2 (en) * 2009-03-04 2013-11-06 旭化成イーマテリアルズ株式会社 Fluorine polymer electrolyte membrane

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103155251A (en) 2010-10-07 2013-06-12 旭化成电子材料株式会社 Fluorine-containing polymer electrolyte membrane
CN103547361B (en) * 2011-04-07 2016-11-09 索尔维特殊聚合物意大利有限公司 For the method preparing the fluorinated polymer of crosslinking
KR20140097255A (en) 2011-12-28 2014-08-06 아사히 가세이 이-매터리얼즈 가부시키가이샤 Redox flow secondary battery and electrolyte membrane for redox flow secondary battery
JP2014110232A (en) * 2012-12-04 2014-06-12 Asahi Kasei E-Materials Corp Fluorine-based polymer electrolyte film
US11276871B2 (en) 2016-07-25 2022-03-15 Tokyo Institute Of Technology Electrolyte membrane and method for producing same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0768377B2 (en) * 1987-07-20 1995-07-26 東燃株式会社 Electrolyte thin film
JP3927645B2 (en) * 1997-03-31 2007-06-13 東燃化学株式会社 Immobilized liquid film conductor
JP4846911B2 (en) * 2001-02-08 2011-12-28 東レ東燃機能膜合同会社 Extractant composition for thermoplastic resin porous molded body, and method for producing thermoplastic resin porous molded body
EP1788654B1 (en) * 2004-09-09 2011-11-16 Asahi Kasei Chemicals Corporation Solid polymer electrolyte membrane and method for producing same
EP2128919B1 (en) * 2007-02-21 2016-05-11 Asahi Kasei E-materials Corporation Polyelectrolyte composition, polyelectrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5334273B2 (en) * 2009-03-04 2013-11-06 旭化成イーマテリアルズ株式会社 Fluorine polymer electrolyte membrane

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009242688A (en) 2009-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5334273B2 (en) Fluorine polymer electrolyte membrane
US9570773B2 (en) Fluorine-based polymer electrolyte membrane
EP1648047B1 (en) Polymer electrolyte for a direct oxidation fuel cell, method of preparing the same, and direct oxidation fuell cell comprising the same
KR102112648B1 (en) Polymer electrolyte membrane
US20100015496A1 (en) Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and solid polymer electrolyte-based fuel cell
JP2014525115A (en) Improved composite polymer electrolyte membrane
JP5489945B2 (en) Fluorine polymer electrolyte membrane
US11031618B2 (en) Polymer, polymer electrolyte membrane and membrane/electrode assembly
JP6891271B2 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5189394B2 (en) Polymer electrolyte membrane
EP3229302A1 (en) Polymer electrolyte membrane
JP6150616B2 (en) Polymer electrolyte composition and polymer electrolyte membrane
JP2014110232A (en) Fluorine-based polymer electrolyte film
JP2005216667A (en) Solid polymer electrolyte composite membrane, solid electrolyte composite membrane/electrode joint body and fuel cell using the same
WO2006019029A1 (en) Polymer electrolyte membrane, polymer film as material for same, method for producing electrolyte membrane, and solid polymer fuel cell using such electrolyte membrane
JP2015153573A (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
Mehdipour-Ataei et al. Polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cells
JP2005276747A (en) Solid polymer electrolyte composite film, solid polymer electrolyte composite film/electrode junction, and fuel cell using the same
JP2021051995A (en) Composite polymer electrolyte membrane, as well as electrolyte membrane having catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell in which the composite polymer electrolyte membrane is used
JP2008311146A (en) Membrane-electrode assembly, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell
JP2017188460A (en) Method for producing polyelectrolyte composition
JP2014234445A (en) Polymer electrolyte composition, as well as polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell using the same
JP7106002B2 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, solid polymer electrolyte fuel cell, and method for producing polymer electrolyte membrane
WO2014112497A1 (en) Composite polymer electrolyte membrane, manufacturing method for same, and membrane electrode assembly and fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20101115

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120321

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120326

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120525

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120809

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121009

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130122

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130124

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160201

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5189394

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350