JP6468475B2 - Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP6468475B2
JP6468475B2 JP2014204202A JP2014204202A JP6468475B2 JP 6468475 B2 JP6468475 B2 JP 6468475B2 JP 2014204202 A JP2014204202 A JP 2014204202A JP 2014204202 A JP2014204202 A JP 2014204202A JP 6468475 B2 JP6468475 B2 JP 6468475B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer
polymer electrolyte
group
porous sheet
electrolyte membrane
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
JP2014204202A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015099772A (en
Inventor
木下 伸二
伸二 木下
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.)
AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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 Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP2014204202A priority Critical patent/JP6468475B2/en
Publication of JP2015099772A publication Critical patent/JP2015099772A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6468475B2 publication Critical patent/JP6468475B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、たとえば、2つのセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックしたものである。膜電極接合体は、触媒層およびガス拡散層を有するアノードおよびカソードと、アノードとカソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備えたものである。   In the polymer electrolyte fuel cell, for example, a cell is formed by sandwiching a membrane electrode assembly between two separators, and a plurality of cells are stacked. The membrane / electrode assembly includes an anode and a cathode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.

固体高分子形燃料電池の発電特性を向上させる1つの手段として、固体高分子電解質膜を薄くして膜抵抗を低くすることが知られている。しかし、固体高分子電解質膜を薄くした場合、固体高分子電解質膜の機械的強度が低下し、結果、膜電極接合体の機械的強度が低下する。また、固体高分子電解質膜を水素ガスが透過しやすくなるため、水素リーク量が増大し、固体高分子形燃料電池の発電効率が低下する。   As one means for improving the power generation characteristics of a polymer electrolyte fuel cell, it is known to reduce the membrane resistance by thinning the polymer electrolyte membrane. However, when the solid polymer electrolyte membrane is thinned, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane is lowered, and as a result, the mechanical strength of the membrane electrode assembly is lowered. Further, since hydrogen gas easily permeates through the solid polymer electrolyte membrane, the amount of hydrogen leak increases, and the power generation efficiency of the solid polymer fuel cell decreases.

膜電極接合体の機械的強度を高くする方法としては、下記の方法が提案されている。
(1)多孔質ポリテトラフルオロエチレンシートを固体高分子電解質膜内および電極内に設けて固体高分子電解質膜および電極を補強する方法(特許文献1)。
(2)複数の貫通孔を有する多孔シートを固体高分子電解質膜内に設けて固体高分子電解質膜を補強する方法(特許文献2)。
The following method has been proposed as a method for increasing the mechanical strength of the membrane electrode assembly.
(1) A method of reinforcing a solid polymer electrolyte membrane and an electrode by providing a porous polytetrafluoroethylene sheet in the solid polymer electrolyte membrane and in an electrode (Patent Document 1).
(2) A method of reinforcing a solid polymer electrolyte membrane by providing a porous sheet having a plurality of through holes in the solid polymer electrolyte membrane (Patent Document 2).

(1)の方法では、多孔質ポリテトラフルオロエチレンシートの空隙率が高く(60〜98%)、かつ孔径が小さい(0.05〜5μm)ため、多孔質ポリテトラフルオロエチレンシートによる膜抵抗への影響は少ない。しかし、空隙率が高く、かつ孔径が小さい多孔質ポリテトラフルオロエチレンシートは水素ガスの透過を遮ることがないため、水素リーク量の低減の効果はほとんど得られない。   In the method (1), since the porosity of the porous polytetrafluoroethylene sheet is high (60 to 98%) and the pore diameter is small (0.05 to 5 μm), the membrane resistance by the porous polytetrafluoroethylene sheet is reduced. Is less affected. However, since the porous polytetrafluoroethylene sheet having a high porosity and a small pore diameter does not block the permeation of hydrogen gas, the effect of reducing the amount of hydrogen leak is hardly obtained.

(2)の方法では、多孔シートが水素ガスの透過を遮るため、多孔質ポリテトラフルオロエチレンシートに比べ、水素リーク量の低減の効果が期待できる。しかし、プロトンの移動も遮るため、多孔シートで補強された固体高分子電解質膜と、補強されていない固体高分子電解質膜とを比べると、多孔シートで補強された固体高分子電解質膜の方が主面に垂直な方向での膜抵抗が高くなり、膜電極接合体とした場合の内部抵抗も高くなる。   In the method (2), since the porous sheet blocks the permeation of hydrogen gas, an effect of reducing the amount of hydrogen leak can be expected as compared with the porous polytetrafluoroethylene sheet. However, since the movement of protons is also blocked, the solid polymer electrolyte membrane reinforced with the porous sheet is compared with the solid polymer electrolyte membrane reinforced with the porous sheet. The film resistance in the direction perpendicular to the main surface is increased, and the internal resistance in the case of a membrane electrode assembly is also increased.

特許第3481010号公報Japanese Patent No. 3481010 特許第4702053号公報Japanese Patent No. 4702553

本発明は、内部抵抗が低く抑えられ、水素リーク量が抑えられ、かつ機械的強度が高い固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、および発電特性が良好であり、発電効率および耐久性が高い固体高分子形燃料電池を提供する。   The present invention has a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell that has low internal resistance, low hydrogen leakage, and high mechanical strength, and has good power generation characteristics, power generation efficiency and durability. A high polymer electrolyte fuel cell is provided.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備え、前記アノードが、前記固体高分子電解質膜の第1の表面に接する、複数の貫通孔を有する多孔シートと、前記多孔シートの貫通孔に充填されて前記固体高分子電解質膜の第1の表面に接する、触媒を含む触媒部とを有し、前記カソードが、前記固体高分子電解質膜の第2の表面に接する、触媒を含む触媒部を有し、前記多孔シートの貫通孔の1つあたりの平均開口面積が、0.002〜0.08mmであり、前記多孔シートの開口率が、30〜80%であり、前記多孔シートの貫通孔に侵入する前記固体高分子電解質膜の侵入厚さが、4μm以下であり、前記固体高分子電解質膜の厚さ(ただし、前記侵入厚さを除く。)が、7〜20μmであることを特徴とする。 The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises an anode, a cathode, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, and the anode has the solid high-molecular electrolyte membrane. A porous sheet having a plurality of through holes in contact with the first surface of the molecular electrolyte membrane, and a catalyst portion containing a catalyst that is filled in the through holes of the porous sheet and contacts the first surface of the solid polymer electrolyte membrane And the cathode has a catalyst part containing a catalyst in contact with the second surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the average opening area per one through hole of the porous sheet is 0. 002 to 0.08 mm 2 , the aperture ratio of the porous sheet is 30 to 80%, the penetration thickness of the solid polymer electrolyte membrane that penetrates the through holes of the porous sheet is 4 μm or less, Of the solid polymer electrolyte membrane Is (except for the penetration thickness.) Is characterized in that it is a 7~20Myuemu.

前記多孔シートの厚さは、5〜12μmであることが好ましい。
前記多孔シートは、金属からなることが好ましい。
前記金属は、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
本発明の固体高分子形燃料電池は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を備えたものであることを特徴とする。
The thickness of the porous sheet is preferably 5 to 12 μm.
The porous sheet is preferably made of metal.
The metal is preferably titanium or a titanium alloy.
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、内部抵抗が低く抑えられ、水素リーク量が抑えられ、かつ機械的強度が高い。
本発明の固体高分子形燃料電池は、発電特性が良好であり、発電効率および耐久性が高い。
The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a low internal resistance, a reduced amount of hydrogen leak, and a high mechanical strength.
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has good power generation characteristics and high power generation efficiency and durability.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells of this invention. 多孔シートの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a porous sheet. 多孔シートの他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of a porous sheet. 本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells of this invention. 実施例の多孔シートの開口のパターンを示す正面図である。It is a front view which shows the pattern of the opening of the porous sheet of an Example.

本明細書においては、式(u1)で表される構成単位を単位(u1)と記す。他の式で表される構成単位も同様に記す。
また、式(m1)で表されるモノマーをモノマー(m1)と記す。他の式で表されるモノマーも同様に記す。
In this specification, the structural unit represented by the formula (u1) is referred to as a unit (u1). The structural units represented by other formulas are also described in the same manner.
Moreover, the monomer represented by the formula (m1) is referred to as a monomer (m1). The same applies to monomers represented by other formulas.

以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
「構成単位」とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。構成単位は、モノマーの重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
「モノマー」とは、重合反応性の炭素−炭素二重結合を有する化合物を意味する。
「陽イオン交換基」は、該基に含まれる陽イオンの一部が他の陽イオンにイオン交換し得る基を意味する。
「前駆体基」は、加水分解処理、酸型化処理等の公知の処理によって陽イオン交換基に変換できる基を意味する。
The following definitions of terms apply throughout this specification and the claims.
“Structural unit” means a unit derived from a monomer formed by polymerization of the monomer. The structural unit may be a unit directly formed by a polymerization reaction of monomers, or may be a unit in which a part of the unit is converted into another structure by treating the polymer.
“Monomer” means a compound having a polymerization-reactive carbon-carbon double bond.
The “cation exchange group” means a group in which a part of the cation contained in the group can be exchanged with another cation.
The “precursor group” means a group that can be converted into a cation exchange group by a known treatment such as hydrolysis treatment or acidification treatment.

<膜電極接合体>
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例を示す断面図である。
膜電極接合体10は、アノード20と、カソード30と、アノード20とカソード30との間に配置された固体高分子電解質膜40とを備える。
<Membrane electrode assembly>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter referred to as a membrane electrode assembly).
The membrane electrode assembly 10 includes an anode 20, a cathode 30, and a solid polymer electrolyte membrane 40 disposed between the anode 20 and the cathode 30.

(アノード)
アノード20は、固体高分子電解質膜40の第1の表面に接する、複数の貫通孔22aを有する多孔シート22と、多孔シート22の貫通孔22aに充填されて固体高分子電解質膜40の第1の表面に接する触媒部24と、触媒部24に接するガス拡散層26とを有する。
(anode)
The anode 20 is in contact with the first surface of the solid polymer electrolyte membrane 40, the porous sheet 22 having a plurality of through holes 22 a, and the through holes 22 a of the porous sheet 22 filled with the first sheet of the solid polymer electrolyte membrane 40. And a gas diffusion layer 26 in contact with the catalyst portion 24.

多孔シート:
多孔シート22は、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔22aを有する。
貫通孔22aの開口形状は、特に限定されず、円形、楕円、三角形、正四角形、長方形、台形、六角形、星形、十字形、その他任意の形状が挙げられる。
Perforated sheet:
The porous sheet 22 has a plurality of through holes 22a penetrating in the thickness direction.
The opening shape of the through hole 22a is not particularly limited, and examples thereof include a circle, an ellipse, a triangle, a regular square, a rectangle, a trapezoid, a hexagon, a star, a cross, and other arbitrary shapes.

多孔シート22としては、金属箔、プラスチックフィルム等が挙げられる。
多孔シート22の材料としては、機械的強度が高く、かつ貫通孔22aを形成しやすい、すなわち量産しやすく、低コスト化できる点から、金属が好ましい。
Examples of the porous sheet 22 include metal foil and plastic film.
The material of the porous sheet 22 is preferably a metal because it has high mechanical strength and can easily form the through-holes 22a, that is, easily mass-produces and can reduce the cost.

金属としては、たとえば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タンタル、バナジウム、モリブテンおよびそれら少なくとも1種を含む合金等が挙げられ、コストや機械的強度と耐腐食性の点から、チタン、チタン合金、ステンレス鋼が好ましく、固体高分子電解質膜40の劣化を加速する鉄が含まれないという点から、チタン、チタン合金がより好ましい。   Examples of the metal include aluminum, nickel, titanium, tantalum, vanadium, molybdenum, and alloys containing at least one of them. From the viewpoint of cost, mechanical strength, and corrosion resistance, titanium, titanium alloy, and stainless steel are included. In view of the fact that iron that accelerates the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 40 is not included, titanium and a titanium alloy are more preferable.

プラスチックとしては、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと記す。)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド(以下、PPSと記す。)、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。   Examples of the plastic include polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer, polysulfone, polyphenylene sulfide (hereinafter referred to as PPS). .), Polyarylate, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyether amide, polypropylene, polyethylene and the like.

多孔シート22は、貫通孔22aが全面に形成されたものであってもよく、貫通孔22aが形成された領域と、貫通孔22aが形成されていない領域とを有するものであってもよい。たとえば、膜電極接合体10の周縁部において発電機能を必要としない場合、該周縁部に対応する領域を貫通孔22aが形成されていない領域としてもよい。以下、多孔シート22の貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積および多孔シート22の開口率については、貫通孔22aが形成された領域において求めた値とする。   The porous sheet 22 may have a through hole 22a formed on the entire surface, or may have a region where the through hole 22a is formed and a region where the through hole 22a is not formed. For example, when the power generation function is not required at the peripheral portion of the membrane electrode assembly 10, the region corresponding to the peripheral portion may be a region where the through hole 22a is not formed. Hereinafter, the average opening area per through hole 22a of the porous sheet 22 and the opening ratio of the porous sheet 22 are values obtained in the region where the through hole 22a is formed.

多孔シート22の貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積は、0.002〜0.08mmであり、0.004〜0.05mmが好ましく、0.01〜0.03mmがより好ましい。平均開口面積が0.002mm以上であれば、貫通孔22aを形成しやすい、すなわち多孔シート22を製造しやすい。平均開口面積が0.08mm以下であれば、下記の理由から、固体高分子電解質膜40における膜抵抗を低く抑えられる。 Average open area per one through-hole 22a of the porous sheet 22 is 0.002~0.08Mm 2, preferably 0.004~0.05Mm 2, more preferably 0.01~0.03Mm 2 . If the average opening area is 0.002 mm 2 or more, it is easy to form the through holes 22a, that is, the porous sheet 22 is easy to manufacture. If the average opening area is 0.08 mm 2 or less, the membrane resistance in the solid polymer electrolyte membrane 40 can be kept low for the following reasons.

図2および図3に示すように、同じ開口率(たとえば、50%)で比較すると、貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積が大きい場合(図3)に比べ、貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積が小さい方(図2)が、貫通孔22aに隣接する多孔シート22本体の面積も小さくなる。アノード20の触媒部24(すなわち貫通孔22a)で水素の酸化反応から生じるプロトンは、固体高分子電解質膜40内を拡散しながらカソード30に向かって移動するため、多孔シート22本体で遮蔽された部分の固体高分子電解質膜40においてもプロトンは移動できる。そのため、固体高分子電解質膜40における膜抵抗が小さくなる。
一方、貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積が大きい、すなわち貫通孔22aに隣接する多孔シート22本体の面積も大きい場合は、貫通孔22aに隣接する多孔シート22本体で遮蔽された部分の固体高分子電解質膜40全体にわたってプロトンが充分に拡散できない。すなわち、貫通孔22aに隣接する多孔シート22本体で遮蔽された部分の固体高分子電解質膜40ではプロトンが移動しにくい。そのため、固体高分子電解質膜40における膜抵抗が比較的大きくなる。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, when compared with the same opening ratio (for example, 50%), one of the through holes 22a is larger than when the average opening area per one of the through holes 22a is large (FIG. 3). The smaller the average opening area (FIG. 2), the smaller the area of the porous sheet 22 body adjacent to the through hole 22a. Protons generated from the oxidation reaction of hydrogen in the catalyst portion 24 of the anode 20 (that is, the through holes 22a) move toward the cathode 30 while diffusing in the solid polymer electrolyte membrane 40, and are thus shielded by the porous sheet 22 body. Protons can also move in the part of the solid polymer electrolyte membrane 40. Therefore, the membrane resistance in the solid polymer electrolyte membrane 40 is reduced.
On the other hand, when the average opening area per one through hole 22a is large, that is, when the area of the porous sheet 22 main body adjacent to the through hole 22a is also large, the portion shielded by the porous sheet 22 main body adjacent to the through hole 22a Protons cannot sufficiently diffuse throughout the solid polymer electrolyte membrane 40. That is, protons hardly move in the portion of the solid polymer electrolyte membrane 40 that is shielded by the main body of the porous sheet 22 adjacent to the through hole 22a. Therefore, the membrane resistance in the solid polymer electrolyte membrane 40 becomes relatively large.

多孔シート22の貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積は、無作為に選択した20個の貫通孔22aについて、それぞれ固体高分子電解質膜40の第1の表面に接する側の開口の面積を求め、平均したものである。   The average opening area per one through hole 22a of the porous sheet 22 is the area of the opening on the side in contact with the first surface of the solid polymer electrolyte membrane 40 for each of the 20 randomly selected through holes 22a. Obtained and averaged.

多孔シート22の開口率は、30〜80%であり、50〜80%が好ましく、50〜67%がより好ましい。開口率が30%以上であれば、内部抵抗を低く抑えられる。開口率が80%以下であれば、水素リーク量が抑えられ、かつ膜電極接合体10の機械的強度を高くできる。   The aperture ratio of the porous sheet 22 is 30 to 80%, preferably 50 to 80%, and more preferably 50 to 67%. If the aperture ratio is 30% or more, the internal resistance can be kept low. If the aperture ratio is 80% or less, the amount of hydrogen leak can be suppressed, and the mechanical strength of the membrane electrode assembly 10 can be increased.

多孔シート22の開口率は、下記のようにして求める。
たとえば、10mm角の正方形の中に平均開口面積0.01mmの貫通孔を5000個開けた場合には開口率が50%になる。このように、多孔シートの開口率は、所定の大きさの領域に開けた貫通孔の平均開口面積にその貫通孔の数を乗じて求めた、その領域における合計開口面積を、その領域全体の面積で除して求める。
The aperture ratio of the porous sheet 22 is determined as follows.
For example, when 5000 through holes having an average opening area of 0.01 mm 2 are opened in a 10 mm square, the opening ratio is 50%. Thus, the aperture ratio of the perforated sheet is obtained by multiplying the average aperture area of the through holes opened in a region of a predetermined size by the number of the through holes, and the total aperture area in that region is the total area of the entire region. Divide by area.

多孔シート22の厚さtは、5〜12μmが好ましく、7〜11μmがより好ましく、8〜10μmがさらに好ましい。多孔シート22の厚さtが5μm以上であれば、多孔シート22を製造しやすい。また、膜電極接合体10の機械的強度を高くできる。多孔シート22の厚さtが12μm以下であれば、内部抵抗を低く抑えられる。   The thickness t of the porous sheet 22 is preferably 5 to 12 μm, more preferably 7 to 11 μm, and still more preferably 8 to 10 μm. If the thickness t of the porous sheet 22 is 5 μm or more, it is easy to manufacture the porous sheet 22. Moreover, the mechanical strength of the membrane electrode assembly 10 can be increased. If the thickness t of the porous sheet 22 is 12 μm or less, the internal resistance can be kept low.

多孔シート22の製造方法としては、エッチング加工により貫通孔22aを形成する方法;抜き型を用いて無孔シートを機械的に打ち抜く方法;無孔シートに対してレーザ光線を用いて貫通孔22aを形成する方法;無孔シートに対してドリルを用いて貫通孔22aを形成する方法等が挙げられる。機械的に打ち抜く方法においては、数百から数万の孔を一度に形成できる抜き型を用いてもよく、無孔シートを数十枚から数千枚重ねてもよい。ドリルを用いる方法においては、多軸NCドリル機を用いてもよく、無孔シートを数十枚から数千枚重ねてもよい。また、エキスパンドメタルをプレス加工することにより、多孔シートを形成してもよい。   As a manufacturing method of the porous sheet 22, a method of forming the through-hole 22a by etching; a method of mechanically punching the non-porous sheet using a punching die; a through-hole 22a using a laser beam with respect to the non-porous sheet The method of forming; The method etc. which form the through-hole 22a using a drill with respect to a non-porous sheet | seat etc. are mentioned. In the mechanical punching method, a punching die capable of forming several hundred to several tens of thousands of holes at a time may be used, and several dozen to several thousand non-porous sheets may be stacked. In the method using a drill, a multi-axis NC drill machine may be used, and several dozen to several thousand non-porous sheets may be stacked. Moreover, you may form a porous sheet by pressing an expanded metal.

触媒部:
触媒部24は、多孔シート22の貫通孔22aに充填された充填部24aと、多孔シート22の、固体高分子電解質膜40とは反対側の表面に広がる層状部24bとからなる。
触媒部24は、図4に示すように、多孔シート22の貫通孔22aに充填された充填部24aのみからなるものであってもよい。ただし、ガス拡散層26との接合の点から、触媒部24は、図1に示すように層状部24bを有することが好ましい。
Catalyst part:
The catalyst part 24 includes a filling part 24 a filled in the through holes 22 a of the porous sheet 22 and a layered part 24 b spreading on the surface of the porous sheet 22 opposite to the solid polymer electrolyte membrane 40.
As shown in FIG. 4, the catalyst part 24 may be composed of only a filling part 24 a filled in the through hole 22 a of the porous sheet 22. However, from the viewpoint of joining with the gas diffusion layer 26, the catalyst part 24 preferably has a layered part 24b as shown in FIG.

触媒部24は、触媒を含み、必要に応じて、後述するイオン交換樹脂を含む層である。
触媒としては、燃料電池における酸化還元反応を促進するものであればよく、白金を含む触媒が好ましく、白金または白金合金がカーボン担体に担持された担持触媒が特に好ましい。
The catalyst part 24 is a layer containing a catalyst and, if necessary, an ion exchange resin described later.
The catalyst is not particularly limited as long as it promotes the oxidation-reduction reaction in the fuel cell, and a catalyst containing platinum is preferable, and a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support is particularly preferable.

カーボン担体としては、活性炭、カーボンブラック等が挙げられる。
白金合金としては、白金を除く白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびスズからなる群から選ばれる1種以上の金属と、白金との合金が好ましい。
白金または白金合金の担持量は、担持触媒(100質量%)のうち、10〜70質量%が好ましい。
Examples of the carbon carrier include activated carbon and carbon black.
Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc, An alloy of platinum and one or more metals selected from the group consisting of tin and platinum is preferable.
The supported amount of platinum or platinum alloy is preferably 10 to 70% by mass in the supported catalyst (100% by mass).

触媒部24に含まれる白金量は、電極反応を効率よく行うための最適な厚さの点から、0.01〜1.0mg/cmが好ましく、原料のコストと性能とのバランスの点から、0.02〜0.1mg/cmがより好ましい。 The amount of platinum contained in the catalyst portion 24 is preferably 0.01 to 1.0 mg / cm 2 from the viewpoint of the optimum thickness for efficiently performing the electrode reaction, and from the viewpoint of the balance between the cost and performance of the raw material. 0.02-0.1 mg / cm 2 is more preferable.

ガス拡散層:
ガス拡散層26は、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のガス拡散性基材からなる層である。
Gas diffusion layer:
The gas diffusion layer 26 is a layer made of a gas diffusing substrate such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt.

ガス拡散層26の表面は、撥水性の含フッ素ポリマーを含む溶液または分散液によって撥水処理されていてもよい。ガス拡散層26の表面は、生成水など水の滞留を防ぐために、撥水性の含フッ素ポリマーおよび導電性カーボンを含む分散液よって撥水処理されていてもよい。   The surface of the gas diffusion layer 26 may be subjected to water repellent treatment with a solution or dispersion containing a water repellent fluoropolymer. The surface of the gas diffusion layer 26 may be subjected to a water repellent treatment with a dispersion containing a water repellent fluoropolymer and conductive carbon in order to prevent water such as generated water from staying.

撥水性の含フッ素ポリマーとしては、PTFE等が挙げられる。導電性カーボンとしては、カーボンブラック等が挙げられる。
ガス拡散層26の撥水処理された表面が、触媒部24または後述のカーボン層に接する。
Examples of the water-repellent fluorine-containing polymer include PTFE. Examples of the conductive carbon include carbon black.
The water-repellent surface of the gas diffusion layer 26 is in contact with the catalyst unit 24 or a carbon layer described later.

カーボン層:
アノード20は、触媒部24とガス拡散層26との間にカーボン層(図示略)を有していてもよい。カーボン層を配置することにより、触媒部24の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の出力電圧が大きく向上する。
Carbon layer:
The anode 20 may have a carbon layer (not shown) between the catalyst unit 24 and the gas diffusion layer 26. By disposing the carbon layer, the gas diffusibility on the surface of the catalyst portion 24 is improved, and the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell is greatly improved.

カーボン層は、カーボン(カーボン粉体、カーボンナノファイバー等)とフッ素系ポリマーとを含む層である。
カーボンとしては、繊維径1〜1000nm、繊維長1000μm以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
フッ素系ポリマーとしては、PTFE等が挙げられる。
The carbon layer is a layer containing carbon (carbon powder, carbon nanofiber, etc.) and a fluoropolymer.
As carbon, carbon nanofibers having a fiber diameter of 1 to 1000 nm and a fiber length of 1000 μm or less are preferable.
PTFE etc. are mentioned as a fluorine-type polymer.

(カソード)
カソード30は、固体高分子電解質膜40の第2の表面に広がる層状の触媒層34(触媒部)と、触媒層34に接するガス拡散層36とを有する。
(Cathode)
The cathode 30 includes a layered catalyst layer 34 (catalyst portion) spreading on the second surface of the solid polymer electrolyte membrane 40 and a gas diffusion layer 36 in contact with the catalyst layer 34.

触媒層:
触媒層34は、触媒を含み、必要に応じて、後述するイオン交換樹脂を含む層である。
触媒としては、アノード20の触媒部24に用いるものと同様のものが挙げられる。
触媒層34は、アノード20の触媒部24と成分、組成等が同じであってもよく、異なっていてもよい。
Catalyst layer:
The catalyst layer 34 is a layer containing a catalyst and, if necessary, an ion exchange resin described later.
Examples of the catalyst include the same ones used for the catalyst portion 24 of the anode 20.
The catalyst layer 34 may be the same as or different from the catalyst portion 24 of the anode 20 in terms of components, composition, and the like.

ガス拡散層:
ガス拡散層36としては、アノード20のガス拡散層26と同様のものが挙げられる。
ガス拡散層36の表面は、撥水性の含フッ素ポリマーを含む溶液または分散液によって撥水処理されていることが好ましい。撥水処理することにより、カソード30の触媒層34で発生する水がガス拡散層36の細孔を塞ぎにくくなり、ガス拡散性の低下が抑えられる。ガス拡散層36の表面は、膜電極接合体10の導電性の点から、撥水性の含フッ素ポリマーおよび導電性カーボンを含む分散液よって撥水処理されていることがより好ましい。
Gas diffusion layer:
Examples of the gas diffusion layer 36 include the same as the gas diffusion layer 26 of the anode 20.
The surface of the gas diffusion layer 36 is preferably subjected to a water repellent treatment with a solution or dispersion containing a water repellent fluoropolymer. By performing the water repellent treatment, it is difficult for water generated in the catalyst layer 34 of the cathode 30 to block the pores of the gas diffusion layer 36, and a decrease in gas diffusibility is suppressed. The surface of the gas diffusion layer 36 is more preferably water-repellent treated with a dispersion containing a water-repellent fluoropolymer and conductive carbon from the viewpoint of conductivity of the membrane electrode assembly 10.

カーボン層:
カソード30は、触媒層34とガス拡散層36との間にカーボン層(図示略)を有していてもよい。カーボン層を配置することにより、触媒層34の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の出力電圧が大きく向上する。
カーボン層としては、アノード20のカーボン層と同様のものが挙げられる。
Carbon layer:
The cathode 30 may have a carbon layer (not shown) between the catalyst layer 34 and the gas diffusion layer 36. By disposing the carbon layer, the gas diffusibility on the surface of the catalyst layer 34 is improved, and the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell is greatly improved.
Examples of the carbon layer include the same carbon layer as that of the anode 20.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜40は、後述するイオン交換樹脂を含むものである。固体高分子電解質膜40は、複数のイオン交換樹脂の膜を接合した多層構造のものであってもよい。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane 40 includes an ion exchange resin described later. The solid polymer electrolyte membrane 40 may have a multilayer structure in which a plurality of ion exchange resin membranes are joined.

固体高分子電解質膜40は、耐久性を向上させるために、セリウムおよびマンガンからなる群から選ばれる1種以上の原子を含んでいてもよい。セリウム、マンガンは、固体高分子電解質膜40の劣化を引き起こす原因物質である過酸化水素を分解する。セリウム、マンガンは、イオンとして固体高分子電解質膜40中に存在することが好ましく、イオンとして存在すれば固体高分子電解質膜40中でどのような状態で存在しても構わない。
固体高分子電解質膜40は、乾燥を防ぐための保水剤として、シリカ、ヘテロポリ酸(リン酸ジルコニウム、リンモリブデン酸、リンタングステン酸等)を含んでいてもよい。
The solid polymer electrolyte membrane 40 may contain one or more atoms selected from the group consisting of cerium and manganese in order to improve durability. Cerium and manganese decompose hydrogen peroxide, which is a causative substance that causes deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 40. Cerium and manganese are preferably present in the solid polymer electrolyte membrane 40 as ions, and may be present in any state in the solid polymer electrolyte membrane 40 as long as they are present as ions.
The solid polymer electrolyte membrane 40 may contain silica and heteropolyacid (zirconium phosphate, phosphomolybdic acid, phosphotungstic acid, etc.) as a water retention agent for preventing drying.

固体高分子電解質膜40の一部が、多孔シート22の貫通孔22aに侵入する場合がある。
多孔シート22の貫通孔22aに侵入する固体高分子電解質膜40の侵入厚さT+は、4μm以下であり、3μm以下が好ましく、2μm以下が特に好ましい。侵入厚さT+が4μm以下であれば、固体高分子電解質膜40におけるプロトンの移動距離が短くなるため、膜抵抗が低く抑えられる。
A part of the solid polymer electrolyte membrane 40 may enter the through hole 22 a of the porous sheet 22.
The penetration thickness T + of the solid polymer electrolyte membrane 40 penetrating into the through-hole 22a of the porous sheet 22 is 4 μm or less, preferably 3 μm or less, particularly preferably 2 μm or less. If the penetration thickness T + is 4 μm or less, the proton migration distance in the solid polymer electrolyte membrane 40 is shortened, so that the membrane resistance can be kept low.

侵入厚さT+は、無作為に選択した10個の貫通孔22aについて、それぞれ固体高分子電解質膜40のイオン交換樹脂が侵入した厚さを測定し、これらのうちの最大の厚さである。   The penetration thickness T + is the maximum thickness among ten randomly selected through-holes 22a obtained by measuring the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 40 into which the ion exchange resin has penetrated.

固体高分子電解質膜40の厚さT(ただし、侵入厚さT+を除く。)は、7〜20μmであり、8〜17μmがより好ましく、9〜12μmがさらに好ましい。固体高分子電解質膜40の厚さTが7μm以上であれば、機械的強度を高くできる。固体高分子電解質膜40の厚さTが20μm以下であれば、膜抵抗が低く抑えられる。   The thickness T of the solid polymer electrolyte membrane 40 (excluding the penetration thickness T +) is 7 to 20 μm, more preferably 8 to 17 μm, and even more preferably 9 to 12 μm. If the thickness T of the solid polymer electrolyte membrane 40 is 7 μm or more, the mechanical strength can be increased. If the thickness T of the solid polymer electrolyte membrane 40 is 20 μm or less, the membrane resistance can be kept low.

(サブガスケット)
膜電極接合体10は、膜電極接合体10の周縁部の固体高分子電解質膜40を挟み込むように配置された2つのフレーム状のサブガスケット(図示略)を有していてもよい。
(Sub gasket)
The membrane electrode assembly 10 may have two frame-shaped subgaskets (not shown) arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane 40 at the peripheral edge of the membrane electrode assembly 10.

(他の態様)
なお、本発明の膜電極接合体は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備え、アノードが、固体高分子電解質膜の第1の表面に接する多孔シートと、多孔シートの貫通孔に充填されて固体高分子電解質膜の第1の表面に接する触媒部とを有し、カソードが固体高分子電解質膜の第2の表面に接する触媒部を有し、多孔シートの貫通孔の1つあたりの平均開口面積、多孔シートの開口率が特定の範囲であり、貫通孔に侵入する固体高分子電解質膜の侵入厚さが特定の範囲であり、固体高分子電解質膜の厚さ特定の範囲であるものであればよく、図示例の膜電極接合体10に限定はされない。
(Other aspects)
The membrane / electrode assembly of the present invention comprises an anode, a cathode, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, and the anode is on the first surface of the solid polymer electrolyte membrane. A porous sheet that is in contact with the catalyst, and a catalyst part that is filled in a through-hole of the porous sheet and is in contact with the first surface of the solid polymer electrolyte membrane, wherein the cathode is in contact with the second surface of the solid polymer electrolyte membrane. Having an average opening area per one through hole of the porous sheet, the opening ratio of the porous sheet is a specific range, the penetration thickness of the solid polymer electrolyte membrane entering the through hole is a specific range, The membrane electrode assembly 10 in the illustrated example is not limited as long as the thickness is within a specific range of the solid polymer electrolyte membrane.

(膜電極接合体の製造方法)
膜電極接合体10の製造方法としては、たとえば、下記の工程(a)〜(f)を有する方法が挙げられる。なお、膜電極接合体10の製造方法は、下記の方法に限定されない。
(a)固体高分子電解質膜40を形成する工程。
(b)固体高分子電解質膜40の第1の表面に多孔シート22を接合する工程。
(c)キャリアフィルムの表面に触媒層34を形成する工程。
(d)触媒層34を固体高分子電解質膜40の第2の表面に転写する工程。
(e)固体高分子電解質膜40に接合された多孔シート22の表面に、触媒部形成用ペーストを塗布し、触媒部24を形成し、膜触媒部接合体を得る。
(f)膜触媒部接合体の両面にガス拡散性基材を接合し、膜電極接合体10を得る工程。
(Method for producing membrane electrode assembly)
As a manufacturing method of the membrane electrode assembly 10, the method which has the following process (a)-(f) is mentioned, for example. In addition, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 10 is not limited to the following method.
(A) A step of forming the solid polymer electrolyte membrane 40.
(B) A step of bonding the porous sheet 22 to the first surface of the solid polymer electrolyte membrane 40.
(C) A step of forming the catalyst layer 34 on the surface of the carrier film.
(D) A step of transferring the catalyst layer 34 to the second surface of the solid polymer electrolyte membrane 40.
(E) The catalyst portion forming paste is applied to the surface of the porous sheet 22 bonded to the solid polymer electrolyte membrane 40 to form the catalyst portion 24 to obtain a membrane catalyst portion assembly.
(F) A step of joining the gas diffusing base material to both surfaces of the membrane catalyst assembly to obtain the membrane electrode assembly 10.

工程(a):
イオン交換樹脂液をキャリアフィルムの表面に塗布し、乾燥させることによって固体高分子電解質膜40を形成する。
イオン交換樹脂液は、たとえば、アルコールおよび水を含む媒体に、イオン交換樹脂を分散または溶解させた液である。
キャリアフィルムとしては、エチレン−テトラフルオロエチレン(以下、ETFEと記す。)フィルム、オレフィン系樹脂フィルム等が挙げられる。
Step (a):
The solid polymer electrolyte membrane 40 is formed by applying an ion exchange resin liquid to the surface of the carrier film and drying it.
The ion exchange resin liquid is, for example, a liquid in which an ion exchange resin is dispersed or dissolved in a medium containing alcohol and water.
Examples of the carrier film include an ethylene-tetrafluoroethylene (hereinafter referred to as ETFE) film and an olefin resin film.

固体高分子電解質膜40を安定化させるために、熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、イオン交換樹脂の種類にもよるが、130〜200℃が好ましい。熱処理の温度が130℃以上であれば、イオン交換樹脂が過度に含水しなくなる。熱処理の温度が200℃以下であれば、陽イオン交換基の熱分解が抑えられ、固体高分子電解質膜40のプロトン伝導性の低下が抑えられる。   In order to stabilize the solid polymer electrolyte membrane 40, it is preferable to perform a heat treatment. The temperature of the heat treatment is preferably 130 to 200 ° C., although it depends on the type of ion exchange resin. When the temperature of the heat treatment is 130 ° C. or higher, the ion exchange resin does not excessively contain water. When the temperature of the heat treatment is 200 ° C. or lower, thermal decomposition of the cation exchange group is suppressed, and a decrease in proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 40 is suppressed.

工程(b):
固体高分子電解質膜40の第1の表面に多孔シート22を配置し、熱プレス等によって接合する。
Step (b):
The porous sheet 22 is disposed on the first surface of the solid polymer electrolyte membrane 40 and bonded by hot pressing or the like.

工程(c):
触媒層形成用ペーストをキャリアフィルムの表面に塗布し、乾燥させることによって触媒層34を形成する。
触媒層形成用ペーストは、イオン交換樹脂および触媒を分散媒に分散させた液である。触媒層形成用ペーストは、たとえば、イオン交換樹脂液と、触媒または触媒の分散液とを混合することにより調製できる。
Step (c):
The catalyst layer 34 is formed by applying the catalyst layer forming paste to the surface of the carrier film and drying it.
The catalyst layer forming paste is a liquid in which an ion exchange resin and a catalyst are dispersed in a dispersion medium. The paste for forming a catalyst layer can be prepared, for example, by mixing an ion exchange resin liquid and a catalyst or a catalyst dispersion.

工程(d):
固体高分子電解質膜40からキャリアフィルムを剥がし、固体高分子電解質膜40の第2の表面にキャリアフィルム付き触媒層34を配置し、熱プレス等によって触媒層34を転写する。
Step (d):
The carrier film is peeled off from the solid polymer electrolyte membrane 40, the catalyst layer 34 with a carrier film is disposed on the second surface of the solid polymer electrolyte membrane 40, and the catalyst layer 34 is transferred by hot pressing or the like.

工程(e):
固体高分子電解質膜40に接合された多孔シート22の表面に、触媒部形成用ペーストを塗布し、乾燥させることによって触媒部24を形成し、膜触媒部接合体を得る。
触媒部形成用ペーストは、イオン交換樹脂および触媒を分散媒に分散させた液である。触媒層形成用ペーストは、たとえば、イオン交換樹脂液と、触媒または触媒の分散液とを混合することにより調製できる。
Step (e):
The catalyst part forming paste is applied to the surface of the porous sheet 22 joined to the solid polymer electrolyte membrane 40 and dried to form the catalyst part 24, thereby obtaining a membrane catalyst part assembly.
The catalyst portion forming paste is a liquid in which an ion exchange resin and a catalyst are dispersed in a dispersion medium. The paste for forming a catalyst layer can be prepared, for example, by mixing an ion exchange resin liquid and a catalyst or a catalyst dispersion.

工程(f):
膜触媒部接合体の両面にガス拡散性基材を熱プレス等によって接合し、膜電極接合体10を得る。
Step (f):
A gas diffusing substrate is bonded to both surfaces of the membrane catalyst assembly by hot pressing or the like to obtain a membrane electrode assembly 10.

(作用効果)
以上説明した膜電極接合体10にあっては、多孔シート22を、固体高分子電解質膜40内ではなく、固体高分子電解質膜40の表面に設け、かつ多孔シート22の貫通孔22aに、固体高分子電解質膜40をできるだけ侵入させることなく、触媒部24を充填している。そのため、従来の固体高分子電解質膜内に多孔シートを設け、貫通孔内に固体高分子電解質膜を充填した場合に比べ、触媒部24から発生するプロトンの固体高分子電解質膜40における移動距離が短くなるため、膜抵抗(内部抵抗)が低く抑えられる。
また、多孔シート22の貫通孔22aの1つあたりの平均開口面積および多孔シート22の開口率を特定の範囲としているため、内部抵抗がさらに低くなり、水素リーク量が抑えられ、かつ機械的強度が高い。
また、固体高分子電解質膜40の厚さを特定の範囲としているため、内部抵抗がさらに低くなり、かつ機械的強度が高い。
(Function and effect)
In the membrane electrode assembly 10 described above, the porous sheet 22 is provided not on the solid polymer electrolyte membrane 40 but on the surface of the solid polymer electrolyte membrane 40, and in the through holes 22 a of the porous sheet 22, the solid The catalyst portion 24 is filled without causing the polymer electrolyte membrane 40 to penetrate as much as possible. Therefore, compared to the case where a porous sheet is provided in a conventional solid polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte membrane is filled in the through holes, the movement distance of protons generated from the catalyst portion 24 in the solid polymer electrolyte membrane 40 is smaller. Since it becomes shorter, the film resistance (internal resistance) can be kept low.
Further, since the average opening area per through hole 22a of the porous sheet 22 and the opening ratio of the porous sheet 22 are in a specific range, the internal resistance is further reduced, the amount of hydrogen leak is suppressed, and the mechanical strength is reduced. Is expensive.
Moreover, since the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 40 is in a specific range, the internal resistance is further reduced and the mechanical strength is high.

膜電極接合体10において、多孔シート22を固体高分子電解質膜40の第1の表面(アノード側)に配置し、多孔シート22を固体高分子電解質膜40の第2の表面(カソード側)に配置しない理由は、下記のとおりである。
多孔シートを配置した側の電極では、固体高分子電解質膜に接する触媒部の面積が減ってしまい、その分、電極反応が遅くなる。しかし、アノードの電極反応は、カソードの電極反応よりも充分に速い、すなわち膜電極接合体全体ではカソードの電極反応が律速となっているため、多孔シートを固体高分子電解質膜の第1の表面(アノード側)に配置してアノードの電極反応が少し遅くなっても、カソードの電極反応が律速であることにはかわりなく、発電への影響は小さい。
In the membrane electrode assembly 10, the porous sheet 22 is disposed on the first surface (anode side) of the solid polymer electrolyte membrane 40, and the porous sheet 22 is disposed on the second surface (cathode side) of the solid polymer electrolyte membrane 40. The reason for not arranging is as follows.
In the electrode on the side where the porous sheet is disposed, the area of the catalyst portion in contact with the solid polymer electrolyte membrane is reduced, and the electrode reaction is delayed correspondingly. However, since the anode electrode reaction is sufficiently faster than the cathode electrode reaction, that is, the cathode electrode reaction is rate-determined in the whole membrane electrode assembly, the porous sheet is formed on the first surface of the solid polymer electrolyte membrane. Even if it is arranged on the (anode side) and the electrode reaction at the anode is a little slow, the influence on the power generation is small, regardless of the fact that the electrode reaction at the cathode is rate limiting.

(イオン交換樹脂)
イオン交換樹脂は、陽イオン交換基を有する含フッ素ポリマーである。
陽イオン交換基としては、陽イオンがHである酸型と、陽イオンが金属イオン、アンモニウムイオン等である塩型とがある。膜電極接合体の固体高分子電解質膜や触媒部の場合、通常、酸型の陽イオン交換基を有する含フッ素イオン交換樹脂が用いられる。
(Ion exchange resin)
The ion exchange resin is a fluorine-containing polymer having a cation exchange group.
As the cation exchange group, there are an acid form in which the cation is H + and a salt form in which the cation is a metal ion, an ammonium ion or the like. In the case of a solid polymer electrolyte membrane or a catalyst part of a membrane electrode assembly, a fluorine-containing ion exchange resin having an acid type cation exchange group is usually used.

陽イオン交換基としては、−SO 、−SO(Z)−、−SO(Z)<、−P(O)(O、−C(O)O、>C=N(ただし、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。)等が挙げられ、含フッ素イオン交換樹脂を膜電極接合体の固体高分子電解質膜や触媒部に用いる場合は、−SO 、−SO(H)−、−SO(H)<が好ましく、−SO 、−SO(H)−がより好ましく、−SO が特に好ましい。陽イオン交換基のZの一部は、2価以上の金属イオンで置換されていてもよい。 The cation exchange groups, -SO 3 - Z +, -SO 2 N - (Z +) -, - SO 2 C - (Z +) <, - P (O) (O - Z +) 2, - C (O) O - Z + ,> C = N - Z + (where Z + is H + , a monovalent metal ion, or ammonium in which one or more hydrogen atoms may be substituted with a hydrocarbon group) . an ion), and the like, in the case of using a fluorine-containing ion exchange resin in the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst of the membrane electrode assembly, -SO 3 - H +, -SO 2 N - (H +) -, - SO 2 C - ( H +) < is preferable, -SO 3 - H +, -SO 2 N - (+ H) - are more preferred, -SO 3 - H + is particularly preferred. A part of Z + of the cation exchange group may be substituted with a divalent or higher valent metal ion.

含フッ素イオン交換樹脂としては、耐久性の点から、陽イオン交換基を有するペルフルオロカーボンポリマー(エーテル性の酸素原子を有していてもよい。)が好ましい。
含フッ素イオン交換樹脂としては、後述する単位(u1)を有するポリマー(H1)、後述する単位(u2)を有するポリマー(H2)、後述する単位(u3)を有するポリマー(H3)、後述する単位(u4)を有するポリマー(H4)、後述する単位(u5)を有するポリマー(H5)、後述する単位(u6)を有するポリマー(H6)(以下、ポリマー(H1)〜(H6)をまとめて、ポリマー(H)とも記す。)が挙げられる。
The fluorine-containing ion exchange resin is preferably a perfluorocarbon polymer having a cation exchange group (which may have an etheric oxygen atom) from the viewpoint of durability.
Examples of the fluorine-containing ion exchange resin include a polymer (H1) having a unit (u1) described later, a polymer (H2) having a unit (u2) described later, a polymer (H3) having a unit (u3) described later, and a unit described later. Polymer (H4) having (u4), polymer (H5) having unit (u5) to be described later, polymer (H6) having unit (u6) to be described later (hereinafter referred to as polymers (H1) to (H6), Polymer (H).).

(ポリマー(H1))
ポリマー(H1)は、単位(u1)を有する含フッ素ポリマーである(ただし、ポリマー(H2)〜(H6)を除く)。
(Polymer (H1))
The polymer (H1) is a fluorine-containing polymer having the unit (u1) (except for the polymers (H2) to (H6)).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

ただし、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。単結合は、CFYの炭素原子とSOの硫黄原子とが直接結合していることを意味する。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 Q 1 is a single bond or a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and s is 0 or 1 R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X 1 is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and a is a case where X 1 is an oxygen atom Is 0 when X 1 is a nitrogen atom, 2 when X 1 is a carbon atom, and Z + is H + , a monovalent metal ion, or one or more hydrogen atoms are a hydrocarbon group An ammonium ion which may be substituted. A single bond means that the carbon atom of CFY 1 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded. An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(u1):
のペルフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、ポリマー(H1)のイオン交換容量の低下が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
Unit (u1):
When the perfluoroalkylene group of Q 1 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or may be two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. If carbon number is 6 or less, the fall of the ion exchange capacity of a polymer (H1) will be suppressed, and the fall of proton conductivity will be suppressed.

f1のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、ペルフルオロメチル基、ペルフルオロエチル基等が好ましい。
The perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group and the like are preferable.

−SO(SOf1 としては、−SO 、−SON(SOf1、または−SOC(SOf1 が挙げられる。
としては、フッ素原子またはトリフルオロメチル基が好ましい。
The Z +, -SO 3 - - -SO 2 X 1 (SO 2 R f1) a Z +, -SO 2 N (SO 2 R f1) - Z +, or -SO 2 C (SO 2 R f1 ) 2 - Z + .
Y 1 is preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group.

単位(u1)としては、ポリマー(H1)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u1−1)〜(u1−4)が好ましい。   As the unit (u1), units (u1-1) to (u1-4) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (H1) and easy industrial implementation.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

他の単位:
ポリマー(H1)は、さらに、後述する他のモノマーに基づく構成単位(以下、他の単位とも記す。)を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー(H1)のイオン交換容量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
他の単位としては、機械的強度および化学的な耐久性の点から、ペルフルオロモノマーに基づく構成単位が好ましく、テトラフルオロエチレン(以下、TFEと記す。)に基づく構成単位がより好ましい。
Other units:
The polymer (H1) may further have a structural unit (hereinafter also referred to as another unit) based on another monomer described later. What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the ion exchange capacity of a polymer (H1) may become the below-mentioned preferable range.
As other units, from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability, a structural unit based on a perfluoromonomer is preferable, and a structural unit based on tetrafluoroethylene (hereinafter referred to as TFE) is more preferable.

ポリマー(H1)は、単位(u1)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
ポリマー(H1)としては、化学的な耐久性の点から、ペルフルオロカーボンポリマーが好ましい。
The polymer (H1) may have one unit (u1) and one other unit, or two or more units.
The polymer (H1) is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability.

ポリマー(H1)のイオン交換容量は、0.5〜1.8ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、0.9〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が高くなるため、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が1.8ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー(H1)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The ion exchange capacity of the polymer (H1) is preferably 0.5 to 1.8 meq / g dry resin, more preferably 0.9 to 1.5 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is 0.5 meq / g dry resin or more, proton conductivity is increased, so that sufficient battery output can be obtained. If the ion exchange capacity is 1.8 meq / g dry resin or less, synthesis of a polymer having a high molecular weight is easy, and the polymer (H1) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained. .

(ポリマー(H2))
ポリマー(H2)は、単位(u2)を有する含フッ素ポリマーである(ただし、ポリマー(H3)〜(H6)を除く)。
(Polymer (H2))
The polymer (H2) is a fluorine-containing polymer having the unit (u2) (except for the polymers (H3) to (H6)).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

ただし、Q21は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Q22は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1であり、Rf2は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、bは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。単結合は、CYの炭素原子とSOの硫黄原子とが直接結合していることを意味する。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 However, Q 21 is an etheric good perfluoroalkylene group which may have an oxygen atom, Q 22 is a single bond, or which may have an etheric oxygen atom perfluoroalkylene group, Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, t is 0 or 1, R f2 is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom, and X 2 is , An oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, b is 0 when X 2 is an oxygen atom, 1 when X 2 is a nitrogen atom, 2 when X 2 is a carbon atom, and Z + Is H + , a monovalent metal ion, or an ammonium ion in which one or more hydrogen atoms may be substituted with a hydrocarbon group. The single bond means that the carbon atom of CY 2 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded. An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(u2):
21、Q22のペルフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、原料の含フッ素モノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、ポリマー(H2)のイオン交換容量の増加が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
Unit (u2):
When the perfluoroalkylene group of Q 21 and Q 22 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. If the number of carbon atoms is 6 or less, the boiling point of the raw fluorine-containing monomer is lowered, and distillation purification becomes easy. Moreover, if carbon number is 6 or less, the increase in the ion exchange capacity of a polymer (H2) will be suppressed, and the proton conductivity fall will be suppressed.

22は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。Q22がエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であれば、Q22が単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、発電性能の安定性に優れる。
21、Q22の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
Q 22 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom. When Q 22 is a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, the polymer electrolyte fuel cell was operated over a longer period than when Q 22 is a single bond. In particular, the stability of the power generation performance is excellent.
At least one of Q 21 and Q 22 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom. Since a fluorine-containing monomer having a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, the yield is good and the production is easy.

f2のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、ペルフルオロメチル基、ペルフルオロエチル基等が好ましい。
単位(u2)が2つ以上のRf2を有する場合、Rf2は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
The perfluoroalkyl group for R f2 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group and the like are preferable.
When the unit (u2) has two or more R f2 s , R f2 may be the same group or different groups.

−SO(SOf2 としては、−SO 、−SON(SOf2、または−SOC(SOf2 が挙げられる。
としては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖のペルフルオロアルキル基が好ましい。
The Z +, -SO 3 - - -SO 2 X 2 (SO 2 R f2) b Z +, -SO 2 N (SO 2 R f2) - Z +, or -SO 2 C (SO 2 R f2 ) 2 - Z + .
Y 2 is preferably a fluorine atom or a linear perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom.

単位(u2)としては、ポリマー(H2)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u2−1)〜(u2−3)が好ましい。   As the unit (u2), units (u2-1) to (u2-3) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (H2) and easy industrial implementation.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

他の単位:
ポリマー(H2)は、さらに、後述する他のモノマーに基づく構成単位を有していてもよい。また、前記単位(u1)を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー(H2)のイオン交換容量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
他の単位としては、機械的強度および化学的な耐久性の点から、ペルフルオロモノマーに基づく構成単位が好ましく、TFEに基づく構成単位がより好ましい。
Other units:
The polymer (H2) may further have structural units based on other monomers described later. Moreover, you may have the said unit (u1). What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the ion exchange capacity of a polymer (H2) may become the below-mentioned preferable range.
The other unit is preferably a structural unit based on a perfluoromonomer, more preferably a structural unit based on TFE, from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability.

ポリマー(H2)は、単位(u2)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
ポリマー(H2)としては、化学的な耐久性の点から、ペルフルオロカーボンポリマーが好ましい。
The polymer (H2) may have one each of the unit (u2) and other units, or may have two or more of each.
The polymer (H2) is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability.

ポリマー(H2)のイオン交換容量は、0.5〜2.8ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、0.9〜2.2ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が高くなるため、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が2.8ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー(H2)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The ion exchange capacity of the polymer (H2) is preferably 0.5 to 2.8 meq / g dry resin, more preferably 0.9 to 2.2 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is 0.5 meq / g dry resin or more, proton conductivity is increased, so that sufficient battery output can be obtained. If the ion exchange capacity is 2.8 meq / g dry resin or less, it is easy to synthesize a polymer having a high molecular weight, and the polymer (H2) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained. .

(ポリマー(H3))
ポリマー(H3)は、単位(u3)を有する含フッ素ポリマーである(ただし、ポリマー(H4)〜(H6)を除く)。
(Polymer (H3))
The polymer (H3) is a fluorine-containing polymer having the unit (u3) (except for the polymers (H4) to (H6)).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

ただし、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、uは、0または1であり、Rf3は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜10のペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子または窒素原子であり、cは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、dは、1〜4の整数であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。単結合は、CFYの炭素原子とSOの硫黄原子とが直接結合していることを意味する。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 However, Q 3 is a single bond or a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, Y 3 is a fluorine atom or a monovalent perfluoroorganic group, and u is 0 or 1 R f3 is a C 1-10 perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X 3 is an oxygen atom or a nitrogen atom, c is an oxygen atom of X 3 0 in the case of an atom, 1 in the case of X 3 being a nitrogen atom, d is an integer of 1 to 4, Z + is H + , a monovalent metal ion, or one or more hydrogen atoms are carbonized An ammonium ion which may be substituted with a hydrogen group. A single bond means that the carbon atom of CFY 3 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded. An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(u3):
のペルフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜10が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜4がさらに好ましい。炭素数が10以下であれば、ポリマー(H3)のイオン交換容量の低下が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
Unit (u3):
When the perfluoroalkylene group of Q 3 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched.
1-10 are preferable, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-6 are more preferable, and 1-4 are more preferable. If carbon number is 10 or less, the fall of the ion exchange capacity of a polymer (H3) will be suppressed, and the fall of proton conductivity will be suppressed.

f3のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、ペルフルオロメチル基、ペルフルオロエチル基等が好ましい。
The perfluoroalkyl group for R f3 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group and the like are preferable.

−SO(SOf3 としては、−SO 、−SON(SOf3、または−SOC(SOf3 が挙げられる。
としては、フッ素原子またはトリフルオロメチル基が好ましい。
dは、モノマー(m3)の合成が容易であり、イオン交換容量の高いポリマー(H3)が得られる点から、2が特に好ましい。
-SO 2 X 3 (SO 2 R f3) c - The Z +, -SO 3 - Z + , -SO 2 N (SO 2 R f3) - Z +, or -SO 2 C (SO 2 R f3 ) 2 - Z + .
Y 3 is preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group.
d is particularly preferably 2 because the synthesis of the monomer (m3) is easy and a polymer (H3) having a high ion exchange capacity can be obtained.

単位(u3)としては、ポリマー(H3)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u3−1)〜(u3−4)が好ましい。   As the unit (u3), units (u3-1) to (u3-4) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (H3) and easy industrial implementation.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

他の単位:
ポリマー(H3)は、さらに、後述する他のモノマーに基づく構成単位を有していてもよい。また、前記単位(u1)およびまたは単位(u2)を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー(H3)のイオン交換容量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
他の単位としては、機械的強度および化学的な耐久性の点から、ペルフルオロモノマーに基づく構成単位が好ましく、TFEに基づく構成単位がより好ましい。
Other units:
The polymer (H3) may further have a structural unit based on another monomer described later. Moreover, you may have the said unit (u1) and / or a unit (u2). What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the ion exchange capacity of a polymer (H3) may become the below-mentioned preferable range.
The other unit is preferably a structural unit based on a perfluoromonomer, more preferably a structural unit based on TFE, from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability.

ポリマー(H3)は、単位(u3)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
ポリマー(H3)としては、化学的な耐久性の点から、ペルフルオロカーボンポリマーが好ましい。
The polymer (H3) may have one unit (u3) and another unit, or two or more units.
The polymer (H3) is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability.

ポリマー(H3)のイオン交換容量は、0.5〜2.8ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、0.9〜2.2ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が高くなるため、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が2.8ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー(H3)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The ion exchange capacity of the polymer (H3) is preferably 0.5 to 2.8 meq / g dry resin, more preferably 0.9 to 2.2 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is 0.5 meq / g dry resin or more, proton conductivity is increased, so that sufficient battery output can be obtained. When the ion exchange capacity is 2.8 meq / g dry resin or less, synthesis of a polymer having a high molecular weight is easy, and the polymer (H3) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained. .

(ポリマー(H4))
ポリマー(H4)は、単位(u4)を有する含フッ素ポリマーである(ただし、ポリマー(H5)〜(H6)を除く)。
(Polymer (H4))
The polymer (H4) is a fluorine-containing polymer having the unit (u4) (except for the polymers (H5) to (H6)).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

ただし、R11は、エーテル性の酸素原子を有してもよい2価のペルフルオロ有機基であり、R12、R13、R15、R16は、それぞれ独立にエーテル性の酸素原子を有してもよい1価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子であり、R14は、エーテル性の酸素原子を有してもよい1価のペルフルオロ有機基、フッ素原子、または−R11(SO(SOf4基であり、Rf4は、エーテル性の酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、eは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 However, R 11 is a divalent perfluoro organic group which may have an etheric oxygen atom, and R 12 , R 13 , R 15 and R 16 each independently have an etheric oxygen atom. R 14 may be a monovalent perfluoro organic group which may have an etheric oxygen atom, a fluorine atom, or —R 11 (SO 2 X 4 ( SO 2 R f4) e) - a Z + group, R f4 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X 4 is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, e is 0 when X 4 is an oxygen atom, 1 when X 4 is a nitrogen atom, 2 when X 4 is a carbon atom, and Z + is H + , a monovalent metal ion, or One or more hydrogen atoms are Be conversion is an ammonium ion. An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(u4):
11の2価のペルフルオロ有機基としては、ペルフルオロアルキレン基が好ましい。ペルフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
Unit (u4):
The divalent perfluoro organic group for R 11 is preferably a perfluoroalkylene group. When the perfluoroalkylene group has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or may be two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon-carbon bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal. The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.

12、R13、R15、R16の1価のペルフルオロ有機基としては、ペルフルオロアルキル基が好ましい。R15およびR16は、重合反応性が高い点から、少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、両方がフッ素原子であることがより好ましい。 As the monovalent perfluoro organic group for R 12 , R 13 , R 15 , and R 16 , a perfluoroalkyl group is preferable. From the viewpoint of high polymerization reactivity, at least one of R 15 and R 16 is preferably a fluorine atom, and more preferably both are fluorine atoms.

14の1価のペルフルオロ有機基としては、ペルフルオロアルキル基が好ましい。ペルフルオロアルキル基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。単位(u4)が2個のR11を有する場合、R11は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。 The monovalent perfluoro organic group for R 14 is preferably a perfluoroalkyl group. When the perfluoroalkyl group has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon-carbon bonds of the perfluoroalkyl group or may be inserted at the carbon atom bond terminal. The perfluoroalkyl group may be linear or branched, and is preferably linear. When the unit (u4) has two R 11 s , R 11 may be the same group or different groups.

f4のペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜8が好ましく、1〜6がより好ましい。2個以上のRf4を有する場合、Rf4は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
−SO(SOf4 としては、−SO 、−SON(SOf4、または−SOC(SOf4 が挙げられる。
1-8 are preferable and, as for carbon number of the perfluoroalkyl group of Rf4 , 1-6 are more preferable. In the case of having two or more R f4 s , R f4 s may be the same group or different groups.
-SO 2 X 4 (SO 2 R f4) e - The Z +, -SO 3 - Z + , -SO 2 N (SO 2 R f4) - H +, or -SO 2 C (SO 2 R f4 ) 2 - Z + .

単位(u4)としては、単位(u4−1)〜(u4−4)が挙げられ、ポリマー(H4)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u4−1)が好ましい。   Examples of the unit (u4) include units (u4-1) to (u4-4). From the viewpoint that the production of the polymer (H4) is easy and industrial implementation is easy, the unit (u4-1) Is preferred.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

他の単位:
ポリマー(H4)は、さらに、後述する他のモノマーに基づく構成単位を有していてもよい。また、前記単位(u1)、単位(u2)およびまたは単位(u3)を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー(H4)のイオン交換容量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
他の単位としては、ペルフルオロモノマーに基づく構成単位が好ましく、ポリマー(H4)が過度に水で膨潤しない点から、環状構造を有し、かつ陽イオン交換基またはその前駆体基を有さないペルフルオロモノマーに基づく構成単位がより好ましい。
Other units:
The polymer (H4) may further have structural units based on other monomers described later. Moreover, you may have the said unit (u1), the unit (u2), and / or the unit (u3). What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the ion exchange capacity of a polymer (H4) may become the preferable range mentioned later.
As the other unit, a structural unit based on a perfluoromonomer is preferable. From the viewpoint that the polymer (H4) does not swell excessively with water, it has a cyclic structure and does not have a cation exchange group or its precursor group. More preferred are structural units based on monomers.

ポリマー(H4)は、単位(u4)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
ポリマー(H4)としては、化学的な耐久性の点から、ペルフルオロカーボンポリマーが好ましい。
The polymer (H4) may have one unit (u4) and one other unit, or two or more units.
The polymer (H4) is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability.

ポリマー(H4)のイオン交換容量は、0.7〜2.3ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、1.1〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が0.7ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が高くなるため、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が2.3ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー(H4)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The ion exchange capacity of the polymer (H4) is preferably 0.7 to 2.3 meq / g dry resin, more preferably 1.1 to 2.0 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is 0.7 meq / g dry resin or more, proton conductivity is increased, so that sufficient battery output can be obtained. If the ion exchange capacity is 2.3 meq / g dry resin or less, it is easy to synthesize a polymer having a high molecular weight, and the polymer (H4) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained. .

(ポリマー(H5))
ポリマー(H5)は、単位(u5)を有する含フッ素ポリマーである(ただし、ポリマー(H6)を除く)。
(Polymer (H5))
The polymer (H5) is a fluorine-containing polymer having the unit (u5) (excluding the polymer (H6)).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

ただし、R21は、炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基または炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する炭素数2〜6のペルフルオロアルキレン基であり、R22は、フッ素原子、炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基、炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する炭素数2〜6のペルフルオロアルキル基、または−R21(SO(SOf5基であり、Rf5は、エーテル性の酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、fは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 However, R 21 is a C 1-6 perfluoroalkylene group or a C 2-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon bonds, and R 22 is a fluorine atom, carbon number 1-6 perfluoroalkyl group, a carbon - perfluoroalkyl group having 2 to 6 carbon atoms having an oxygen atom of the etheric between carbon bond or -R 21 (SO 2 X 5 ( SO 2 R f5) f), - Z + Group, R f5 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X 5 is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and f is an oxygen atom of X 5 And 0 when X 5 is a nitrogen atom, 2 when X 5 is a carbon atom, and Z + is H + , a monovalent metal ion, or one or more hydrogen atoms are hydrocarbon groups And replace It is an ammonium ion that may be used. An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(u5):
21のペルフルオロアルレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。ペルフルオロアルレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
Unit (u5):
When the perfluoroarylene group of R 21 has an etheric oxygen atom, the number of oxygen atoms may be one or two or more. The perfluoroarylene group may be linear or branched, and is preferably linear.

22のペルフルオロアルキル基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。単位(u5)が2個のR21を有する場合、R21は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。 When the perfluoroalkyl group of R 22 has an etheric oxygen atom, the number of oxygen atoms may be one or two or more. The perfluoroalkyl group may be linear or branched, and is preferably linear. When the unit (u5) has two R 21 s , R 21 may be the same group or may be different groups.

f5のペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜8が好ましく、1〜6がより好ましい。2個以上のRf5を有する場合、Rf5は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
−SO(SOf5 としては、−SO 、−SON(SOf5、または−SOC(SOf5 が挙げられる。
1-8 are preferable and, as for carbon number of the perfluoroalkyl group of Rf5 , 1-6 are more preferable. In the case of having two or more R f5 , R f5 may be the same group or different groups.
The Z +, -SO 3 - - -SO 2 X 5 (SO 2 R f5) f Z +, -SO 2 N (SO 2 R f5) - H +, or -SO 2 C (SO 2 R f5 ) 2 - Z + .

単位(u5)としては、単位(u5−1)〜(u5−2)が挙げられる。   Examples of the unit (u5) include units (u5-1) to (u5-2).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

他の単位:
ポリマー(H5)は、さらに、後述する他のモノマーに基づく構成単位を有していてもよい。また、前記単位(u1)、単位(u2)、単位(u3)およびまたは単位(u4)を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー(H5)のイオン交換容量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
他の単位としては、ペルフルオロモノマーに基づく構成単位が好ましく、ポリマー(H5)が過度に水で膨潤しない点から、環状構造を有し、かつ陽イオン交換基またはその前駆体基を有さないペルフルオロモノマーに基づく構成単位がより好ましい。
Other units:
The polymer (H5) may further have structural units based on other monomers described later. Moreover, you may have the said unit (u1), unit (u2), unit (u3), and / or unit (u4). What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the ion exchange capacity of a polymer (H5) may become the preferable range mentioned later.
As the other unit, a structural unit based on a perfluoromonomer is preferable. From the viewpoint that the polymer (H5) does not swell excessively with water, it has a cyclic structure and does not have a cation exchange group or its precursor group. More preferred are structural units based on monomers.

ポリマー(H5)は、単位(u5)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
ポリマー(H5)としては、化学的な耐久性の点から、ペルフルオロカーボンポリマーが好ましい。
The polymer (H5) may have one unit (u5) and one other unit, or two or more units.
The polymer (H5) is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability.

ポリマー(H5)のイオン交換容量は、0.7〜2.3ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、1.1〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が0.7ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が高くなるため、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が2.3ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー(H5)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The ion exchange capacity of the polymer (H5) is preferably 0.7 to 2.3 meq / g dry resin, more preferably 1.1 to 2.0 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is 0.7 meq / g dry resin or more, proton conductivity is increased, so that sufficient battery output can be obtained. If the ion exchange capacity is 2.3 meq / g dry resin or less, it is easy to synthesize a polymer having a high molecular weight, and the polymer (H5) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained. .

(ポリマー(H6))
ポリマー(H6)は、単位(u6)を有する含フッ素ポリマーである。
(Polymer (H6))
The polymer (H6) is a fluorine-containing polymer having units (u6).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

ただし、R31は、炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基または炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する炭素数2〜6のペルフルオロアルキレン基であり、R32〜R35は、それぞれ独立にフッ素原子、炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基、または炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する炭素数2〜6のペルフルオロアルキル基であり、R36は、単結合、炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基または炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する炭素数2〜6のペルフルオロアルキレン基であり、Rf6は、エーテル性の酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、gは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 However, R 31 is perfluoroalkylene group or a C 1 to 6 carbon atoms - a perfluoroalkylene group having 2 to 6 carbon atoms and having an etheric oxygen atom between carbon-carbon bond, R 32 to R 35 are each independently Are a fluorine atom, a C 1-6 perfluoroalkyl group, or a C 2-6 perfluoroalkyl group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon bonds, R 36 is a single bond, carbon number 1 -6 perfluoroalkylene group or a C 2-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon bonds, and R f6 is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom and a, X 6 is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, g is 0 if X 6 is an oxygen atom, X 6 is a nitrogen atom A case 1, X 6 is 2 when carbon atoms, Z + is, H +, is a monovalent metal ion or one or more hydrogen atoms hydrocarbon group as the optionally substituted ammonium ion, . An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(u6):
31のペルフルオロアルレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。ペルフルオロアルレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
Unit (u6):
When the perfluoroarylene group for R 31 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or may be two or more. The perfluoroarylene group may be linear or branched, and is preferably linear.

32〜R35のペルフルオロアルキル基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。 When the perfluoroalkyl group of R 32 to R 35 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The perfluoroalkyl group may be linear or branched, and is preferably linear.

36のペルフルオロアルレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。ペルフルオロアルレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。 When the perfluoroarylene group of R 36 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The perfluoroarylene group may be linear or branched, and is preferably linear.

f6のペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜8が好ましく、1〜6がより好ましい。
−SO(SOf6 としては、−SO 、−SON(SOf6、または−SOC(SOf6 が挙げられる。
1-8 are preferable and, as for carbon number of the perfluoroalkyl group of Rf6 , 1-6 are more preferable.
-SO 2 X 6 (SO 2 R f6) g - as Z + is, -SO 3 - Z +, -SO 2 N (SO 2 R f6) - H + or -SO 2 C (SO 2 R f6 ), 2 - Z + .

単位(u6)としては、単位(u6−1)〜(u6−2)が挙げられる。   Examples of the unit (u6) include units (u6-1) to (u6-2).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

他の単位:
ポリマー(H6)は、さらに、後述する他のモノマーに基づく構成単位を有していてもよい。また、前記単位(u1)、単位(u2)、単位(u3)、単位(u4)およびまたは単位(u5)を有していてもよい。他の単位の割合は、ポリマー(H6)のイオン交換容量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
他の単位としては、ペルフルオロモノマーに基づく構成単位が好ましく、ポリマー(H6)が過度に水で膨潤しない点から、環状構造を有し、かつ陽イオン交換基またはその前駆体基を有さないペルフルオロモノマーに基づく構成単位がより好ましい。
Other units:
The polymer (H6) may further have structural units based on other monomers described later. Further, the unit (u1), the unit (u2), the unit (u3), the unit (u4) and / or the unit (u5) may be included. What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the ion exchange capacity of a polymer (H6) may become the preferable range mentioned later.
As the other unit, a structural unit based on a perfluoromonomer is preferable. From the viewpoint that the polymer (H6) does not swell excessively with water, it has a cyclic structure and does not have a cation exchange group or its precursor group. More preferred are structural units based on monomers.

ポリマー(H6)は、単位(u6)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
ポリマー(H6)としては、化学的な耐久性の点から、ペルフルオロカーボンポリマーが好ましい。
The polymer (H6) may have one each of the unit (u6) and other units, or may have two or more of each.
The polymer (H6) is preferably a perfluorocarbon polymer from the viewpoint of chemical durability.

ポリマー(H6)のイオン交換容量は、0.7〜2.3ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、1.1〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が0.7ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、プロトン伝導性が高くなるため、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が2.3ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマー(H6)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The ion exchange capacity of the polymer (H6) is preferably 0.7 to 2.3 meq / g dry resin, more preferably 1.1 to 2.0 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is 0.7 meq / g dry resin or more, proton conductivity is increased, so that sufficient battery output can be obtained. If the ion exchange capacity is 2.3 meq / g dry resin or less, it is easy to synthesize a polymer having a high molecular weight, and the polymer (H6) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained. .

(含フッ素イオン交換樹脂の製造方法)
含フッ素イオン交換樹脂の製造方法としては、たとえば、下記の工程(I)〜(III)を有する方法が挙げられる。
(I)−SOF(陽イオン交換基の前駆体基)を有する前駆体ポリマー(以下、ポリマー(F)と記す。)を得る工程。
(II)ポリマー(F)を加水分解処理して−SOFを−SO (ただし、Mは、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。)に変換し、塩型のポリマー(H)を得る工程。
(III)必要に応じて、塩型のポリマー(H)を酸型化処理して−SO を−SO に変換し、酸型のポリマー(H)を得る工程。
(Method for producing fluorine-containing ion exchange resin)
As a manufacturing method of a fluorine-containing ion exchange resin, the method which has the following process (I)-(III) is mentioned, for example.
(I) A step of obtaining a precursor polymer (hereinafter referred to as polymer (F)) having —SO 2 F (a precursor group of a cation exchange group).
(II) Polymer (F) was hydrolyzed treated -SO 2 F to -SO 3 - M + (However, M + is a monovalent metal ion or one or more hydrogen atoms is replaced with a hydrocarbon group And a salt-type polymer (H).
(III) A step of converting the —SO 3 M + to —SO 3 H + by acidifying the salt type polymer (H) as necessary to obtain an acid type polymer (H).

(工程(I))
ポリマー(F1)の製造:
前記ポリマー(H1)の前駆体ポリマーであるポリマー(F1)は、モノマー(m1)および必要に応じて他のモノマーを重合することによって得ることができる。
(Process (I))
Production of polymer (F1):
The polymer (F1) which is a precursor polymer of the polymer (H1) can be obtained by polymerizing the monomer (m1) and, if necessary, another monomer.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m1)としては、モノマー(m1−1)〜(m1−4)が好ましい。   As the monomer (m1), monomers (m1-1) to (m1-4) are preferable.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m1)は、たとえば、D.J.Vaugham著,”Du Pont Inovation”,第43巻、第3号,1973年、p.10に記載の方法、米国特許第4358412号明細書の実施例に記載の方法等、公知の合成方法によって製造できる。   The monomer (m1) is, for example, D.I. J. et al. Vauham, “Du Pont Innovation”, Vol. 43, No. 3, 1973, p. 10 and the method described in the examples of US Pat. No. 4,358,412 can be used for the production by known synthetic methods.

他のモノマーとしては、たとえば、TFE、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレンン、ペルフルオロα−オレフィン類(ヘキサフルオロプロピレン等)、(ペルフルオロアルキル)エチレン類((ペルフルオロブチル)エチレン等)、(ペルフルオロアルキル)プロペン類(3−ペルフルオロオクチル−1−プロペン等)、ペルフルオロビニルエーテル類(ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エーテル性酸素原子含有アルキルビニルエーテル等)、環状構造を有し、かつ陽イオン交換基またはその前駆体基を有さないペルフルオロモノマー、陽イオン交換基またはその前駆体基を有さず、重合と同時に環状構造を形成し得る環化重合性ペルフルオロモノマー等が挙げられる。   Examples of other monomers include TFE, chlorotrifluoroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride, vinyl fluoride, ethylene, propylene, perfluoro α-olefins (such as hexafluoropropylene), and (perfluoroalkyl) ethylenes. ((Perfluorobutyl) ethylene, etc.), (perfluoroalkyl) propenes (3-perfluorooctyl-1-propene, etc.), perfluorovinyl ethers (perfluoro (alkyl vinyl ether), perfluoro (etheric oxygen atom-containing alkyl vinyl ether, etc.), cyclic A perfluoromonomer having a structure and not having a cation exchange group or its precursor group, a cyclization polymerizable perfume having no cation exchange group or its precursor group and capable of forming a cyclic structure simultaneously with polymerization Oromonoma, and the like.

重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。また、液体または超臨界の二酸化炭素中にて重合を行ってもよい。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、ラジカル開始剤を添加する方法等が挙げられる。
Examples of the polymerization method include known polymerization methods such as a bulk polymerization method, a solution polymerization method, a suspension polymerization method, and an emulsion polymerization method. Moreover, you may superpose | polymerize in a liquid or supercritical carbon dioxide.
Polymerization is performed under conditions where radicals occur. Examples of the method for generating radicals include a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, and electron beams, a method of adding a radical initiator, and the like.

ポリマー(F2)の製造:
前記ポリマー(H2)の前駆体ポリマーであるポリマー(F2)は、モノマー(m2)および必要に応じて他のモノマーを重合することによって得ることができる。
Production of polymer (F2):
The polymer (F2) which is a precursor polymer of the polymer (H2) can be obtained by polymerizing the monomer (m2) and, if necessary, another monomer.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m2)としては、モノマー(m2−1)〜(m2−3)が好ましい。   As the monomer (m2), monomers (m2-1) to (m2-3) are preferable.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m2)は、たとえば、国際公開第2007/013533号に記載の方法等、公知の合成方法によって製造できる。   The monomer (m2) can be produced by a known synthesis method such as the method described in International Publication No. 2007/013533.

他のモノマーとしては、たとえば、ポリマー(F1)の製造方法で例示したモノマーが挙げられる。
重合法としては、ポリマー(F1)の製造方法における重合法と同様の方法が挙げられる。
As another monomer, the monomer illustrated by the manufacturing method of a polymer (F1) is mentioned, for example.
Examples of the polymerization method include the same methods as the polymerization method in the method for producing the polymer (F1).

ポリマー(F3)の製造:
前記ポリマー(F3)の前駆体ポリマーであるポリマー(F3)は、たとえば、下記の工程を経て製造できる。
(i)ポリマー(F)の−SOFを−SONHに変換し、ポリマー(G)を得る工程。
(ii)ポリマー(G)にFSO(CFSOFを反応させ、−SONHを−SO(H)SO(CFSOFに変換し、ポリマー(F3)を得る工程。
Production of polymer (F3):
The polymer (F3) which is a precursor polymer of the polymer (F3) can be produced, for example, through the following steps.
(I) A step of converting the —SO 2 F of the polymer (F) to —SO 2 NH 2 to obtain a polymer (G).
(Ii) FSO 2 (CF 2 ) the polymer (G) is reacted with d SO 2 F, a -SO 2 NH 2 -SO 2 N - converting (H +) SO 2 (CF 2) to d SO 2 F And obtaining the polymer (F3).

工程(i):
ポリマー(F)としては、たとえば、前記ポリマー(F1)が挙げられる。
−SOFを−SONHに変換する方法としては、ポリマー(F)にアンモニアを接触させる方法が挙げられる。
ポリマー(F)にアンモニアを接触させる方法としては、たとえば、ポリマー(F)にアンモニアを直接接触させる方法、ポリマー(F)を溶解したポリマー溶液にアンモニアを吹き込んでバブリングする方法、ポリマー(F)を溶媒に膨潤させた状態でアンモニアと接触させる方法等が挙げられる。
Step (i):
Examples of the polymer (F) include the polymer (F1).
Examples of the method for converting —SO 2 F into —SO 2 NH 2 include a method in which ammonia is brought into contact with the polymer (F).
Examples of a method for bringing ammonia into contact with the polymer (F) include a method in which ammonia is brought into direct contact with the polymer (F), a method in which ammonia is blown into a polymer solution in which the polymer (F) is dissolved, and a method in which the polymer (F) is used. The method etc. which are made to contact ammonia in the state swollen in the solvent are mentioned.

工程(ii):
FSO(CFSOFは、公知の方法で合成できる。合成方法としては、dが2の場合、たとえば、下記の方法が挙げられる。
・TFEとヨウ素の付加体である、ICFCFIを出発物質とし、公知の方法でNaSOCFCFSONaに変換した後、ClSOCFCFSOClとし、最後にFSOCFCFSOFに変換する方法。
・TFEと無水硫酸を反応させることによってテトラフルオロエタンサルトンとし、これを開環した後、加水分解することによってFSOCFCOOHとし、さらにコルベ電解によりカップリングして合成する方法(特開2010−095470号公報)。
Step (ii):
FSO 2 (CF 2 ) d SO 2 F can be synthesized by a known method. As a synthesis method, when d is 2, for example, the following method may be mentioned.
ICF 2 CF 2 I, which is an adduct of TFE and iodine, is converted into NaSO 2 CF 2 CF 2 SO 2 Na by a known method, and then converted to ClSO 2 CF 2 CF 2 SO 2 Cl. To FSO 2 CF 2 CF 2 SO 2 F.
A method of synthesizing tetrafluoroethane sultone by reacting TFE with anhydrous sulfuric acid, opening the ring, and then hydrolyzing to FSO 2 CF 2 COOH, and further coupling by Kolbe electrolysis 2010-095470).

工程(ii)においては、非プロトン性極性溶媒中でポリマー(F)を膨潤または溶解し、FSO(CFSOFと反応させることが好ましい。
非プロトン性極性溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル2イミダゾリジノン、N−メチル2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等が挙げられる。
In the step (ii), it is preferable to swell or dissolve the polymer (F) in an aprotic polar solvent and to react with FSO 2 (CF 2 ) d SO 2 F.
Examples of the aprotic polar solvent include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, acetonitrile, Tetrahydrofuran, 1,4-dioxane and the like can be mentioned.

ポリマー(F)にFSO(CFSOFを反応させる際に、反応促進剤を用いることも好ましい。反応促進剤としては、3級有機アミンが好ましい。
工程(ii)においては、FSO(CFSOFの加水分解を抑制するために湿分を混入させないことが好ましい。
It is also preferable to use a reaction accelerator when FSO 2 (CF 2 ) d SO 2 F is reacted with the polymer (F). As the reaction accelerator, a tertiary organic amine is preferable.
In the step (ii), it is preferable not to mix moisture in order to suppress hydrolysis of FSO 2 (CF 2 ) d SO 2 F.

ポリマー(F4)の製造:
前記ポリマー(H4)の前駆体ポリマーであるポリマー(F4)は、モノマー(m4)および必要に応じて他のモノマーを重合することによって得ることができる。
Production of polymer (F4):
The polymer (F4) which is a precursor polymer of the polymer (H4) can be obtained by polymerizing the monomer (m4) and, if necessary, another monomer.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m4)としては、モノマー(m4−1)〜(m4−4)が挙げられ、合成が容易である点および重合反応性が高い点から、モノマー(m4−1)が好ましい。   Examples of the monomer (m4) include monomers (m4-1) to (m4-4), and the monomer (m4-1) is preferable from the viewpoint of easy synthesis and high polymerization reactivity.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m4)は、国際公開第2003/037885号、特開2005−314388号公報、特開2009−040909号公報等に記載された方法によって合成できる。   The monomer (m4) can be synthesized by a method described in International Publication No. 2003/037885, JP-A-2005-314388, JP-A-2009-040909, and the like.

他のモノマーとしては、たとえば、ポリマー(F1)の製造方法で例示したモノマーが挙げられる。
重合法としては、ポリマー(F1)の製造方法における重合法と同様の方法が挙げられる。
As another monomer, the monomer illustrated by the manufacturing method of a polymer (F1) is mentioned, for example.
Examples of the polymerization method include the same methods as the polymerization method in the method for producing the polymer (F1).

ポリマー(F5)の製造:
前記ポリマー(H5)の前駆体ポリマーであるポリマー(F5)は、モノマー(m5)および必要に応じて他のモノマーを重合することによって得ることができる。
Production of polymer (F5):
The polymer (F5) which is a precursor polymer of the polymer (H5) can be obtained by polymerizing the monomer (m5) and, if necessary, another monomer.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m5)としては、モノマー(m5−1)〜(m5−2)が挙げられる。   Examples of the monomer (m5) include monomers (m5-1) to (m5-2).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m5)は、特開2006−152249号公報等に記載された方法によって合成できる。   The monomer (m5) can be synthesized by the method described in JP-A No. 2006-152249.

他のモノマーとしては、たとえば、ポリマー(F1)の製造方法で例示したモノマーが挙げられる。
重合法としては、ポリマー(F1)の製造方法における重合法と同様の方法が挙げられる。
As another monomer, the monomer illustrated by the manufacturing method of a polymer (F1) is mentioned, for example.
Examples of the polymerization method include the same methods as the polymerization method in the method for producing the polymer (F1).

ポリマー(F6)の製造:
前記ポリマー(H6)の前駆体ポリマーであるポリマー(F6)は、モノマー(m6)および必要に応じて他のモノマーを重合することによって得ることができる。
Production of polymer (F6):
The polymer (F6) which is a precursor polymer of the polymer (H6) can be obtained by polymerizing the monomer (m6) and, if necessary, another monomer.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m6)としては、モノマー(m6−1)〜(m6−2)が挙げられる。   Examples of the monomer (m6) include monomers (m6-1) to (m6-2).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

モノマー(m6)は、特開2006−241302号公報等に記載された方法によって合成できる。   The monomer (m6) can be synthesized by a method described in JP-A-2006-241302.

他のモノマーとしては、たとえば、ポリマー(F1)の製造方法で例示したモノマーが挙げられる。
重合法としては、ポリマー(F1)の製造方法における重合法と同様の方法が挙げられる。
As another monomer, the monomer illustrated by the manufacturing method of a polymer (F1) is mentioned, for example.
Examples of the polymerization method include the same methods as the polymerization method in the method for producing the polymer (F1).

ポリマー(F)のフッ素化処理:
必要に応じて、ポリマー(F)とフッ素ガスとを接触させ、ポリマー(F)の不安定末端基をフッ素化してもよい。
不安定末端基とは、連鎖移動反応によって形成される基、ラジカル開始剤に基づく基等であり、具体的には、−C(O)OH、−CF=CF、−C(O)F、−CFH等である。不安定末端基をフッ素化または安定化することにより、最終的に得られるポリマー(H)の分解が抑えられ、耐久性が向上する。
Fluorination treatment of polymer (F):
If necessary, the unstable terminal group of the polymer (F) may be fluorinated by bringing the polymer (F) and fluorine gas into contact with each other.
The unstable terminal group is a group formed by a chain transfer reaction, a group based on a radical initiator, and the like, specifically, —C (O) OH, —CF═CF 2 , —C (O) F. a -CF 2 H and the like. By fluorinating or stabilizing the unstable terminal group, decomposition of the finally obtained polymer (H) is suppressed, and durability is improved.

フッ素ガスは、窒素、ヘリウム、二酸化炭素等の不活性ガスで希釈して用いてもよく、希釈せずにそのまま用いてもよい。
ポリマー(F)のとフッ素ガスとを接触させる際の温度は、室温〜300℃が好ましく、50〜250℃がより好ましく、100〜220℃がさらに好ましく、150〜200℃が特に好ましい。
ポリマー(F)とフッ素ガスとの接触時間は、1分〜1週間が好ましく、1〜50時間がより好ましい。
The fluorine gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, helium or carbon dioxide, or may be used as it is without being diluted.
The temperature at which the polymer (F) is brought into contact with the fluorine gas is preferably from room temperature to 300 ° C, more preferably from 50 to 250 ° C, further preferably from 100 to 220 ° C, particularly preferably from 150 to 200 ° C.
The contact time between the polymer (F) and the fluorine gas is preferably 1 minute to 1 week, and more preferably 1 to 50 hours.

(工程(II))
ポリマー(F)の−SOFを加水分解して−SO とし、塩型のポリマー(H)を得る。なお、ポリマー(F3)の場合は、−SO(H)SO(CFSOFが−SO(M)SO(CFSO に変換される。
(Process (II))
The -SO 2 F of the polymer (F) by hydrolyzing -SO 3 - and M +, obtaining the salt form of the polymer (H). In the case of the polymer (F3), -SO 2 N - (H +) SO 2 (CF 2) d SO 2 F is -SO 2 N - (M +) SO 2 (CF 2) 2 SO 3 - M Converted to + .

加水分解処理は、たとえば、溶媒中にてポリマー(F)と塩基性化合物とを接触させて行う。具体的には、ポリマー(F)を、塩基性化合物の溶液に撹拌等によって分散させることによって加水分解処理することが好ましい。   The hydrolysis treatment is performed, for example, by bringing the polymer (F) and the basic compound into contact in a solvent. Specifically, it is preferable to hydrolyze the polymer (F) by dispersing it in a solution of the basic compound by stirring or the like.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。
溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類(メタノール、エタノール等)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
Examples of the basic compound include sodium hydroxide and potassium hydroxide.
Examples of the solvent include water, a mixed solvent of water and a polar solvent, and the like. Examples of the polar solvent include alcohols (methanol, ethanol, etc.), dimethyl sulfoxide and the like.

塩基性化合物の濃度は、塩基性化合物の溶液中、25〜40質量%が好ましい。
加水分解処理の温度は、80〜95℃が好ましい。
加水分解処理の時間は、10〜20時間が好ましい。
The concentration of the basic compound is preferably 25 to 40% by mass in the basic compound solution.
The temperature for the hydrolysis treatment is preferably 80 to 95 ° C.
The time for the hydrolysis treatment is preferably 10 to 20 hours.

(工程(III))
塩型のポリマー(H)の−SO を酸型化して−SO とし、酸型のポリマー(H)を得る。なお、塩型のポリマー(H3)の場合は、−SO(M)SO(CFSO が−SO(H)SO(CFSO に変換される。
酸型化処理は、たとえば、塩型のポリマー(H)を、酸(硫酸、塩酸、硝酸等)の水溶液に接触させて行う。具体的には、塩型のポリマー(H)を、酸の水溶液に撹拌等によって分散させることによって酸型化処理することが好ましい。
(Step (III))
-SO 3 salt forms of the polymer (H) - and acid form an M + -SO 3 - and H +, to obtain the acid form of the polymer (H). In the case of a salt form of the polymer (H3), -SO 2 N - (M +) SO 2 (CF 2) d SO 3 - M + is -SO 2 N - (H +) SO 2 (CF 2) Converted to 2 SO 3 H + .
The acidification treatment is performed, for example, by bringing the salt type polymer (H) into contact with an aqueous solution of an acid (sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, etc.). Specifically, it is preferable to perform the acidification treatment by dispersing the salt-type polymer (H) in an aqueous acid solution by stirring or the like.

酸の水溶液における酸の濃度は、2〜3Nが好ましい。
酸型化処理の温度は、80〜90℃が好ましい。
酸型化処理の時間は、4〜7時間が好ましい。
The concentration of the acid in the acid aqueous solution is preferably 2 to 3N.
The temperature for the acidification treatment is preferably 80 to 90 ° C.
The time for the acidification treatment is preferably 4 to 7 hours.

(他の態様)
ポリマー(H)の陽イオン交換基が−SON(SO(ただし、Rは、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基である。)の場合、加水分解処理の代わりに公知のイミド化処理を行えばよい。
(Other aspects)
Polymer cation exchange group (H) is -SO 2 N (SO 2 R f ) - Z + (. However, R f, is etheric perfluoroalkyl group which may have an oxygen atom) of In this case, a known imidization treatment may be performed instead of the hydrolysis treatment.

イミド化処理としては、たとえば、下記の方法が挙げられる。
・−SOFと、RSONHMとを反応させる方法。
・アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、MF、アンモニアまたは1〜3級アミンの存在下で、−SOFと、RSONHとを反応させる方法。
・−SOFと、RSONMSi(CHとを反応させる方法。
Examples of the imidization treatment include the following methods.
- and -SO 2 F, a method of reacting the R f SO 2 NHM.
A method of reacting —SO 2 F and R f SO 2 NH 2 in the presence of an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate, MF, ammonia, or a primary to tertiary amine.
- and -SO 2 F, a method of reacting the R f SO 2 NMSi (CH 3 ) 3.

<固体高分子形燃料電池>
本発明の膜電極接合体の両面に、ガスの流路となる溝が形成されたセパレータを配置することにより、本発明の固体高分子形燃料電池が得られる。
セパレータとしては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂を混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
該固体高分子形燃料電池においては、カソードに酸素を含むガス、アノードに水素を含むガスを供給することにより、発電が行われる。また、アノードにメタノールを供給して発電を行うメタノール燃料電池にも、膜電極接合体を適用できる。
<Solid polymer fuel cell>
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be obtained by disposing separators in which grooves serving as gas flow paths are formed on both surfaces of the membrane electrode assembly of the present invention.
Examples of the separator include a separator made of various conductive materials such as a metal separator, a carbon separator, and a separator made of a material in which graphite and a resin are mixed.
In the polymer electrolyte fuel cell, power is generated by supplying a gas containing oxygen to the cathode and a gas containing hydrogen to the anode. The membrane electrode assembly can also be applied to a methanol fuel cell that generates power by supplying methanol to the anode.

以上説明した本発明の固体高分子形燃料電池にあっては、内部抵抗が低く抑えられた膜電極接合体を備えているため、発電特性が良好である。また、水素リーク量が抑えられた膜電極接合体を備えているため、発電効率が高い。また、機械的強度が高い膜電極接合体を備えているため、耐久性が高い。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention described above has good power generation characteristics because it includes a membrane electrode assembly with low internal resistance. Moreover, since the membrane electrode assembly in which the amount of hydrogen leakage is suppressed is provided, the power generation efficiency is high. Moreover, since the membrane electrode assembly with high mechanical strength is provided, durability is high.

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
例1〜5、8、9は実施例であり、例6、7、10は比較例である。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Examples 1 to 5, 8, and 9 are examples, and examples 6, 7, and 10 are comparative examples.

(運転初期のセル電圧および内部抵抗)
膜電極接合体を発電用セルに組み込み、水素(利用率70%)および空気(利用率50%)を、それぞれアノードおよびカソードに常圧にて供給し、セル温度80℃にて電流密度1.0A/cmにおける運転初期のセル電圧および電流遮断法による内部抵抗を測定した。なお、アノード側には露点80℃の水素を供給し、カソード側は露点80℃の空気をそれぞれ供給した(セル内の相対湿度:100%RH)。
(Cell voltage and internal resistance at the beginning of operation)
The membrane electrode assembly is incorporated in a power generation cell, hydrogen (utilization rate 70%) and air (utilization rate 50%) are supplied to the anode and cathode, respectively, at normal pressure, and a current density of 1. The cell voltage at the initial stage of operation at 0 A / cm 2 and the internal resistance by the current interruption method were measured. Note that hydrogen having a dew point of 80 ° C. was supplied to the anode side, and air having a dew point of 80 ° C. was supplied to the cathode side (relative humidity in the cell: 100% RH).

(水素リーク量)
ついで、カソード側に供給していた空気を窒素に変更し、カソード電位を0.07〜0.5Vまで0.5mV/秒の速さで変化させるリニアスイープボルタンメトリー法によって固体高分子電解質膜を透過する水素リーク量を電流量として測定した。
(Hydrogen leak amount)
Next, the air supplied to the cathode side is changed to nitrogen, and the solid polymer electrolyte membrane is permeated by the linear sweep voltammetry method in which the cathode potential is changed from 0.07 to 0.5 V at a rate of 0.5 mV / second. The amount of leaked hydrogen was measured as the amount of current.

(TQ値)
TQ値(単位:℃)は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm/秒となる温度である。
TQ値は、フローテスタCFT−500A(島津製作所社製)を用いて、温度を変えてポリマーの押出し量を測定し、押出し量が100mm/秒となる温度を測定することで求めた。
(TQ value)
The TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer. The extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm. The temperature is 3 / sec.
The TQ value was obtained by using a flow tester CFT-500A (manufactured by Shimadzu Corporation) to measure the extrusion amount of the polymer by changing the temperature and measuring the temperature at which the extrusion amount becomes 100 mm 3 / sec.

(イオン交換容量)
ポリカーボネート製の容器に、酸型のポリマー(H)の0.7g、0.35Nの水酸化ナトリウム水溶液の10mLを加え、60℃で40時間静置することによって、ポリマー(H)の−SO を完全に−SO Naに変換した。該溶液を0.1Nの塩酸で逆滴定し、溶液中の水酸化ナトリウムの量を求めることによって、ポリマー(H)のイオン交換容量を算出した。
(Ion exchange capacity)
To a container made of polycarbonate, 0.7 g of the acid type polymer (H) and 10 mL of a 0.35N aqueous sodium hydroxide solution were added, and the mixture was allowed to stand at 60 ° C. for 40 hours, whereby —SO 3 of the polymer (H). - the H + completely -SO 3 - was converted to Na +. The ion exchange capacity of the polymer (H) was calculated by back titrating the solution with 0.1N hydrochloric acid and determining the amount of sodium hydroxide in the solution.

(ラジカル開始剤)
化合物(AP1):下式で表される化合物(和光純薬工業社製、V−601)。
(Radical initiator)
Compound (AP1): A compound represented by the following formula (Wako Pure Chemical Industries, V-601).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

化合物(AP2):下式で表される化合物(アゾビスイソブチロニトリル)。   Compound (AP2): A compound represented by the following formula (azobisisobutyronitrile).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

(含フッ素溶媒)
化合物(BS1):C13H、
化合物(BS2):CFCHOCFCFH、
化合物(BS3):CClFCFCHClF、
化合物(BS4):CHCClF。
(Fluorine-containing solvent)
Compound (BS1): C 6 F 13 H,
Compound (BS2): CF 3 CH 2 OCF 2 CF 2 H,
Compound (BS3): CClF 2 CF 2 CHClF,
Compound (BS4): CH 3 CCl 2 F.

(含フッ素モノマー)
化合物(C):下式で表されるモノマー(m1−1)。
(Fluorine-containing monomer)
Compound (C): Monomer (m1-1) represented by the following formula.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

TFE:下式で表される化合物(テトラフルオロエチレン)。   TFE: a compound represented by the following formula (tetrafluoroethylene).

Figure 0006468475
Figure 0006468475

(ポリマー(H1−1))
内容積230mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(C)の170gを仕込み、液体窒素を用いて凍結脱気した。65℃に昇温した後、窒素を0.205MPa導入した。圧力が変化しないことを確認した後、TFEを導入し、全圧を1.275MPaGとした。化合物(BS3)に溶解した化合物(AP2)の5.0質量%溶液の1.04gを窒素で加圧添加した後、化合物(BS1)の2.26gで添加ラインを洗浄した。温度と圧力を一定に保持しながら、TFEを連続的に供給した。重合開始から8時間後にオートクレーブを冷却して重合反応を停止した。
オートクレーブから抜き出した生成物を化合物(BS3)で希釈し、これを化合物(BS4)に添加し、ポリマーを凝集させた後、濾過した。化合物(BS4)中でポリマーの撹拌、濾過を繰り返してポリマーを洗浄し、80℃で一晩減圧乾燥した。得られたポリマーのTQは234℃であった。さらに得られたポリマーを、メタノールの20質量%および水酸化カリウムの15質量%を含む80℃の水溶液に40時間浸漬させることにより、ポリマー中の−SOF基を加水分解し、−SOK基に変換した。ついで、該ポリマーを、3モル/Lの75℃の塩酸水溶液に2時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに4回繰り返し、ポリマー中の−SOK基がスルホン酸基に変換されたポリマー(H1−1)を得た。ポリマー(H1−1)を超純水で充分に水洗した。この操作を繰り返し、ポリマー(H1−1)をおよそ300g得た。イオン交換容量は1.241ミリ当量/g乾燥樹脂であった。
(Polymer (H1-1))
A stainless steel autoclave having an internal volume of 230 mL was charged with 170 g of the compound (C), and freeze-deaerated using liquid nitrogen. After raising the temperature to 65 ° C., 0.205 MPa of nitrogen was introduced. After confirming that the pressure did not change, TFE was introduced and the total pressure was 1.275 MPaG. After 1.04 g of a 5.0 mass% solution of the compound (AP2) dissolved in the compound (BS3) was added under pressure with nitrogen, the addition line was washed with 2.26 g of the compound (BS1). TFE was continuously supplied while keeping the temperature and pressure constant. After 8 hours from the start of polymerization, the autoclave was cooled to stop the polymerization reaction.
The product extracted from the autoclave was diluted with the compound (BS3), added to the compound (BS4), aggregated the polymer, and then filtered. The polymer was washed by repeatedly stirring and filtering the polymer in the compound (BS4), and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The obtained polymer TQ was 234 ° C. Furthermore, the obtained polymer was immersed in an 80 ° C. aqueous solution containing 20% by mass of methanol and 15% by mass of potassium hydroxide for 40 hours to hydrolyze the —SO 2 F group in the polymer, and —SO 3 Converted to group K. Subsequently, the polymer was immersed in a 3 mol / L aqueous hydrochloric acid solution at 75 ° C. for 2 hours. The hydrochloric acid aqueous solution was replaced, and the same treatment was further repeated 4 times to obtain a polymer (H1-1) in which —SO 3 K groups in the polymer were converted to sulfonic acid groups. The polymer (H1-1) was thoroughly washed with ultrapure water. This operation was repeated to obtain about 300 g of polymer (H1-1). The ion exchange capacity was 1.241 meq / g dry resin.

(イオン交換樹脂液(AA1))
内容積2Lのハステロイ製オートクレーブを用いて、420gのエタノールと280gの超純水を入れ、ダブルヘリカルリボン翼を用いて100rpmで撹拌しながら、ポリマー(H1−1)の272gを添加した。10分程度で直ちにポリマーの膨潤により粘度が上昇したため、一旦6rpmまで回転数を下げながら撹拌を続け、およそ80分で105℃まで加温して温度を保持した。加温の過程で粘度が徐々に低下していくのに伴い、撹拌速度を毎分10rpm程度で徐々に上げていき、最終的に150rpmまで回転数を上げて、その回転数と温度を保持し、6時間撹拌した。その後、その回転数を保持しながら、およそ60分で25℃まで冷却し、イオン交換樹脂液(AA1)を得た。イオン交換樹脂液(AA1)の固形分濃度は28質量%であった。また、E型粘度計を用いて、25℃におけるずり速度10s−1におけるイオン交換樹脂液(AA1)の粘度を測定したところ、190mPa・sであった。
(Ion exchange resin liquid (AA1))
Using an Hastelloy autoclave with an internal volume of 2 L, 420 g of ethanol and 280 g of ultrapure water were added, and 272 g of polymer (H1-1) was added while stirring at 100 rpm using a double helical ribbon blade. Since the viscosity immediately increased due to swelling of the polymer in about 10 minutes, the stirring was continued while the rotational speed was once decreased to 6 rpm, and the temperature was maintained by heating to 105 ° C. in about 80 minutes. As the viscosity gradually decreases during the heating process, the stirring speed is gradually increased at about 10 rpm, and finally the rotational speed is increased to 150 rpm to maintain the rotational speed and temperature. And stirred for 6 hours. Then, it cooled to 25 degreeC in about 60 minutes, hold | maintaining the rotation speed, and obtained the ion exchange resin liquid (AA1). The solid content concentration of the ion exchange resin liquid (AA1) was 28% by mass. Further, by using the E type viscometer was measured the viscosity of the ion exchange resin solution at a shear rate of 10s -1 at 25 ° C. (AA1), was 190 mPa · s.

(イオン交換樹脂液(AA2))
300mLのガラス製丸底フラスコに、イオン交換樹脂液(AA1)の100gと、炭酸セリウム水和物(Ce(CO・8HO)の0.21gとを仕込み、PTFE製半月板翼にて、室温で8時間撹拌した。撹拌開始よりCO発生による気泡が発生したが、最終的には均一な透明のイオン交換樹脂液(AA2)を得た。E型粘度計を用いて、25℃におけるずり速度10s−1におけるイオン交換樹脂液(AA2)の粘度を測定したところ、195mPa・sであった。
イオン交換樹脂液(AA2)をETFEフィルム(旭硝子社製、アフレックス100N、厚さ:100μm)上に、ダイコータにてキャスト塗工し、80℃で10分予備乾燥した後、120℃で10分乾燥し、さらに150℃、30分のアニールを施し、膜厚50μmの固体高分子電解質膜を得た。
固体高分子電解質膜から、5cm×5cmの大きさの膜を切り出し、乾燥窒素中で16時間放置した後、質量を精秤し0.1規定のHCl水溶液中に含浸して、セリウムイオンを完全に抽出した液を得た。この液を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析にて測定することで、固体高分子電解質膜中のセリウムを定量したところ、セリウム量は膜の質量に対して0.35質量%であった。
(Ion exchange resin liquid (AA2))
A 300 mL glass round bottom flask was charged with 100 g of the ion exchange resin liquid (AA1) and 0.21 g of cerium carbonate hydrate (Ce 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O), and PTFE meniscus The mixture was stirred with a wing at room temperature for 8 hours. Bubbles were generated due to the generation of CO 2 from the start of stirring, but finally a uniform transparent ion exchange resin liquid (AA2) was obtained. Using an E-type viscometer, the viscosity of the ion exchange resin liquid (AA2) at a shear rate of 10 s −1 at 25 ° C. was measured to be 195 mPa · s.
The ion exchange resin liquid (AA2) was cast on a ETFE film (Asahi Glass Co., Aflex 100N, thickness: 100 μm) with a die coater, pre-dried at 80 ° C. for 10 minutes, and then at 120 ° C. for 10 minutes. The film was dried and further annealed at 150 ° C. for 30 minutes to obtain a solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.
Cut out a 5cm x 5cm size membrane from the solid polymer electrolyte membrane, leave it in dry nitrogen for 16 hours, then weigh the mass precisely and impregnate it in 0.1N HCl aqueous solution to completely cerium ions A liquid extracted was obtained. When this liquid was measured by inductively coupled plasma (ICP) emission analysis to quantify cerium in the solid polymer electrolyte membrane, the amount of cerium was 0.35% by mass with respect to the mass of the membrane.

(ポリマー(H1−2))
内容積230mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(C)の170gを仕込み、液体窒素を用いて凍結脱気した。65℃に昇温した後、窒素を0.212MPa導入した。圧力が変化しないことを確認した後、TFEを導入し、全圧を1.312MPaGとした。化合物(BS1)に溶解した化合物(AP1)の1.0質量%溶液の2.65gを窒素で加圧添加した後、化合物(BS1)の2.35gで添加ラインを洗浄した。温度と圧力を一定に保持しながら、TFEを連続的に供給した。重合開始から7時間後にオートクレーブを冷却して重合反応を停止した。
オートクレーブから抜き出した生成物を化合物(BS1)で希釈し、これを化合物(BS2)に添加し、ポリマーを凝集させた後、濾過した。化合物(BS2)中でポリマーの撹拌、濾過を繰り返してポリマーを洗浄し、80℃で一晩減圧乾燥した。得られたポリマーのTQは227℃であった。さらに得られたポリマーを、メタノールの20質量%および水酸化カリウムの15質量%を含む80℃の水溶液に40時間浸漬させることにより、ポリマー中の−SOF基を加水分解し、−SOK基に変換した。ついで、該ポリマーを、3モル/Lの75℃の塩酸水溶液に2時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに4回繰り返し、ポリマー中の−SOK基がスルホン酸基に変換されたポリマー(H1−2)を得た。ポリマー(H1−2)を超純水で充分に水洗した。この操作を繰り返し、ポリマー(H1−2)をおよそ300g得た。イオン交換容量は1.250ミリ当量/g乾燥樹脂であった。
(Polymer (H1-2))
A stainless steel autoclave having an internal volume of 230 mL was charged with 170 g of the compound (C), and freeze-deaerated using liquid nitrogen. After raising the temperature to 65 ° C., 0.212 MPa of nitrogen was introduced. After confirming that the pressure did not change, TFE was introduced and the total pressure was 1.312 MPaG. After 2.65 g of a 1.0 mass% solution of compound (AP1) dissolved in compound (BS1) was added under pressure with nitrogen, the addition line was washed with 2.35 g of compound (BS1). TFE was continuously supplied while keeping the temperature and pressure constant. Seven hours after the start of polymerization, the autoclave was cooled to stop the polymerization reaction.
The product extracted from the autoclave was diluted with the compound (BS1), added to the compound (BS2), aggregated the polymer, and then filtered. The polymer was washed by repeating stirring and filtration of the polymer in the compound (BS2), and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The obtained polymer TQ was 227 ° C. Furthermore, the obtained polymer was immersed in an 80 ° C. aqueous solution containing 20% by mass of methanol and 15% by mass of potassium hydroxide for 40 hours to hydrolyze the —SO 2 F group in the polymer, and —SO 3 Converted to group K. Subsequently, the polymer was immersed in a 3 mol / L aqueous hydrochloric acid solution at 75 ° C. for 2 hours. The hydrochloric acid aqueous solution was exchanged, and the same treatment was repeated four more times to obtain a polymer (H1-2) in which —SO 3 K groups in the polymer were converted to sulfonic acid groups. The polymer (H1-2) was sufficiently washed with ultrapure water. This operation was repeated to obtain about 300 g of polymer (H1-2). The ion exchange capacity was 1.250 meq / g dry resin.

(イオン交換樹脂液(AV1))
ポリマー(H1−1)の代わりにポリマー(H1−2)を用いたこと以外は、イオン交換樹脂液(AA1)を得た方法と同様にして、イオン交換樹脂液(AV1)を得た。
(Ion exchange resin liquid (AV1))
An ion exchange resin liquid (AV1) was obtained in the same manner as the method for obtaining the ion exchange resin liquid (AA1) except that the polymer (H1-2) was used instead of the polymer (H1-1).

(イオン交換樹脂液(AV2))
イオン交換樹脂液(AA1)の代わりにイオン交換樹脂液(AV1)を用いたこと以外は、イオン交換樹脂液(AA2)を得た方法と同様にして、イオン交換樹脂液(AV2)を得た。
(Ion exchange resin liquid (AV2))
An ion exchange resin liquid (AV2) was obtained in the same manner as the method for obtaining the ion exchange resin liquid (AA2) except that the ion exchange resin liquid (AV1) was used instead of the ion exchange resin liquid (AA1). .

(ポリマー(H1−3))
内容積2575mLのステンレス製オートクレーブに、氷水で冷却しながら減圧下で化合物(C)の1959gを仕込み脱気した。溶媒として化合物(BS1)の23.34gを仕込んだ。57℃に昇温した後、窒素を0.109MPa導入した。圧力が変化しないことを確認した後、TFEを導入し、全圧を0.809MPaGとした。化合物(BS1)に溶解した化合物(AP1)の3.23質量%溶液の5.95gを窒素で加圧添加した後、化合物(BS1)の4.00gで添加ラインを洗浄した。温度と圧力を一定に保持しながら、TFEを連続的に供給した。重合開始から14時間後にオートクレーブを冷却して重合反応を停止した。
オートクレーブから抜き出した生成物を化合物(BS1)で希釈し、これを化合物(BS2)に添加し、ポリマーを凝集させた後、濾過した。化合物(BS2)中でポリマーの撹拌、濾過を繰り返してポリマーを洗浄し、50℃で一晩減圧乾燥した。得られたポリマーのTQは220℃であった。さらに得られたポリマーを、メタノールの20質量%および水酸化カリウムの15質量%を含む80℃の水溶液に40時間浸漬させることにより、ポリマー中の−SOF基を加水分解し、−SOK基に変換した。ついで、該ポリマーを、3モル/Lの75℃の塩酸水溶液に2時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに4回繰り返し、ポリマー中の−SOK基がスルホン酸基に変換されたポリマー(H1−3)を得た。ポリマー(H1−3)を超純水で充分に水洗した。この操作を繰り返し、ポリマー(H1−3)をおよそ300g得た。イオン交換容量は1.413ミリ当量/g乾燥樹脂であった。
(Polymer (H1-3))
In a stainless steel autoclave with an internal volume of 2575 mL, 1959 g of the compound (C) was charged and degassed under reduced pressure while cooling with ice water. As a solvent, 23.34 g of the compound (BS1) was charged. After raising the temperature to 57 ° C., 0.109 MPa of nitrogen was introduced. After confirming that the pressure did not change, TFE was introduced and the total pressure was set to 0.809 MPaG. After adding 5.95 g of a 3.23 mass% solution of compound (AP1) dissolved in compound (BS1) under pressure with nitrogen, the addition line was washed with 4.00 g of compound (BS1). TFE was continuously supplied while keeping the temperature and pressure constant. After 14 hours from the start of polymerization, the autoclave was cooled to stop the polymerization reaction.
The product extracted from the autoclave was diluted with the compound (BS1), added to the compound (BS2), aggregated the polymer, and then filtered. The polymer was washed by repeating stirring and filtration of the polymer in the compound (BS2), and dried under reduced pressure at 50 ° C. overnight. The resulting polymer had a TQ of 220 ° C. Furthermore, the obtained polymer was immersed in an 80 ° C. aqueous solution containing 20% by mass of methanol and 15% by mass of potassium hydroxide for 40 hours to hydrolyze the —SO 2 F group in the polymer, and —SO 3 Converted to group K. Subsequently, the polymer was immersed in a 3 mol / L aqueous hydrochloric acid solution at 75 ° C. for 2 hours. The aqueous hydrochloric acid solution was exchanged, and the same treatment was further repeated 4 times to obtain a polymer (H1-3) in which —SO 3 K groups in the polymer were converted to sulfonic acid groups. The polymer (H1-3) was thoroughly washed with ultrapure water. This operation was repeated to obtain about 300 g of polymer (H1-3). The ion exchange capacity was 1.413 meq / g dry resin.

(イオン交換樹脂液(BV1))
内容積2Lのハステロイ製オートクレーブを用いて、420gのエタノールと280gのイオン交換水を入れ、ダブルヘリカルリボン翼を用いて80rpmで撹拌しながら、ポリマー(H1−3)の272gを添加した。10分程度で直ちにポリマーの膨潤により粘度が上昇したため、一旦6rpmまで回転数を下げながら撹拌を続け、およそ80分で105℃まで加温して温度を保持した。加温の過程で粘度が徐々に低下していくのに伴い、撹拌速度を毎分10rpm程度で徐々に上げていき、最終的に150rpmまで回転数を上げて、その回転数と温度を保持し、6時間撹拌した。その後、その回転数を保持しながら、およそ60分で25℃まで冷却し、イオン交換樹脂液(BV1)を得た。イオン交換樹脂液(BV1)の固形分濃度は28質量%であった。また、E型粘度計を用いて、25℃におけるずり速度100s−1におけるイオン交換樹脂液(BV1)の粘度を測定したところ、140mPa・sであった。
(Ion exchange resin liquid (BV1))
Using an Hastelloy autoclave with an internal volume of 2 L, 420 g of ethanol and 280 g of ion-exchanged water were added, and 272 g of polymer (H1-3) was added while stirring at 80 rpm using a double helical ribbon blade. Since the viscosity immediately increased due to swelling of the polymer in about 10 minutes, the stirring was continued while the rotational speed was once decreased to 6 rpm, and the temperature was maintained by heating to 105 ° C. in about 80 minutes. As the viscosity gradually decreases during the heating process, the stirring speed is gradually increased at about 10 rpm, and finally the rotational speed is increased to 150 rpm to maintain the rotational speed and temperature. And stirred for 6 hours. Thereafter, while maintaining the number of rotations, it was cooled to 25 ° C. in about 60 minutes to obtain an ion exchange resin liquid (BV1). The solid content concentration of the ion exchange resin liquid (BV1) was 28% by mass. Moreover, it was 140 mPa * s when the viscosity of the ion exchange resin liquid (BV1) in the shear rate of 100 s- 1 in 25 degreeC was measured using the E-type viscosity meter.

(イオン交換樹脂液(BV2))
300mLのガラス製丸底フラスコに、イオン交換樹脂液(BV1)の100gと、炭酸セリウム水和物(Ce(CO・8HO)の0.24gとを仕込み、PTFE製半月板翼にて、室温で8時間撹拌した。撹拌開始よりCO発生による気泡が発生したが、最終的には均一な透明のイオン交換樹脂液(BV2)を得た。E型粘度計を用いて、25℃におけるずり速度10s−1におけるイオン交換樹脂液(BV2)の粘度を測定したところ、145mPa・sであった。
イオン交換樹脂液(BV2)をETFEフィルム(旭硝子社製、アフレックス100N、厚さ:100μm)上に、ダイコータにてキャスト塗工し、80℃で10分予備乾燥した後、120℃で10分乾燥し、さらに150℃、30分のアニールを施し、膜厚50μmの固体高分子電解質膜を得た。
固体高分子電解質膜から、5cm×5cmの大きさの膜を切り出し、乾燥窒素中で16時間放置した後、質量を精秤し0.1規定のHCl水溶液中に含浸して、セリウムイオンを完全に抽出した液を得た。この液を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析にて測定することで、固体高分子電解質膜中のセリウムを定量したところ、セリウム量は膜の質量に対して0.4質量%であった。
(Ion exchange resin liquid (BV2))
A 300 mL glass round bottom flask was charged with 100 g of ion exchange resin liquid (BV1) and 0.24 g of cerium carbonate hydrate (Ce 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O), and PTFE meniscus The mixture was stirred with a wing at room temperature for 8 hours. Bubbles were generated due to the generation of CO 2 from the start of stirring, but finally a uniform transparent ion exchange resin liquid (BV2) was obtained. Using an E-type viscometer, the viscosity of the ion exchange resin liquid (BV2) at a shear rate of 10 s −1 at 25 ° C. was measured and found to be 145 mPa · s.
The ion exchange resin liquid (BV2) was cast on a ETFE film (Asahi Glass Co., Aflex 100N, thickness: 100 μm) with a die coater, pre-dried at 80 ° C. for 10 minutes, and then at 120 ° C. for 10 minutes. The film was dried and further annealed at 150 ° C. for 30 minutes to obtain a solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.
Cut out a 5cm x 5cm size membrane from the solid polymer electrolyte membrane, leave it in dry nitrogen for 16 hours, then weigh the mass precisely and impregnate it in 0.1N HCl aqueous solution to completely cerium ions A liquid extracted was obtained. When this liquid was measured by inductively coupled plasma (ICP) emission analysis to determine the amount of cerium in the solid polymer electrolyte membrane, the amount of cerium was 0.4% by mass relative to the mass of the membrane.

(例1)
厚さ10μmのステンレス(SUS314)製の金属箔に、図5に示すようなパターンで、対向する辺の間隔dが約100μmである正六角形を、正六角形の間隔wが41μm(中心間距離が141μm)となるようにエッチング加工によって形成し、開口率が約50%である多孔シートを得た。
(Example 1)
In a 10 μm thick metal foil made of stainless steel (SUS314), a regular hexagon having a pattern d shown in FIG. 5 with an interval d between opposing sides of about 100 μm is used, and a regular hexagonal interval w is 41 μm (the distance between centers is 141 μm) to obtain a porous sheet having an aperture ratio of about 50%.

工程(a):
キャリアフィルムとして、ETFEフィルム(旭硝子社製、アフレックス100N、厚さ:100μm)を用意し、その表面にイオン交換樹脂液(AA2)をダイコータで塗布し、80℃の乾燥器内で15分間乾燥させ、さらに160℃の乾燥器内で1時間の熱処理を施して厚さ10μmの固体高分子電解質膜を形成した。
Step (a):
As a carrier film, prepare an ETFE film (Asahi Glass Co., Aflex 100N, thickness: 100 μm), apply an ion exchange resin liquid (AA2) on the surface with a die coater, and dry it in an oven at 80 ° C. for 15 minutes. Further, heat treatment was performed for 1 hour in a dryer at 160 ° C. to form a solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 10 μm.

工程(b):
固体高分子電解質膜の表面に多孔シートを配置し、1.5MPa、160℃で2分間熱プレスし、固体高分子電解質膜の表面に多孔シートを接合した多孔シート付き固体高分子電解質膜を得た。
Step (b):
A porous sheet is disposed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and heat-pressed at 1.5 MPa and 160 ° C. for 2 minutes to obtain a solid polymer electrolyte membrane with a porous sheet in which the porous sheet is bonded to the surface of the solid polymer electrolyte membrane. It was.

工程(c):
カーボン担体(比表面積:800m/g)に白金・コバルト合金(白金:コバルト=57:6質量比)が触媒全質量の63%含まれるように担持された触媒(田中貴金属工業社製)の10.0gを、蒸留水の59.6gに添加し、よく撹拌した。さらにエタノールの62.8gを添加し、よく撹拌した。これにイオン交換樹脂液(AA1)の10.6gを添加し、遊星ボールミルを用いて混合、粉砕し、触媒層形成用ペーストを得た。
触媒層形成用ペーストをETFEフィルムの表面にダイコータで塗布し、80℃の乾燥器内で15分間乾燥させ、さらに160℃の乾燥器内で30分の熱処理を施してカソード用触媒層(白金量:0.35mg/cm)を形成し、キャリアフィルム付き触媒層を得た。
Step (c):
Of a catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) supported on a carbon support (specific surface area: 800 m 2 / g) so that platinum / cobalt alloy (platinum: cobalt = 57: 6 mass ratio) is contained in 63% of the total mass of the catalyst. 10.0 g was added to 59.6 g of distilled water and stirred well. Further, 62.8 g of ethanol was added and stirred well. To this, 10.6 g of the ion exchange resin liquid (AA1) was added and mixed and pulverized using a planetary ball mill to obtain a catalyst layer forming paste.
The catalyst layer forming paste is applied to the surface of the ETFE film with a die coater, dried in a dryer at 80 ° C. for 15 minutes, and further subjected to a heat treatment in a dryer at 160 ° C. for 30 minutes to form a catalyst layer for the cathode (platinum amount). : 0.35 mg / cm 2 ) to form a catalyst layer with a carrier film.

工程(d):
多孔シート付き固体高分子電解質膜からETFEフィルムを剥がし、剥がした表面にキャリアフィルム付き触媒層を配置し、1.5MPa、150℃で3分間熱プレスし、カソード用触媒層を転写した。
Step (d):
The ETFE film was peeled off from the solid polymer electrolyte membrane with a porous sheet, a catalyst layer with a carrier film was placed on the peeled surface, and the catalyst layer for cathode was transferred by hot pressing at 1.5 MPa at 150 ° C. for 3 minutes.

工程(e):
カーボン担体(比表面積:800m/g)に白金が触媒全質量の20%含まれるように担持された触媒(田中貴金属工業社製)の10.0gを、蒸留水の94.3gに添加し、よく撹拌した。さらにエタノールの36.7gを添加し、よく撹拌した。これにイオン交換樹脂液(AA1)の22.9gを添加し、遊星ボールミルを用いて混合、粉砕し、触媒部形成用ペーストを得た。
固体高分子電解質膜に接合された多孔シートの表面に、触媒部形成用ペーストをダイコータで塗布し、多孔シートの貫通孔に充填された充填部と多孔シートの表面に広がる層状部とからなるアノード用触媒部(白金量:0.05mg/cm)を形成し、膜触媒部接合体(電極面積:25cm)を得た。
Step (e):
10.0 g of a catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) supported on a carbon support (specific surface area: 800 m 2 / g) so that platinum is contained in 20% of the total mass of the catalyst is added to 94.3 g of distilled water. Stir well. Further, 36.7 g of ethanol was added and stirred well. 22.9 g of the ion exchange resin liquid (AA1) was added thereto, and mixed and pulverized using a planetary ball mill to obtain a catalyst part forming paste.
An anode composed of a filling portion filled in the through-holes of the porous sheet and a layered portion spreading on the surface of the porous sheet, in which the catalyst portion forming paste is applied to the surface of the porous sheet bonded to the solid polymer electrolyte membrane with a die coater Catalyst part (platinum amount: 0.05 mg / cm 2 ) was formed, and a membrane catalyst part assembly (electrode area: 25 cm 2 ) was obtained.

工程(f):
膜触媒部接合体の両面に、ガス拡散性基材(NOK社製、商品名:H2315 T10X6 CX96、厚さ:240μm)を配置し、あらかじめ150℃に加熱したプレス機の中に入れ、1.5MPaのプレス圧力で2分間熱プレスし、膜電極接合体を得た。熱プレスによって、多孔シートの貫通孔に固体高分子電解質膜のイオン交換樹脂が最大2μm程度侵入したことが、サンプルの断面観察結果から分かった。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
Step (f):
1. Gas diffusive base materials (manufactured by NOK, trade name: H2315 T10X6 CX96, thickness: 240 μm) are arranged on both surfaces of the membrane catalyst assembly and placed in a press machine heated to 150 ° C. in advance. Hot pressing was performed at a pressing pressure of 5 MPa for 2 minutes to obtain a membrane electrode assembly. From the cross-sectional observation result of the sample, it was found that the ion exchange resin of the solid polymer electrolyte membrane penetrated into the through-hole of the porous sheet by hot pressing about 2 μm at maximum. The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

(例2)
厚さ5μmのSUS314製の金属箔に、図5に示すようなパターンで、対向する辺の間隔dが約50μmである正六角形を、正六角形の間隔wが21μm(中心間距離が71μm)となるようにエッチング加工によって形成し、開口率が約50%である多孔シートを得た。
該多孔シートを用い、固体高分子電解質膜の厚さを7μmに変更した以外は、例1と同様にして膜電極接合体を得た。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
(Example 2)
A regular hexagon in which the distance d between opposing sides is about 50 μm in a pattern as shown in FIG. 5 on a metal foil made of SUS314 having a thickness of 5 μm, and a regular hexagonal interval w is 21 μm (center distance is 71 μm). Thus, a porous sheet having an opening ratio of about 50% was obtained by etching.
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the porous sheet was used and the thickness of the solid polymer electrolyte membrane was changed to 7 μm. The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

(例3〜6)
厚さ12μmのPPSフィルム(東レ社製、商品名:トレリナ)に、ドリル加工によってそれぞれ表1の値の貫通孔を千鳥配列で一様に開孔させ、開口率がそれぞれ表1の値となる多孔シートを得た。
該多孔シートを用い、固体高分子電解質膜の厚さを表1の厚さとした以外は、例1と同様にして膜電極接合体を得た。例6においては、多孔シートの貫通孔の1つあたりの平均開口面積が大きいため、貫通孔において固体高分子電解質膜が弛むようにやや変形した。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
(Examples 3 to 6)
A through hole having a value shown in Table 1 is uniformly formed in a zigzag arrangement by drilling in a 12 μm-thick PPS film (trade name: Torelina, manufactured by Toray Industries, Inc.), and the opening ratios are the values shown in Table 1, respectively. A porous sheet was obtained.
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the porous sheet was used and the thickness of the solid polymer electrolyte membrane was changed to the thickness shown in Table 1. In Example 6, since the average opening area per one through hole of the porous sheet was large, the polymer electrolyte membrane was slightly deformed so as to be loosened in the through hole. The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

(例7)
工程(b)において、3MPa、160℃で5分間熱プレスした以外は、例3〜6と同様にして膜電極接合体を得た。多孔シートの貫通孔に固体高分子電解質膜のイオン交換樹脂が最大5μm程度侵入したことが、サンプルの断面観察結果から分かった。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
(Example 7)
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Examples 3 to 6 except that in the step (b), hot pressing was performed at 3 MPa and 160 ° C. for 5 minutes. From the cross-sectional observation result of the sample, it was found that the ion exchange resin of the solid polymer electrolyte membrane had penetrated into the through hole of the porous sheet at a maximum of about 5 μm. The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

(例8)
工程(a)において用いたイオン交換樹脂液(AA2)をイオン交換樹脂液(AV2)、工程(c)において用いたイオン交換樹脂液(AA1)をイオン交換樹脂液(AV1),工程(e)において用いたイオン交換樹脂液(AA1)をイオン交換樹脂液(AV1)とした以外は、例1と同様にして膜電極接合体を得た。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
(Example 8)
The ion exchange resin liquid (AA2) used in the step (a) is the ion exchange resin liquid (AV2), the ion exchange resin liquid (AA1) used in the step (c) is the ion exchange resin liquid (AV1), and the process (e). A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ion exchange resin liquid (AA1) used in 1 was used as the ion exchange resin liquid (AV1). The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

(例9)
工程(a)において用いたイオン交換樹脂液(AA2)をイオン交換樹脂液(BV2)、工程(c)において用いたイオン交換樹脂液(AA1)をイオン交換樹脂液(BV1),工程(e)において用いたイオン交換樹脂液(AA1)をイオン交換樹脂液(BV1)とした以外は、例1と同様にして膜電極接合体を得た。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
(Example 9)
The ion exchange resin liquid (AA2) used in step (a) is the ion exchange resin liquid (BV2), the ion exchange resin liquid (AA1) used in step (c) is the ion exchange resin liquid (BV1), and the process (e) A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ion exchange resin liquid (AA1) used in was used as the ion exchange resin liquid (BV1). The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

(例10)
多孔シートを用いなかった以外は、例1と同様にして膜電極接合体を得た。膜電極接合体の評価結果を表1に示す。
(Example 10)
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the porous sheet was not used. The evaluation results of the membrane / electrode assembly are shown in Table 1.

Figure 0006468475
Figure 0006468475

本発明の条件を満たす例1〜5、8、9の膜電極接合体は、内部抵抗が低く抑えられ、かつ水素リーク量が抑えられていた。
多孔シートの貫通孔に侵入する固体高分子電解質膜の侵入厚さが4μmを超えた例6〜7の膜電極接合体は、内部抵抗が高くなった。
多孔シートが配置されていない例10の膜電極接合体は、水素リーク量が多くなった。
In the membrane electrode assemblies of Examples 1 to 5, 8, and 9 that satisfy the conditions of the present invention, the internal resistance was suppressed low, and the amount of hydrogen leak was suppressed.
The membrane electrode assemblies of Examples 6 to 7 in which the penetration thickness of the solid polymer electrolyte membrane entering the through holes of the porous sheet exceeded 4 μm had high internal resistance.
The membrane electrode assembly of Example 10 in which the porous sheet was not disposed had a large amount of hydrogen leak.

本発明の膜電極接合体は、長時間安定して運転することが求められる固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体として有用である。   The membrane electrode assembly of the present invention is useful as a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell which is required to operate stably for a long time.

10 膜電極接合体
20 アノード
22 多孔シート
22a 貫通孔
24 触媒部
24a 充填部
24b 層状部
26 ガス拡散層
30 カソード
34 触媒層(触媒部)
36 ガス拡散層
40 固体高分子電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly 20 Anode 22 Porous sheet 22a Through-hole 24 Catalyst part 24a Filling part 24b Layered part 26 Gas diffusion layer 30 Cathode 34 Catalyst layer (catalyst part)
36 Gas diffusion layer 40 Solid polymer electrolyte membrane

Claims (4)

アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜と
を備え、
前記アノードが、前記固体高分子電解質膜の第1の表面に接する、複数の貫通孔を有する多孔シートと、前記多孔シートの貫通孔に充填されて前記固体高分子電解質膜の第1の表面に接する、触媒を含む触媒部とを有し、
前記カソードが、前記固体高分子電解質膜の第2の表面に接する、触媒を含む触媒部を有し、複数の貫通孔を有する多孔シートを有さず、
前記多孔シートの貫通孔の1つあたりの平均開口面積が、0.002〜0.08mmであり、
前記多孔シートの開口率が、30〜80%であり、
前記多孔シートの貫通孔に侵入する前記固体高分子電解質膜の侵入厚さが、4μm以下であり、
前記多孔シートが、金属からなり、
前記固体高分子電解質膜の厚さ(ただし、前記侵入厚さを除く。)が、7〜20μmである、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
An anode,
A cathode,
A solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode,
The anode is in contact with the first surface of the solid polymer electrolyte membrane, a porous sheet having a plurality of through holes, and filled in the through holes of the porous sheet to the first surface of the solid polymer electrolyte membrane A catalyst portion containing the catalyst in contact with the
The cathode has a catalyst part containing a catalyst in contact with the second surface of the solid polymer electrolyte membrane, and does not have a porous sheet having a plurality of through holes,
The average opening area per one through hole of the porous sheet is 0.002 to 0.08 mm 2 ,
The aperture ratio of the porous sheet is 30 to 80%,
The penetration thickness of the solid polymer electrolyte membrane that penetrates the through-hole of the porous sheet is 4 μm or less,
The porous sheet is made of metal,
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the thickness of the solid polymer electrolyte membrane (excluding the penetration thickness) is 7 to 20 μm.
前記多孔シートの厚さが、5〜12μmである、請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the porous sheet has a thickness of 5 to 12 μm. 前記金属が、チタンまたはチタン合金である、請求項1または2に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。 The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2 , wherein the metal is titanium or a titanium alloy. 請求項1〜のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を備えた、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3 .
JP2014204202A 2013-10-15 2014-10-02 Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell Active JP6468475B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014204202A JP6468475B2 (en) 2013-10-15 2014-10-02 Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013214597 2013-10-15
JP2013214597 2013-10-15
JP2014204202A JP6468475B2 (en) 2013-10-15 2014-10-02 Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015099772A JP2015099772A (en) 2015-05-28
JP6468475B2 true JP6468475B2 (en) 2019-02-13

Family

ID=53376247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014204202A Active JP6468475B2 (en) 2013-10-15 2014-10-02 Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6468475B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020129991A1 (en) 2018-12-19 2020-06-25 Agc株式会社 Polymer, method for producing polymer and method for producing film
WO2022210571A1 (en) 2021-03-29 2022-10-06 Agc株式会社 Electrolyte material, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019189914A1 (en) * 2018-03-30 2019-10-03 大阪瓦斯株式会社 Method for producing metal plate, metal plate, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical apparatus, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell
KR101901376B1 (en) * 2018-05-21 2018-11-22 한국에너지기술연구원 An electrode for fuel cell, a membrane-electrode assembly comprising the same and a preparation method thereof
WO2020175675A1 (en) * 2019-02-28 2020-09-03 Agc株式会社 Solid polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3481010B2 (en) * 1995-05-30 2003-12-22 ジャパンゴアテックス株式会社 Polymer solid electrolyte membrane / electrode integrated body and method for producing the same
JP3398013B2 (en) * 1997-06-25 2003-04-21 三洋電機株式会社 Method for manufacturing cell for polymer electrolyte fuel cell
US20030013602A1 (en) * 2000-07-06 2003-01-16 Makoto Uchida Method for producing an electrolyte film-electrode joint
JP2005285496A (en) * 2004-03-29 2005-10-13 Toyota Motor Corp Membrane electrode complex for fuel cell, and fuel cell equipped with it
US7300719B2 (en) * 2004-08-05 2007-11-27 General Motors Corporation Porous diffusion media and bipolar plate assembly with anion exchange resin and devices incorporating same
JP5109502B2 (en) * 2007-06-29 2012-12-26 大日本印刷株式会社 Electrolyte membrane with catalyst layer
JP5720413B2 (en) * 2011-05-17 2015-05-20 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell and fuel cell manufacturing method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020129991A1 (en) 2018-12-19 2020-06-25 Agc株式会社 Polymer, method for producing polymer and method for producing film
WO2022210571A1 (en) 2021-03-29 2022-10-06 Agc株式会社 Electrolyte material, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015099772A (en) 2015-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5261937B2 (en) Manufacturing method of electrolyte membrane
JP5286797B2 (en) Polymer, polymer electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell and membrane electrode assembly
JP6172142B2 (en) Electrolyte material, liquid composition, and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP5915658B2 (en) Solid polymer electrolyte membrane and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP6468475B2 (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell
JP6034200B2 (en) Redox flow secondary battery
JP5862372B2 (en) Production method of polymer, production method of electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, and production method of membrane electrode assembly
JP5499478B2 (en) Polymer, polymer electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell and membrane electrode assembly
JP6593346B2 (en) Electrolyte material, liquid composition, and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JPWO2011013578A1 (en) Electrolyte material, liquid composition, and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP2002260705A (en) Solid polymer electrolyte material, liquid composite, solid polymer fuel cell, fluorine-containing polymer and solid polymer electrolyte film consisting of fluorine-containing polymer
WO2014175123A1 (en) Electrolyte material, liquid composition, and membrane electrode assembly for solid polymer fuel cells
JP6856073B2 (en) Electrolyte material, liquid composition containing it and its use
JP6833164B2 (en) Polymer, solid polymer electrolyte membrane and membrane electrode assembly
WO2017221840A1 (en) Electrolyte material, method for producing same, and use of same
JP6848951B2 (en) Method for manufacturing liquid composition, coating liquid for forming catalyst layer and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP6631630B2 (en) Method for producing liquid composition, method for producing coating liquid for forming catalyst layer, and method for producing membrane electrode assembly
CN107849364B (en) Liquid composition, method for producing same, and method for producing membrane electrode assembly
JPWO2016002889A1 (en) Electrolyte material, liquid composition, membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell, and fluorine-containing branched polymer
JP2018055877A (en) Solid polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell
JPWO2013115072A1 (en) Method for producing fluorine-containing ion exchange resin liquid
KR102483026B1 (en) Liquid composition, coating liquid for forming catalyst layer, and method for producing membrane electrode assembly
JP6819595B2 (en) A method for producing a liquid composition, a method for producing a coating liquid for forming a catalyst layer, and a method for producing a membrane electrode assembly.

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170803

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180416

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180529

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180717

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20180718

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: 20181221

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190103

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6468475

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250