JP2004193089A - Joined body of electrolyte membrane and electrode - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joined body of an electrolyte membrane and an electrode which has a solid polymer electrolyte membrane having a high mechanical strength, an excellent ionic conductivity, electricity generating performance and gas barrier property, and has a good joining property of the electrolyte membrane and the electrode. <P>SOLUTION: The joined body of the electrolyte membrane and the electrode is a composite ion-exchange membrane which comprises a composite layer made of a supporting membrane having continuous porosity and composed of a polybenzazole polymer impregnated with an ion-exchange resin, and surface layers on formed both sides of the composite layer interposing the composite layer, the surface layers not containing the supporting membrane and being composed of the ion-exchange resin. Catalyst layers and gas diffusion layers are disposed on both sides of the composite ion-exchange membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械的強度とイオン伝導性に優れる複合イオン交換膜、特に高分子固体電解質膜を用いた電解質膜−電極接合体に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有し、電気自動車や分散発電等の電源装置としての開発が進んできている。また、同じく高分子固体電解質膜を使用し、燃料としてメタノールを直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池も携帯機器の電源などの用途に向けた開発が進んでいる。高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換樹脂膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素等の透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては例えば米国デュポン社製ナフィオン（商品名）に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の高出力化や高効率化のためには高分子固体電解質膜のイオン伝導抵抗を低減させることが有効であり、その方策のひとつとして膜厚の低減が挙げられる。ナフィオンに代表されるような高分子固体電解質膜でも膜厚を低減させる試みが行われている。しかしながら、膜厚を低減させると機械的強度が小さくなり、高分子固体電解質膜と電極をホットプレスで接合させる際などに膜が破損しやすくなったり、膜の寸法の変動により、高分子固体電解質膜に接合した電極がはがれて発電特性が低下したりするなどの問題点を有していた。さらに、膜厚を低減させることで燃料透過抑止性が低下し、起電力の低下や燃料の利用効率の低下を招くなどの問題点を有していた。
【０００４】
さらに高分子固体電解質膜は上記に示した燃料電池のイオン交換樹脂膜としての用途だけでなく、アルカリ電解や水からの水素製造のような電解用途、リチウム電池やニッケル水素電池などの種々の電池における電解質用途などの電気化学分野での用途、微小アクチュエータや人工筋肉のような機械的機能材料用途、イオンや分子等の認識・応答機能材料用途、分離・精製機能材料用途など幅広い用途にも適用が可能であり、それぞれの用途においても高分子固体電解質膜の高強度化や薄膜化を達成することでこれまでにない優れた機能を提供することができると考えられる。
【０００５】
高分子固体電解質膜の機械的強度を向上させ、寸法変化を抑制する方法として、高分子固体電解質膜に種々の補強材を組み合わせた複合高分子固体電解質膜が提案されている。従来の複合高分子固体電解質膜は延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜の空隙部にイオン交換樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含浸し、一体化している（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、これらの複合高分子固体電解質膜は補強材がポリテトラフルオロエチレンでできているため、発電時の熱により補強材が軟化し、クリープによる寸法変化を生じやすく、また補強材にパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの溶液を含浸して乾燥する際に、補強材の空隙部分の容積がほとんど変化しないために補強材の空隙の内部で析出したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーが偏在しやすく、空隙が該ポリマーで完全に充填されるためにはイオン交換樹脂溶液の含浸と乾燥のプロセスを複数回繰り返すなどの複雑なプロセスが必要であり、また、空隙が残りやすいために燃料透過抑止性に優れた膜が得られにくいといった問題点を有していた。また、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの膜内に補強材としてフィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンが分散しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、このような複合高分子固体電解質膜は、補強材が不連続な構造のため十分な機械的強度が得られず、膜の変形が抑制できないために電極のはがれが生じるなどの問題点を有していた。
【０００６】
ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）やポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）のようなポリベンザゾール系ポリマーは高耐熱性、高強度、高弾性率の点で優れることから、高分子固体電解質膜の補強材料に適していることが期待される。従来は、ＰＢＯ多孔質膜と種々のイオン交換樹脂を複合化している（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、このように製膜したＰＢＯ溶液を直接水浴で凝固する方法で得られるＰＢＯ多孔質膜の空隙率はせいぜい９０容積％以下であり、イオン交換樹脂を複合化させた場合に、複合膜中のイオン交換樹脂の含有率が低くなり、イオン交換樹脂本来のイオン伝導性などの特性が大幅に低下するといった問題点を有していた。また、これに記載された複合イオン交換膜は表面のイオン交換樹脂層の形成やその厚みを特に規定していないが、複合イオン交換膜における表面層の存在やその厚みは、複合イオン交換膜の表面に電極を形成する場合などにバインダーとなるイオン交換樹脂と高分子固体電解質膜を形成するイオン交換樹脂との密着性などに影響し、これらを最適に制御することが重要である。
【０００７】
また、ＰＢＩ多孔質膜の空隙に酸をトラップした燃料電池用ポリマーフィルムの製造方法もある（例えば、特許文献４参照。）。しかしながら、このような方法で得られる遊離の酸をトラップしたフィルムは、１００℃以下といった低温領域でのイオン伝導性が先述のナフィオンのようなイオン交換膜に比べて低いほか、酸が漏出しやすいなどの問題点を有していた。さらに、光学異方性のポリベンザゾール系ポリマー溶液を製膜してから吸湿による等方化の過程を経て凝固しポリベンザゾールフィルムを得る方法がある（例えば、特許文献５参照。）。しかしながら、これに記載されているような方法で得られるポリベンザゾールフィルムは透明な緻密性の高いフィルムであり、イオン交換樹脂を含浸してイオン交換膜とする目的には適していなかった。
【０００８】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【特許文献１】
特開平８−１６２１３２号公報（第２−３頁）
【特許文献２】
特開２００１−３５５０８号公報（第２−４頁）
【特許文献３】
国際公開第００／２２６８４号パンフレット（第９−３５頁、第２−７表、第１図）
【特許文献４】
国際公開第９８／１４５０５号パンフレット（第２−９頁）
【特許文献５】
特開２０００−２７３２１４号公報（第２−７頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
機械的強度が高く、イオン伝導性、発電特性、ガスバリヤー性に優れた高分子固体電解質膜を有し、電解質膜と電極接合体接合性の良好な電解質膜−電極接合体を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、連続した空隙を有するポリベンザゾール系ポリマーからなる支持体膜にイオン交換樹脂が含浸されてなる複合層と、該複合層を挟む形で該複合層の両面に形成された支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層を有する複合イオン交換膜であって、該複合イオン交換膜の両面に触媒層およびガス拡散層を配したことを特徴とする電解質膜−電極接合体。またさらに、本発明は、両面に形成された支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層のそれぞれの厚みが、１μｍ以上５０μｍ以下であり、かつ該複合イオン交換膜の全厚みの半分を超えない範囲であることを特徴とする電解質膜−電極接合体である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の支持体膜として使用されるポリベンザゾール系ポリマーとは、ポリマー鎖中にオキサゾー環、チアゾール環、イミダゾール環を含む構造のポリマーをいい、下記一般式で表される繰り返し単位をポリマー鎖中に含むものをいう。
【００１２】
【化１】

【００１３】
ここで、Ａｒ_１，Ａｒ_２，Ａｒ_３は、芳香族単位を示し、各種脂肪族基、芳香族基、ハロゲン基、水酸基、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基等の置換基を有していても良い。これら芳香族単位は、ベンゼン環などの単環系単位、ナフタレン、アントラセン、ピレンなどの縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上任意の結合を介してつながった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成できる配置であれば特に限定されるものではない。さらに、これらは炭化水素系芳香族単位だけでなく、芳香環内にＮ，Ｏ，Ｓ等を含んだヘテロ環系芳香族単位でも良い。ＸはＯ，Ｓ，ＮＨを示す。
上記Ａｒ_１は、下記一般式で表されるものが好ましい。
【００１４】
【化２】

【００１５】
ここで、Ｙ_１、Ｙ_２はＣＨまたはＮを示し、Ｚは直接結合、−Ｏ−，−Ｓ−，−ＳＯ_２−，−Ｃ（ＣＨ_３）_２−，−Ｃ（ＣＦ_３）_２−，−ＣＯ−を示す。
Ａｒ_２は、下記一般式で表されるものが好ましい。
【００１６】
【化３】

【００１７】
ここで、Ｗは−Ｏ−，−Ｓ−，−ＳＯ_２−，−Ｃ（ＣＨ_３）_２−，−Ｃ（ＣＨ_３）_２−，−ＣＯ−を示す。
Ａｒ_３は、下記一般式で表されるものが好ましい。
【００１８】
【化４】

【００１９】
これらポリベンザゾール系ポリマーは、上述の繰り返し単位を有するホモポリマーであっても良いが、上記構造単位を組み合わせたランダム、交互あるいはブロック共重合体であっても良く、例えば米国特許第４７０３１０３号、米国特許第４５３３６９２号、米国特許第４５３３７２４号、米国特許第４５３３６９３号、米国特許第４５３９５６７号、米国特許第４５７８４３２号等に記載されたものなども例示される。
【００２０】
これらポリベンザゾール系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００２１】
【化５】

【００２２】
【化６】

【００２３】
【化７】

【００２４】
【化８】

【００２５】
【化９】

【００２６】
【化１０】

【００２７】
【化１１】

【００２８】
さらに、これらポリベンザゾール系構成単位だけでなく、他のポリマー構成単位とのランダム、交互あるいはブロック共重合体であっても良い。この時、他のポリマー構成単位としては耐熱性に優れた芳香族系ポリマー構成単位から選ばれることが好ましい。具体的には、ポリイミド系構成単位、ポリアミド系構成単位、ポリアミドイミド系構成単位、ポリオキシジアゾール系構成単位、ポリアゾメチン系構成単位、ポリベンザゾールイミド系構成単位、ポリエーテルケトン系構成単位、ポリエーテルスルホン系構成単位などを挙げることができる。
【００２９】
ポリイミド系構成単位の例としては、下記一般式で表されるものが挙げられる。
【００３０】
【化１２】

【００３１】
ここで、Ａｒ_４は４価の芳香族単位で表されるが、下記構造で表されるものが好ましい。
【００３２】
【化１３】

【００３３】
また、Ａｒ_５は二価の芳香族単位であり、下記構造で表されるものが好ましい。ここで示される芳香環上には、メチル基、メトキシ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、水酸基、ニトロ基、シアノ基等の各種置換基が存在していても良い。
【００３４】
【化１４】

【００３５】
これらポリイミド系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００３６】
【化１５】

【００３７】
【化１６】

【００３８】
ポリアミド系構成単位の例としては、下記構造式で表されるのもが挙げられる。
【００３９】
【化１７】

【００４０】
ここで、Ａｒ_６，Ａｒ_７，Ａｒ_８はそれぞれ独立に下記構造から選ばれるものが好ましい。ここで示される芳香環上には、メチル基、メトキシ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、水酸基、ニトロ基、シアノ基等の各種置換基が存在していても良い。
【００４１】
【化１８】

【００４２】
これらポリアミド系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００４３】
【化１９】

【００４４】
ポリアミドイミド系構成単位の例としては、下記構造で表されるものが挙げられる。
【００４５】
【化２０】

【００４６】
ここで、Ａｒ_９は上記Ａｒ_５の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００４７】
これらポリアミドイミド構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００４８】
【化２１】

【００４９】
ポリオキシジアゾール系構成単位の例としては、下記構造式で表されるものが挙げられる。
【００５０】
【化２２】

【００５１】
ここで、Ａｒ_１０は上記Ａｒ_５の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００５２】
これらポリオキシジアゾール系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００５３】
【化２３】

【００５４】
ポリアゾメチン系構成単位の例としては、下記構造で表されるものが挙げられる。
【００５５】
【化２４】

【００５６】
ここで、Ａｒ_１１，Ａｒ_１２は、上記Ａｒ_６の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００５７】
これらポリアゾメチン系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００５８】
【化２５】

【００５９】
ポリベンザゾールイミド系構成単位の例としては、下記構造式で表されるものが挙げられる。
【００６０】
【化２６】

【００６１】
ここで、Ａｒ_１３、Ａｒ_１４は上記Ａｒ_４の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００６２】
これらポリベンザゾールイミド系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００６３】
【化２７】

【００６４】
ポリエーテルケトン系構成単位、ポリエーテルスルホン系構成単位は、一般に芳香族ユニットをエーテル結合とともにケトン結合やスルホン結合で連結した構造を有するものであり、下記構造式から選択される構造成分を含む。
【００６５】
【化２８】

【００６６】
ここで、Ａｒ_１５〜Ａｒ_２３はそれぞれ独立に下記構造で表されるものが好ましい。ここで示される芳香環上には、メチル基、メトキシ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、水酸基、ニトロ基、シアノ基等の各種置換基が存在していても良い。
【００６７】
【化２９】

【００６８】
これらポリエーテルケトン系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００６９】
【化３０】

【００７０】
これらポリベンザゾール系ポリマー構成単位と共に共重合できる芳香族ポリマー構成単位は、厳密にポリマー鎖内の繰り返し単位を指しているのではなく、ポリマー主鎖中にポリベンザゾール系構成単位と共に存在できる構成単位を示しているものである。これら共重合できる芳香族ポリマー構成単位は一種だけでなく二種以上を組み合わせて共重合することもできる。このような共重合体を合成するには、ポリベンザゾール系ポリマー構成単位からなるユニット末端にアミノ基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基等を導入して、これらの芳香族系ポリマーの合成における反応成分として重合しても良いし、これらの芳香族系ポリマー構成単位を含むユニット末端にカルボキシル基を導入してポリベンザゾール系ポリマーの合成における反応成分として重合しても良い。
【００７１】
前記ポリベンザゾール系ポリマーは、ポリ燐酸溶媒中で縮合重合されポリマーが得られる。ポリマーの重合度は極限粘度で表され、１５ｄＬ／ｇ以上が好ましく、より好ましくは２０ｄＬ／ｇ以上である。この範囲を下回った場合、得られる支持体膜の強度が低く好ましくない。また極限粘度は、３５ｄＬ／ｇ以下が好ましく、２６ｄＬ／ｇ以下がより好ましい。この範囲を上回った場合、等方性の溶液が得られるポリベンザゾール系ポリマー溶液の濃度範囲が限られ、等方性の条件での製膜が困難となるため好ましくない。
【００７２】
ポリベンザゾール系ポリマー溶液の製膜方法としては、ドクターブレード等を用いてポリマー溶液を基体上にキャスティングする流延法と呼ばれる製膜方法のほかにも、直線状スリットダイから押し出す方法や円周状スリットダイからブロー押し出しする方法、二枚の基体に挟んだポリマー溶液をローラーでプレスするサンドイッチ法、スピンコート法など、溶液を膜状に成型するあらゆる方法が使用できる。本発明の目的に適した好ましい製膜方法は流延法、サンドイッチ法である。流延法の基板やサンドイッチ法の基体にはガラス板や金属板、樹脂フィルム等の他、凝固時の支持体膜の空隙構造を制御する等の目的で種々の多孔質材料を基板、基体として好ましく用いることができる。
【００７３】
本発明で用いるポリベンザゾール系ポリマー溶液は、均一でかつ空隙率の大きな支持体膜を得るために等方性条件の組成で製膜することが重要であり、ポリベンザゾール系ポリマー溶液の好ましい濃度範囲は、０．３％以上であり、より好ましくは０．５％以上、さらに好ましくは０．８％以上である。この範囲よりも濃度が低いとポリマー溶液の粘度が小さくなり、適用できる製膜方法が限られるほか、得られる支持体膜の強度が小さくなるため好ましくない。またさらに、濃度範囲は、３％以下が好ましく、より好ましくは２％以下、さらに好ましくは１．５％以下である。この範囲よりも濃度が高いと空隙率の大きな支持体膜が得られないばかりか、ポリベンザゾール系ポリマーのポリマー組成や重合度によっては溶液が異方性を示すため好ましくない。
【００７４】
ポリベンザゾール系ポリマー溶液の濃度を上記で示したような範囲に調整するには次に示すような方法をとる事ができる。すなわち、重合されたポリベンザゾール系ポリマー溶液から一旦ポリマー固体を分離し、再度溶媒を加えて溶解することで濃度調整を行なう方法。さらには、ポリ燐酸中で縮合重合されたままのポリマー溶液からポリマー固体を分離することなく、そのポリマー溶液に溶媒を加えて希釈し、濃度調整を行なう方法。さらにはポリマーの重合組成を調整することで上記濃度範囲のポリマー溶液を直接得る方法などである。
【００７５】
ポリマー溶液の濃度調整に用いるのに好ましい溶媒としては、メタンスルホン酸、ジメチル硫酸、ポリ燐酸、硫酸、トリフルオロ酢酸などがあげられ、あるいはこれらの溶媒を組み合わせた混合溶媒を用いることもできる。中でも特にメタンスルホン酸、ポリリン酸が好ましい。
【００７６】
支持体膜の多孔質構造を実現する手段としては、製膜された等方性のポリベンザゾール系ポリマー溶液を、貧溶媒と接触させて凝固する方法を用いる。貧溶媒はポリマー溶液の溶媒と混和できる溶媒であって、液相状態であっても気相状態であっても良い。さらに、気相状態の貧溶媒による凝固と液相状態の貧溶媒による凝固を組み合わせることも好ましく用いることができる。凝固に用いる貧溶媒としては、水、酸水溶液や無機塩水溶液の他、アルコール類、グリコール類、グリセリンなどの有機溶媒等を利用することができるが、使用するポリベンザゾール系ポリマー溶液との組み合わせによっては、支持体膜の表面開孔率や空隙率が小さくなったり、支持体膜の内部に不連続な空洞ができたりするなどの問題が生じるため、凝固に用いる貧溶媒の選択には特に注意が必要である。本発明における等方性のポリベンザゾール系ポリマー溶液の凝固においては、水蒸気、メタンスルホン酸水溶液、リン酸水溶液、グリセリン水溶液の他、塩化マグネシウム水溶液などの無機塩水溶液などの中から貧溶媒と凝固条件を選択することにより支持体膜表面および内部の構造、空隙率を制御するに至った。特に好ましい凝固の手段は水蒸気と接触させて凝固する方法や、凝固の初期において水蒸気に短時間接触させた後に水に接触させて凝固する方法、メタンスルホン酸水溶液に接触させて凝固する方法などである。
【００７７】
ポリマーの凝固が進むと、支持体膜は収縮しようとする。凝固が進行する間は支持体膜の不均一な収縮によるシワの発生などを抑制する目的でテンターや固定枠を用いる場合もある。また、ガラス板などの基板上に成型したポリマー溶液を凝固する場合には、基板面の粗さを制御することで基板上での収縮を制御する場合もある。
【００７８】
上記のようにして凝固された支持体膜は、残留する溶媒によるポリマーの分解の促進や、複合電解質膜を使用する際に残留溶媒が流出するなどの問題を避ける目的で、十分に洗浄することが望ましい。洗浄は支持体膜を洗浄液に浸漬することで行なうことができる。特に好ましい洗浄液は水である。水による洗浄は、支持体膜を水中に浸漬したときの洗液のｐＨが５〜８の範囲になるまで行なうことが好ましく、さらに好ましくはｐＨが６．５〜７．５の範囲である。
【００７９】
上記に述べた特定の濃度範囲のポリベンザゾール系ポリマー等方性溶液を用い、上記に述べたような方法から選ばれた適当な凝固手段を用いることにより本発明の目的に適した構造を有するポリベンザゾール系ポリマーよりなる支持体膜が得られる。すなわち、支持体膜の少なくとも一方の表面に開口部を持つ連続した空隙を有する多孔質の支持体膜である。支持体膜はポリベンザゾール系ポリマーのフィブリル状繊維から形成される立体網目構造からなり、三次元的に連続した空隙を有することを、実施例に示したような原子間力顕微鏡を用いる水中での支持体膜表面の観察、および、エポキシ包埋−脱エポキシにより水中の構造を保持した支持体膜の透過型電子顕微鏡観察による断面観察から確認した。特開２００２−２０３５７６には膜の厚さ方向に貫通する連通孔を有する膜支持体にイオン伝導性物質が導入された電解質膜が記載されているが、これに記載されているような連通孔の方向性が主に膜の厚さ方向に限定されている支持体を燃料電池の電解質膜に用いた場合、膜の面方向のイオン伝導性物質の連続性が小さいために燃料電池のイオン交換膜に用いた場合に燃料ガスの濃度分布や電極触媒の付着量など面方向に不均一な状態が生じるとイオン交換膜の局所的な劣化が生じやすいなどの問題があるため好ましくない。
【００８０】
本発明の支持体膜の空隙率は９０体積％以上であることが好ましく、さらに好ましくは９５体積％以上である。空隙率がこの範囲よりも小さいと、イオン交換樹脂を複合化させた場合のイオン交換樹脂の含有率が小さく、イオン導電性が低下するため好ましくない。
【００８１】
本発明の支持体膜は、少なくとも一方の面の開孔率が４０％以上であることが好ましく、さらに好ましくは５０％以上、特に好ましくは６０％以上である。少なくとも一方の面の開孔率がこの範囲よりも小さいと、支持体膜とイオン交換樹脂を複合化させる際に支持体膜の空隙内部にイオン交換樹脂が含浸されにくくなるため好ましくない。
【００８２】
上述のような方法で得られたポリベンザゾール系ポリマーよりなる多孔質の該支持体膜にイオン交換樹脂を複合化させ、複合イオン交換膜を得る方法について説明する。即ち、該支持体膜を乾燥させずに、イオン交換樹脂溶液に浸漬し、該支持体膜内部の液をイオン交換樹脂溶液に置換してから乾燥させる方法により複合イオン交換膜を得る方法である。支持体膜内部の液がイオン交換樹脂溶液の溶媒組成と異なる場合には、その溶媒組成にあわせてあらかじめ内部の液を置換しておく方法も採られる。
【００８３】
本発明の支持体膜は乾燥により空隙内部の液体の体積が減少するのにしたがって空隙構造が収縮し、支持体膜の見かけの体積が大幅に減少するという特徴を有する。該支持体膜の内部にイオン交換樹脂を含浸することなく金属の枠などに固定して面方向の収縮を制限して乾燥させた場合には、収縮は膜厚方向に起こり、該支持体膜の乾燥後の見かけの膜厚は、乾燥前の膜厚の０．５％から１０％の範囲である。本発明の支持体膜以外の多孔質支持体膜、例えば、延伸ポリテトラフルオロエチレンポリマー多孔質膜からなる支持体膜ではこのような大幅な収縮は起こらない。
【００８４】
該支持体膜のこのような特徴により、該支持体膜の空隙内部の液をイオン交換樹脂溶液に置換してから乾燥させた場合、空隙内部に含浸された該イオン交換樹脂溶液の溶媒が蒸発して、該イオン交換樹脂溶液の体積が減少するにつれて該支持体膜も収縮するので、該支持体膜内部の空隙が析出したイオン交換樹脂によって満たされた緻密な複合膜構造を容易に得ることができる。この複合膜構造により、本発明の複合イオン交換膜は優れた燃料透過抑止性を示す。本発明の支持体膜以外の多孔質支持体膜、例えば、延伸ポリテトラフルオロエチレンポリマー多孔質膜からなる支持体膜では空隙内部に含浸されたイオン交換樹脂溶液の溶媒が蒸発して該イオン交換樹脂溶液の体積が減少しても、それに伴う支持体膜の収縮が少ないため、乾燥後の複合膜内部にはイオン交換樹脂で満たされていない空隙が多数できるばかりでなく、支持体膜の両面に支持体を含まないイオン交換樹脂の表面層が形成されないため好ましくない。
【００８５】
該複合イオン交換膜はまた、該支持体膜が大幅に収縮するため、該イオン交換樹脂溶液の濃度や粘度、溶媒の揮発性などの物性と、該支持体膜の膜厚や空隙率等の組み合わせを調整することで、該イオン交換樹脂が該支持体膜の内部空隙を満たした複合層を形成するのと並行して該支持体膜の両面に付着していた過剰なイオン交換樹脂溶液や、該支持体膜の収縮に伴って該支持体膜内部から排出されたイオン交換樹脂溶液が該支持体膜の表面外部で乾燥して該支持体を含まないイオン交換樹脂層を形成することにより、結果として該複合層を挟む形で該複合層の両面に支持体膜を含まないイオン交換樹脂の表面層を形成した構造を容易に実現することができる。
【００８６】
本発明の支持体膜以外の膜、例えばポリテトラフルオロエチレンポリマーからなる多孔質支持体膜は上記で述べたように、大幅な収縮が起こらないため、イオン交換樹脂溶液を含浸して乾燥する際に支持体膜内部にイオン交換樹脂が析出しても空隙が残ったままの状態となり、また、支持体膜複合層を挟む形のイオン交換樹脂層も形成されない。この状態を解消するためにはイオン交換樹脂溶液の含浸、乾燥を複数回繰り返す必要があり、工程が複雑になるため好ましくない。
【００８７】
本発明の複合イオン交換膜に使用されるイオン交換樹脂は特に限定されるものではなく、前述のパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー以外にも、例えばポリスチレンスルホン酸、ポリ（トリフルオロスチレン）スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸ポリマーの少なくとも一つのアイオノマー、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンザゾール及びポリアラミドポリマーなどの芳香族ポリマーの少なくとも一つがスルホン化、ホスホン化またはカルボキシル化されたアイオノマー等が適用できる。ここでいうポリスルホンポリマーにはポリエーテルスルホン、ポリアリールスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン及びポリフェニレンスルホンポリマーの少なくとも一つが含まれる。また、ここでいうポリエーテルケトンポリマーにはポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン−ケトン、ポリエーテルエーテルケトン−ケトンおよびポリエーテルケトンエーテル−ケトンポリマーの少なくとも一つが含まれる。
【００８８】
上記に記述したイオン交換樹脂溶液の溶媒はポリベンザゾール系ポリマー支持体膜を溶解、分解あるいは極端に膨潤させず、かつイオン交換樹脂を溶解できる溶媒の中から選ぶことができる。ただし、イオン交換樹脂溶液を支持体膜に含浸させた後に溶媒を除去してイオン交換樹脂を析出させる為、溶媒は加熱や減圧などの手段を用いて蒸発させるなどして除去することができるものであることが好ましい。ここで、本発明のポリベンザゾール系ポリマー支持体膜は高い耐熱性を有することから、１００℃程度の温度からクリープを生じるポリテトラフルオロエチレン製の支持体膜を用いる複合イオン交換膜の作製では使用できない高沸点の溶媒を含むイオン交換樹脂溶液を使用して複合イオン交換膜を作製できることも、多くの種類のイオン交換樹脂が選択できるという観点から優れた特徴である。
【００８９】
上記に記述したイオン交換樹脂溶液の濃度および、イオン交換樹脂の分子量は特に限定されるものではないが、イオン交換樹脂の種類や得ようとする複合イオン交換膜の膜厚などに応じて適宜選択される。
【００９０】
上記のようにして得られる複合イオン交換膜に占めるイオン交換樹脂の含有率は５０重量％以上であることが好ましい。さらに好ましくは８０重量％以上である。この範囲より小さい含有率の場合、膜の導電抵抗が大きくなったり、膜の保水性が低下したりして、十分な発電性能が得られないため好ましくない。
【００９１】
また、本発明の複合イオン交換膜は、上記で記述したように複合層を挟む形で複合層の両面に支持体を含まないイオン交換樹脂からなる表面層を有することを特徴とする。複合イオン交換膜が該複合層と該表面層を有することにより、該複合イオン交換膜は高い機械的強度を有し、かつ、表面に電極層を形成させた場合の電極層との密着性に優れるという特長を有する。該表面層の厚みはそれぞれ１μｍ以上５０μｍ以下であり、かつ、それぞれが該複合イオン交換膜の全厚みの半分を超えない範囲であることが好ましい。該表面層の厚みが上記範囲よりも小さいと電極層との密着性が悪くなり、イオン伝導性が低下するなどするため好ましくない。また該表面層の厚みが上記範囲よりも大きいと、複合層による補強の効果が複合イオン交換膜の最外表面まで及ばず、複合イオン交換膜が吸湿した場合に表面層のみが大きく膨潤して表面層が複合層から剥離するなどするため好ましくない。該表面層の厚みのさらに好ましい範囲は２μｍ以上３０μｍ以下である。
【００９２】
複合イオン交換膜は機械的強度やイオン伝導性、表面に形成されるイオン交換樹脂層の耐剥離性などの特性をさらに向上させる目的で、複合イオン交換膜を適当な条件で熱処理する方法も好ましく用いることができる。また、表面に形成されるイオン交換樹脂の表面層の厚みを調整するために、該複合イオン交換膜をさらにイオン交換樹脂溶液に浸漬したり、該複合イオン交換膜にイオン交換樹脂溶液を塗布したりしてから乾燥することによりイオン交換樹脂層の付着量を増加させたり、あるいは、イオン交換樹脂溶液に浸漬した後に支持体膜の表面に付着したイオン交換樹脂溶液の一部をスクレーパー、エアナイフ、ローラーなどで掻き落としたり、ろ紙やスポンジのような溶液吸収性のある材料で吸収したりすることにより、イオン交換樹脂層の付着量を減少させたりする方法も用いることができる。あるいは、熱プレスをかけることによりイオン交換樹脂層の密着性をさらに向上させるなどの方法を併せて用いることもできる。
【００９３】
本発明の複合イオン交換膜は高いイオン伝導性を有しながら、機械的強度に優れる。また、その特性を生かして、複合イオン交換膜特に固体高分子形燃料電池の高分子固体電解質膜として利用することができる。
【００９４】
本発明に用いられる電極に関しては特に限定されるものではないが、燃料電池の形状や、用途などに応じて適宜選択される。例えばカーボンペーパー、カーボンクロスなどが選択される。また、ＰＴＦＥなどで撥水加工したものも用いられる。電極の厚みに関しては特に限定されるものではないが、４００μｍ以下のものが好ましい。さらに好ましくは３００μｍ以下のものである。
【００９５】
本発明に用いられる触媒層とは、白金などの触媒を有する層である。触媒は固体高分子型燃料電池に用いられるものであれば特に限定されるものではない。白金などの金属、または合金の触媒をカーボンブラックに担持した状態で触媒層に含有されることが好ましい。また触媒層にはイオン交換樹脂を含有する。このイオン交換樹脂は該複合イオン交換膜に含まれるものと同一ものでもよいし、異なっていてもよいが、好ましくは同一ものである。また、２種類以上のイオン交換樹脂を含有していてもよい。触媒層内にはイオン交換樹脂以外にもフッ素樹脂など別の樹脂を含有していてもよい。また、触媒を担持していない単体のカーボンブラックを含有していてもよい。
【００９６】
本発明の電解質膜−電極接合体作成する方法については特に限定されるものではないが、燃料電池の形状や、用途などに応じて適宜選択される。例えば、白金などの触媒を担持したカーボンブラックをイオン交換樹脂の溶液またはイオン交換樹脂と結着剤を含む溶液に分散して作成したインクまたはペーストを電極上に、噴霧または塗布し、乾燥させたものを電解質膜と触媒層が接触するように重ね合わせ、ホットプレスする方法、白金などの触媒を担持したカーボンブラックをイオン交換樹脂の溶液またはイオン交換樹脂と結着剤を含む溶液に分散して作成したインクまたはペーストを電解質膜上に、噴霧または塗布し、乾燥させたものを電極と触媒層が接触するように重ね合わせ、ホットプレスする方法、白金などの触媒を担持したカーボンブラックをイオン交換樹脂の溶液またはイオン交換樹脂と結着剤を含む溶液に分散して作成したインクまたはペーストを離型材上に、噴霧または塗布し、乾燥させたものを電解質膜と触媒層が接触するように重ね合わせ、ホットプレスすることにより触媒層を電解質膜上に転写し、この膜を電極と触媒層が接触するように重ね合わせ、ホットプレスする方法、白金などの触媒を担持したカーボンブラックをイオン交換樹脂の溶液またはイオン交換樹脂と結着剤を含む溶液に分散して作成したインクまたはペーストをバインダーとして電解質膜と電極をはり合わせる方法、白金などの触媒を担持したカーボンブラックをフッ素樹脂などの結着剤を含む溶液に分散して電極に塗布、乾燥、焼成したものにイオン交換樹脂を塗布したものを乾燥し、電極と触媒層が接触するように重ね合わせ、ホットプレスする方法などどのような方法を用いてもかまわない。またホットプレスする際、膜または／および電極は水、アルコールなどの有機溶剤、酸水溶液などを含有していてもかまわない。
【００９７】
本発明の複合イオン交換膜を用いると電解質膜−電極接合体を作成する際、膜の膨潤や変形が少なく容易に行うことができる。
【００９８】
イオン交換膜の表層に支持体膜を含む複合イオン交換膜は電極との接合性がイオン交換樹脂単独のイオン交換膜と比較して劣ることが多いが、本発明の複合イオン交換膜は両面に支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層を有するため、イオン交換樹脂単独のイオン交換膜と同様に電極との接合を容易に行うことができる。
【００９９】
本発明の電解質膜−電極接合体は高いイオン伝導性を有しながら、機械的強度に優れる。また、その特性を生かして、特に固体高分子形燃料電池の高分子固体電解質膜−電極接合体として利用することができる。
【０１００】
実施例
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
評価法・測定法
【０１０１】
＜極限粘度＞
メタンスルホン酸を溶媒として、０．５ｇ／Ｌの濃度に調整したポリマー溶液の粘度をウベローデ型粘度計を用いて２５℃恒温槽中で測定し、算出した。
【０１０２】
＜支持体膜厚み＞
未乾燥の支持体膜の厚みは次に示す方法により測定した。測定荷重を変更可能なマイクロメータを用い、各荷重における水中での支持体膜の厚みを測定した。測定した厚みを荷重に対してプロットし、直線部分を荷重０に外挿したときの切片の値を厚みとし、一つの試料について５ヶ所で測定した厚みの平均値を支持体膜の厚みとした。
【０１０３】
＜複合イオン交換膜の厚さおよび、それを構成する層の厚さ＞
該複合イオン交換膜を構成する複合層および該複合層を挟む形で複合層の両面に形成された支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層の厚さは、幅３００μｍ×長さ５ｍｍに切り出した複合膜片を、ルベアック８１２（ナカライテスク製）／ルベアックＮＭＡ（ナカライテスク製）／ＤＭＰ３０（ＴＡＡＢ製）＝１００／８９／４の組成とした樹脂で包埋し、６０℃で１２時間硬化させて試料ブロックを作製した。ウルトラミクロトーム（ＬＫＢ製２０８８ＵＬＴＲＯＴＯＭＥ ５）を用いて平滑な断面が露出するようブロックの先端をダイヤモンドナイフ（住友電工製ＳＫ２０４５）で切削した。このようにして露出させた複合膜の断面を光学顕微鏡で写真撮影し、既知の長さのスケールを同倍率で撮影したものと比較することで測定した。支持体の空隙率が大きい場合等で、少なくとも一方の面の表面層とその内側の複合層とが明確な界面を形成せずに界面付近の構造が連続的に変化している場合があるが、その場合は光学顕微鏡で連続的な構造の変化が確認できる部分のうち、複合イオン交換膜の外表面に最も近い部分を複合層の最外表面として、そこから複合イオン交換膜の外表面までの距離を該表面層の厚みとした。
【０１０４】
＜複合イオン交換膜のイオン交換樹脂（ＩＣＰ）含有率＞
複合イオン交換膜のイオン交換樹脂含有率は以下の方法により測定した。１１０℃で６時間真空乾燥させた複合イオン交換膜の目付けＤｃ［ｇ／ｍ^２］を測定し、複合イオン交換膜の作製に用いたのと同じ製造条件の支持体膜をイオン交換樹脂を複合化させずに乾燥させて測定した乾燥支持体膜の目付けＤｓ［ｇ／ｍ^２］とから、以下の計算によりイオン交換樹脂含有率を求めた。
イオン交換樹脂含有率［重量％］＝（Ｄｃ−Ｄｓ）／Ｄｃ×１００
また、複合イオン交換膜のイオン交換樹脂含有率は以下の方法によって測定することもできる。すなわち、複合イオン交換膜を複合イオン交換膜中の支持体膜成分あるいは、イオン交換樹脂成分のいずれかのみを溶解可能な溶剤に浸漬して一方の成分を抽出、除去した後、元の複合イオン交換膜との重量変化を測定することでイオン交換樹脂の含有率を求めることができる。
【０１０５】
＜強度・引張弾性率＞
イオン交換膜の強度特性は、気温２５℃、相対湿度５０％の雰囲気で、オリエンテック社製テンシロンを用いて測定した。試料は幅１０ｍｍの短冊状とし、支間長４０ｍｍ、引っ張り速度２０ｍｍ／ｓｅｃで測定した応力歪み曲線から算出した。
【０１０６】
＜イオン導電率＞
イオン導電率σは次のようにして測定した。自作測定用プローブ（ポリテトラフルオロエチレン製）上で幅１０ｍｍの短冊状膜試料の表面に白金線（直径：０．２ｍｍ）を押しあて、８０℃、相対湿度９５％の恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間の１０ｋＨｚにおける交流インピーダンスをＳＯＬＡＲＴＲＯＮ社１２５０ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＲＥＳＰＯＮＳＥ ＡＮＡＬＹＳＥＲにより測定した。極間距離を１０ｍｍから４０ｍｍまで１０ｍｍ間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Ｄ_ｒ［Ω／ｃｍ］から下記の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ［Ｓ／ｃｍ］＝１／（膜幅×膜厚［ｃｍ］×Ｄ_ｒ）
【０１０７】
＜ガス透過率＞
イオン交換膜のガス透過率は以下の方法で測定した。イオン交換膜をメッシュ状のステンレス製サポート上に置き、ホルダーに固定した後、イオン交換膜の一方の面に室温にて水蒸気で飽和したヘリウムガスをゲージ圧が０．０９ＭＰａとなるようにして流通させ、イオン交換膜の他方の面に透過してくるヘリウムガスの量を石鹸膜流量計を用いて測定し算出した。
【０１０８】
＜発電特性＞
電解質膜−電極接合体をＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ社製評価用燃料電池セルＦＣ２５−０２ＳＰに組み込んでセル温度８０℃、ガス加湿温度８０℃、燃料ガスとして水素３００ｍＬ／ｍｉｎ、酸化ガスとして空気１０００ｍＬ／ｍｉｎのガス流量において発電特性評価を行った。
【０１０９】
実施例１
ポリ燐酸中にＩＶ＝２４ｄＬ／ｇのポリパラフェニレンシスベンゾビスオキサゾールポリマーを１４重量％含んだドープにメタンスルホン酸を加えて希釈し、ポリパラフェニレンシスベンゾビスオキサゾール濃度１重量％の等方性溶液を調製した。この溶液を、９０℃に加熱したガラス板上にクリアランス３００μｍのアプリケータを用いて製膜速度２０ｍｍ／秒で製膜した。このようにしてガラス板上に製膜したドープ膜をそのまま２５℃、相対湿度８０％の恒温恒湿槽中に置いて１時間凝固し、生成した膜を洗液がｐＨ７±０．５を示すまで水洗を行って支持体膜を作成した。この支持体膜を水中でステンレス製のフレームに固定し、支持体膜の内部の水をイオン交換樹脂溶液であるデュポン社製２０％ナフィオン（商品名）溶液（品番：ＳＥ−２０１９２）の溶媒組成とほぼ同じ水：エタノール：１−プロパノール＝２６：２６：４８（重量比）の混合溶媒で置換した。この支持体膜を２０％ナフィオン（商品名）溶液に２５℃で１５時間浸漬した後溶液から取り出し、膜の内部に含浸および膜表面に付着したナフィオン（商品名）溶液の溶媒を風乾により揮発させ乾燥させた。乾燥させた膜は６０℃のオーブン中で１時間予備熱処理して残留した溶媒を除いた後、窒素雰囲気下、１５０℃で１時間熱処理を行なうことにより複合イオン交換膜を調製した。デュポン社製２０％ナフィオン（商品名）溶液（品番：ＳＥ−２０１９２）に、白金担持カーボン（カーボン：Ｃａｂｏｔ社製ＶａｌｃａｎＸＣ−７２、白金担持量：４０重量％）を、白金とナフィオンの重量比が２．７：１になるように加え、撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーＴＧＰＨ−０６０に白金の付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２になるように塗布、乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作成した。２枚の電極触媒層付きガス拡散層の間に、上記複合イオン交換膜を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により１２０℃、２ＭＰａにて３分間加圧、加熱することにより、実施例１の電解質膜−電極接合体とした。
【０１１０】
実施例２
デュポン社製２０％ナフィオン（商品名）溶液（品番：ＳＥ−２０１９２）に、白金担持カーボン（カーボン：Ｃａｂｏｔ社製ＶａｌｃａｎＸＣ−７２、白金担持量：４０重量％）を、白金とナフィオンの重量比が２．７：１になるように加え、撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを実施例１で示したのと同じ複合イオン交換膜に白金の付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２になるように塗布、乾燥して、電極触媒層付きイオン交換膜を作成した。２枚の東レ製カーボンペーパーＴＧＰＨ−０６０の間に、上記イオン交換膜を挟み、ホットプレス法により１２０℃、２ＭＰａにて３分間加圧、加熱することにより、実施例２の電解質膜−電極接合体とした。
【０１１１】
実施例３
ポリ燐酸中に極限粘度１８ｄＬ／ｇのポリ｛２，６−ジイミダゾ［４，５−ｂ：４’，５’−ｅ］ピリジニレン−１，４（２，５−ジヒドロキシ）フェニレン｝（以下ＰＩＰＤと略）ポリマーを１９重量％含んだドープにメタンスルホン酸を加えて希釈し、ＰＩＰＤポリマー濃度１．５重量％の等方性溶液を調製し、支持体膜製膜用のドープとしたことを除き、実施例１に示したのと同じ方法で実施例３の電解質膜−電極接合体とした。
【０１１２】
比較例１
市販されているデュポン社製ナフィオン１１２（商品名）膜をイオン交換膜として用いた。この膜は実施例１で用いた２０％ナフィオン溶液や実施例２で用いた１０％ナフィオン水溶液に含まれるナフィオンポリマーと同じパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなるイオン交換膜であり、固体高分子形燃料電池用の電解質膜として広く用いられているものである。デュポン社製２０％ナフィオン（商品名）溶液（品番：ＳＥ−２０１９２）に、白金担持カーボン（カーボン：Ｃａｂｏｔ社製ＶａｌｃａｎＸＣ−７２、白金担持量：４０重量％）を、白金とナフィオンの重量比が２．７：１になるように加え、撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストをイオン交換膜に白金の付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２になるように塗布、乾燥して、電極触媒層付きイオン交換膜を作成した。この電極触媒層付きイオン交換膜は膨潤し膜が波打ったように変形した。２枚の東レ製カーボンペーパーＴＧＰＨ−０６０の間に、上記イオン交換膜を挟み、ホットプレス法により１２０℃、２ＭＰａにて３分間加圧、加熱することにより、比較例１の電解質膜−電極接合体とした。この接合体は膜が変形し波打っていたために接合が不完全であった。
【０１１３】
比較例２
ナフィオン溶液に浸漬した支持体膜をナフィオン溶液から取り出す際に、支持体膜の表面が露出するように支持体膜の両面に付着したナフィオン溶液をポリテトラフルオロエチレン製のスクレーパーで掻き取ったことを除き、実施例１で示したのと同じ方法で比較例２の電解質膜−電極接合体を調製した。
【０１１４】
実施例１、２、比較例１、２の物性値を表１に示す。
【０１１５】
【表１】

【０１１６】
実施例１から２の複合イオン交換膜は比較例１である市販のナフィオン１１２膜と対比して破断強度ならびに引張弾性率の大きなイオン交換膜であることがわかる。また実施例１から２の複合イオン交換膜は内部に支持体を有するにもかかわらず、支持体を含まない比較例１に比べてイオン導電率、発電性能ともに大幅な低下を起こすことなく、ガス透過率は半分以下の小さい値に抑えられており、燃料電池の高分子固体電解質膜として優れた特性を備えていることがわかる。
【０１１７】
実施例２の電解質膜−電極接合体では触媒ペーストを直接塗布しても膨潤変形が少なく、電極と良好に接合できたが、比較例２の電解質膜−電極接合体では触媒ペーストを直接塗布すると膨潤変形がおこり、ホットプレスによる接合が良好に行えなかった。また、発電評価後に評価後に燃料電池から電解質膜−電極接合体をとりだすと電解質膜から電極接合体が剥離した。このことから、本発明の電解質膜−電極接合体は電解質膜と電極との接合性が良好であることがわかる。
【０１１８】
実施例１の電解質膜−電極接合体では発電評価後も電解質膜と電極との剥離等は起こらなかったが、比較例１の電解質膜−電極接合体では発電評価後、電解質膜と電極との剥離が生じた。このことから、イオン交換膜の表層に支持体膜を含む複合イオン交換膜は電極との接合性がイオン交換樹脂単独のイオン交換膜と比較して劣ることが多いが、本発明に用いた複合イオン交換膜は両面に支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層を有するため、本発明の電解質膜−電極接合体はイオン交換樹脂単独のイオン交換膜を用いた電解質膜−電極接合体と同様に電極との接合性が良好であることがわかる。
【０１１９】
【発明の効果】
機械的強度が高く、イオン伝導性、発電特性、ガスバリヤー性に優れた高分子固体電解質膜を有し、電解質膜と電極接合体接合性の良好な電解質膜−電極接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合イオン交換膜の断面構造の模式図である。
【符号の説明】１ 表面層Ａ、 ２ 複合層、 ３ 表面層Ｂ、 ４ 触媒層、 ５ ガス拡散層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite ion exchange membrane having excellent mechanical strength and ion conductivity, and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly using a polymer solid electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Among them, polymer electrolyte fuel cells using polymer solid electrolyte membranes have features such as high energy density, and low operating temperature compared to other types of fuel cells, so they can be easily started and stopped. In addition, development as power supply devices for electric vehicles, distributed power generation, and the like has been progressing. Also, a direct methanol fuel cell, which also uses a solid polymer electrolyte membrane and directly supplies methanol as a fuel, is being developed for applications such as power supplies for portable devices. A proton conductive ion exchange resin membrane is usually used for the polymer solid electrolyte membrane. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane is required to have properties such as fuel permeation suppression properties for preventing permeation of hydrogen and the like of fuel and mechanical strength. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane into which a sulfonic acid group is introduced, such as Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA, is known.
[0003]
In order to increase the output and efficiency of a polymer electrolyte fuel cell, it is effective to reduce the ionic conduction resistance of the polymer electrolyte membrane. One of the measures is to reduce the film thickness. Attempts have been made to reduce the film thickness of a solid polymer electrolyte membrane such as Nafion. However, when the film thickness is reduced, the mechanical strength is reduced, and the polymer solid electrolyte membrane and the electrode are apt to be damaged when hot-pressed, for example, when the polymer solid electrolyte membrane is joined to the electrode, and the polymer solid electrolyte membrane is changed due to a change in the dimensions of the membrane. There has been such a problem that the electrode bonded to the membrane is peeled off and the power generation characteristics are deteriorated. In addition, the reduction of the film thickness has a problem that the fuel permeation deterrence is reduced, which causes a reduction in electromotive force and a reduction in fuel use efficiency.
[0004]
Further, the polymer solid electrolyte membrane is used not only as the ion exchange resin membrane of the fuel cell as described above, but also as an electrolysis application such as alkali electrolysis and hydrogen production from water, and various batteries such as lithium batteries and nickel hydrogen batteries. Applications in a wide range of applications such as electrolyte applications in the electrochemical field, mechanical functional materials such as micro-actuators and artificial muscles, ion / molecule recognition / response functional materials, separation / purification functional materials, etc. It is considered that a superior function can be provided by achieving higher strength and thinner polymer solid electrolyte membrane in each application.
[0005]
As a method for improving the mechanical strength of the polymer solid electrolyte membrane and suppressing the dimensional change, a composite polymer solid electrolyte membrane in which various reinforcing materials are combined with the polymer solid electrolyte membrane has been proposed. In a conventional composite polymer solid electrolyte membrane, a void portion of a stretched porous polytetrafluoroethylene membrane is impregnated with a perfluorocarbon sulfonic acid polymer as an ion exchange resin to be integrated (for example, see Patent Document 1). However, in these composite polymer solid electrolyte membranes, since the reinforcing material is made of polytetrafluoroethylene, the reinforcing material is softened by heat during power generation, and dimensional changes due to creep are likely to occur. When the acid polymer solution is impregnated and dried, the volume of the void portion of the reinforcing material hardly changes, so that the perfluorocarbon sulfonic acid polymer precipitated inside the void of the reinforcing material tends to be unevenly distributed, and the void is formed by the polymer. Complete filling requires a complicated process, such as repeating the process of impregnation and drying of the ion exchange resin solution several times, and a membrane with excellent fuel permeation suppression properties is obtained because voids are likely to remain. It had a problem that it was difficult to be performed. Further, there is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer in which fibrillated polytetrafluoroethylene is dispersed as a reinforcing material in a membrane (for example, see Patent Document 2). However, such composite polymer solid electrolyte membranes have problems that the reinforcing material has a discontinuous structure, does not provide sufficient mechanical strength, and the deformation of the membrane cannot be suppressed. Had.
[0006]
Polybenzazole-based polymers such as polybenzoxazole (PBO) and polybenzimidazole (PBI) are excellent in high heat resistance, high strength, and high elastic modulus, and thus are suitable as a reinforcing material for a solid polymer electrolyte membrane. Is expected. Conventionally, a PBO porous membrane and various ion exchange resins are combined (for example, see Patent Document 3). However, the porosity of the PBO porous membrane obtained by the method of directly coagulating the PBO solution thus formed in a water bath is at most 90% by volume or less. However, there is a problem that the content of the ion exchange resin becomes low, and the characteristics such as the ion conductivity inherent in the ion exchange resin are greatly reduced. Further, the composite ion exchange membrane described therein does not particularly define the formation and thickness of the ion exchange resin layer on the surface, but the existence and thickness of the surface layer in the composite ion exchange membrane are different from those of the composite ion exchange membrane. In the case where an electrode is formed on the surface or the like, it affects the adhesion between the ion exchange resin serving as a binder and the ion exchange resin forming the polymer solid electrolyte membrane, and it is important to control these optimally.
[0007]
There is also a method for producing a polymer film for a fuel cell in which an acid is trapped in the voids of a PBI porous membrane (for example, see Patent Document 4). However, the film in which free acid is trapped by such a method has a lower ionic conductivity in a low temperature region such as 100 ° C. or lower than an ion exchange membrane such as Nafion described above, and easily leaks acid. There was a problem such as. Further, there is a method of obtaining a polybenzazole film by forming a film of an optically anisotropic polybenzazole-based polymer solution and then coagulating it through an isotropic process by moisture absorption (for example, see Patent Document 5). However, the polybenzazole film obtained by the method described therein is a transparent and highly dense film, and is not suitable for the purpose of impregnating an ion exchange resin into an ion exchange membrane.
[0008]
Prior art document information related to the invention of this application includes the following.
[Patent Document 1]
JP-A-8-162132 (pages 2-3)
[Patent Document 2]
JP 2001-35508 A (pages 2-4)
[Patent Document 3]
WO 00/22684 pamphlet (page 9-35, table 2-7, FIG. 1)
[Patent Document 4]
WO 98/14505 pamphlet (pages 2-9)
[Patent Document 5]
JP-A-2000-273214 (pages 2-7)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
It provides an electrolyte membrane-electrode assembly that has a high mechanical strength, has a polymer solid electrolyte membrane with excellent ion conductivity, power generation characteristics, and gas barrier properties, and has good electrolyte membrane-electrode assembly bondability. is there.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention provides a composite layer in which a support membrane made of a polybenzazole-based polymer having continuous voids is impregnated with an ion exchange resin, and a support formed on both surfaces of the composite layer with the composite layer interposed therebetween. An electrolyte membrane-electrode assembly, comprising: a composite ion exchange membrane having a surface layer made of an ion exchange resin containing no body membrane, wherein a catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both surfaces of the composite ion exchange membrane. . Still further, in the present invention, the thickness of each surface layer made of an ion-exchange resin that does not include a support membrane formed on both surfaces is 1 μm or more and 50 μm or less, and half the total thickness of the composite ion-exchange membrane. An electrolyte membrane-electrode assembly characterized by being within the range not exceeding.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The polybenzazole-based polymer used as the support membrane of the present invention refers to a polymer having a structure including an oxazo ring, a thiazole ring, and an imidazole ring in a polymer chain, and a repeating unit represented by the following general formula. What is included in it.
[0012]
Embedded image

[0013]
Here, Ar ₁ , Ar ₂ , and Ar ₃ represent aromatic units and have substituents such as various aliphatic groups, aromatic groups, halogen groups, hydroxyl groups, nitro groups, cyano groups, and trifluoromethyl groups. May be. These aromatic units include a monocyclic system unit such as a benzene ring, a condensed ring system unit such as naphthalene, anthracene, and pyrene, and a polycyclic aromatic unit in which two or more aromatic units are connected via an arbitrary bond. But it's fine. In addition, the positions of N and X in the aromatic unit are not particularly limited as long as the positions are such that a benzazole ring can be formed. Further, these may be not only hydrocarbon-based aromatic units, but also heterocyclic-based aromatic units containing N, O, S, etc. in the aromatic ring. X represents O, S, NH.
Ar ₁ is preferably represented by the following general formula.
[0014]
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[0015]
Here, Y ₁ and Y ₂ represent CH or N, Z is a direct bond, —O—, —S—, —SO ₂ —, —C (CH ₃ ) ₂ —, and —C (CF ₃ ) ₂ —. , -CO-.
Ar ₂ is preferably represented by the following general formula.
[0016]
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[0017]
Here, W is _{-O -, - S -, -} SO 2 -, - C (CH 3) 2 -, - C (CH 3) 2 -, - shows a CO-.
Ar ₃ is preferably represented by the following general formula.
[0018]
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[0019]
These polybenzazole-based polymers may be homopolymers having the above-described repeating units, or may be random, alternating or block copolymers obtained by combining the above-described structural units. For example, US Pat. Examples described in U.S. Pat. No. 4,533,692, U.S. Pat. No. 4,533,724, U.S. Pat. No. 4,533,693, U.S. Pat. No. 4,539,567, and U.S. Pat. No. 4,578,432 are also exemplified.
[0020]
Specific examples of these polybenzazole-based structural units include those represented by the following structural formula.
[0021]
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[0022]
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[0023]
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[0024]
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[0025]
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[0026]
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[0027]
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[0028]
Furthermore, not only these polybenzazole-based constituent units but also random, alternating or block copolymers with other polymer constituent units may be used. At this time, it is preferable that the other polymer constituent units are selected from aromatic polymer constituent units having excellent heat resistance. Specifically, a polyimide-based structural unit, a polyamide-based structural unit, a polyamide-imide-based structural unit, a polyoxydiazole-based structural unit, a polyazomethine-based structural unit, a polybenzazole-imide-based structural unit, a polyetherketone-based structural unit, Examples thereof include polyethersulfone-based structural units.
[0029]
Examples of the polyimide structural unit include those represented by the following general formula.
[0030]
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[0031]
Here, Ar ₄ is represented by a tetravalent aromatic unit, but is preferably represented by the following structure.
[0032]
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[0033]
Ar ₅ is a divalent aromatic unit, and is preferably represented by the following structure. Various substituents such as a methyl group, a methoxy group, a halogen group, a trifluoromethyl group, a hydroxyl group, a nitro group, and a cyano group may be present on the aromatic ring shown here.
[0034]
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[0035]
Specific examples of these polyimide structural units include those represented by the following structural formula.
[0036]
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[0037]
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[0038]
Examples of the polyamide structural unit include those represented by the following structural formula.
[0039]
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[0040]
Here, Ar ₆ , Ar ₇ , and Ar ₈ are preferably each independently selected from the following structures. Various substituents such as a methyl group, a methoxy group, a halogen group, a trifluoromethyl group, a hydroxyl group, a nitro group, and a cyano group may be present on the aromatic ring shown here.
[0041]
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[0042]
Specific examples of these polyamide structural units include those represented by the following structural formula.
[0043]
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[0044]
Examples of the polyamideimide-based structural unit include those represented by the following structure.
[0045]
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[0046]
Here, Ar ₉ is preferably selected from the structures shown as specific examples of the above Ar ₅ .
[0047]
Specific examples of these polyamideimide structural units include those represented by the following structural formula.
[0048]
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[0049]
Examples of the polyoxydiazole-based structural unit include those represented by the following structural formula.
[0050]
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[0051]
Here, Ar ₁₀ is preferably selected from the structures shown as specific examples of the above Ar ₅ .
[0052]
Specific examples of these polyoxydiazole-based constitutional units include those represented by the following structural formula.
[0053]
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[0054]
Examples of the polyazomethine-based structural unit include those represented by the following structure.
[0055]
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[0056]
Here, Ar ₁₁ and Ar ₁₂ are preferably selected from the structures shown as specific examples of the above Ar ₆ .
[0057]
Specific examples of these polyazomethine-based structural units include those represented by the following structural formula.
[0058]
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[0059]
Examples of the polybenzazole imide-based structural unit include those represented by the following structural formula.
[0060]
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[0061]
Here, Ar ₁₃ and Ar ₁₄ are preferably selected from the structures shown as specific examples of Ar ₄ described above.
[0062]
Specific examples of the polybenzazole imide-based structural unit include those represented by the following structural formula.
[0063]
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[0064]
The polyetherketone-based structural unit and the polyethersulfone-based structural unit generally have a structure in which an aromatic unit is connected with a ketone bond or a sulfone bond together with an ether bond, and include a structural component selected from the following structural formula.
[0065]
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[0066]
Here, Ar _{15 to} Ar ₂₃ are preferably each independently represented by the following structure. Various substituents such as a methyl group, a methoxy group, a halogen group, a trifluoromethyl group, a hydroxyl group, a nitro group, and a cyano group may be present on the aromatic ring shown here.
[0067]
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[0068]
Specific examples of these polyetherketone-based constitutional units include those represented by the following structural formulas.
[0069]
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[0070]
The aromatic polymer constituent units that can be copolymerized with these polybenzazole-based polymer constituent units do not strictly refer to the repeating units in the polymer chain, but can be present together with the polybenzazole-based constituent units in the polymer main chain. It shows the unit. Not only one kind of these aromatic polymer constituent units that can be copolymerized but also two or more kinds can be used in combination for copolymerization. In order to synthesize such a copolymer, an amino group, a carboxyl group, a hydroxyl group, a halogen group, or the like is introduced into the terminal of a polybenzazole-based polymer constituent unit, and the reaction in the synthesis of these aromatic polymers is performed. Polymerization may be carried out as a component, or a carboxyl group may be introduced into a terminal of the unit containing these aromatic polymer constituent units, and then polymerized as a reaction component in the synthesis of a polybenzazole polymer.
[0071]
The polybenzazole-based polymer is subjected to condensation polymerization in a polyphosphoric acid solvent to obtain a polymer. The polymerization degree of the polymer is represented by the intrinsic viscosity, and is preferably 15 dL / g or more, more preferably 20 dL / g or more. If it is below this range, the strength of the resulting support membrane is undesirably low. The intrinsic viscosity is preferably 35 dL / g or less, more preferably 26 dL / g or less. Exceeding this range is not preferred because the concentration range of the polybenzazole-based polymer solution from which an isotropic solution can be obtained is limited, and it becomes difficult to form a film under isotropic conditions.
[0072]
As a method of forming a polybenzazole-based polymer solution, a casting method in which a polymer solution is cast onto a substrate using a doctor blade or the like, a casting method, a method of extruding from a linear slit die, or a method of forming a circumference. Any method of molding a solution into a film, such as a method of blow-extrusion from a slit slit die, a sandwich method of pressing a polymer solution sandwiched between two substrates with a roller, and a spin coating method, can be used. Preferred film forming methods suitable for the purpose of the present invention are a casting method and a sandwich method. For the substrate of the casting method or the substrate of the sandwich method, various porous materials are used as the substrate and the substrate for the purpose of controlling the void structure of the support film at the time of solidification, in addition to the glass plate, the metal plate, the resin film, and the like. It can be preferably used.
[0073]
In the polybenzazole-based polymer solution used in the present invention, it is important to form a film with a composition under isotropic conditions in order to obtain a uniform and large porosity support membrane. The concentration range is at least 0.3%, more preferably at least 0.5%, even more preferably at least 0.8%. If the concentration is lower than this range, the viscosity of the polymer solution becomes low, which limits the applicable film-forming method, and the strength of the obtained support film becomes unfavorably low. Furthermore, the concentration range is preferably 3% or less, more preferably 2% or less, and still more preferably 1.5% or less. If the concentration is higher than this range, not only a support film having a large porosity cannot be obtained, but also the solution shows anisotropy depending on the polymer composition and the degree of polymerization of the polybenzazole-based polymer, which is not preferable.
[0074]
The following method can be used to adjust the concentration of the polybenzazole-based polymer solution to the above range. That is, a method in which a polymer solid is once separated from a polymerized polybenzazole-based polymer solution, and the concentration is adjusted by adding a solvent again and dissolving. Furthermore, a method of adjusting the concentration by adding a solvent to the polymer solution and diluting the polymer solution without separating the polymer solid from the polymer solution that has been condensation-polymerized in polyphosphoric acid. Further, there is a method of directly obtaining a polymer solution having the above concentration range by adjusting the polymerization composition of the polymer.
[0075]
Preferred solvents for use in adjusting the concentration of the polymer solution include methanesulfonic acid, dimethylsulfuric acid, polyphosphoric acid, sulfuric acid, trifluoroacetic acid, and the like, or a mixed solvent obtained by combining these solvents. Among them, methanesulfonic acid and polyphosphoric acid are particularly preferred.
[0076]
As a means for realizing the porous structure of the support membrane, a method is used in which the formed isotropic polybenzazole-based polymer solution is brought into contact with a poor solvent to coagulate. The poor solvent is a solvent that is miscible with the solvent of the polymer solution, and may be in a liquid phase or a gas phase. Further, a combination of solidification with a poor solvent in a gas phase and solidification with a poor solvent in a liquid phase can also be preferably used. As the poor solvent used for coagulation, in addition to water, an aqueous acid solution and an aqueous inorganic salt solution, organic solvents such as alcohols, glycols, and glycerin can be used. In combination with the polybenzazole-based polymer solution used, Depending on the surface porosity and porosity of the support membrane may be reduced, or there may be problems such as the formation of discontinuous cavities inside the support membrane. Caution must be taken. In the coagulation of the isotropic polybenzazole-based polymer solution in the present invention, in addition to water vapor, methanesulfonic acid aqueous solution, phosphoric acid aqueous solution, glycerin aqueous solution, and inorganic salt aqueous solution such as magnesium chloride aqueous solution, coagulation with poor solvent By selecting the conditions, the structure and porosity of the surface and the inside of the support membrane were controlled. Particularly preferred coagulation means are a method of coagulation by contact with water vapor, a method of coagulation by contact with water after a short period of contact with water vapor in the early stage of coagulation, a method of coagulation by contact with an aqueous methanesulfonic acid solution, and the like. is there.
[0077]
As the solidification of the polymer proceeds, the support membrane tends to shrink. During the solidification, a tenter or a fixed frame may be used for the purpose of suppressing wrinkles due to uneven shrinkage of the support film. In the case of solidifying a polymer solution molded on a substrate such as a glass plate, shrinkage on the substrate may be controlled by controlling the roughness of the substrate surface.
[0078]
The support membrane solidified as described above should be sufficiently washed for the purpose of accelerating the decomposition of the polymer by the residual solvent and avoiding the problem of the residual solvent flowing out when using the composite electrolyte membrane. Is desirable. Washing can be performed by immersing the support membrane in a washing solution. A particularly preferred cleaning solution is water. Washing with water is preferably performed until the pH of the washing liquid when the support membrane is immersed in water is in the range of 5 to 8, and more preferably in the range of 6.5 to 7.5.
[0079]
Using a polybenzazole-based polymer isotropic solution in the specific concentration range described above, and having a structure suitable for the purpose of the present invention by using an appropriate coagulation means selected from the methods described above A support membrane made of a polybenzazole-based polymer is obtained. That is, it is a porous support film having continuous voids having openings on at least one surface of the support film. The support membrane has a three-dimensional network structure formed from fibril-like fibers of a polybenzazole-based polymer, and has three-dimensionally continuous voids in water using an atomic force microscope as shown in the examples. And the cross-sectional observation of the support membrane, whose structure in water was maintained by epoxy embedding-de-epoxy, with a transmission electron microscope. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-203576 describes an electrolyte membrane in which an ion conductive substance is introduced into a membrane support having a communication hole penetrating in the thickness direction of the membrane. When a support whose directionality is mainly limited to the thickness direction of the membrane is used for the electrolyte membrane of the fuel cell, the continuity of the ion-conductive substance in the plane direction of the membrane is small, so that the ion exchange of the fuel cell is When the membrane is used as a membrane, it is not preferable to cause an uneven state in the surface direction such as a fuel gas concentration distribution or an attached amount of an electrode catalyst, since there is a problem that local deterioration of the ion exchange membrane is likely to occur.
[0080]
The porosity of the support membrane of the present invention is preferably 90% by volume or more, more preferably 95% by volume or more. If the porosity is smaller than this range, the content of the ion-exchange resin when the ion-exchange resin is composited is small, and the ionic conductivity is undesirably reduced.
[0081]
In the support membrane of the present invention, the porosity of at least one surface is preferably 40% or more, more preferably 50% or more, and particularly preferably 60% or more. If the porosity of at least one surface is smaller than this range, the ion exchange resin is less likely to be impregnated into the voids of the support membrane when the ion exchange resin is composited with the support membrane.
[0082]
A method for obtaining a composite ion exchange membrane by combining an ion exchange resin with the porous support membrane made of the polybenzazole-based polymer obtained by the above method will be described. That is, without drying the support membrane, a method of immersing the support membrane in an ion exchange resin solution, replacing the liquid inside the support membrane with the ion exchange resin solution, and then drying the composite membrane to obtain a composite ion exchange membrane. . When the liquid inside the support membrane is different from the solvent composition of the ion exchange resin solution, a method of replacing the internal liquid in advance in accordance with the solvent composition may be adopted.
[0083]
The support membrane of the present invention is characterized in that the void structure shrinks as the volume of the liquid inside the void decreases due to drying, and the apparent volume of the support membrane is greatly reduced. When the support membrane is fixed to a metal frame or the like without impregnating the ion exchange resin into the inside of the support membrane and dried while limiting shrinkage in the plane direction, the shrinkage occurs in the film thickness direction, and the support membrane is The apparent film thickness after drying ranges from 0.5% to 10% of the film thickness before drying. Such a large shrinkage does not occur in a porous support membrane other than the support membrane of the present invention, for example, a support membrane made of a stretched polytetrafluoroethylene polymer porous membrane.
[0084]
Due to such characteristics of the support membrane, when the liquid in the voids of the support membrane is replaced with the ion exchange resin solution and then dried, the solvent of the ion exchange resin solution impregnated in the voids evaporates. Then, since the support membrane shrinks as the volume of the ion exchange resin solution decreases, it is easy to obtain a dense composite membrane structure in which voids inside the support membrane are filled with the precipitated ion exchange resin. Can be. Due to this composite membrane structure, the composite ion exchange membrane of the present invention exhibits excellent fuel permeation suppression properties. In the case of a porous support membrane other than the support membrane of the present invention, for example, a support membrane made of a stretched polytetrafluoroethylene polymer porous membrane, the solvent of the ion exchange resin solution impregnated inside the voids evaporates and the ion exchange is carried out. Even if the volume of the resin solution is reduced, since the support membrane shrinks with the volume is small, not only a large number of voids not filled with the ion exchange resin are formed inside the dried composite membrane, but also both sides of the support membrane. This is not preferred because a surface layer of an ion exchange resin containing no support is not formed.
[0085]
The composite ion-exchange membrane also has properties such as the concentration and viscosity of the ion-exchange resin solution, the volatility of a solvent, and the thickness and porosity of the support membrane, because the support membrane significantly shrinks. By adjusting the combination, the excess ion-exchange resin solution attached to both surfaces of the support membrane in parallel with the formation of the composite layer in which the ion-exchange resin fills the internal voids of the support membrane, The ion exchange resin solution discharged from the inside of the support membrane due to the shrinkage of the support membrane is dried outside the surface of the support membrane to form an ion exchange resin layer not containing the support. As a result, it is possible to easily realize a structure in which a surface layer of an ion exchange resin that does not include a support membrane is formed on both surfaces of the composite layer so as to sandwich the composite layer.
[0086]
As described above, since a membrane other than the support membrane of the present invention, for example, a porous support membrane made of polytetrafluoroethylene polymer does not undergo significant shrinkage, the membrane is impregnated with an ion exchange resin solution and dried. Even if the ion-exchange resin precipitates inside the support membrane, voids remain, and no ion-exchange resin layer sandwiching the support-membrane composite layer is formed. In order to eliminate this state, it is necessary to repeat impregnation and drying of the ion exchange resin solution a plurality of times, which is not preferable because the process becomes complicated.
[0087]
The ion exchange resin used in the composite ion exchange membrane of the present invention is not particularly limited. In addition to the above-mentioned perfluorocarbon sulfonic acid polymer, for example, polystyrene sulfonic acid, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl phosphone Acid, polyvinyl carboxylic acid, at least one ionomer of polyvinyl sulfonic acid polymer, polysulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzazole And ionomers in which at least one of aromatic polymers such as polyaramid polymer is sulfonated, phosphonated or carboxylated Kill. As used herein, the polysulfone polymer includes at least one of a polyether sulfone, a polyaryl sulfone, a polyaryl ether sulfone, a polyphenyl sulfone, and a polyphenylene sulfone polymer. Further, the polyetherketone polymer referred to here includes at least one of polyetheretherketone, polyetherketone-ketone, polyetheretherketone-ketone, and polyetherketoneether-ketone polymer.
[0088]
The solvent for the ion exchange resin solution described above can be selected from solvents that do not dissolve, decompose, or extremely swell the polybenzazole-based polymer support membrane and can dissolve the ion exchange resin. However, in order to precipitate the ion exchange resin by removing the solvent after impregnating the support membrane with the ion exchange resin solution, the solvent can be removed by evaporating using a means such as heating or decompression. It is preferable that Here, since the polybenzazole-based polymer support membrane of the present invention has high heat resistance, in the production of a composite ion exchange membrane using a polytetrafluoroethylene support membrane that causes creep from a temperature of about 100 ° C. The fact that a composite ion exchange membrane can be prepared using an ion exchange resin solution containing a high boiling point solvent that cannot be used is also an excellent feature from the viewpoint that many types of ion exchange resins can be selected.
[0089]
The concentration of the ion exchange resin solution described above and the molecular weight of the ion exchange resin are not particularly limited, but are appropriately selected depending on the type of the ion exchange resin, the thickness of the composite ion exchange membrane to be obtained, and the like. Is done.
[0090]
The content of the ion exchange resin in the composite ion exchange membrane obtained as described above is preferably 50% by weight or more. More preferably, it is at least 80% by weight. If the content is less than this range, the conductive resistance of the film becomes large, or the water retention of the film is reduced, so that sufficient power generation performance cannot be obtained.
[0091]
Further, the composite ion exchange membrane of the present invention is characterized in that it has a surface layer made of an ion exchange resin containing no support on both surfaces of the composite layer with the composite layer interposed therebetween as described above. Since the composite ion-exchange membrane has the composite layer and the surface layer, the composite ion-exchange membrane has high mechanical strength and, when the electrode layer is formed on the surface, improves the adhesion to the electrode layer. It has the feature of being excellent. It is preferable that the thickness of each of the surface layers is 1 μm or more and 50 μm or less, and that each does not exceed half of the total thickness of the composite ion exchange membrane. If the thickness of the surface layer is smaller than the above range, the adhesion to the electrode layer is deteriorated, and the ionic conductivity is undesirably reduced. When the thickness of the surface layer is larger than the above range, the effect of reinforcement by the composite layer does not extend to the outermost surface of the composite ion exchange membrane, and only the surface layer swells greatly when the composite ion exchange membrane absorbs moisture. It is not preferable because the surface layer is separated from the composite layer. A more preferable range of the thickness of the surface layer is 2 μm or more and 30 μm or less.
[0092]
For the purpose of further improving properties such as mechanical strength, ion conductivity, and peeling resistance of the ion-exchange resin layer formed on the surface of the composite ion-exchange membrane, it is also preferable to heat-treat the composite ion-exchange membrane under appropriate conditions. Can be used. Further, in order to adjust the thickness of the surface layer of the ion exchange resin formed on the surface, the composite ion exchange membrane is further immersed in an ion exchange resin solution or the ion exchange resin solution is applied to the composite ion exchange membrane. Or to increase the amount of the ion-exchange resin layer by drying, or, after immersion in the ion-exchange resin solution, a part of the ion-exchange resin solution adhering to the surface of the support membrane with a scraper, an air knife, It is also possible to use a method of reducing the amount of the ion-exchange resin layer adhered by scraping off with a roller or the like or absorbing with a solution-absorbing material such as filter paper or sponge. Alternatively, a method of further improving the adhesion of the ion-exchange resin layer by applying a heat press can be used together.
[0093]
The composite ion exchange membrane of the present invention has excellent mechanical strength while having high ion conductivity. Further, by utilizing its characteristics, it can be used as a composite ion exchange membrane, particularly as a polymer solid electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell.
[0094]
The electrode used in the present invention is not particularly limited, but is appropriately selected according to the shape of the fuel cell, the application, and the like. For example, carbon paper, carbon cloth, or the like is selected. Further, a water-repellent material such as PTFE is also used. The thickness of the electrode is not particularly limited, but is preferably 400 μm or less. More preferably, it is 300 μm or less.
[0095]
The catalyst layer used in the present invention is a layer having a catalyst such as platinum. The catalyst is not particularly limited as long as it is used for a polymer electrolyte fuel cell. It is preferable that a metal or alloy catalyst such as platinum is contained in the catalyst layer in a state of being supported on carbon black. The catalyst layer contains an ion exchange resin. This ion exchange resin may be the same as or different from that contained in the composite ion exchange membrane, but is preferably the same. Further, two or more ion exchange resins may be contained. The catalyst layer may contain another resin such as a fluorine resin in addition to the ion exchange resin. Further, it may contain a single carbon black not carrying a catalyst.
[0096]
The method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is not particularly limited, but is appropriately selected according to the shape of the fuel cell, the application, and the like. For example, an ink or paste prepared by dispersing carbon black carrying a catalyst such as platinum in a solution of an ion exchange resin or a solution containing an ion exchange resin and a binder was sprayed or applied on the electrode and dried. Lap things so that the electrolyte membrane and the catalyst layer are in contact with each other, hot pressing, dispersing carbon black carrying a catalyst such as platinum in an ion exchange resin solution or a solution containing an ion exchange resin and a binder Spraying or applying the created ink or paste onto the electrolyte membrane, superimposing the dried ones so that the electrode and the catalyst layer are in contact with each other, hot pressing, ion exchange carbon black carrying a catalyst such as platinum An ink or paste made by dispersing in a resin solution or a solution containing an ion exchange resin and a binder is sprayed onto the release material. Is coated and dried so that the electrolyte membrane and the catalyst layer are in contact with each other, and the catalyst layer is transferred onto the electrolyte membrane by hot pressing, and this membrane is overlaid so that the electrode and the catalyst layer are in contact with each other. A method of combining and hot pressing, using an ink or paste prepared by dispersing carbon black carrying a catalyst such as platinum in a solution of an ion exchange resin or a solution containing an ion exchange resin and a binder as a binder to form an electrolyte membrane and electrodes. A method of bonding, carbon black carrying a catalyst such as platinum is dispersed in a solution containing a binder such as a fluororesin, applied to the electrode, dried, calcined and then dried with an ion-exchange resin, and dried. Any method may be used, such as a method of superimposing the catalyst layer and the catalyst layer in contact with each other and hot pressing. In hot pressing, the membrane or / and the electrode may contain water, an organic solvent such as alcohol, an aqueous acid solution, or the like.
[0097]
When the composite ion exchange membrane of the present invention is used, when the electrolyte membrane-electrode assembly is produced, it can be easily performed with little swelling or deformation of the membrane.
[0098]
Composite ion exchange membranes comprising a support membrane on the surface of the ion exchange membrane are often inferior in adhesion to the electrode as compared to ion exchange membranes of the ion exchange resin alone, but the composite ion exchange membrane of the present invention has Since it has a surface layer made of an ion-exchange resin that does not include a support membrane, it can be easily bonded to an electrode in the same manner as an ion-exchange membrane using only an ion-exchange resin.
[0099]
The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention has excellent mechanical strength while having high ionic conductivity. In addition, it can be used as a polymer solid electrolyte membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell, taking advantage of its characteristics.
[0100]
Examples Examples of the present invention will be shown below, but the present invention is not limited to these examples.
Evaluation method and measurement method
<Intrinsic viscosity>
Using methanesulfonic acid as a solvent, the viscosity of the polymer solution adjusted to a concentration of 0.5 g / L was measured using an Ubbelohde viscometer in a thermostat at 25 ° C. and calculated.
[0102]
<Support film thickness>
The thickness of the wet support film was measured by the following method. Using a micrometer capable of changing the measurement load, the thickness of the support film in water at each load was measured. The measured thickness was plotted against the load, the value of the intercept when the linear portion was extrapolated to a load of 0 was defined as the thickness, and the average value of the thickness measured at five locations for one sample was defined as the thickness of the support membrane. .
[0103]
<Thickness of composite ion exchange membrane and thickness of layers constituting it>
The thickness of the composite layer constituting the composite ion-exchange membrane and the surface layer made of an ion-exchange resin excluding the support membrane formed on both surfaces of the composite layer so as to sandwich the composite layer is 300 μm wide × 5 mm long The composite membrane piece cut into pieces is embedded with a resin having a composition of LUBEAK 812 (manufactured by Nacalai Tesque) / Lubeac NMA (manufactured by Nacalai Tesque) / DMP30 (manufactured by TAAB) = 100/89/4, and is embedded at 60 ° C. for 12 hours. After curing, a sample block was prepared. The tip of the block was cut with a diamond knife (SK2045 manufactured by Sumitomo Electric Industries) so that a smooth cross section was exposed using an ultramicrotome (2088 ULTROTOME 5 manufactured by LKB). The cross section of the composite membrane thus exposed was photographed with an optical microscope, and measured by comparing a scale of known length with that photographed at the same magnification. For example, when the porosity of the support is large, the structure near the interface may be continuously changed without forming a clear interface between the surface layer on at least one surface and the composite layer inside the surface layer. In this case, the part closest to the outer surface of the composite ion-exchange membrane is regarded as the outermost surface of the composite layer among the parts where continuous structural changes can be confirmed with an optical microscope, from there to the outer surface of the composite ion-exchange membrane. Is the thickness of the surface layer.
[0104]
<Ion exchange resin (ICP) content of composite ion exchange membrane>
The ion exchange resin content of the composite ion exchange membrane was measured by the following method. The basis weight Dc [g / m ² ] of the composite ion exchange membrane dried in vacuum at 110 ° C. for 6 hours was measured, and the ion exchange resin was combined with the support membrane under the same production conditions as those used for producing the composite ion exchange membrane. From the basis weight Ds [g / m ² ] of the dried support film measured by drying without drying, the ion exchange resin content was determined by the following calculation.
Ion exchange resin content [% by weight] = (Dc−Ds) / Dc × 100
Further, the ion exchange resin content of the composite ion exchange membrane can also be measured by the following method. That is, the composite ion-exchange membrane is immersed in a solvent capable of dissolving only the support membrane component or the ion-exchange resin component in the composite ion-exchange membrane to extract and remove one of the components. By measuring the weight change with the exchange membrane, the content of the ion exchange resin can be determined.
[0105]
<Strength and tensile modulus>
The strength characteristics of the ion exchange membrane were measured in an atmosphere at a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50% using Tensilon manufactured by Orientec. The sample was formed into a strip having a width of 10 mm, and the length was calculated from a stress-strain curve measured at a span length of 40 mm and a pulling speed of 20 mm / sec.
[0106]
<Ionic conductivity>
The ionic conductivity σ was measured as follows. A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of a 10 mm-wide strip-shaped film sample on a self-made measurement probe (made of polytetrafluoroethylene), and placed in a thermo-hygrostat at 80 ° C. and 95% relative humidity. The sample was held, and the AC impedance at 10 kHz between the platinum wires was measured using a 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER from SOLARTRON. The contact resistance between the film and the platinum wire is measured by changing the distance between the electrodes from 10 mm to 40 mm at intervals of 10 mm, and from the gradient D _r [Ω / cm] of the straight line plotting the distance between the electrodes and the measured resistance according to the following equation. Was canceled and calculated.
σ [S / cm] = 1 / (film width × film thickness [cm] × D _r )
[0107]
<Gas permeability>
The gas permeability of the ion exchange membrane was measured by the following method. After placing the ion-exchange membrane on a mesh-shaped stainless steel support and fixing it to a holder, helium gas saturated with water vapor at room temperature is flowed to one side of the ion-exchange membrane at a gauge pressure of 0.09 MPa. Then, the amount of helium gas permeating the other surface of the ion exchange membrane was measured and calculated using a soap membrane flow meter.
[0108]
<Power generation characteristics>
The electrolyte membrane-electrode assembly is incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and the cell temperature is 80 ° C., the gas humidification temperature is 80 ° C., the gas flow rate is 300 mL / min of hydrogen as fuel gas, and 1000 mL / min of air as oxidizing gas. Was evaluated for power generation characteristics.
[0109]
Example 1
A dope containing 14% by weight of a polyparaphenylene cis benzobisoxazole polymer having an IV of 24 dL / g in polyphosphoric acid is diluted by adding methanesulfonic acid, and isotropic with a polyparaphenylene cis benzobisoxazole concentration of 1% by weight. A solution was prepared. This solution was formed on a glass plate heated to 90 ° C. using a 300 μm clearance applicator at a film formation rate of 20 mm / sec. The dope film thus formed on the glass plate is coagulated for 1 hour in a constant temperature / humidity bath at 25 ° C. and a relative humidity of 80%, and the resulting film shows a pH of 7 ± 0.5. The substrate was washed with water until a support film was formed. The support membrane was fixed to a stainless steel frame in water, and the water inside the support membrane was used as a solvent composition of a 20% Nafion (trade name) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont as an ion exchange resin solution. It was replaced with a mixed solvent of the same water: ethanol: 1-propanol = 26: 26: 48 (weight ratio). The support membrane was immersed in a 20% Nafion (trade name) solution at 25 ° C. for 15 hours, taken out of the solution, and the solvent of the Nafion (trade name) solution impregnated inside the membrane and adhered to the membrane surface was volatilized by air drying. Let dry. The dried membrane was preliminarily heat-treated in an oven at 60 ° C. for 1 hour to remove residual solvent, and then heat-treated at 150 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to prepare a composite ion exchange membrane. A 20% Nafion (trade name) solution (product number: SE-2092) manufactured by DuPont was charged with platinum-supported carbon (carbon: Valcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum supported amount: 40% by weight), and the weight ratio of platinum to Nafion was changed. The mixture was added at a ratio of 2.7: 1 and stirred to prepare a catalyst paste. The catalyst paste was applied to Toray carbon paper TGPH-060 so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm ² , and dried to form a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. The composite ion-exchange membrane is sandwiched between two gas diffusion layers with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, and pressurized and heated at 120 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by a hot press method. Thus, an electrolyte membrane-electrode assembly of Example 1 was obtained.
[0110]
Example 2
A 20% Nafion (trade name) solution (product number: SE-2092) manufactured by DuPont was charged with platinum-supported carbon (carbon: Valcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum supported amount: 40% by weight), and the weight ratio of platinum to Nafion was changed. The mixture was added at a ratio of 2.7: 1 and stirred to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was applied to the same composite ion exchange membrane as shown in Example 1 so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm ² , and dried to prepare an ion exchange membrane with an electrode catalyst layer. The above-mentioned ion-exchange membrane was sandwiched between two sheets of Toray carbon paper TGPH-060, and pressed and heated at 120 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by a hot press method, whereby the electrolyte membrane-electrode bonding of Example 2 was performed. Body.
[0111]
Example 3
Poly {2,6-diimidazo [4,5-b: 4 ′, 5′-e] pyridinylene-1,4 (2,5-dihydroxy) phenylene having an intrinsic viscosity of 18 dL / g in polyphosphoric acid (hereinafter referred to as PIPD) Approximately) except that methanesulfonic acid was added to a dope containing 19% by weight of a polymer and diluted to prepare an isotropic solution having a PIPD polymer concentration of 1.5% by weight, which was used as a dope for forming a support membrane. The electrolyte membrane-electrode assembly of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1.
[0112]
Comparative Example 1
A commercially available Nafion 112 (trade name) membrane manufactured by DuPont was used as the ion exchange membrane. This membrane is an ion exchange membrane made of the same perfluorocarbon sulfonic acid polymer as the Nafion polymer contained in the 20% Nafion solution used in Example 1 and the 10% Nafion aqueous solution used in Example 2, and is a solid polymer fuel cell. Is widely used as an electrolyte membrane for use. A 20% Nafion (trade name) solution (product number: SE-2092) manufactured by DuPont was charged with platinum-supported carbon (carbon: Valcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum supported amount: 40% by weight), and the weight ratio of platinum to Nafion was changed. The mixture was added at a ratio of 2.7: 1 and stirred to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was applied to an ion exchange membrane so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm ² , and dried to prepare an ion exchange membrane with an electrode catalyst layer. The ion exchange membrane with the electrode catalyst layer swelled and deformed as if the membrane was wavy. The above-mentioned ion-exchange membrane was sandwiched between two sheets of Toray carbon paper TGPH-060, and pressed and heated at 120 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by a hot press method, whereby the electrolyte membrane-electrode bonding of Comparative Example 1 was performed. Body. This bonded body was incomplete because the film was deformed and wavy.
[0113]
Comparative Example 2
When removing the support membrane immersed in the Nafion solution from the Nafion solution, it was confirmed that the Nafion solution attached to both sides of the support membrane was scraped off with a polytetrafluoroethylene scraper so that the surface of the support membrane was exposed. Except for this point, an electrolyte membrane-electrode assembly of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1.
[0114]
Table 1 shows the physical property values of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.
[0115]
[Table 1]

[0116]
It can be seen that the composite ion exchange membranes of Examples 1 and 2 are ion exchange membranes having higher breaking strength and tensile modulus than the commercially available Nafion 112 membrane of Comparative Example 1. Also, despite the fact that the composite ion exchange membranes of Examples 1 and 2 have a support inside, the ionic conductivity and the power generation performance are not significantly reduced as compared with Comparative Example 1 which does not include the support, and the The transmittance is suppressed to a small value of half or less, which indicates that the polymer has excellent characteristics as a polymer solid electrolyte membrane of a fuel cell.
[0117]
In the electrolyte membrane-electrode assembly of Example 2, even when the catalyst paste was directly applied, there was little swelling deformation, and the electrode was successfully bonded. However, in the electrolyte membrane-electrode assembly of Comparative Example 2, when the catalyst paste was directly applied. Swelling deformation occurred, and joining by hot pressing could not be performed well. When the electrolyte membrane-electrode assembly was taken out from the fuel cell after the power generation evaluation, the electrode assembly was separated from the electrolyte membrane. This indicates that the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention has good bonding properties between the electrolyte membrane and the electrode.
[0118]
In the electrolyte membrane-electrode assembly of Example 1, peeling of the electrolyte membrane and the electrode did not occur even after the power generation evaluation, but in the electrolyte membrane-electrode assembly of Comparative Example 1, the electrolyte membrane and the electrode Peeling occurred. For this reason, the composite ion exchange membrane containing the support membrane on the surface of the ion exchange membrane is often inferior to the ion exchange membrane of the ion exchange resin alone in the bonding property with the electrode. Since the ion exchange membrane has a surface layer made of an ion exchange resin without a support membrane on both surfaces, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is an electrolyte membrane-electrode assembly using an ion exchange membrane of the ion exchange resin alone. It can be seen that the bondability with the electrode is good as in the case of FIG.
[0119]
【The invention's effect】
It is possible to provide an electrolyte membrane-electrode assembly having a polymer solid electrolyte membrane having high mechanical strength, excellent ion conductivity, power generation characteristics, and gas barrier properties, and having good bonding properties between the electrolyte membrane and the electrode assembly. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a cross-sectional structure of a composite ion exchange membrane.
[Description of Signs] 1 surface layer A, 2 composite layer, 3 surface layer B, 4 catalyst layer, 5 gas diffusion layer

Claims (3)

連続した空隙を有するポリベンザゾール系ポリマーからなる支持体膜にイオン交換樹脂が含浸されてなる複合層と、該複合層を挟む形で該複合層の両面に形成された支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層を有する複合イオン交換膜であって、該複合イオン交換膜の両面に触媒層およびガス拡散層を配したことを特徴とする電解質膜−電極接合体。It does not include a support layer formed by impregnating a support membrane made of a polybenzazole-based polymer having continuous voids with an ion exchange resin, and a support membrane formed on both sides of the composite layer with the composite layer interposed therebetween. An electrolyte membrane-electrode assembly comprising a composite ion exchange membrane having a surface layer made of an ion exchange resin, wherein a catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both surfaces of the composite ion exchange membrane. 両面に形成された支持体膜を含まないイオン交換樹脂からなる表面層のそれぞれの厚みが、１μｍ以上５０μｍ以下であり、かつ該複合イオン交換膜の全厚みの半分を超えない範囲であることを特徴とする、請求項１の範囲の電解質膜−電極接合体。The thickness of each surface layer made of an ion-exchange resin that does not include the support membrane formed on both surfaces is not less than 1 μm and not more than 50 μm, and not more than half of the total thickness of the composite ion-exchange membrane. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, characterized in that: 請求項１乃至２のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体を使用することを特徴とする、燃料電池。A fuel cell, comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1.

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