JP2002502539A - 強化された高分子電池用のスルホン化ポリフェニレンオキシドに基づくブレンド膜 - Google Patents

強化された高分子電池用のスルホン化ポリフェニレンオキシドに基づくブレンド膜

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Abstract

(57)【要約】 単独又はポリフッ化ビニリデンと様々な割合でブレンドされた高電荷密度スルホン化ポリフェニレンオキシドからなる固体高分子膜は改良された膜の特徴を有している。これらの膜は大変高いイオン導電率を有し、安価で、電気化学的適用における固体高分子電解質、特に、高分子電解質膜(PEM)燃料電池に適している。この膜を有するPEM燃料電池アッセンブリは、強化された性能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 強化された高分子電池用のスルホン化ポリフェニレンオキシドに基づくブレンド 膜 発明の分野 本発明は、均一的に(homogcneously)スルホン化されたポリフェニレンオキシ ド(sulfonated poly(phenylene oxide)及びスルホン化ポリフェニレンオキシド とポリフッ化ビニリデンとのブレンド、固体高分子電解質燃料電池などの電池(e lectrochemical cell)におけるイオン交換膜としてのそれらの使用、及び、当該 膜を調製するプロセスに関する。更に、本発明は、新規なブレンド膜を含む改良 された固体高分子電解質燃料電池及び当該燃料電池を調製するプロセスにも関す る。 発明の背景 燃料電池は、化学反応エネルギーの一部力値流電気エネルギーに直接的に変換 される電気化学装置である。直流電気エネルギーへのエネルギーの直接的変換は 、エネルギーを熱に変換する必要性をなくし、これにより従来の電気発生方法の カルノーサイクル効率の制限を回避するものである。従って、カルノーサイクル の制限がないので、燃料電池技術は、内燃エンジンなどの伝統的な電力発生装置 などよりも２、３倍高い燃料効率のポテンシャルを提供する。燃料電池のその他 の長所には、静かで、（大気汚染なく）クリーンで、可動部材を減少又は完全に 排除することを挙げられる。 典型的に、燃料電池は、２つの電極と呼ばれる多孔性電気端子と、その間に配 置された電解質を有している。典型的な燃料電池の動作においては、酸化剤が連 続的に酸素極（カ ソード）に供給され、ここでそれは電極と接触してイオンを形成し、それによっ てカソードに正の電荷を与える。同時に、還元剤が連続的に燃料極（アノード） に供給され、ここでそれはイオンを形成し、アノードを負に帯電させる。各電極 に形成されたイオンは電解質中を泳動して結合し、電極に与えられた電荷は外部 回路を電極に接続することによって電気エネルギーとして利用される。燃料電池 の反応物は、それらの電子受容体又は供与体の特徴に基づいて酸化剤と還元剤に 分けることができる。酸化剤は、純粋酸素、酸素含有気体（空気など）及びハロ ゲン（塩素など）を含んでいる。還元剤は、水素、一酸化炭素、天然ガス、メタ ン、エタン、ホルムアルデヒド及びメタノールを含んでいる。 燃料電池の電解質は電極間で電気化学接続を行い、回路中にイオン電流の通路 を与え、炭素又は金属製の電極は電気的経路を与える。更に、電解質は、反応物 が各電極から離れて移動して爆発混合物が形成されることを防止する。使用され る電解質は、反応物又は燃料電池の動作中に生じる反応性生物と感知可能ないか なる範囲においても直接に反応してはならない。更に、電解質は、燃料電池の動 作中に形成されたイオン泳動を許容しなければならない。使用されてきた電解質 の例は、アルカリ金属水酸化物などの強塩基性水溶液、硫酸や塩酸などの酸性水 溶液、海水などの水成塩電解質(aqueous salt electrolytes)、溶融塩電解質、 及び、イオン交換高分子電解質などがある。 燃料電池の一形式に、陽子交換高分子膜に基づく高分子電解質(PEM)燃料電池 がある。PEM燃料電池は、電解質として動作する「イオン交換膜」である固体高 分子膜を含んでいる。イオン交換膜は２つの「気体拡散」電極であるアノードと カソード間に挟まれており、各電極は、導電材によって支持された金属触媒を共 通に含んでいる。気体拡散電極は、各反応ガスである還元剤ガスと酸化剤ガスに さらされている。電気化学反応は、（三相境界の）２接合の各々で生じ、ここで は、電極の一つと電解質高分子膜と反応ガスとがインターフェースする。 例えば、酸素が酸化剤ガスで水素が還元剤ガスであれば、アノードには水素が 、カソー ドには酸素が供給される。このプロセスの全化学反応は次のようになる：2H2+O2 →2H2Oまた、電極の金属触媒部位で生じる電気化学反応は次のようになる。 アノード反応： 2H2→4H+4e カソード反応： O2+4H++4e-→2H2O 燃料電池の動作中において、水素はアノードに浸透して金属触媒と相互作用し、 電子と陽子を生成する。電子は導電材及び外部回路を通り電子通路を介してカソ ードに案内され、陽子は、同時に、高分子電解質膜を通りイオン通路を介してカ ソードに運ばれる。またこのとき、酸素はカソードの接触部位に浸透して、ここ で酸素は電子を得て、陽子と反応して水を作る。その結果、PEM燃料電池反応の 生成物は水と電気である。PEM燃料電池においては、電流はイオンと電子の通路 で同時に流れる。PEM燃料電池の効率は、主として、イオンと電子の両方の電流 抵抗率を最小にする能力に依存している。 イオン交換膜はPEM燃料電池では極めて重大な役割を果たしている。改良され た膜は実質的に電力密度を増加してきた。PEM燃料電池では、イオン交換膜は２ つの機能を有している。(1)それは、アノード及びカソード間でイオンを伝達す る電解質として機能する。(2)それは、２つの反応ガス（例えば、O2とH2）の分 離体として機能する。 最適な膜の陽子と水の輸送と適当な水の管理は、効率的な燃料電池の適用に重 要である。膜の脱水和は陽子導電率を減少させ、過剰な水は膜を膨潤させて電極 の出水をもたらす。両方の状態は電池性能の悪化をもたらす。燃料電池において イオン交換膜は、良好な陽子移送膜としての機能を果たすと共に、燃料電池の性 能を減少するクロスオーバ現象を回避するために反応ガスに対して低い透過性を 有していなければならない。反応ガスが圧力下にあり、燃料電池が高温動作する 状況に燃料電池を適用する場合には、このことは特に重要である。従って、PEM 燃料電池用の良好なイオン交換膜は、(1)燃料電池動作環境の化学的・電気化学 的安定性、(2)電池動作状態の機械強度と安定性、(3)高い陽子導電率、反応ガス に対する低い透過性及び高い水の輸送、(4)低い製造コスト、という基準に合致 していな ければならない。 様々な膜が何年もの間、燃料電池の固体高分子電解質の適用に開発されてきた 。ポリジビニルベンセンスチレンベースの共重合体のスルホン酸が使用されてき た。デュポン(DuPont)とドーケミカル社(Dow Chemical Company)によって開発さ れたベルフルオリネーティッド(perfluorinated)スルホン酸膜も使用されてきた 。デュポンのナフィオン(Nafion)膜は、米国特許第3,282,875号と第4,330,654号 に記載されている。ナフィオン形式の膜は、燃料電池の動作において、高い安定 性と良好な性能を有している。しかし、製造費用が比較的高い。 代替的に、PEM燃料電池用の−連の低コストイオン交換膜が調査されてきた。 米国特許第5,422,411号は、PEM燃料電池の膜としての有望な性能データを示した トリフルオロスチレン共重合体について説明している。 ホークスト(Hoechst)AGによって開発されたスルホン化ポリアリールエーテル ケトン(sulfonated poly(aryl ether ketones))は欧州特許第574,891,A2に記載 されている。これらの高分子は一次及び二次アミンによって架橋されることがで きる。PEM燃料電池の膜として使用、試験がなされると、これらの高分子は控え めな電池性能を示しただけであった。 米国特許第3,528,858号や第3,226,361号に記載されているような一連の低コス トスルホン化ポリアロマティックベースの系もPEM燃料電池用の膜材として調査 されてきた。この材料は、PEM燃料電池の適用に対するそれらの使用を制限する 低い化学抵抗と機械特性をもつという欠点があった。 高分子ブレンディングは単純で、共重合又は相互侵入材料(interpenetrating materials)の形成を介して異なる高分子セグメントを混ぜ合わせる方法よりも便 利な技術である。均一高分子ブレンドは、分子レベルで混和可能で、要素の特性 を結合して性質の異なる新しい材料を生み出す２つの高分子から構成されている 。しかし、高分子のブレンディングが均一高分子ブレンドになるのは大変まれで ある。なぜなら、概して、同一の溶媒を使用して調 製されたとしても、高分子は均一に混合しないからである。 ほとんどの場合、高分子混合のギブズの自由エネルギー[ΔG=ΔH-TΔS]は正の 値である。なぜなら、高分子(high molecular macromolecules)の混合エントロ ビー(ΔS)が高分子の分子量が10,000よりも大きい時にセロに近づくからである 。混合エンタルピー(ΔH)が負又は少なくともゼロに等しくなければ、高分子は 混和できず、高分子をブレンドしようとしても、「ブレンド」は相分離して不十 分な機械強度をもたらす。即ち、純粋高分子独特の相を保持する不均一「ブレン ド」をもたらし、ほとんどの場合に、不十分な相互作用が相間で生じる。従って 、不均一な「ブレンド」は、はがれおちるか元の高分子に比べて非常に弱い構造 を有している。 高分子の混和性はそれらのアモルファス領域で生じる。二つの高分子ブレンド における一つの高分子は半結晶性材料であれば、高分子の結晶構造はブレンド中 でその純度を保持している。しかし、その敬点は、２つの高分子がブレンド中で 混和可能であれば、通常、減少する。従って、もし二つの高分子が混和可能で高 分子の一つが半結晶質であれば、アモルファス構造が混和可能である半結晶性高 分子ブレンドが形成される。２つの高分子の異なるアモルファス相は分離しない が、結晶要素はアモルファス構造内に広がり「架橋」結合を行う。 架橋なる用語は結晶性結合に適用されると、化学又は放射線処理における化学 的架橋を意味しない。むしろこの文脈では、結晶がアモルファス構造に広がる巨 大分子から構成され、これにより、半結晶性高分子の高分子鎖と相互作用してブ レンドするため、それは発生物を意味する。従って、結晶構造は、結晶構築に部 分的に関連して部分的にアモルファスな重合体分子(polymer molecules)によっ て高分子ブレンディングのアモルファス構造と結びついている。これらの重合体 分子はアモルファス形に関連し、他の混和可能な高分子と相互作用している。例 えば、高分子ブレンドの半結晶性膜は、理論的不規則重量平均の純粋高分子要素 に比べて大変高い引張り強さを示すことが期待されている。また、ブレン ド中の混和可能な高分子は、光学的透明性(optical clarity)、ガラス転移温度 、膜の目的上、進歩した物質輸送特性などのある所期の特性に関して均質性を示 すことが期待されている。 ブレンド高分子膜を調製しようとしてかなりの研究がなされてきた。しかし、 ほんの２、３の膜系が発見されたにすぎない。Ｙマエダ等は、『ポリマー』第26 号第2055頁(1985年)において、気体透過性に対してポリジメチルフェニレンオキ シドポリスチレンのブレンド膜の調製を報告している。彼らは、この系が、その ブレンド高分子要素のどちらの透過速度とも異なる透過速度を示す発見した。 ポリフッ化ビニリデンPVF2は、マイクロ濾過と限外濾過の膜に使用される疎水 性高分子である。バーンスタイン等(Bernstein et al.)は、『マクロモルキュー ルズ』第10号第681頁(1977年)において、PVF2のポリ酢酸ビニルとのブレンドは 、かかる疎水性膜の親水性を増加させ、これは水溶液を限外濾過するのに必要で あると報告している。彼らは、２つの高分子の巨大分子が分子レベルで混和可能 であることを発見した。しかし、電池の使用に適したブレンド高分子膜を予想す る科学的手段はほとんど全く与えられなかった。 従って、本発明の目的は、PEM燃料電池その他の電気化学的適用のための低コ ストで、調製が簡単で、所期の化学的機械的特性を有するイオン交換高分子膜を 作成することである。 本発明の別の目的は、30psiの反応ガスで白金／炭素／PTFE電極上で0.1乃至0. 2mg/cm2の白金ローディングと当量の大変低いローディング電極を使用して、高 電流密度、例えば、0.5Vで1A/cm2乃至2A/cm2を有する改良された固体高分子電解 質燃料電池を提供することである。 別の目的はスルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンとの新 規な均一ブレンドを提供することである。 更に、本発明の目的は、新規なブレンドを調製し、当該新規なブレンドをイオ ン交換膜に使用することによってPEM燃料電池を調製するプロセスを提供するこ とである。 発明の要約 上述の固体電解質膜の目的と基準は本発明を実施することによって達成するこ とができる。一面において,本発明は改良された高分子電解質膜に関し、かかる 改良において膜はスルホン化ポリフェニレンオキシド又はポリフッ化ビニリデン にブレンドされたスルホン化ポリフェニレンオキシドから構成さ札スルホン化ポ リフェニレンオキシドは約15,000乃至10,000,000の数平均分子量と約１乃至3.9m cq/gのイオン電荷密度を有し、ポリフッ化ビニリデンは約10,0000乃至10,000,00 0の数平均分子量を有し、ブレンド中のスルホン化ポリフェニレンオキシドのポ リフッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１である。 別の面において、本発明は、電気化学的に反応する陽子アノードとカソード間 に挟まれた電解質としてのイオン交換高分子膜を含む改良された固体高分子電解 質燃料電池に関し、かかる改良においてイオン交換高分子膜はスルホン化ポリフ ェニレンオキシド又はポリフッ化ビニリデンにブレンドされたスルホン化ポリフ ェニレンオキシドから構成され、スルホン化ポリフェニレンオキシドは15,000乃 至10,000,000の数平均分子量と１乃至3.9meq/gのイオン電荷密度を有し、ポリフ ッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000の数平均分子量を有し、ブレンド中 のスルホン化ポリフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデンに対する重量比は 約１対１乃至20対１であり、燃料電池は0.5Vで約1A/cm2乃至約2A/cm2の電流密度 を有し、30psiの反応ガスで白金／炭素／PTFE電極上で0.1乃至0.2mg/cm2の白金 触媒ローディング当量を有する電極を使用する。 さらに別の側面において、本発明は、ポリフッ化ビニリデンとスルホン化され たイオン交換ポリフェニレンオキシドとのブレンドから構成される電泄用ブレン ドイオン交換膜に関し、スルホン化ポリフェニレンオキシドは15,000乃至10,000 ,000の数平均分子量と１乃至3.9meq/gのイオン電荷密度を有し、ブレンド中のス ルホン化ポリフェニレンオキシドの ポリフッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至20対１であり、ブレンドは 、 a. 各溶媒にスルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンを 別々に溶かし、 b. スルホン化ポリフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデンに対する重 量比が約１対１乃至約20対１になるように各高分子溶液を混合してブレンド溶液 を作り、 c. ブレンド溶液をクリーンな面で成形し、 d. 成形されたブレンド溶液を、溶媒を蒸発させ、約10マイクロメータ乃至 約200マイクロメータの厚さを有する乾燥ブレンド膜を形成するのに十分な時間 乾燥させるというプロセス工程によって調製される。 図面の簡単な説明 図１は、45℃、30psigで、85wt％のスルホン化PPOと15wt％のPVF2の割合で構 成されているブレンド膜と白金(Pt)−炭素(C)／ポリテトラフルオロエチレン(PI FE)電極(白金ローディングは0.17mg/cm2)と５cm2の電池面積を有する本発明の燃 料電池アッセンブリに対する燃料電池電位のグラフ（電池電圧(v)対電流密度(A/ cm2)）である。 図２は、70℃、30psigで、80wt％のスルホン化PPOと20wt％のPVF2の割合で構 成されているブレンド膜とPt-C/PTFE電極（白金ローディングは0.17mg/cm2)を有 する本発明による燃料電池アッセンブリの燃料電池電位のグラフ（電池電圧(v) 及び電力密度(W/cm2)対電流密度(A/cm2)）である。 図３は、２つの燃料電池アッセンブル、即ち、80wt％のスルホン化PPOと20wt ％のPVF2(Mw=60,000)の割合で構成されているブレンド膜を有する本発明により 作られた一方(●)と、45℃、30psigのH2/O2ガス反応物を使用するPt/CPTFE電極 （白金ローディングは0.17mg/cm2)を有するナフィオン112膜を備えたもう一方( Δ)、に対する燃料電池電位のグ ラフ（電池電圧(v)対電流密度(A/cm2)）である。両膜は50マイクロメータの厚さ を有した。 図４は、45℃、30psigのPt-C/(PTFE)電極（白金ローディングは0.17mg/cm2） を使用し、ICD=2.97meq/gのスルホン化PPO膜を有し、O2ガス反応物を使用する一 方(Δ)とH2/空気ガス反応物を使用するもう一方(●)の本発明の２つの燃料電池 アッセンブルに対する燃料電池電位のグラフ（電池電圧(v)対電流密度(A/cm2)） である。 図５は、80wt％のスルホン化PPOと20wt％のPVF2（分子量Mw=350,000）の割合 で構成されているブレンド膜と、45℃、30psigのPt-C/PTFE電極(白金ローディン グは0.17mg/cm2)とを有してH2/O2ガス反応物を使用するもの(○)と、H2/空気ガ ス反応物を使用するもの(●)の本発明の燃料電池アッセンブリに対する燃料電池 電位のグラフ（電池電圧(v)対電流密度(A/cm2)）である。 図６は、本発明のブレンド膜の断面を2000倍に拡大した走査型電子顕微鏡(SEM )写真と、本発明のブレンド膜の表面を1000倍に拡大したSEM写真である。ブレン ド膜は80wt％のスルホン化PPOと20wt％のPVF2（分子量Mw=350,000）から構成さ れている。 図７は、70wt％のスルホン化PPOと30wt％のPVF2（分子量Mw=350,000）の割合 で構成されているブレンド膜と、80℃、30psigのPt-C/PTFE電極(白金ローディン グは0.2mg/cm2)を有してH2/空気ガス反応物を使用する本発明の燃料電池アッセ ンブリに対する燃料電池電位のグラフ（電池電圧(v)対電流密度(A/cm2)）である 。 図８は、本発明のブレンド膜の断面を200倍に拡大した走査型電子顕微鏡(SEM) 写真と、本発明のブレンド膜の表面を200倍に拡大したSEM写真である。ブレンド 膜は70wt％のスルホン化PPOと30wt％のPVF2（分子量Mw=350,000）から構成され ている。 図９は、本発明のブレンド膜の断面を3000倍に拡大した走査型電子顕微鏡(SEM )写真と、本発明のブレンド膜の表面を1000倍に拡大したSEM写真である。混合膜 は50wt％のスルホン化PPOと50wt％のPVF2（分子量Mw=350,000）から構成されて いる。 発明の詳細な説明 本発明で使用されるスルホン化ポリフェニレンオキシド高分子は、以下の循環 単位によって特徴づけられる化学構造を有する。 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H、SO3Mからなる置換基のグループから選択さ れ、ｎは40よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び 遷移金属からなるグループから選ばれる。置換基は、ＨよりもSO3HとSO3Mがより 多い場合には高分子はより高い電荷密度を有し、また、より多く水に溶けやすく なる。逆に、Ｈがより多い置換基である場合には高分子はより低い電荷密度を有 する。 適当なアルカリ金属はナトリウム、リチウム及びカリウムを含み、適当なアル カリ土類金属はカルシウム、バリウム、マグネシウム及びアルミニウムを含み、 適当な遷移金属はクロム及び鉄を含む。好ましくは、R1及びR2は、各々、循環単 位において、スルホン酸リチウム塩とスルホン酸基を含んでいる。本出願人の発 明の使用に適したスルホン化ポリフェニレンオキシド高分子は、米国特許第5,34 8,569号と第5,364,454号に記載されており、ここに、その開示を参照文献として 結合する。 スルホン化ポリフェニレンオキシドを均一プロセスによって調製することは重 要である。ある均一プロセスは、前駆体芳香族高分子を不活性溶剤で溶解し、い かなる重大なスルホン化反応をも避けるのに十分低い温度でスルホン化剤を添加 ・混合し、そして、前駆体芳香族高分子のスルホン化をもたらすために結果混合 物の温度を上げる。 塩形の均一スルホン化ホリフェニレンオキシド高分子は、アルコール、ケトン 、非プロトン性溶媒およびこれらの溶媒と水の混合物などの共通溶媒に大変溶け やすい。スルホン化度はイオン電荷密度IDCによって測定され、(高分子のSO3 -/g ramのミリグラム当量である)meq/gで表わされる。 (1)約15,000よりも大きく、好ましくは約30,00よりも大きく、より好ましくは 50,000よりも大きく、そして約10,000,000よりも小さく、好ましくは1,000,000 よりも小さい分子量と、(2)約1.0meq/gよりも大きく、好ましくは約1.7meq/gよ りも大きく、より好ましくは約2.0meq/g四萬よりも大きく、そして約3.9meq/gよ りも小さく、好ましくは約3.5meq/gよりも小さいイオン電荷密度とを有するここ で記載されるあるスルホン化ポリフェニレンオキシド高分子が、単体で又はある ポリフッ化ビニリデンと混合されて使用されると、改良された特徴を有する電解 質膜が形成することができることを本出願人は発見した。最も好ましいのは約3. 0meq/gのイオン電荷密度を有するスルホン化ポリフェニレンオキシドである。特 に、結果物たる膜は強化された選択性、透過性及び磯械強度を有し、γ線照射、 紫外線代(UV)照射及び熱処理によって簡単に架橋される。更に、本出願人のスル ホン化ポリフェニレンオキシド高分子は他の高分子と共重合することができる。 また、本出願人は、スルホン化ポリフェニレンオキシドは、ここで定義するよ うに、ポリフッ化ビニリデンと均一混合を形成し、高分子膜電解質として都合よ く利用することができる。スルホン化PPOはアモルファス陽イオン交換高分子で あり、PVF2は疎水熱可塑性高分子である。PVF2は50％までの半結晶化度を示す半 結晶性高分子である。それは、ジメチルスルホキシド(DMSO)、Ｎ−メチルピロリ ドン(NMP)、ジメチルアセトアミド及びジメチルホルムアミド(DMF)のような溶媒 に溶解可能である。その結晶融点は、155℃乃至163℃であり、そのガラス転移温 度は-30℃乃至.10℃である。従って、PVF2は、ブレンド内で硬い結晶ドメインが 架橋結合を行う非架橋のゴム状高分子(rubbery polymer)である。 本出願人は、驚くべきことに、スルホン化PPO高分子とのPVF2のブレンドが、 ここで 定義されるように、PVF2の結晶ドメインで155℃乃至158℃の性質が異なる融点を 示し、スルホン化ポリフェニレンオキシドに比較して大変高い係数と引張り強さ を有することを発見した。更に、本出願人は、かかるブレンドの幾つかの組成は 、スルホン化PPOに比較して思いがけないほど高いイオン導電率を有することを 発見した。このことは驚くべきことである。なぜなら、スルホン化PPOにポリフ ッ化ビニリデンをブレンドするとイオン導電率が減少すると思われていたからで ある。本出願人の発明によるブレンド膜を使用するより高いイオン導電率は、そ の燃料電池が、スルホン化PPO膜を使用する燃料電池よりも優れた性能を有する ことを意味している。 本出願人は、本出願人の発明によるブレンド膜の膨潤は減少していることをさ らに発見した。ブレンド中のPVF2は、水につけられるとブレンド膜内で水の吸収 を減少させると信じられている。吸収される水の百分率(W)は25％よりも少ない 。 本出願人のブレンドは、溶媒溶液にスルホン化ポリフェニレンオキシドを溶か し、溶媒溶液にポリフッ化ビニリデンを溶かし、両液を混合することによって作 られる。ブレンド膜は、その後、この混合液をドクターナイフによりクリーンな ガラス面で成形し、この溶液を全ての溶媒を本質的に蒸発させるのに十分な時間 乾燥させて、約10マイクロメータ(μm)よりも大きく、好ましくは約40μmよりも 大きく、約200μmよりも小さく、好ましくは約150μmよりも小さい厚さを有する 乾燥した半透明の白色膜を残すことによって得られる。 本発明によるブレンド内のスルホン化ポリフェニレンオキシドのPVF2に対する 重量比は、約１対１以上で、好ましくは約３対１よりも大きく、より好ましくは ４対１以上よりも大きい。また、ブレンド内のスルホン化ポリフェニレンオキシ ドのPVF2に対する重量比は、約20対１よりも小さく、好ましくは約９対１よりも 小さく、より好ましくは約６対１よりも小さい。スルホン化PPOは、好ましくは 、ブレンドの重量の50％乃至90％からなり、PVF2はブレンドの50％乃至10％から なる。最も好ましくは、スルホン化PPOは、 ブレンドの約80wt％乃至85wt％からなり、残りがPVF2になる。需要があれば、本 発明のブレンド膜の機械強度は、γ線照射、UV照射及び／又は熱処理によって、 一層増加することができる。 120℃乃至150℃という高温と200psi乃至1,000psiという圧力で電極に圧着され なければならないナフィオンのような従来の膜と異なり、本発明のスルホン化PP O膜とブレンド膜は、室温で圧力を印加せずに簡単に電極に接着する。膜電極ア ッセンブリにおいて電極と本発明のスルホン化PPO膜又はブレンド膜との間には 良好なインターフェースが形成される。電極は、アルコールとスルホン化PPOそ の他の溶解住高電荷密度陽イオン交換高分子に溶けたナフィオン溶液から選択す ることができる陽子交換高分子溶液により、通常の方法で処理される。本発明よ って作られたPEM燃料電池の性能は、同一の実験準備と条件でベルフルオリネー ティッドナフィオン膜と比較され、これと等しいか優れていると認められた。本 出願人の燃料電池で得られたより高い密度は、一連の条件の下で測定された。も ちろん当業者にとっては、より高い電流密度を異なる条件の下で出願人の燃料電 池により得ることができることは自明である。例えば、より高い電流密．度は、 より薄い膜、より高い反応ガス圧力及び／又はより高い動作温度を使用すること によって得ることができる。 本発明のスルホン化ポリフェニレンオキシドと熱可塑性高分子PVF2との均一ブ レンド膜は以下の長所を有する。(1)スルホン化ポリフェニレンオキシドとPVF2 が異なる割合の多数の膜を容易に製造することができる。(2)PVF2の異なる共重 合体をスルホン化ポリフェニレンオキシドとのブレンドに含めることが可能であ る。(3)幾つかのスルホン化PPO/PVF2ブレンド膜は純粋スルホン化ポリフェニレ ンオキシド膜よりも高い導電率を有する。(4)ブレンド膜は純粋スルホン化PPO膜 よりも高い可撓比と機械強度を有する。(5)ブレンド膜は純粋スルホン化PPO膜よ りも水中の膨潤率が低い。従って、これらの膜は以下のように使用することがで きる。 (1) 水素／酸素燃料電池の高分子電解質膜として (2) 二次電池の電極分離 (3) 電流の駆動力の下で膜がイオン溶液の要素を分離するのに使用される電 気透析のイオン交換膜として (4) 均一スルホン化ポリフェニレンオキシドの強化された選択性と透過性に より気体分離と透析蒸発の膜 以下の実施例は出願人の発明を示しているが本発明を限定するものとして解釈 してはならない。 実施例１ Li+形の薄黄色のスルホン化PPO高分子(MW=50,000)が、室温で何時間か1N HCL 溶液につけられた。この工程はSO3基のLi+をH+に交換する。高分子は、その後、 D.I.水で注意深く洗浄され、過剰な酸がすすがれた。H+形のぬれたスルホン化PP Oは真空オーブンに40℃で24時間置かれた。スルホン化PPOは、その後、20wt％溶 液を形成するためにジメチルホルムアミド(DMF)に溶かされる。ポリフッ化ビニ リデンPVF2(MW=60,000)の20wt％溶液はDMFに別個に調製された。その後、2.55g のスルホン化PPO-DMF溶液と0.45gのPVF2-DMF溶液は２つの溶液を室温で１時間混 合することによってブレンドされた。このブレンドはPVF2対スルホン化PPOの重 量比85:15を有している。このブレンド溶液はクリーンなガラス板に注がれ、ド クターナイフで成形された。これは、その後、ほとんどのDMFを蒸発させるため に、乾燥空気流の下で48時間、チェンバーに置かれた。最終的な膜は乾燥した半 透膜の白色で50μmの厚さを有していた。この膜のICDは2.9meq/gであった。 この乾燥膜は0.5時間水中に置かれ、その後、２つの（白金ローディングは0.1 7であった）白金／炭素−PTFE燃料電池電極間に、圧着したり高い圧力を印加し たりせずに、室温で置かれた。膜の挿入前に電極が陽子交換インターフェース材 で処理された。ぬれた膜 の導電率は45℃で0.019S/cmであった。(5cm2の)PEM燃料電池は45℃、30psigで反 応ガスとしてのO2/H2により試験された。図１は、このブレンド膜燃料電池の分 極曲線を示している。それはオープン電池電圧0.95Vを有し、0.3Vで燃料電池は2 A/cm2の電流密度を示した。出水や乾燥といった物質移動制限はこの電流に観測 されなかった。 実施例２ 20wt％のスルホン化PPO Li+形高分子(MW=50,000)がDMFに溶かされ、20wt％のP VF2(MW=60,000)が別個にDMFに溶かされた。その後、２つの溶液は、PVF2対スル ホン化PPOの重量比80:20で混合された。このブレンドされた溶液は室温で１時間 攪拌された。ブレンド溶液はクリーンな面ガラス板に注がれ、ドクターナイフで 成形された。成形液は、次いで、乾燥空気の下で48時間、チェンバーに置かれた 。膜が乾燥すると、それは、その後、Li+を陽子形に変換する交換用に0.5N HCl 溶液に置かれた。成形膜は55μmの厚さを有し、ぬれた状態で45℃で0.22S/cmの 導電率を有していた。 この高分子電解質ブレンド膜は、その後、室温で高圧をかけずに２電極間に置 かれた。図２は、このPEM燃料電池の分極曲線を示している。達成された最大電 流密度は、70℃、30psigのO2/H2反応ガスで4A/cm2であった。これらの条件下の 最大電力密度は、1.08W/cm2であった。図３は、ナフィオン112膜を使用して作ら れた燃料電池と本実施例により調製されたブレンド膜を使用して作られた燃料電 池の比較I-Vの曲線を与えている。 実施例３ 25wt％のスルホン化PPO Li+形高分子(MW=50,000)がイソプロパノールに溶かさ れた。第二高分子は加えられなかった。スルホン化PPO膜はドクターナイフによ ってクリーンな面 ガラス板で成形された。膜は乾燥空気雰囲気で48時間乾燥さ扛その後、オーブン に70℃で24時間置かれた。スルホン化膜は薄黄茶色で透明であった。膜厚は120 μmであった。膜は、その後、0.1N HCl溶液に１時間置かれた。この膜のICDは3. 0meq/gと測定された。この膜の水中での膨潤率は30℃で25％であり、80℃で31％ であった。膜の導電率は45℃で0.016S/cmであった。実施例１と同一のプロセス によりPEM燃料電池が作られた。図４は、この燃料電池のH2/O2とH2/空気反応物 中のI-V曲線を示している。燃料電池は、性能が減退せずに1A/cm2で300時間動作 した(Pt/C(PTFE)電極の白金ローディングは0.17mg/cm2であった)。それはオープ ン電池電圧1.04Vを有していた。 実施例４ 膜がγ線照射によって架橋された以外は、実施例３と同一の手順が用いられた 。PEM燃料電池が示したI-V分極は0.5Vで0.9A/cm2であった。 実施例５ 使用された溶媒がDMFであった以外は、実施例３と同一の手順が用いられた。 この燃料電池が示したI-V分極は0.5V、45℃で1A/cm2であった。 実施例６ 膜が80℃で５分間の加熱処理によって架橋を受けた以外は、実施例３と同一の 手順が用いられた。PEM燃料電池は0.5Vで0.60A/cm2のI-V分極を示した。 実施例７ 膜がUV照射に30分聞さらされた以外は、実施例３と同一の手順が用いられた。 PEM燃料電池は0.5Vで1.1A/cm2のI-V分極を示した。 実施例８ スルホン化PPOのPVF2に対する重量比が75:25であった以外は、実施例１と同一 の手順が用いられた。下の表１は、この燃料電池について測定した導電率(S/cm) 、％水吸収(W2)、オープン電池電圧(V)、0.5Vでの電流密度(I)(1A/cm2)、試験時 間(h)を表している。 表１ スルホン化PPO-PVF2（低分子量）ブレンド膜とそれらの燃料電池の特性 と性能 aSはスルホン化PPO、FLはPVF2(MW=60,000) 実施例９ スルホン化PPOのPVF2に対する重量比が70:30であった以外は、実施例１と同一 の手順が用いられた。表１は、この燃料電池についての導電率、吸収された水の ％、オープン電池電圧、0.5Vでの電流密度及び試験時間を表している。 実施例10 スルホン化PPOのPVF2に対する重量比が65:35であった以外は、実施例１と同一 の手順が用いられた。表１は、この燃料電池について測定した導電率、吸収され た水の％、オープン電池電圧、0.5Vでの電流密度及び試験時間を表している。 実施例11 スルホン化PPOのPVF2に対する重量比が50:50であった以外は、実施例１と同一 の手順が用いられた。表１は、これらの膜の特性と性能を要約している(実施例1 -11)。 実施例12 20wt％の溶液を作るためにLi+形のスルホン化PPO高分子(MW=50,000)がジメチ ルホルムアミド(DMF)に溶かされた。20wt％の溶液の高分子量PVF2(MW=350,000) が別個にDMFに調製された。その後、8gのスルホン化PPO-DMF溶液と2gのPVF2-DMF 溶液は２つの溶液を室温で0.5時間混合することによってブレンドされた。この ブレンドはスルホン化PPOの高分子量PVF2に対する重量比が80:20であった。ブレ ンド溶液はクリーンな面ガラス板 に注がれ、ドクターナイフで成形された。その後、ブレンド膜は、乾燥空気の下 で48時間、チェンバーに置かれた。ブレンド膜は、燃料電池のアッセンブリ前に Li+を陽子形に変換する交換のため、0.5N HCl溶液に置かれた。PEM燃料電池は実 施例１と同一のプロセスによって作られた。図５は、この膜を使用して作られた PEM燃料電池の60℃、30psig圧力の反応ガスにおける分極曲線を示している。図 ６は、この膜のSEM写真を示している。この膜は、80℃で電荷当たり9.9水分子を 吸収した。 実施例13 スルホン化PPOの高分子量PVF2に対する重量比が70:30であった以外は、実施例 12と同一の手順が用いられた。この膜を使用する燃料電池アッセンブリは高い動 作温度(80℃)の下で良好な性能を眉する。図７は、この膜を使用して作られたPE M燃料電池の反応ガスにH2/を使用して80℃、30psigの圧力における分極曲線を示 している。図８はこの膜のSEM写真を示している。この膜の導電率は80℃で0.208 S/cmであり、その水の吸い上げは7.4nH2O/電荷であった。このPEM燃料電池は、8 0℃で300時間、性能の減退なしと評価された。 実施例14 スルホン化PPOのPVF2(MW=350,000)に対する重量比が50:50であった以外は、実 施例12と同一の手順が用いられた。この膜による燃料電池アッセンブリは、80℃ で300時間、性能の減退なしと評価された。図９はこの膜のSEM写真を示している 。下の表２はブレンド膜（実施例12乃至14）の特性とそれらのPEM燃料電池の性 能を要約している。 表２ スルホン化PP0-PVF2（高分子量）ブレンド膜とそれらの燃料電池の特性 と性能 bSはスルホン化PPO、FLはPVF2(MW=350,000)
【手続補正書】 【提出日】平成１３年５月２３日（２００１．５．２３） 【補正内容】 （１） 明細書第４頁第１３行目の「第574,891,A2」を「出願公開第574,791号 」に補正する。 （２） 明細書第７頁第４行目から第１０行目までの「本発明は改良された高分 子電解質膜に関し、かかる改良において膜はスルホン化ポリフェニレンオキシド 又はポリフッ化ビニリデンにブレンドされたスルホン化ポリフェニレンオキシド から構成され、スルホン化ポリフェニレンオキシドは約15,000乃至10,000,000の 数平均分子量と約１乃至3.9meq/gのイオン電荷密度を有し、ポリフッ化ビニリデ ンは約10,000乃至10,000,000の数平均分子量を有し、ブレンド中のスルホン化ポ リフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至約 20対１である。」を「本発明はイオン交換高分子膜を含む高分子電解質膜に関し 、イオン交換膜は均質スルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデ ンのブレンドから構成され、均質スルホン化ポリフェニレンオキシドは約15,000 乃至10,000,000の数平均分子量と約１乃至3.9meq/gのイオン電荷密度を有し、ポ リフッ化ビニリデンは約10,000乃至10,000,000の数平均分子量を有し、ブレンド 中の均質スルホン化ポリフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデンに対する重 量比は約１対１乃至約20対１である。」に補正する。 （３）明細書第７頁第１１行目から第２０行目までの「本発明は、電気化学的に 反応する陽子アノードとカソード間に挟まれた電解質としてのイオン交換高分子 膜を含む改良された固体高分子電解質燃料電池に関し、かかる改良においてイオ ン交換高分子膜はスルホン化ポリフェニレンオキシド又はポリフッ化ビニリデン にブレンドされたスルホン化ポリフェニレンオキシドから構成され、スルホン化 ポリフェニレンオキシドは15,000乃至10,000,000の数平均分子量と１乃至3.9meq /gのイオン電荷密度を有し、ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000 の数平均分子量を有し、ブレンド中のスルホン化ポリフェニレンオキシドのポリ フッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至20対１であり、燃料電池は0.5V で約1A/cm2乃至約2A/cm2の電流密度を有し、30psiの反応ガスで白金／炭素／PTF E電極上で0.1乃至0.2mg/cm2の白金触媒ローディング当量を有する電極を 使用する。」を「本発明は、電気化学的に反応する陽子アノードとカソード間に 挟まれた電解質としてのイオン交換高分子膜を含む固体高分子電解質燃料電池に 関し、イオン交換高分子膜は均質スルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ 化ビニリデンのブレンドから構成され、均質スルホン化ポリフェニレンオキシド は15,000乃至10,000,000乃至の数平均分子量と１乃至3.9meq/gのイオン電荷密度 を有し、ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至10.000,000の数平均分子量を有し 、ブレンド中の均質スルホン化ポリフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデン に対する重量比は約１対１乃至20対１であり、燃料電池は0.5Vで約1A/cm2乃至約 2A/cm2の電流密度を有し、206,842.71Pa(30psig)の反応ガスで白金／炭素／PTFE 電極上で0.1乃至0.2mg/cm2の白金触媒ローディング当量を有する電極を使用する ことが出来る。」に補正する。 （４）明細書第８頁第１３行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補正 する。 （５）明細書第８頁第１７行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補正 する。 （６）明細書第８頁第２３行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補正 する。 （７）明細書第９頁第２行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補正す る。 （８）明細書第９頁第７行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補正す る。 （９）明細書第１５頁第１行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補正 する。 （１０）明細書第１９頁第４行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に補 正する。 （１１）明細書第１９頁第１３行目の「30psig」を「206,842.71Pa(30psig)」に 補正する。 （１２）請求の範囲は、別紙の通りとする。 請求の範囲 １． イオン交換高分子膜を含む高分子電解質膜において、前記イオン 交換膜は均質スルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンとのブ レンドから構成され、前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシドは、 以下の循 環単位によって特徴づけられる化学構造を有し、 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H，SO3Mからなるグループから選択され、Ｍは アルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属からなるグループから選択された 金属であり、ｎは40よりも大きな整数であり、前記均質スルホン化ポリフェニレ ンオキシド は約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gの イオン電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000 の数平均分子量を有し、前記ブレンド中の前記均質スルホン化ポリフェニレンオ キシド の前記ポリフッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１であ る高分子電解質膜。 ２． 前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシドにおいて前記アルカ リ金属はLi+、Na+又はK+である請求項１記載の高分子電解質膜。 ３． 前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシドは約30,000乃至約10 ,000,000の数平均分子量を有する請求項１記載の高分子電解質膜。 ４． 前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシド高分子は約２乃至 約3.5meq/gのイオン交換容量を有する請求項１記載の高分子電解質膜。 ５． 前記重量比は約４対１乃至約６対１である請求項１記載の高分子 電解質膜。 ６． 電気化学的に反応する多孔性アノード及びカソード間に挟まれた 電解質としてのイオン交換高分子膜を含む固体高分子電解質燃料電池において、前記イオン交換高分子膜は均質スルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化 ビニリデンのブレンドから構成され、前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシ ドは、 以下の循環単位によって特徴づけられる化学構造を有し、 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、ｎは4 0よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属 からなるグループから選択された金属であり、前記均質スルホン化ポリフェニレ ンオキシド は約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gの イオン電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000 の数平均分子量を有し、前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシドの前記ポリ フッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１であり、前記燃料電池 は0.5Vで約1A/cm2乃至約2A/cm2の電流密度を有し、45℃乃至85℃の温度電池と20 6.842.71Pa(30psig) の反応ガス で白金／炭素ポリテトラフルオロエチレン電極上 で白金の0.1mg/cm2乃至0.2mg/cm2と当量の最小触媒ローディングを使用すること ができる高分子電解質燃料電池。 ７． 前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシドは約30,000乃至約10 ,000,000の数平均分子量を有する請求項６記載の高分子電解質燃料電池。 ８． 前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシド高分子は約２乃至約 3.5meq/gのイオン交換容量を有する請求項６記載の高分子電解質燃料電池。 ９． 前記重量比は約４対１乃至６対１である請求項６記載の高分子電 解質燃料電池。 10． スルホン化イオン交換ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニ リデンとのブレンドから構成される電池用ブレンドイオン交換膜であって、前記 スルホン化ポリフェニレンオキシドは、以下の循環単位によって特徴づけられる 化学構造を有し、 ここでR1及びR2は、各々、H，SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、ｎは4 0よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属 からなるグループから選択された金属であり、前記スルホン化ポリフェニレンオ キシドは約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gのイオ ン電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000の数 平均分子量を有し、前記スルホン化ポリフェニレンオキシドの前記ポリフッ化ビ ニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１であり、前記ブレンドは、 a. 各溶媒にスルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンを別 々に溶かし、 b. スルホン化ポリフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデンに対する重量 比が約１対１乃至約20対１になるように各高分子溶液を混ぜ合わせてブレンド 溶液を作り、 c. 当該ブレンド溶液をクリーンな面で成形し、 d. 当該成形されたブレンド溶液を、溶媒を蒸発させ、約10マイクロメータ乃 至約200マイクロメータの厚さを有する乾燥ブレンド膜を形成するのに十分な時 間乾燥させるというプロセス工程によって調製されるブレンドイオン交換膜。 11． 前記ブレンドを作るための溶媒は、メタノール、エタノール、イ ソプロパノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピ ロリドン、アセトン、メチルエチルケトン、THFジメチルセロソルブ及びこれら の混合物である請求項10記載のブレンド膜。 12． 前記溶液における高分子の濃度は１乃至50wt％である請求項10記 載のブレンド膜。 13． 前記イオン交換膜は、γ線又はUV照射及び／又は乾燥加熱処理に よって架橋可能である請求項10記載のブレンド膜。 14． 前記膜の厚さは40μｍ乃至150μｍである請求項10記載のブレン ド膜。 15． イオン交換高分子電解質膜燃料電池を製造するプロセスであって、 a. 均質スルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンとの ブレンドから構成されるイオン交換高分子電解質膜であって、前記均質スルホン 化ポリフェニレンオキシドは、 以下の循環単位によって特徴づけられる化学構造 を有し、 ここでR1及びR2は、各々、Ｈ、SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、ｎは 40よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属 からなるグループから選択された金属であり、前記均質スルホン化ポリフェニレ ンオキシド は約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gの イオン電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000 の数平均分子量を有し、前記均質スルホン化ポリフェニレンオキシドの前記ポリ フッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１である膜を、金属対イ オン形を陽子形に交換するために酸性水溶液にさらし、 b. 前記イオン交換高分子電解質膜を２つの燃料電池電極間に置いて前 記膜を前記電極に接着してPEM燃料電池アッセンブリを室温で圧着工程や高圧印 加なしに形成するプロセス。 16． 前記工程ｂの前に、スルホン化陽子交換高分子が前記電極にコー トされて前記膜と前記電極との間のインターフェースとして機能する請求項15記 載のプロセス。 17． 前記スルホン化陽子交換高分子は、スルホン化ポリエチレン、ス ルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリスルホン及びスルホン化ベル フルオリネーティッドイオノマーからなるグループから選択される請求項16記載 のプロセス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＤＥ，ＧＢ，ＪＰ，ＭＸ (72)発明者 コートニー・ミッテルステッド アメリカ合衆国ニューヨーク州シラキュー ズ市メドウブルックドライブ117

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. イオン交換高分子膜を含む高分子電解質膜において、前記イオン 交換膜がスルホン化ポリフェニレンオキシド又はポリフッ化ビニリデンにブレン ドされたスルホン化ポリフェニレンオキシドから構成され、前記スルホン化ポリ フェニレンオキシドは、以下の循環単位によって特徴づけられる化学構造を有し 、 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、Mはア ルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属からなるグループから選択された金 属であり、ｎは40よりも大きな整数であり、前記スルホン化ポリフェニレンオキ シドは約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gのイオン 電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,OC00乃至約10,000,000の数 平均分子量を有し、前記ブレンド中の前記スルホン化ポリフェニレンオキシドの 前記ポリフッ化ビニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１である改良。 2. 前記スルホン化ポリフェニレンオキシドにおいて前記アルカリ金 属はLi+、Na+又はK+である請求項１記載の高分子電解質膜。 3. 前記スルホン化ポリフェニレンオキシドは約30,000乃至約10,000 ,000の 数平均分子量を有する請求項１記載の高分子電解質膜。 4. 前記スルホン化ポリフェニレンオキシド高分子は約２乃至約3.5m eq/gのイオン交換容量を有する請求項１記載の高分子電解質膜。 5. 前記重量比は約４対１乃至６対１である請求項１記載の高分子電 解質膜。 6. 電気化学的に反応する多孔性アノード及びカソード間に挟まれた 電解質としてのイオン交換高分子膜を含む固体高分子電解質燃料電池において、 前記イオン交換高分子膜がスルホン化ポリフェニレンオキシド又はポリフッ化ビ ニリデンにブレンドされたスルホン化ポリフェニレンオキシドから構成され、前 記スルホン化ポリフェニレンオキシドは、以下の循環単位によって特徴づけられ る化学構造を有し、 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、ｎは4 0よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属 からなるグループから選択された金属であり、前記スルホン化ポリフェニレンオ キシドは約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gのイオ ン電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000の数 平均分子量を有し、前記スルホン化ポリフェニレンオキシドの前記ポリフッ化ビ ニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１ であり、前記燃料電池は0.5Vで約1A/cm2乃至約2A/cm2の電流密度を有し、45℃乃 至85℃の温度電池と30psiの反応ガスで白金／炭素ポリテトラフルオロエチレン 電極上で白金の0.1mg/cm2乃至0.2mg/cm2と当量の最小触媒ローディングを使用す る改良。 7. 前記スルホン化ポリフェニレンオキシドは約30,000乃至約10,000 ,000の数平均分子量を有する請求項６記載の高分子電解質燃料電池。 8. 前記スルホン化ポリフェニレンオキシド高分子は約２乃至約3.5m eq/gのイオン交換容量を有する請求項６記載の高分子電解質燃料電池。 9. 前記重量比は約４対１乃至６対１である請求項６記載の高分子電 解質燃料電池。 10． スルホン化イオン交換ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビ ニリデンとのブレンドから構成される電池用ブレンドイオン交換膜であって、前 記スルホン化ポリフェニレンオキシドは、以下の循臭単位によって特徴づけられ る化学構造を有し、 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、ｎは4 0よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属 からなるグル ープから選択された金属であり、前記スルホン化ポリフェニレンオキシドは約15 ,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gのイオン電荷密度を 有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000の数平均分子量を 有し、前記スルホン化ポリフェニレンオキシドの前記ポリフッ化ビニリデンに対 する重量比は約１対１乃至約20対１であり、前記ブレンドは、 a. 各溶媒にスルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンを 別々に溶かし、 b. スルホン化ポリフェニレンオキシドのポリフッ化ビニリデンに対する重 量比が約１対１乃至約20対１になるように各高分子溶液を混ぜ合わせてブレンド 溶液を作り、 c. 当該ブレンド溶液をクリーンな面で成形し、 d. 当該成形されたブレンド溶液を、溶媒を蒸発させ、約10マイクロメータ 乃至約200マイクロメータの厚さを有する乾燥ブレンド膜を形成するのに十分な 時間乾燥させるというプロセス工程によって調製されるブレンドイオン交換膜。 11． 前記ブレンドを作るための溶媒は、メタノール、エタノール、 イソプロパノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチル ビロリドン、アセトン、メチルエチルケトン、THFジメチルセロソルブ及びこれ らの混合物である請求項10記載のブレンド膜。 12． 前記溶液における高分子の濃度は１乃至50wt％である請求項10 記載のブレンド膜。 13． 前記イオン交換膜は、γ線又はUV照射及び／又は乾燥加熱処理 によって架橋可能である請求項10記載のブレンド膜。 14． 前記膜の厚さは40μm乃至150μmである請求項10記載のブレン ド膜。 15． 高分子電解質膜燃料電池を製造するプロセスであって、 a. スルホン化ポリフェニレンオキシド又はポリフッ化ビニリデンにブ レンドされたスルホン化ポリフェニレンオキシドから構成される高分子電解質膜 であって、前記スルホン化ポリフェニレンオキシドは、以下の循環単位によって 特徴づけられる化学構造を有し、 ここでR1及びR2は、各々、H、SO3H、SO3Mからなるグループから選択され、ｎは4 0よりも大きな整数であり、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属 からなるグループから選択された金属であり、前記スルホン化ポリフェニレンオ キシドは約15,000乃至約10,000,000の数平均分子量と約１乃至約3.9meq/gのイオ ン電荷密度を有し、前記ポリフッ化ビニリデンは約10,000乃至約10,000,000の数 平均分子量を有し、前記スルホン化ポリフェニレンオキシドの前記ポリフッ化ビ ニリデンに対する重量比は約１対１乃至約20対１である膜を、金属対イオン形を 陽子形に交換するために酸性水溶液にさらし、 b. 前記高分子電解質膜を２つの燃料電池電極間に置いて前記膜を 前記電極に接着してPEM燃料電池アッセンブリを室温で圧着工程や高圧印加なし に形成するプロセス。 16． 前記工程ｂの前に、スルホン化陽子交換高分子が前記電極にコ ートされて前記膜と前記電極との間のインターフェースとして機能する請求項15 記載のプロセス。 17． 前記スルホン化陽子交換高分子は、スルホン化ポリエチレン、 スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリスルホン及びスルホン化ベ ルフルオリネーティッドイオノマーからなるグループから選択される請求項16記 載のプロセス。
JP52434297A 1995-12-28 1996-12-16 強化された高分子電池用のスルホン化ポリフェニレンオキシドに基づくブレンド膜 Pending JP2002502539A (ja)

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