JP2003217342A - 光架橋性高分子固体電解質、架橋高分子固体電解質膜及びその製造方法 - Google Patents
光架橋性高分子固体電解質、架橋高分子固体電解質膜及びその製造方法Info
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Abstract
に耐膨潤性などの耐久性にも優れ、燃料電池などのプロ
トン交換膜にも好適に使用することができる高分子固体
電解質膜及びその製造方法の提供。 【解決手段】 分子中に、イオン性基と、光架橋性基と
をそれぞれ1個以上有している光架橋性高分子電解質
を、膜に成形した後に、光照射によって熱架橋性基を架
橋反応させて、高分子固体電解質膜を得る。イオン性基
の分解を伴わずに架橋反応させることができ、また架橋
反応によるイオン伝導性の低下もなく、イオン伝導性と
耐久性に優れた高分子固体電解質膜を得ることができ
る。
Description
伝導性に優れた光架橋性高分子固体電解質、高分子固体
電解質膜及びその製造方法に関するものである。
をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例とし
て、水電解槽や燃料電池を挙げることができる。これら
に用いられる高分子膜は、カチオン交換膜として高いプ
ロトン伝導率を有すると共に化学的、熱的、電気化学的
及び力学的に十分安定なものでなくてはならない。この
ため、長期にわたり使用できるものとして、主に米デュ
ポン社製の「ナフィオン(登録商標)」を代表例とする
パーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。
しかしながら、100℃を越える条件で運転しようとす
ると、膜の含水率が急激に落ちる他、膜の軟化も顕著と
なる。このため、メタノールを燃料とする燃料電池にお
いては、膜内のメタノール透過による性能低下が起こ
り、十分な性能を発揮することはできない。また、現在
主に検討されている水素を燃料として80℃付近で運転
する燃料電池においても、膜のコストが高すぎることが
燃料電池技術の確立の障害として指摘されている。
る電解質膜として、ポリエーテルエーテルケトンやポリ
エーテルスルホン、ポリスルホンなどのポリマーにスル
ホン酸基などイオン性基を導入した、いわゆる炭化水素
系高分子固体電解質が近年盛んに検討されている。しか
しながら、炭化水素系高分子固体電解質はパーフルオロ
カーボンスルホン酸に比べて水和・膨潤しやすく、高湿
度下での耐久性に問題があった。
ポリマーとの混合が行なわれている。これは、高分子固
体電解質中のスルホン酸基を、塩基性ポリマーによって
架橋することで膨潤を抑制しようとするものである。例
えば、スルホン酸基を有するポリエーテルスルホンやス
ルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケトン(酸性
ポリマー)と、ポリベンズイミダゾール(塩基性ポリマ
ー)との混合物(国際公開特許公報WO99/5438
9号公報)などが知られている。
公開特許WO99/61141号公報、特開2001−
522401号公報に記載されているように、イオン性
基であるスルホン酸基間を共有結合により架橋すること
で、膨潤を抑制することも行なわれている。
のの、イオン性基が架橋反応によりイオン性を示さなく
なるため、イオン伝導性が低下するという問題点があっ
た。
スチレン/ジビニルベンゼン共重合体のスルホン化物
は、初期の固体高分子形燃料電池に使用されたことで良
く知られている。この高分子固体電解質は、ポリマー骨
格そのものの耐久性に乏しく燃料電池として満足な性質
を示さなかった。特開平2−248434号公報、特開
平2−245035号公報には、ルイス酸を触媒として
ポリマー中のクロロメチル基を架橋反応させて得られる
イオン交換体が記載されている。しかしながら架橋反応
に触媒が必要である。よって、ポリマーと触媒を混合し
て成形体を得る場合には触媒の残留が、ポリマー成形体
を触媒で処理する場合には内部で架橋反応が起こりにく
いことが、それぞれ問題であった。
電池などのプロトン交換膜に好適な、イオン伝導性及び
耐久性に優れた、光架橋性高分子固体電解質、高分子固
体電解質膜及びその製造方法を提供することである。
を重ねた結果、光架橋性基とイオン性基を有する高分子
固体電解質を用いることで上記目的を達成できることを
見出した。
ン性基と、光架橋性基とをそれぞれ1個以上有している
ことを特徴とする高分子固体電解質、(2) イオン性
基がスルホン酸基又はホスホン酸基であることを特徴と
する(1)に記載の高分子固体電解質、(3) 光架橋
性基として下記一般式(1)及び(2)で表される基を
有することを特徴とする(1)又は(2)のいずれかに
記載のポリマー電解質、
は1〜4の整数を表す。) (4) ポリマー主鎖がポリエーテルスルホン又はポリ
エーテルケトンであることを特徴とする(1)〜(3)
のいずれかに記載の高分子固体電解質、(5) (1)
〜(4)のいずれかに記載の高分子固体電解質を単独又
は一成分として含むポリマー組成物を架橋して得ること
を特徴とする高分子固体電解質、(6) (1)〜
(4)のいずれかに記載の高分子固体電解質を単独又は
一成分として含むポリマー組成物から形成された膜を光
照射して架橋高分子固体電解質膜を得ることを特徴とす
る高分子固体電解質膜の製造方法、(7) (6)に記
載の方法で製造された高分子固体電解質膜、(8)
(1)〜(7)のいずれかに記載の高分子固体電解質を
用いた燃料電池、である。
する。本発明における光架橋性高分子固体電解質は、ポ
リマー分子中に少なくとも1個以上の光架橋性基及びイ
オン性基を有していることが必要である。ポリマーの数
平均分子量は1,000〜1,000,000の間であ
ることが好ましく、5,000〜500,000の間で
あることが物性と加工性のバランスが取れるため好まし
い。
基、リン酸基、カルボン酸基などのイオンに解離するこ
とのできる基を表す。より好ましくはスルホン酸基又は
ホスホン酸基である。スルホン酸基はイオン伝導性が高
く、ホスホン酸基は高温でもイオン伝導性を示すため、
それぞれ好ましい。ポリマー中のイオン性基の量は、
0.1〜5.0mmol/gであることが好ましく、
1.0〜3.0mmol/gであることがより好まし
い。ポリマー中には、イオン性基を有するモノマーの共
重合やポリマーのスルホン化反応によってイオン性基を
導入することができる。イオン性基を有するモノマーと
しては、下記に示すような化合物が挙げられる。
クロロスルホン酸などのスルホン化剤を用いてポリマー
にスルホン酸基を導入することもできる。ポリマーをス
ルホン化剤に対して不活性な溶媒に溶解した状態でスル
ホン化剤を反応させる方法や、ポリマーを適当な溶媒で
膨潤させた状態でスルホン化剤を反応させる方法、ポリ
マーを直接スルホン化剤と反応させる方法、などの方法
によってスルホン化反応を行なうことができる。スルホ
ン化剤はそのまま用いてもよいし、適当な溶媒に溶解、
分散した状態で用いることもできる。反応温度は−10
0〜100℃の間で行なうことができる。
α−ジケトン基、アシロイン基、アシロインエーテル
基、ベンジルアルキルケタール基、アセトフェノン基、
多核キノン類、チオキサントン基、アシルフォスフィン
基、エチレン性不飽和基などを挙げることができる。中
でもベンゾフェノン機などの光によりラジカルを発生す
ることのできる基と、メチル基やエチル基などの炭化水
素基を有する芳香族基などの、ラジカルと反応すること
のできる基との組み合わせが好ましく、例として下記の
ような基を挙げることができる。
て存在することができる。ポリマー中の光架橋性基の量
は、1〜5,000mmol/kgであることが好まし
く、5〜5,000mmol/kgであることがさらに
好ましい。このような基は、共重合モノマーや末端停止
剤としてポリマー中に導入することができる。またエチ
レン性不飽和基を用いる場合には、ベンゾフェノン類、
α−ジケトン類、アシロイン類、アシロインエーテル
類、ベンジルアルキルケタール類、アセトフェノン類、
多核キノン類、チオキサントン類、アシルフォスフィン
類などの光重合開始剤を加えておくことが好ましい。
用いることができる。ポリエーテルスルホン、ポリエー
テルケトン、ポリスルフィド、ポリフェニレン、ポリベ
ンズオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベン
ズチアゾール、ポリケトン、ポリスルホンなどが耐久性
に優れるため好ましい。中でも、合成の容易さからポリ
エーテルスルホン、ポリエーテルケトンが好ましい。
ンは、電子吸引性基を有する芳香族ジハロゲン化合物
と、ビスフェノール化合物を縮合することで得られる。
縮合反応は公知の方法で行なうことができる。例えば有
機溶媒中で塩基の存在下加熱することで縮合できる。有
機溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N−
メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミ
ド、スルホラン、ジメチルスルホキシドなどの非プロト
ン性極性溶媒を挙げることができる。中でもN−メチル
−2−ピロリドンが好ましい。塩基としては、炭酸カリ
ウム、炭酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリ
ウムなどが挙げられる。中でも炭酸カリウムが好まし
い。ビスフェノール化合物と塩基との反応で生成する水
は、トルエンやベンゼンとの共沸で除くことができる。
共沸脱水は100〜150℃で行なうことが好ましい。
脱水が完了後、縮合反応を行なうことができる。縮合反
応は120〜300℃で行なうことができる。反応は窒
素、アルゴンなど不活性ガス雰囲気下で行なうことが好
ましい。反応終了後、溶液を水、アセトンなどポリマー
が不溶の溶媒に投入することで再沈させることができ
る。再沈したポリマーは、公知の方法で精製することが
できる。
の化合物を挙げることができる。
使用することができる。
化合物を挙げることができる。
のモノマーとしては下記のような化合物を挙げることが
できる。
るためのモノマーは下記のような化合物を挙げることが
できる。
一のポリマーにあっても、別々のポリマーにあってもよ
い。それぞれの基を有する二種以上のポリマーを混合し
てもよいし、二つの基を有するポリマーを用いてもよ
い。二種以上のポリマーを用いる場合、イオン性基はい
ずれのポリマーにあってもよい。
好ましい例を下記に示すが、これらに限定されるもので
はない。
照射によって架橋することができる。光照射は窒素、ア
ルゴンなどの不活性ガス中で行なうことが好ましい。処
理時の温度は、室温〜250℃の範囲で行なうことがで
きる。照射時間は、1秒〜100時間の間で行なうこと
ができる。光架橋をする際、本発明の高分子電解質その
ものを熱処理して架橋体構造とすることもできるが、他
の非架橋性ポリマーとの組成物としてから光架橋するこ
ともできる。その際、非架橋性ポリマーは本発明の架橋
性ポリマーと同様にイオン性基を分子鎖中に含有するも
のでもイオン性基を含有しないものでもよい。非架橋性
ポリマーの基本構造としては、例えばポリエチレンテレ
フタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレ
ンナフタレート等のポリエステル類、ナイロン6、ナイ
ロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12等のポリ
アミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル
酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル
酸エステル類等のアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸
酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ジエン系ポリマー
を含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸
セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹
脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポ
リフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポ
リスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエー
テルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリベ
ンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズ
イミダゾール、ポリアミドイミド等の芳香族系ポリマー
など、特に制限はない。
に成形した後で架橋することで優れた高分子固体電解質
膜となる。膜への成形は、キャスト、溶融成形など任意
の方法で行なうことができるが、溶液からのキャストで
作製することが好ましい。溶媒には、ジメチルスルホキ
シド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリ
ドン、ジメチルホルムアミドなど非プロトン性極性溶媒
を用いることができる。溶液の濃度は1〜50wt%で
あることが好ましい。溶液をガラス板上に流延し、溶媒
を乾燥させることで膜を得ることができる。膜の厚み
は、1〜500μmが好ましく、5〜100μmがより
好ましい。必要に応じて、シリカなどの無機化合物や、
他のポリマーなどを混合してもよい。イオン性基が塩に
なっている場合には、膜に成形した後、酸で処理するこ
とで酸型に変換することができる。その場合、架橋反応
が終了した後で酸変換することが好ましい。膜を光処理
する場合には、収縮などを防ぐため、適当な治具に固定
して加熱することが好ましい。この場合も、本発明の高
分子電解質そのものの成形体を熱処理して架橋体構造と
することもできるが、上述のような他の非架橋性ポリマ
ーとの組成物成形体としてから光架橋することもでき
る。
燃料電池のプロトン交換膜として使用することができ
る。また、電極に触媒を接合する際のバインダーとし
て、本発明の高分子固体電解質を用いることができる。
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるこ
とはない。各種測定は以下のようにして行なった。
AKOCK DIGITAL GAUGE D−10/
OZAKI MFG. CO.,LTD)を用いて測定
した。サンプル中のランダムな3点の厚みを測定し、そ
れらを平均したものを膜の厚みとした。
(ポリテトラフロロエチレン製)上で短冊状膜試料の表
面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃9
5%RHの恒温・恒湿オーブン((株)ナガノ科学機械
製作所、LH−20−01)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SOLA
RTRON社1250FREQUENCY RESPO
NSE ANALYSERにより測定した。極間距離を
変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットし
た勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキ
ャンセルした導電率を算出した。 導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]
×抵抗極間勾配[Ω/cm]
5g/dlのN−メチル−2−ピロリドン溶液につい
て、オストワルド粘度計を用いて30℃で測定した。
を5mlのイオン交換水と共にガラスアンプル中に封入
した。アンプルは105℃で3日間加熱した。冷却後ア
ンプルを開封し、1G2のガラスフィルターで固形物を
濾取した。フィルターは80℃で一晩減圧乾燥し、濾過
前後の重量から、固形分の重量を求め、重量減少率を求
めた。 重量減少率[%]=残留物重量[mg]/50×100
00mgを0.01NのNaOH水溶液50mlに浸漬
し、25℃で一晩攪拌した。その後、0.05NのHC
l水溶液で中和滴定した。中和滴定には、平沼産業株式
会社製電位差滴定装置COMTITE−980を用い
た。イオン性基量は下記式で求められる。 イオン性基含有量[meq/g]=(10−滴定量[m
l])/2
ルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ソーダ3.930
g(8.0mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフ
ェノン0.428g(2.0mmol)、2,2−ビス
(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン2.
5634g(10.0mmol)、炭酸カリウム1.5
89g(11.5mmol)、N−メチル−2−ピロリ
ドン20ml、トルエン3mlを窒素導入管、攪拌翼、
ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた100
ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ
窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を
140℃で行なった後、トルエンを全て留去した。その
後200℃に昇温し、15時間加熱した。その後、室温
まで冷却した溶液を500mlの純水に注ぎポリマーを
再沈させた。濾過したポリマーは50℃で減圧乾燥し
た。ポリマーの対数粘度は0.66dl/gだった。得
られたポリマー0.4gを1.6gのジメチルアセトア
ミドに溶解した溶液を、0.02cmの厚みでガラス板
上にキャストし、70℃で3日間減圧乾燥した。ガラス
板から膜を剥離した後、金属製の枠に固定し、窒素雰囲
気下50℃で紫外線ランプで1時間光照射した。その
後、膜を80℃の1mol/L硫酸で1時間処理してス
ルホン酸基を酸型に変換し、さらに酸が検出できなくな
るまで水で洗浄した。洗浄した膜は風乾したところ、厚
み0.0038cmの透明な膜が得られた。膜のイオン
性基濃度は2.3meq/gだった。耐水性試験での重
量減少率は0%、イオン伝導性は0.34S/cmであ
り、良好な耐久性とイオン伝導性を示した。
ルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ソーダ3.438
g(7.0mmol)、4,4’−ジクロロジフェニル
スルホン0.862g(3.0mmol)、ビフェノー
ル1.862g(10.0mmol)、炭酸カリウム
1.589g(11.5mmol)、N−メチル−2−
ピロリドン17ml、トルエン3mlを窒素導入管、攪
拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた
100ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌
しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による
脱水を140℃で行なった後、トルエンを全て留去し
た。その後200℃に昇温し、15時間加熱した。室温
まで冷却した溶液を500mlの純水に注ぎポリマーを
再沈させた。濾過したポリマーは50℃で減圧乾燥し
た。ポリマーの対数粘度は0.75dl/gだった。得
られたポリマー0.4gを1.6gのジメチルアセトア
ミドに溶解した溶液を、0.02cmの厚みでガラス板
上にキャストし、70℃で3日間減圧乾燥した。その
後、膜を80℃の1mol/L硫酸で1時間処理してス
ルホン酸基を酸型に変換し、さらに酸が検出できなくな
るまで水で洗浄した。洗浄した膜は風乾したところ、厚
み0.0033cmの透明な膜が得られた。膜のイオン
性基濃度は2.3meq/gだった。耐水性試験では膜
が溶解してしまい固形分が回収できなかった。イオン伝
導性は0.28S/cmだった。
ルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ソーダ1.228
g(2.5mmol)、4,4’−ジクロロジフェニル
スルホン2.154g(7.5mmol)、ビフェノー
ル1.862g(10.0mmol)、炭酸カリウム
1.589g(11.5mmol)、N−メチル−2−
ピロリドン17ml、トルエン3mlを窒素導入管、攪
拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた
100ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌
しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による
脱水を140℃で行なった後、トルエンを全て留去し
た。その後200℃に昇温し、15時間加熱した。室温
まで冷却した溶液を500mlの純水に注ぎポリマーを
再沈させた。濾過したポリマーは50℃で減圧乾燥し
た。ポリマーの対数粘度は0.84dl/gだった。得
られたポリマー0.4gを1.6gのジメチルアセトア
ミドに溶解した溶液を、0.02cmの厚みでガラス板
上にキャストし、70℃で3日間減圧乾燥した。その
後、膜を80℃の1mol/L硫酸で1時間処理してス
ルホン酸基を酸型に変換し、さらに酸が検出できなくな
るまで水で洗浄した。洗浄した膜は風乾したところ、厚
み0.0031cmの透明な膜が得られた。膜のイオン
性基濃度は0.8meq/gだった。耐水性試験での重
量減少率は0%だった。イオン伝導性は0.07S/c
mと低かった。
り、耐久性とイオン伝導性に優れる高分子固体電解質膜
を得ることができる。
Claims (8)
- 【請求項1】 分子中にイオン性基と、光架橋性基とを
それぞれ1個以上有していることを特徴とする高分子固
体電解質。 - 【請求項2】 イオン性基がスルホン酸基又はホスホン
酸基であることを特徴とする請求項1に記載の高分子固
体電解質。 - 【請求項3】 光架橋性基として下記一般式(1)及び
(2)で表される基を有することを特徴とする請求項1
乃至2のいずれかに記載のポリマー電解質。 【化1】 (式中、Rは炭素数1〜10の脂肪族炭化水素基を、n
は1〜4の整数を表す。) - 【請求項4】 ポリマー主鎖がポリエーテルスルホン又
はポリエーテルケトンであることを特徴とする請求項1
乃至3のいずれかに記載の高分子固体電解質。 - 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の高分
子固体電解質を単独又は一成分として含むポリマー組成
物を架橋して得ることを特徴とする高分子固体電解質。 - 【請求項6】 請求項1乃至5のいずれかに記載の高分
子固体電解質を単独又は一成分として含むポリマー組成
物から形成された膜を光照射して架橋高分子固体電解質
膜を得ることを特徴とする高分子固体電解質膜の製造方
法。 - 【請求項7】 請求項6に記載の方法で製造された高分
子固体電解質膜。 - 【請求項8】 請求項1乃至7のいずれかに記載の高分
子固体電解質を用いた燃料電池。
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