JP2005048088A - 分枝化された高分子化合物及びその製造方法、高耐久性固体高分子電解質膜及びその製造方法、並びに燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
〔分枝された高分子の製造〕
(実施例1)
シール付の水銀温度計、窒素導入口、還流管を付した100mLの四ロフラスコに、膜形成モノマーIとして0.7g(4.4mmo1)のtert−ブチルスチレン(以下「B」と称す)と、膜形成モノマーIIとして0.33g(6.3mmo1)のアクリロニトリル(以下「A」と称す)と、架橋性モノマーとして0.15g(0.71mmo1)の2,6−ジビニルナフタレン(以下「Np」と称す)と、配向性モノマーとして0.3g(1.9mmo1)の2−ビニルナフタレン(以下「N」と称す)と、これら疎水性モノマーに疎水性ラジカル重合開始剤としてDMF6mLに15mgのベンゾフェノンを加えた。次に、イオン伝導性モノマーとして1.3g(6.3mmo1)のアクリルアミドスルホン酸(以下「S」と称す)と、両親媒性モノマーとして0.9g(12.5mmo1)のアクリル酸(以下「C」と称す)と、これら親水性モノマーに親水性ラジカル重合開始剤として水3mLに10mgのペルオキソ二硫酸アンモニウムを加えた。アクリルアミドスルホン酸(S)のモル比を1とした各モノマーの配合モル比は、B:A:Np:N:S:C=0.7:1.0:0.1:0.3:1.0:2.0である。
配向性モノマーである2−ビニルナフタレン(N)を0.5g(3.15mmo1)とした他は、実施例1と同様にランダム共重合して、キャスト膜を調製した。
先ず、膜形成モノマーIとして0.7g(4.4mmo1)のtert−ブチルスチレン(B)と、膜形成モノマーIIとして0.33g(6.3mmo1)のアクリロニトリル(A)と、架橋性モノマーとして0.15g(0.71mmo1)の2,6−ジビニルナフタレン(Np)と、配向性モノマーとして0.3g(1.9mmo1)の2−ビニルナフタレン(N)と、これら疎水性モノマーに疎水性ラジカル重合開始剤としてDMF6mLに15mgのベンゾフェノンを加え、85℃に加熱して共重合しながら、次に、イオン伝導性モノマーとして1.3g(6.3mmo1)のアクリルアミドスルホン酸(S)と、両親媒性モノマーとして0.9g(12.5mmo1)のアクリル酸(C)と、これら親水性モノマーに親水性ラジカル重合開始剤として水3mLに10mgのペルオキソ二硫酸アンモニウムを加えた混合物を添加して、ブロック共重合した。実施例1と同様に、アクリルアミドスルホン酸(S)のモル比を1とした各モノマーの配合モル比は、B:A:Np:N:S:C=0.7:1.0:0.1:0.3:1.0:2.0である。
配向性繰返し単位の分子量に対する効果を見るために、以下のI〜Vの共重合体I〜Vを合成した。ここで、Spは下記式(5)で表されるスピロ環を有する剛直な架橋剤であり、Siは下記式(6)で表されるシラン鎖を有する疎水性の架橋剤である。
共重合体II :BANSCNp(0.5;1;1;1;2;0.1)R
共重合体III:BANSCSp(1.5;1;1.6;1;2;0.2)R
共重合体IV :BANSCSp(1.5;1;1.4;1;2;0.1)R
共重合体V :BA‐SCSpSi(1.5;3;−;1;2;0.1;0.02)B
同様に、共重合体I〜Vの配向性繰返し単位含有率と加水分解還元粘度指数の測定結果を図5に示す。ここで、加水分解還元粘度指数は耐水性、即ち耐加水分解性を示すものである。具体的には、上記I〜Vの共重合体の電解質膜の高温加湿処理(140℃、100%RH、24時間)を行い、還元粘度の減少率により安定性を評価した。図5の結果より、配向性繰返し単位を含まない共重合体の電解質膜(V)が、60%以下に減少したのに対して、配向性繰返し単位を含む共重合体の電解質膜(I〜IV)では、測定前の還元粘度から数%から十数%の減少に留まった。即ち、配向性モノマーの添加量が増加して配向性を付与するにしたがって加水分解還元粘度指数は90以上に大きくなっており、耐加水分解性が向上することが分る。
配向性繰返し単位を含む配向型膜のイオン伝導性の温度依存性を見るために、RH100%、各温度でのイオン伝導度を測定した。結果を図6に示す。イオン伝導度(プロトン伝導度の測定)は、実施例及び比較例の膜を5×40mmの大きさに切り取り、4端子法により交流インピーダンスを測定した。測定は80℃及び120℃で相対湿度100%、電流値として0.005mAの定電流、掃引周波数として10〜20000Hzの条件で行った。得られたインピーダンスと膜端子間距離から伝導度を測定した。
本発明の分枝された高分子化合物の耐熱性を見るために、下記式(7)及び(8)の熱分解開始温度を測定した。
(ガス拡散層の作製)
1gのカーボンブラックに12gの35質量%トライトン溶液を加え、遊星ボールミルを用いて1136rpmで20分間、568rpmで10分間混合し、カーボンペーストを作製した。このカーボンペーストとポリテトラフルオロエチレン分散溶液とをカーボン元素比で6:4になるように添加し、遊星ボールミルを用いて1136rpmで20分間、568rpmで10分間混合したものを電極拡散層ぺーストとした。この電極拡散層ペーストを撥水化カーボンペーパー上に塗布し、60℃の乾燥機で約1時間乾燥した。乾燥後、冷間プレスを行った。電極中のトライトンを除去するために電極を2−プロパノール中に浸し(30分毎に2−プロパノールを交換し、4回繰り返した後に一晩放置した。)、その後にホットプレス(360℃、2.5MPaで3秒)を行い、水中で急冷した。
白金を30質量%高分散担持したカーボンブラック1gと本発明の上記高分子化合物1・05gとをm−クレゾール10mLで混練した。このペースト0.15mLを上記方法で作成した電解質膜(厚さ50μm、面積10cm2)の片面に均一に塗布し、80℃で1時間乾燥した。その後、電解質膜の反対側にも前述のペースト0,15mLを均一に塗布し、80℃で1時間乾燥した。得られた膜を130℃で2分間ホットプレスした後に、1N硝酸エタノール溶液400mL中に浸漬し12時間撹拌した(酸処理工程)。この酸処理工程を更に2回繰り返した。その後、エタノールで洗浄した。その後、80℃で2時間乾燥を行った。この膜を前述のガス拡散層2枚で挟み触媒層膜複合体を得た。
白金を30質量%高分散担持したカーボンブラック1gと上記高分子化合物1.05gとを、m−クレゾール10mLで混練した。このペースト0.15mLを前述のガス拡散層(面積10cm2)の片面に均一に塗布し、80℃で2時間乾燥した。これを冷間プレス(1MPa(10kg/cm2))、10秒間)を行った。その後、1N硝酸エタノール溶液400mL中に浸漬し12時間撹拝した(酸処理工程)。この酸処理工程を更に2回繰り返した。その後、エタノールで洗浄した。得られたガス拡散層2枚で、上記電解質膜(厚さ50μm、面積10cm2)を挟み触媒層膜複合体を得た。
上記の触媒層膜複合体を集電部を兼ねるセパレータで狭持して燃料電池を作製した。触媒層膜複合体はポリイミド樹脂からなる電解質膜と、該電解質膜の一方の面に接するアノード側触媒層及びアノード側触媒層の他面に接するアノード側撥水性集電体とからなるアノード側ガス拡散電極と、電解質膜の他方の面に接するカソード側触媒層及びカソード側触媒層の他面に接するカソード側撥水性集電体とからなるカソード側ガス拡散電極とからなる。
Claims (9)
- 下記式(1)で表される基本骨格が、下記式(2)で表される4価の架橋モノマー単位によって分枝化されたことを特徴とする高分子化合物。
- tert−ブチル基を有する重合性モノマーからなる膜形成モノマーIと、所望により単独重合物の相転移温度(Tg)が5℃から100℃を示す重合性モノマーからなる膜形成モノマーIIと、所望により2個以上の芳香族環が共通の炭素間結合を介することによって平面構造の連続性を保持した形をとった縮合により2次元的な広がりをもった化学構造に重合性ビニル基が結合したモノマーからなる配向性モノマーと、ビニル基からスルホン酸基までの距離が0.1nmから10nmであるイオン伝導性官能基を有するビニルモノマーからなるイオン伝導性モノマーと、所望により炭素数3から12を有する弱酸性官能基を含むビニルモノマーからなる両親媒性モノマーと、2個以上の芳香族環が共通の炭素間結合を介することによって平面構造の連続性を保持した形をとった縮合により2次元的な広がりをもった化学構造に2個の重合性ビニル基が結合したモノマーからなる架橋性モノマーとを共重合することを特徴とする分枝化された高分子化合物の製造方法。
- 前記tert−ブチル基を有する重合性モノマーからなる膜形成モノマーIがtert−ブチルスチレンであり、前記単独重合物の相転移温度(Tg)が5℃から100℃を示す重合性モノマーからなる膜形成モノマーIIがアクリロニトリルであり、前記2個以上の芳香族環が共通の炭素間結合を介することによって平面構造の連続性を保持した形をとった縮合により2次元的な広がりをもった化学構造に2個の重合性ビニル基が結合したモノマーからなる架橋性モノマーが2,6−ジビニルナフタレンであり、前記2個以上の芳香族環が共通の炭素間結合を介することによって平面構造の連続性を保持した形をとった縮合により2次元的な広がりをもった化学構造に重合性ビニル基が結合したモノマーからなる配向性モノマーが2−ビニルナフタレンであって、これら疎水性モノマーに疎水性ラジカル重合開始剤を添加する工程と、前記ビニル基からスルホン酸基までの距離が0.1nmから10nmであるイオン伝導性官能基を有するビニルモノマーからなるイオン伝導性モノマーがアクリルアミドスルホン酸であり、前記炭素数3から12を有する弱酸性官能基を含むビニルモノマーからなる両親媒性モノマーがアクリル酸であり、これら親水性モノマーに親水性ラジカル重合開始剤を添加する工程、及び上記工程で得られた全モノマーと重合開始剤の溶解物を共重合する工程とを含むことを特徴とする請求項3に記載の分枝化された高分子化合物の製造方法。
- 下記式(1)で表される基本骨格が、下記式(2)で表される4価の架橋モノマー単位によって分枝化された高分子化合物と、所望により繊維集合体又は多孔質膜とからなることを特徴とする高耐久性固体高分子電解質膜。
- 下記式(1)で表される基本骨格が、下記式(2)で表される4価の架橋モノマー単位によって分枝化された高分子化合物溶液を、所望により繊維集合体又は多孔質膜と共に、基材上に流延し、該高分子化合物溶液を乾燥させて製膜することを特徴とする高耐久性固体高分子電解質膜の製造方法。
- 請求項5又は6に記載の高耐久性固体高分子電解質膜と、該電解質膜の両面を挟持する反応極と、該反応極を挟持するセパレータからなる燃料電池セルを単層又は複数積層したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
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