JP2006073530A - ポリマー電解質膜及びポリマー電解質膜を採用した燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 多孔性の高分子マトリックス,及び多孔性の高分子マトリックスの単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性のポリマーコーティング膜を備えるポリマー電解質膜である。これにより,機械的強度にすぐれ,かつ100℃以上の温度でも熱による劣化がなく,無加湿状態でも優秀なイオン伝導度を表すことができるので,高温用の燃料電池に適する。ポリマー電解質膜を構成する高分子マトリックスが疎水性材質からなる場合には,それを直接メタノール燃料電池に適用する場合,メタノールのクロスオーバーを効果的に防止できる。
【選択図】図2
Description
また,多孔性の高分子マトリックスの膜厚が10〜150μmの範囲であるのは,10μm未満であれば膜の機械的特性が弱く,膜の取扱が難しくなり,MEAで製造した時の電極間でショートが起こる場合があり,一方150μmを超えるとMEAで製造した時の膜と電極との界面抵抗が大きくなりすぎるためである。
スルフォニルアクリレート(CH2=CH−C(=O)O−SO3H)及びPEGDAが下記の表1に表示された組成で混合された組成物を準備した後,それをそれぞれPVDFマトリックス,PTFEマトリックス,またはセルガードマトリックス(ポリエチレンマトリックス)上にフラッシュ蒸発させた後,ここにUVを10分間照射して重合反応を実施して,PVDFマトリックスの単一ファイバ上に,プロトン伝導性のポリマーであるビニルスルホン酸とPEGDAの重合体とがコーティングされたポリマー電解質膜を完成した。
上記実施例1によって得られたポリマー電解質膜において,スルフォニルアクリレートの含量によるイオン伝導度の変化を調べ,その結果を図4に示した。ここで,イオン伝導度の測定方法について見れば,室温で水に1時間含浸させた後で調べた。
Claims (31)
- 多孔性の高分子マトリックスと;
前記多孔性の高分子マトリックスの単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性のポリマーコーティング膜と;
を備えることを特徴とする,ポリマー電解質膜。 - 前記イオン伝導性ポリマーは,イオン伝導重合性化合物と架橋剤との重合結果物であることを特徴とする,請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記イオン伝導重合性化合物は,末端にスルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基,イミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基,またはヒドロキシ基のうち少なくとも1つ選択された作用基と不飽和結合を有しており,重量平均分子量が10,000g/mole以下であるモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする,請求項2に記載のポリマー電解質膜。
- 前記イオン伝導重合性化合物は,ビニルスルホン酸,スチレンスルホン酸,スルフォニルアクリレート,または末端にスルホン酸基を有するビニル系のモノマーのうち少なくとも1つ選択されることを特徴とする,請求項2に記載のポリマー電解質膜。
- 前記架橋剤は,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート,ポリ(エチレングリコール)メタクリレート,ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート,アリルアクリレート,またはジビニルベンゼンのうち少なくとも一つ選択されることを特徴とする,請求項2に記載のポリマー電解質膜。
- 前記イオン伝導性のポリマーコーティング膜は,イオン伝導重合性化合物と架橋剤とを備える組成物を微細粒子コーティングした後,それを重合して得られたことを特徴とする,請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記組成物に可塑剤がさらに付加されることを特徴とする,請求項6に記載のポリマー電解質膜。
- 前記可塑剤は,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート及びポリアリルエーテルからなる群から少なくとも一つ選択されることを特徴とする,請求項7に記載のポリマー電解質膜。
- 前記多孔性の高分子マトリックスは,ポリテトラフルオーロエチレン,ポリビニリデンフルオリド,ポリプロピレン,およびポリエチレンからなる群より少なくとも一つ選択された不織布であることを特徴とする,請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記多孔性の高分子マトリックスの厚さは,10〜150μmであり,気孔度が30〜90%であることを特徴とする,請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性ポリマーを備えるコーティング膜の厚さは,1〜3μmであることを特徴とする,請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 多孔性の高分子マトリックス上に,イオン伝導重合性化合物及び架橋剤を含む組成物を利用して微細粒子コーティングである真空蒸着コーティングを実施する工程と;
前記結果物の重合反応を実施して,多孔性の高分子マトリックスの単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性のポリマーコーティング膜を備えるポリマー電解質を得る工程と;
を含むことを特徴とする,ポリマー電解質膜の製造方法。 - 前記微細粒子コーティングは,フラッシュ蒸発方式により行われることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記組成物に,イオン伝導重合性化合物の100重量部を基準として20〜200重量部の可塑剤をさらに含まれることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記可塑剤は,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート,およびポリアリルエーテルよりなる群から少なくとも一つ選択されることを特徴とする,請求項14に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記重合反応は,光を照射する,電子ビームを加える,または熱を加えてなされることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記イオン伝導重合性化合物は,末端にスルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基,イミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基,またはヒドロキシ基のうち少なくとも1つ選択された作用基と不飽和結合を有しており,重量平均分子量が10,000g/mole以下であるモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記イオン伝導重合性化合物は,ビニルスルホン酸,スチレンスルホン酸,スルフォニルアクリレート,または末端にスルホン酸を含むビニル系のモノマーのうち少なくとも1つ選択されることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記架橋剤は,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート,ポリ(エチレングリコール)メタクリレート,ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート,アリルアクリレート,またはジビニルベンゼンのうち少なくとも1つ選択されることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- 前記架橋剤は,酸性基含有の重合性化合物の100重量部を基準として25〜300重量部であることを特徴とする,請求項12に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
- カソードと;
アノードと;
前記カソードとアノードとの間に介在される多孔性の高分子マトリックスと;
前記多孔性の高分子マトリックスの単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性のポリマーコーティング膜と;
を備えるポリマー電解質膜を備えることを特徴とする,燃料電池。 - 前記イオン伝導性ポリマーは,イオン伝導重合性化合物と架橋剤との重合結果物であることを特徴とする,請求項21に記載の燃料電池。
- 前記イオン伝導重合性化合物は,末端にスルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基,イミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基,またはヒドロキシ基のうち少なくとも1つ選択された作用基と不飽和結合を有しており,重量平均分子量が10,000g/mole以下であるモノマーまたはオリゴマーであることを特徴とする,請求項21に記載の燃料電池。
- 前記イオン伝導重合性化合物は,ビニルスルホン酸,スチレンスルホン酸,スルフォニルアクリレート,または末端にスルホン酸基を有するビニル系のモノマーのうち少なくとも1つ選択されることを特徴とする,請求項21に記載の燃料電池。
- 前記架橋剤は,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート,ポリ(エチレングリコール)メタクリレート,ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート,アリルアクリレート,またはジビニルベンゼンのうち少なくとも1つ選択されることを特徴とする,請求項22に記載の燃料電池。
- 前記イオン伝導性のポリマーコーティング膜は,前記イオン伝導重合性化合物と前記架橋剤とを備える組成物を微細粒子コーティングした後,それを重合して得られたことを特徴とする,請求項21に記載の燃料電池。
- 前記組成物に可塑剤がさらに付加されることを特徴とする,請求項26に記載の燃料電池。
- 前記可塑剤は,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート及びポリアリルエーテルからなる群から選択された一つ以上であることを特徴とする,請求項27に記載の燃料電池。
- 前記多孔性の高分子マトリックスは,ポリテトラフルオーロエチレン,ポリビニリデンフルオリド,ポリプロピレン,およびポリエチレンからなる群のうち少なくとも一つ選択された不織布であることを特徴とする,請求項21に記載の燃料電池。
- 前記多孔性の高分子マトリックスの厚さが10〜150μmであり,気孔度が30〜90%であることを特徴とする請求項21に記載の燃料電池。
- 前記単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性ポリマーを備えるコーティング膜の厚さは,1〜3μmであることを特徴とする,請求項21に記載の燃料電池。
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