JP2006202749A - 高分子電解質とその製造方法,および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によれば,(A)エポキシ基含有トリアルコキシシランの加水分解縮重合反応で得られたシリコン高分子及びポリエチレンイミンの混合物,エポキシ基含有トリアルコキシシラン及びポリエチレンイミンの架橋反応生成物のうち選択された一つ以上と,(B)ヘテロポリ酸及びトリフルオロメタンスルホンイミドのうち選択された一つ以上と,を含む高分子電解質とその製造方法,および燃料電池が提供される。この高分子電解質を利用して製造される高分子電解質膜は,高温低湿の環境でも従来のナフィオン電解質膜に比べて顕著に優秀なイオン伝導度を示し,またメタノールクロスオーバー現象を大きく減少させ,それによる副作用を大きく減らすことができる。
【選択図】図2
Description
(1)PEIの製造
線形PEIを下記のように製造した。
上記のように製造されたPEI5.00gをエタノール45.0gに溶かして50.0gの溶液とした。ここに3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランを2.00g入れて常温で30分間攪拌した。ここにメソポーラスタングストシリカ2.46g,トリフルオロメタンスルホンイミド1.23g,H4SiW12O40を1.23g,および酸触媒として硫酸0.37gを入れて2時間攪拌した。
上記のように製造された溶液を一日間常温に放置し,高分子電解質膜形態のフレームに注入した後,80℃を維持しつつ8時間反応させた。
メソポーラスタングストシリカの量を1.23gとし,50℃で12時間反応させたことを除いては,上記実施例1と同じ方法で高分子電解質膜を製造した。
メソポーラスタングストシリカの量を2.46gとし,100℃で8時間反応させたことを除いては,上記実施例1と同じ方法で高分子電解質膜を製造した。
メソポーラスタングストシリカを入れず,100℃で8時間反応させたことを除いては,上記実施例1と同じ方法で高分子電解質膜を製造した。
ナフィオン117を利用して,高分子電解質膜を通常の方法で製造した。
実施例1で製造した高分子電解質膜を利用して,メタノールクロスオーバー及び水クロスオーバーテストを実施した。上記テストは,Fuel Cell Technology社で製造したFuel Cell Test Stationと80/100 Porapak Pカラム及び熱伝導度測定機で実施した。
窒素ガスの流量が250cc/分である点を除いては,実施例5と同じ方法でメタノールクロスオーバー及び水クロスオーバーを測定した。
比較例1で製造した高分子電解質膜を利用して,実施例5と同じ方法でメタノールクロスオーバー及び水クロスオーバーを測定した。但し,製造された電極の有効表面積は,5.29cm2であった。
窒素ガスの流量が250cc/分である点を除いては,比較例2と同じ方法でメタノールクロスオーバー及び水クロスオーバーを測定した。
Claims (18)
- (a)エポキシ基含有トリアルコキシシランと,
(b)ポリエチレンイミンと,
(c)ヘテロポリ酸およびトリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上と,
を混合した高分子電解質形成用組成物の重合反応生成物を含むことを特徴とする,高分子電解質。 - 前記高分子電解質は,
(A)エポキシ基含有トリアルコキシシランの加水分解縮重合反応で得られたシリコン高分子とポリエチレンイミンとの混合物,または,エポキシ基含有トリアルコキシシランとポリエチレンイミンの架橋反応生成物の少なくともいずれか一方と,
(B)ヘテロポリ酸およびトリフルオロメタンスルホンイミドのうち選択された一つ以上と,
を含むことを特徴とする,請求項1に記載の高分子電解質。 - 前記エポキシ基含有トリアルコキシシランの加水分解縮重合反応で得られたシリコン高分子とポリエチレンイミンとの混合物は,前記シリコン高分子および前記ポリエチレンイミンが相互浸透した構造を有することを特徴とする,請求項2に記載の高分子電解質。
- 前記高分子電解質形成用組成物は,
(a)エポキシ基含有トリアルコキシシラン3〜25質量部,
(b)ポリエチレンイミン60〜75質量部,
および
(c)ヘテロポリ酸およびトリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上を3〜25質量部,
を含むことを特徴とする,請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質。 - 陽イオン交換基を有するメソポーラス物質をさらに含むことを特徴とする,請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質。
- 前記ヘテロポリ酸および前記トリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上と前記陽イオン交換基を有するメソポーラス物質との総質量は,前記高分子電解質膜形成用組成物100質量部に対して3〜25質量部であることを特徴とする,請求項5に記載の高分子電解質。
- 前記ヘテロポリ酸および前記トリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上の総質量は,前記高分子電解質膜形成用組成物100質量部に対して3〜25質量部であることを特徴とする,請求項1に記載の高分子電解質。
- 前記エポキシ基含有トリアルコキシシランは,3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランであることを特徴とする,請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質。
- 前記ヘテロポリ酸は,H4SiW12O40,H4SiMo12O40,H5SiVMo11O40,H6SiV2Mo10O40,H7SiV3Mo9O40,H3PMo12O40,H3PW12O40,(VO)1.5PMo12O40,(VO)1.5PW12O40,(TiO)1.5PMo12O40,H(VO)PMo12O40,H(VO)PW12O40,H6PV3Mo9O40,H5PV2Mo10O40,H5PV2W10O40,H6PV3W9O40,H4PV2Mo11O40,H4PVW11O40,RhPMo12O40,BiPMo12O40,HCrPVMo11O40,HBiPVMo11O40,またはこれらの混合物であることを特徴とする,請求項1〜8のいずれかに記載の高分子電解質。
- 前記陽イオン交換基を有するメソポーラス物質は,スルホン化シリカ,カルボキシル化シリカ,スルホン化タングストシリカ,カルボキシル化タングストシリカ,ホスホン化シリカまたはホスホン化タングストシリカであることを特徴とする,請求項5または6に記載の高分子電解質。
- (a)(i)ポリエチレンイミンおよびエポキシ基含有トリアルコキシシランと,(ii)ヘテロポリ酸およびトリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上とを混合して高分子電解質膜形成用組成物を製造する工程と,
(b)前記(a)の高分子電解質膜形成用組成物を加熱して重合する工程と,
を含むことを特徴とする,高分子電解質の製造方法。 - 前記(a)工程では,前記高分子電解質膜形成用組成物に,陽イオン交換基を有するメソポーラス物質をさらに付加することを特徴とする,請求項11に記載の高分子電解質の製造方法。
- 前記(a)工程の高分子電解質膜形成用組成物100質量部に対して,前記(ii)のヘテロポリ酸およびトリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上と陽イオン交換基を有するメソポーラス物質との総質量は,2〜22質量部であることを特徴とする,請求項12に記載の高分子電解質の製造方法。
- 前記(a)工程の高分子電解質膜形成用組成物100質量部に対して,前記(ii)のヘテロポリ酸およびトリフルオロメタンスルホンイミドのうちから選択された一つ以上の質量は,2〜22質量部であることを特徴とする,請求項11に記載の高分子電解質の製造方法。
- 前記(a)工程では,前記高分子電解質膜形成用組成物に,酸触媒をさらに付加することを特徴とする,請求項11〜14のいずれかに記載の高分子電解質の製造方法。
- 前記酸触媒は,硝酸,塩酸,硫酸,リン酸,酢酸,有機スルホン酸,フッ化水素(HF),またはCF3SO3Hであることを特徴とする,請求項15に記載の高分子電解質の製造方法。
- 前記(b)工程は,50〜120℃で4〜24時間加熱する工程であることを特徴とする,請求項11〜16のいずれかに記載の高分子電解質の製造方法。
- カソードと,アノードと,前記カソードと前記アノードとの間に配設される高分子電解質膜と,を含む燃料電池であって,
前記高分子電解質膜は,請求項1〜10のうち何れか1項に記載の高分子電解質を含むことを特徴とする,燃料電池。
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