JP2006294323A - プロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性電解質膜の製造方法及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 無機粒子を含有した有機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーが少なくとも(a)分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物、及び(b)下記一般式(1)で表される化合物を共重合または反応してなるポリマーであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
【化1】
【選択図】 なし
Description
無機粒子を含有した有機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーが少なくとも(a)分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物、及び(b)下記一般式(1)で表される化合物を共重合または反応してなるポリマーであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
(請求項2)
前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記高分子化合物がポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、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スルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリイミド、ポリベンズイミダゾールから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項4に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記一般式(1)で表される化合物のR2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、アミノアルキル基またはビニル基のうちの少なくとも1種を含有する有機基であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記無機粒子がシリカ粒子であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記無機粒子の一次平均粒径が10〜100nmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
前記有機多孔質膜の平均細孔径が10〜500nmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、該電解質として請求項1〜10のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
無機粒子を含有した有機多孔質膜の細孔中に少なくとも(a)分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物、及び(b)前記一般式(1)で表される化合物を充填し、In−situ重合またはIn−situ反応することによって得ることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物であることを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
前記無機粒子を含有した有機多孔質膜の吸水率は200%以上が好ましい。吸水率とはシートまたはフィルムの乾燥質量当りの吸水量を意味し、シートまたはフィルムをイオン交換水に4時間以上浸漬した後、表面の水分をティッシュペーパー等で拭きとりその質量を吸水時の質量とし、次に60℃、5時間減圧乾燥させ、その質量を乾燥質量として、吸水率(%)=[(吸水時の質量−乾燥質量)/乾燥質量]×100の式より求めたものである。
本発明のプロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は特に制限はないが、通常は500μm以下であり、好ましくは300μm以下、より好ましくは50〜200μmである。膜厚は1/10000シックネスゲージで測定できる。平均膜厚は任意の箇所を5点を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。
カソード極3では、空気B中の酸素と電解膜1を通ってきた水素イオン(H+)と外部回路4からきた電子(e-)とが反応して水を生成する。一方、水を含む酸素が減少した空気B′は系外に排出される。カソード極3での反応は下記式で表される。
燃料電池の全体の反応としては次式のようになる。
アノード極2の構造は従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。また、カソード極3の構造も従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。
〈多孔質膜の作製〉
〈多孔質膜No.1の作製〉
無機粒子としてシリカ(日産化学社製スノーテックス50から取り出した一次平均粒径20nm)をポリエチレン(重量平均分子量30万)と混合した樹脂組成物を、延伸法により多孔化して無機粒子を含有した有機多孔質膜No.1を作製した。
多孔質膜No.1において、シリカを表1のように代えた以外は、多孔質膜No.1と同様にして多孔質膜No.2〜6を作製した。
平均細孔径の測定は、島津製作所社製ポアサイザー9320を用い、水銀圧入法により測定した。
〔プロトン伝導性電解質膜No.1の製造〕
上記で作製した多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜No.1を製造した。
プロトン伝導性電解質膜No.1において、多孔質膜、分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物、一般式(1)で表される化合物、反応性乳化剤、及び共重合しうる他の不飽和化合物を表2のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜No.1と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.2〜6を作製した。
上記で作製した多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜No.7を製造した。
プロトン伝導性電解質膜No.7において、多孔質膜、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、一般式(1)で表される化合物、反応性乳化剤、及び共重合しうる他の不飽和化合物を表3のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜No.7と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.8〜20を作製した。
上記で作製した多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜No.21を製造した。
プロトン伝導性電解質膜No.21において、クロロメチル化及びスルホン化された高分子化合物、一般式(1)で表される化合物、反応性乳化剤及び共重合しうる他の不飽和化合物を表4のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜No.21と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.22〜34を作製した。
上記で作製した多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜No.35を製造した。
プロトン伝導性電解質膜No.35において、多孔質膜、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、一般式(1)で表される化合物、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、反応性乳化剤、及び共重合しうる他の不飽和化合物を表5のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜No.35と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.36〜48を作製した。
比較としてナフィオン117(デュポン社製)も用意した。
プロトン伝導性電解質膜を水中(25℃)で膨潤させ、その後2枚の白金電極に挟んで、ヒューレットパッカード社製LCRメーターHP4284Aを用いて、インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を算出した。
図2のH型セルにプロトン伝導性電解質膜を挟み、Aセルに入れた2mol/Lメタノール水溶液からBセルの純水中に透過してくるメタノール量を、島津製作所社製ガスクロマトグラフィー(GC−14B)で測定した。結果を表6、7、8、9に示す。
作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜48)及び比較試料としてナフィオン117を用いた膜−電極接合体(MEA)を下記の方法で作製し、評価した。
炭素繊維クロス基材にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で撥水処理を行った後、PTFEを20質量%含むカーボンブラック分散液を塗工、焼成して電極基材を作製した。この電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、またPt担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。
作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜48)及びナフィオン117を、それぞれアノード電極とカソード電極で夾持し、加熱プレスすることで膜−電極接合体(MEA)(MEA−No.1〜48)及びMEA−ナフィオン117を作製した。この膜−電極接合体(MEA)をセパレータに挟み、アノード側に3%メタノール水溶液、カソード側に空気を流して燃料電池を作動し、電流電圧特性の評価を行った。電圧0.4Vでの電流密度を表10、11、12、13に示す。
2 アノード極(燃料極)
3 カソード極(空気極)
4 外部回路
Claims (15)
- 前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記高分子化合物がポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、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スルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリイミド、ポリベンズイミダゾールから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項4に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記一般式(1)で表される化合物のR2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、アミノアルキル基またはビニル基のうちの少なくとも1種を含有する有機基であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記無機粒子がシリカ粒子であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記無機粒子の一次平均粒径が10〜100nmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記有機多孔質膜の平均細孔径が10〜500nmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、該電解質として請求項1〜10のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
- 無機粒子を含有した有機多孔質膜の細孔中に少なくとも(a)分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物、及び(b)前記一般式(1)で表される化合物を充填し、In−situ重合またはIn−situ反応することによって得ることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
- 前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
- 前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であることを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
- 前記分子内に1個以上のプロトン解離性基を有する化合物が、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物であることを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
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