JP2008004279A - 燃料電池用組成物、それを用いた燃料電池用高分子電解質膜、触媒層、あるいは燃料電池。 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物と、下記一般式(1)[−CH2OR・・・(1)/式中Rは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なってもよい。]で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物と、を含む燃料電池用組成物とする。
【選択図】 なし
Description
スルホン酸基などのプロトン伝導性基を有する高分子電解質は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料として使用される。これらの中でも、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。プロトン伝導性基を有する高分子電解質を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民間用小型携帯機器などへの適用が検討されている。直接液体形燃料電池、特にメタノールを直接燃料に使用する直接メタノール形燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度化が可能などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民間用小型携帯機器への応用が期待されている。
固体高分子形燃料電池に使用されるプロトン伝導性高分子電解質膜としてはナフィオン(登録商標)(Nafion(登録商標))に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜が広く検討されている。このパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜は、高いプロトン伝導度を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れている。しかしながら、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため非常に高価であるという課題がある。また、電極反応で生成する過酸化水素やそれから生じるヒドロキシラジカルにより劣化すると指摘されている。さらに直接メタノ−ル形燃料電池などの直接液体形燃料電池の電解質膜として用いた場合、燃料に使用するメタノ−ルなどの水素含有液体の透過(クロスオーバーともいう)が大きく、いわゆる化学ショート反応が起こる。そのうえ、未発電時にもクロスオーバーによる燃料の消失が懸念される。また、膜自身の形態変化(膨潤)が大きく、これにより膜自身に機械的応力がかかり、破損の恐れがある。これらのことから、カソ−ド電位、燃料効率、セル特性などの低下が生じるため、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜は、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池の電解質膜として用いるのが困難である。
このような背景から、プロトン伝導性高分子電解質膜として、炭化水素系高分子電解質膜を用いることが検討されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、ここに提案されている炭化水素系高分子電解質膜は、プロトン伝導性が不十分であったり、その向上のためにスルホン酸基導入量を増加させると水やメタノールに対する膨潤性や溶解性の増大を引き起こしたりするため、結果としてメタノールの透過量を十分抑制できるとはいえない場合が有り、実用化には至っていない。
固体高分子形燃料電池の電極は、燃料(メタノールや水素など)や酸化剤(酸素や空気など)の拡散層と、電極反応を促進する触媒層との2層構造から成り立っており、この触媒層の形成材料には、燃料電池用触媒やプロトン伝導性結着剤などが含まれている。
−CH2OR・・・(1)
(式中Rは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なってもよい。)。」である。この構成により、この組成物は、高分子電解質そのものの材料や、燃料電池用触媒層そのものの材料や、高分子電解質膜そのものの材料や、燃料電池用触媒層等に用いられるプロトン伝導性結着剤として、好適に用いることができる。この構成により、この組成物は、含水状態のヘーズが30%を越える、燃料電池用組成物を提供する。この組成物は、加熱されるとメタノールに実質的に溶解しなくなるという性質を有する。
−CH2OR・・・(1)
(式中Rは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なってもよい。)。」である。
(i)ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、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、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも1種のポリマー;
(ii)上記(i)に記載のポリマーを含む共重合体;
(iii)上記(i)および(ii)に記載のポリマーの誘導体。」であることが好ましい。
(式中、Y1〜4は、H、CH3、Cl、F、OCOCH3、CN、COOH、COOCH3、およびOC4H9からなる群から選択されるいずれかであって、Y1〜4は互いに独立で、同一であっても異なっていてもよい。)。
高分子電解質を秤量後、25℃における飽和塩化ナトリウム水溶液20mLに浸漬し、60℃のシェイキングウォーターバス中で3時間しんとうさせながらイオン交換反応を行った。25℃まで冷却した後、高分子電解質をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に指示薬としてフェノールフタレイン―エタノール溶液を加え、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定してイオン交換容量を算出した。
高分子電解質を膜状に成形し、約10mm×40mmの大きさに切り出した。これをイオン交換水に2時間浸漬した後、取り出して膜表面の水をろ紙にてふき取った。2極非密閉系のポリテトラフルオロエチレン製セルに高分子電解質膜を設置し、さらに白金電極を電極間距離30mmとなるように膜表面(同一面側)に設置した。23℃における膜抵抗を、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜5MHz、印加電圧:0.2V、日置電機社製LCRメーター:3531Z HITESTER)により測定し、プロトン伝導度を算出した。
膜状に成形した高分子電解質をメタノールに浸漬し、60℃のオーブン中に静置した。1000時間経過後、電解質の状態を目視にて観察した。
<スルホン酸基含有ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)の合成>
(合成例A−1)
まず、メカニカルスターラーと還流管、および塩化カルシウム管を取り付けた反応容器に硫酸552.0gを入れ、次いで撹拌しながらPEEK450PF(ビクトレックス・エムシー社製ポリエーテルエーテルケトン)22.2gを加え、室温にて3日間撹拌した。反応溶液をイオン交換水中に滴下して反応生成物を沈殿させたあとろ過し、ろ液が中性になるまでイオン交換水にて洗浄した。得られた反応生成物を真空下、105℃にて8時間乾燥することにより、黄色固体26.94gを得た。得られた固体のIECは2.5meq/g、プロトン伝導度は6.0×10-2S/cmであった。
60℃に昇温してからPEEK450PF(ビクトレックス・エムシー社製ポリエーテルエーテルケトン)を加え、60℃にて3時間撹拌した以外は合成例A−1と同様の方法で黄色固体27.25gを得た。得られた固体のIECは3.0meq/g、プロトン伝導度は7.3×10-2S/cmであった。
まず、還流管を取り付けた反応容器に4,4’−オキシジフタル酸無水物62.56g、メタノール600mL、硫酸16mLを入れ、マグネチックスターラーにて撹拌しながら24時間加熱還流した。一旦室温まで冷却した後、メタノールを留去し、残った反応混合物をイオン交換水中に投入した。デカンテーションにより得られた固形分をテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液中に滴下した。水層をTHF/ジエチルエーテル=2/1(v/v)にて抽出し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した後、溶媒を留去した。得られた固体をヘキサン/2−プロパノール=1/1(v/v)にて再結晶することにより、オキシビス(3,4−フタル酸ジメチルエステル)67.72gを得た。生成物は1H−NMR分析(バリアン社製 NMR測定装置:ジェミニ300)により同定した。
「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」の高分子化合物として合成例A−1で得られたS−PEEK(0.300g)と、化合物Xとして2,6−ビス(ヒドロキシメチル)−p−クレゾール(B−1、0.060g)とを、溶媒としてのメタノール(8.640g)を用いて均一溶液を調製した。得られた溶液を内径60mmのシャーレに入れ、真空下、25℃にて2時間、次いで45℃にて2時間、100℃にて2時間乾燥した。その後、下から順にSUS板/キンヨーボード(株式会社金陽社製熱プレス用クッション材)/ポリテトラフルオロエチレンシート/得られた膜/ポリテトラフルオロエチレンシート/SUS板の順に積層し、この積層物を180℃に加熱した加圧板に設置した後、4.9MPa、5分間保持の条件にて熱プレスした。熱プレス後の膜の物性測定結果を表1に示す。
表1に示した「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」(合成例A−1あるいは合成例A−2で得られたS−PEEK)、化合物X、組成、熱処理条件に変更した以外は実施例1と同様の方法にて膜を得た。それぞれの膜の物性測定結果を表1に示す。
アノード側に用いる触媒層形成材料は、次の手順にて作製した。まず、プロトン伝導性結着剤溶液として合成例A−1で得られたS−PEEK(0.172g)と2,6−ビス(ヒドロキシメチル)−p−クレゾール(B−1、0.034g)のメタノール溶液(5wt%、4.123g)を調製した。次いで純水(4.630g)に触媒粉末(SA27−13RC、エヌ・イーケムキャット株式会社製、0.463g)、および前記プロトン伝導性結着剤溶液(5wt%、4.123g)を加えた後に、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌することによって触媒層形成材料を作製した。前記触媒層形成材料をエアブラシで、ポリテトラフルオロエチレンシート(500mm×500mm×0.05mm)に白金担持量1.0mg/cm2になるまで吹き付けた。最後に、それを50℃で乾燥させたのちに、22mm×22mmの大きさに裁断することによって、白金担持量1.0mg/cm2の本発明の触媒層形成材料を用いたアノード触媒層を作製した。
アノード側に用いる触媒層形成材料に含まれるプロトン伝導性結着剤溶液に、B−1を添加しないこと以外は、実施例12と同様にして、触媒層形成材料、前記触媒層形成材料を用いた高分子電解質膜と電極との接合体、および前記高分子電解質膜と電極との接合体を備えた燃料電池を作製した。このようにして作製した燃料電池の発電特性は、セル温度60℃、アノード側に1mol/Lのメタノール水溶液、カソード側に無加湿の空気を供給することによって行った。その結果、アノード側の触媒層形成材料が流出してしまい、発電しなかった。
アノード側に用いる触媒層形成材料に含まれるプロトン伝導性結着剤溶液として、ナフィオン溶液(5wt%、4.123g)を用いたこと以外は、実施例12と同様にして、触媒層形成材料、前記触媒層形成材料を用いた高分子電解質膜と電極との接合体、および前記高分子電解質膜と電極との接合体を備えた燃料電池を作製した。このようにして作製した燃料電池の発電特性は、セル温度60℃、アノード側に1mol/Lのメタノール水溶液、カソード側に無加湿の空気を供給することによって行った。
Claims (15)
- 少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物と、下記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物Xと、を含む燃料電池用組成物であって、該燃料電池用組成物の含水状態のヘーズが30%を越える、燃料電池用組成物:
−CH2OR・・・(1)
(式中Rは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なってもよい。)。 - さらに溶媒を含む、請求項1に記載の燃料電池用組成物。
- さらに燃料電池用触媒を含む、請求項1または2に記載の燃料電池用組成物。
- 前記プロトン伝導性基がスルホン酸基である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物。
- 前記芳香族単位を有する高分子化合物が芳香族ポリエーテル系高分子化合物である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物。
- 前記化合物Xが芳香族化合物である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物。
- 前記化合物Xの前記式中Rの少なくとも1以上が水素またはメチル基である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物。
- 前記溶媒がアルコール系溶媒である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物。
- 前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物の芳香族単位と、前記化合物Xの前記一般式(1)で示される基とが、前記プロトン伝導性基の存在下で化学反応されてなる反応生成物を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物を含む、燃料電池用高分子電解質膜。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物を含む、燃料電池用触媒層形成材料。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池用組成物、および/または請求項12に記載の燃料電池用触媒層形成材料を含む、燃料電池用触媒層。
- 少なくとも高分子電解質膜と、燃料電池用触媒層と、拡散層とを含む高分子電解質膜−電極接合体であって、請求項11に記載の高分子電解質膜および/または請求項13に記載の燃料電池用触媒層を備える、高分子電解質膜−電極接合体。
- 請求項14に記載の高分子電解質膜−電極接合体を備える燃料電池。
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