JP2010520593A - 官能化されたナノ粒子を備えたポリマー電解質膜 - Google Patents
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Abstract
Description
ビニルカルバゾール、N−ビニル−1−ピロリジノン、N−アリル−尿素、N−アリルチオ尿素、2−t−ブチルアミノエチルメタクリレート、2−t−ブチルアミノエチルメタクリルアミド、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド、2−ジメチルアミノエチルメタクリレート等の第二アミノアクリル(メタクリル)酸エステル、1−ビニルイミダゾール等のビニルイミダゾール、2−ビニルピリジンおよび4−ビニルピリジン等のビニルピリジン、アクリルアミド、2−アクリルアミドグリコール酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸、アクリル酸−[2−(((ブチルアミノ)−カルボニル)−オキシル)エチルエステル]、アクリル酸−(2−ジエチルアミノエチルエステル)、アクリル酸−(2−ジメチルアミノ)−エチルエステル)、アクリル酸−(3−(ジメチルアミノ)−プロピルエステル)、アクリル酸イソプロピルアミド、アクリル酸フェニルアミド、アクリル酸−(3−スルホプロピルエステル)カリウム塩、メタクリル酸アミド、メタクリル酸−2−アミノエチルエステル塩酸塩、メタクリル酸−(2−(t−ブチルアミノ)−エチルエステル、メタクリル酸−2−ジメチルアミノ)−メチルエステル、メタクリル酸−(3−ジメチルアミノプロピルアミド)、メタクリル酸イソプロピルアミド、メタクリル酸−(3−スルホプロピルエステル)カリウム塩、3−ビニルアニリン、N−ビニルカプロラクタム、N−ビニルホルムアミド、1−ビニル−2−ピロリドン、5−ビニルウラシル。
BR: ポリブタジエン,
ABR: ブタジエン/アクリル酸−C1−4アルキルエステルコポリマー,
IR: ポリイソプレン
SBR: 1ないし60、特に5ないし50重量%スチロール含有率を有するランダムスチロール−ブタジエンコポリマー
FKM: フッ素ゴム
ACM: アクリレートゴム
NBR: 5ないし60、特に10ないし60重量%のアクリルニトリル含有率を有するポリブタジエン−アクリルニトリルコポリマー
CR: ポリクロロペン
EAM: エチレン/アクリレートポリマー
EVM: エチレン/ビニルアセテートコポリマー、
が機能する。
QI=(ポリマー粒子の湿潤重量)/(ポリマー粒子の乾燥重量)
(a)少なくとも溶媒とマトリクスを形成する原重合体と前述したイオノゲン基を含有する粒子を含んだ膜成形溶液を製造し、
(b)前記膜成形溶液を膜成形型内に注入し、
(c)前記溶媒を除去する、
ステップからなる。
ミクロゲルあるいは実質的に球形状のイオノゲン基を含有するポリマー粒子の製造例
以下に、本発明に係る燃料電池用のポリマー電解質膜を製造するためにイオノゲン基を含有する粒子として使用することができるミクロゲルの製造方法が記述される。
KMFラボア・ヘミー・ハンデルスGmbH社製のスチロール(98%のもの)
ランエクセス・ドイチランドGmbH社製のブタジエン(99%のもので、不安定化されたもの)
アルドリッチ社製のトリメチロールプロパントリメタクリレート(90%のもの);製品番号:24684−0号(省略形:TMPTMA)
アクロス社製のヒドロキシエチルメタクリレート(96%のもの);製品番号:156330010(省略形:HEMA)
フルカ社製のNa−ビニルスルホネート;30%水溶液;製品番号:95061(省略形:NaVS)
フルカ社製のNa−スチロールスルホネート(90%のもの);製品番号:94904(省略形:NaSS)
フルカ社製のビニルホスホン酸(95%のもの);製品番号:95014(省略形:H2VP)
アルドリッチ社製の2−(メタクリロイルオキシ)エチルホスフェート;製品番号:463337(省略形:H2MOOEP)
0.169gのエチレンジアミン四酢酸(フルカ社製、品番03620)と、
0.135gの鉄(II)−スルフェート・7H2O(リーデル・ド・ハエン社製、品番12354)(結晶水を含めずに計算)と、
0.347gのロンガリットC、Na−ホルムアルデヒドスルホキシレート(メルク・シューカート社製、品番8.06455)(結晶水を含めずに計算)と、
0.524gのトリナトリウムホスフェート・12H2O(アクロス社製、品番206520010)(結晶水を含めずに計算)を、
配量して形成された。
d10、d50およびd80:粒子直径は停止され水蒸気によって溶出されたラテックスに対して超遠心分離を使用して判定した(W.ショルタン氏およびH.ランゲ氏による“超遠心分離によるラテックスの粒子大分布判定”、コロイド誌およびポリマー専門誌(1972年)第250号第8巻)。ラテックスは直径表記d10、d50、およびd80で示される粒子大分布特性を有する。これらの直径表記は、それぞれ粒子の10重量%(d10)、50重量%(d50)、および80重量%(d80)が表記された数値よりも小さな直径を有することを意味する。ラテックス中ならびにラテックスから分離された固形生成物中のミクロゲルの粒子大は、本発明に係る組成物内で使用されるように実質的に同一となる。
ΔTg: Tg段階の幅
燃料電池用のポリマー膜を製造するためのミクロゲル分散体:
複数の異なった酸基を含有するミクロゲルを、16重量%のポリベンゾイミダゾール(PBI、サルトリウスAG社の製品)と84重量%のジメチルアセトアミド(DMAc、99%、アルドリッチ社製)(表(4)、PBI溶液(16%))からなる溶液内に分散させる。
スチロール: KMFラボア・ハンデルスGmbH社製(98%)、
TMPTMA: アルドリッチ社製のトリメチロールプロパントリメタクリレート(90%のもの);品番:24684−0、
NaSS: フルカ社製のナトリウム−スチロールスルホネート(90%);品番:94904、
NaVS: ナトリウム−ビニルスルホネート、フルカ社製の30%水性溶液;品番:95061、
Na2VP: フルカ社製のビニルホスホン酸H2VP(95%)のナトリウム塩;品番:95014。Na2VPは2倍当量のNaOHによるその場での中和によってH2VPから得られる。
ミクロゲル1297−1による膜成形溶液の製造
表(4)のミクロゲル1297−1、PBIおよびジメチルアセトアミドからなる50gの分散体を、DMAc中の19.1重量%のPBI溶液310g内に攪拌しながら付加する。55gのジメチルアセトアミド(DMAc)の添加によって、溶液中のPBI固形成分含有率を15重量%に低下させる。その溶液を室温中で0.5ないし1時間PTFE半月型攪拌棒を使用して混錬する。その後室温中かつ30ミリバールにおいて1時間ガス抜きする。表(7)には膜製造に使用される代替的な成形溶液の組成も含まれている。
本発明に係るイオノゲン基を含有するポリマー粒子を有するポリマー膜の製造
例3と表(7)に従って製造された成形溶液を引き延ばし装置によって300ないし340μmの層厚でポリエステルフィルム状に塗布し65℃で乾燥させる。膜を担持フィルムから剥離してその後250℃で4時間追加乾燥させる。イオノゲン基を含有するポリマー粒子のための先駆物質としてのミクロゲルを含まないポリマー膜を、比較例として同様な方法で製造した。
引張強度測定
ポリマー膜の機械的安定性を判定するために引張強度測定を実施する。10cmの長さと2cmの幅を有する被検膜をツビックGmbH & Co社製の測定装置Z2.5内に引っ張り固定し、室温中かつ5mm/分の速度で引張検査を実施する。例4に従って製造されたドーピングされていないポリマー膜(10%OBR1294−1*)は約4700N/mm2およびそれより高い弾性係数を有し、イオノゲン基を含有するポリマー粒子を有していない純粋なポリマー膜と異なって125N/mm2の引張応力かつ4ないし5%の伸長率で破断する。結果は表(9)に示されている。
リン酸によるドーピング
ドーピング剤の吸収能力を判定するために11.8cm×13.5cmの大きさの試料膜を85重量%のリン酸中において130℃で30分間浸漬させ、付着したリン酸を拭い取った後質量増加を次の数式に従った重量分析によって判定する(表(10)参照)。
陽子伝導能力の測定
陽子伝導能力を判定するためにドーピングされたポリマー膜ならびにドーピングされていないポリマー膜を4.5cm×2cmに裁断し、少なくとも3点上の計測によって平均厚を判定して測定セル内に設置する。その測定セルは4個の電極からなり、抵抗の測定は室温中かつ周囲の湿度に通じた状態とし、インピーダンス分光法によって実施する。イオノゲン基を含有するポリマー粒子を含んでいない純粋なPBI膜と異なって、本発明に係るポリマー膜はドーピング後に室温中で2.5S/m以上の伝導性を有する。イオノゲン基を含有するポリマー粒子の含有量が異なっている複数のポリマー膜がドーピングされていない状態において極僅かな陽子伝導能力のみを有する。
動的機械特性の測定
ドーピングされていない膜に対する動的機械特性分析(DMA)は、ネチュゲレーテバウ社製のDMA242Cを使用して実施する。測定は引張モードにおいて以下の測定パラメータを使用して実施する:温度領域−50ないし480℃、加熱速度3K/分、周波数1Hz、比例定数1.1、最大動応力:7.1N、追加的な静的予応力:0N、振幅:40μm。ガラス転移温度を判定するためにtan−δ曲線を使用する。表(11)と図1に測定結果が示されている。
燃料電池の製造
例4によって製造された膜を104cm2の大きさの正方形に裁断し、E−TEK社製より市販の2.0mg/cm2Pt担持量かつ50cm2の面積を有するELAT電極と組み合わせ、それにいずれも0.68gのリン酸を含浸させる。この膜電極サンドイッチ構造を平坦かつ平行な板の間で160℃かつ50バールで4時間膜電極ユニットとして圧接する。そのようにして得られた膜電極ユニットを一般的な構成でヒューエル・セル・テクノロジInc.社製の試験用燃料電池内に組み込み、15バールの圧接力で封着する。
燃料電池の出力特性の判定
例9の電池をヒドロゲニクス社から市販の燃料電池検査スタンドFCATSアドバンスドスクリーナに接続し、160℃かつ3バール(絶対)の稼働状態に移行させる。表(12)に乾燥ガスによって達成された出力パラメータが記載されている。
燃料電池の長期安定性
OBR1290−4に基づいたポリマー粒子(PBIマトリクスに対して10%)を有するポリマー電解質膜を備えた例9の電池をヒドロゲニクス社から市販の燃料電池検査スタンドFCATSアドバンスドスクリーナに接続し、160℃かつ3バール(絶対)の稼働状態に移行させる。図2には稼働点0.5A/cm2における時間に対しての電圧変移が示されており、乾燥ガスで達成される出力パラメータが記載されている。水素に対して261sml/分のガス流と空気に対して829sml/分のガス流を有する乾燥ガスが使用される。1100時間の稼働時間によってミクロゲルOBR1290−4に基づいた膜電極ユニットは48μV/hの電圧降下を示す。ポリマー電解質膜がイオノゲン基を含有するポリマー粒子を含んでいない純粋なPBIに基づいた膜電極ユニットは無電流の稼働開始時から0.8Vの開放電圧を示し、従って長期稼働には適していない。
Claims (22)
- 少なくとも1つの基礎ポリマーと1つあるいは複数のドーパントとからなるポリマーマトリクスを含み、その際イオノゲン基を含有しナノ領域の平均粒子大を有する粒子をポリマーマトリクス中に埋入させそのイオノゲン基を含有する粒子をポリマーマトリクスの質量に対して50%未満の濃度で均等にポリマーマトリクス内に分散させた燃料電池用のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子をポリマーマトリクスの質量に対して40%未満の濃度で均等にポリマーマトリクス内に分散させた請求項1記載の燃料電池用のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子は主に1つあるいは複数の有機ポリマー(群)および/またはオリゴマー(群)から形成される請求項1または2記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子は主にゴム質のポリマーあるいはオリゴマー、または非ゴム質のポリマーあるいはオリゴマー、特に熱可塑性のポリマーあるいはオリゴマーから形成される請求項1ないし3のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子が表面上あるいは粒子全体中にイオノゲン基、特に共有結合された酸基を有する請求項1ないし4のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- 酸基がカルボン酸基、スルホン酸基、および/またはリン酸基である請求項5記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子が少なくともポリスチロールおよびビニルホスホン酸から製造された有機ポリマーおよび/またはオリゴマーである請求項1ないし6のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子が5nmないし500nmの範囲の平均粒子直径を有する請求項1ないし7のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子が実質的に球形あるいは実質的に星型の形状を有する請求項1ないし8のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子が固形物粒子である請求項1ないし9のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- イオノゲン基を含有する粒子が乳化重合によって製造される請求項1ないし10のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- 基礎ポリマー(群)がポリベンゾイミダゾール、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリチノキサリン、ポリチアジアゾール、ポリ(テトラザピレン)、またはそれらのうちの2つあるいはそれ以上の組み合わせからなる一群の中から選択される請求項1ないし11のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- ドーピング剤がリン酸、リン酸派生物、ホスホン酸、ホスホン酸派生物、硫酸、硫酸派生物、スルホン酸、スルホン酸派生物、またはそれらのうちの2つあるいはそれ以上の組み合わせからなる一群の中から選択される請求項1ないし12のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- ドーピング剤が少なくとも2個の塩基を有する1つの無機酸と有機化合物との反応生成物であり、その反応生成物が非転化の酸基を有する請求項1ないし12のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- 実質的に無水である請求項1ないし14のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- 25℃の温度において少なくとも2.5S/mの伝導性を有する請求項1ないし15のいずれかに記載のポリマー電解質膜。
- 請求項1ないし16のいずれかに記載の燃料電池用のポリマー電解質膜の製造方法であり:
(a)溶媒とマトリクスを形成する少なくとも1つの基礎ポリマーとイオノゲン基を含有する粒子を少なくとも含んだ膜成形溶液を製造し、
(b)前記膜成形溶液を膜成形型内に注入し、
(c)前記溶媒を除去する、
ステップからなる方法。 - ステップ(c)の後にステップ(d)として少なくとも1つのドーピング剤を膜に積荷させる請求項17記載の方法。
- ステップ(d)において膜に積荷されるドーピング剤がリン酸、リン酸派生物、ホスホン酸、ホスホン酸派生物、硫酸、硫酸派生物、スルホン酸、スルホン酸派生物、またはそれらのうちの2つあるいはそれ以上の組み合わせからなる一群の中から選択される請求項18記載の方法。
- 溶媒がN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、およびそれらの任意の混合物からなる一群の中から選択される請求項19記載の方法。
- 溶媒の除去が注入された膜成形溶液の加熱および/または減圧の付加によって実施される請求項19または20記載の方法。
- 請求項1ないし16のいずれかによって定義されたポリマー電解質膜または請求項17ないし21のいずれかに記載の方法によって製造されたポリマー電解質膜の燃料電池中における適用。
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