JP2014005471A - 低当量重量アイオノマー - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、薄膜に加工することが可能な低当量重量のフッ素化アイオノマーを提供することである。
【解決手段】本発明は(1)低い当量重量(950未満、好ましくは625〜850、そして最も好ましくは675〜800)および(2)高い伝導度(0.13S/cmよりも大きい)を有するようなアイオノマーおよび該アイオノマーを作製するための方法である。別の態様では、本発明は(1)低い当量重量(950未満、好ましくは625〜850、そして最も好ましくは675〜800)および(2)許容できる低さの水和(約120重量%未満)を有するアイオノマーである。これらのアイオノマーは、薄膜に加工することが可能であり、そして低湿度または高温の燃料電池用途に非常に良く適する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は(1)低い当量重量(950未満、好ましくは625〜850、そして最も好ましくは675〜800)および(2)高い伝導度(0.13S/cmよりも大きい)を有するようなアイオノマーおよび該アイオノマーを作製するための方法である。別の態様では、本発明は(1)低い当量重量(950未満、好ましくは625〜850、そして最も好ましくは675〜800)および(2)許容できる低さの水和(約120重量%未満)を有するアイオノマーである。これらのアイオノマーは、薄膜に加工することが可能であり、そして低湿度または高温の燃料電池用途に非常に良く適する。
【選択図】図1
Description
本発明はフッ素化アイオノマーに関し、特に、薄膜に加工することが可能な比較的低い水和を有する、低当量重量のフッ素化アイオノマーに関する。好ましくは、フッ素化アイオノマーは、低湿度環境におけるかなり高いイオン伝導度が望ましい用途に適するパーフルオロ化化合物である。そのような用途の1つが固体高分子電解質燃料電池である。
固体高分子イオン性膜またはフィルムは多年に亙り当業界でよく知られている。これらのポリマーは、一般に、高イオン伝導度、すなわち、イオン種例えばプロトンの急速な輸送によって特徴付けられる。さらに、膜または薄いフィルムの形に作られることが、そのようなイオン伝導性ポリマーには望ましい。そうすることで、フィルム厚さの関数である、イオン輸送への抵抗を低下させることができる。フルオロポリマー組成物はそのような用途に特に望ましく、例えば、米国特許第3,282,875号、同第4,358,545号および同第4,940,525号明細書に開示されている。
本発明はアイオノマーに関し、そしてそのアイオノマーは、本明細書で用いられる際、膜の形での酸型のポリマーが1×10-6S/cmよりも大きい室温イオン伝導度を有するように、酸基または酸基に容易に変えられる酸誘導体を含むパーフルオロ化ポリマーを意味する。本明細書に使用される際、酸型のアイオノマーは、実質的にすべてのイオン交換基、例えばSO3 -またはスルホン酸基がプロトン付加されることを意味する。アイオノマーを特徴付けるために使用される1つの重要なパラメータが当量重量である。本出願では、当量重量(EW)を、1当量のNaOHを中和するために要求される酸型ポリマーの重量であると定義する。より高いEWは、存在している活性イオン種(例えばプロトン)がより少ないことを意味する。1当量の水酸イオンを中和するためにより多量のポリマーを要する場合、ポリマー中の活性イオン種はより少ないに違いない。イオン伝導度は一般にポリマー中の活性イオン種の数に比例するので、したがって、伝導率を増加させるためにEWを低下させることが望まれる。
以前は、当量重量を下げることは、有用な膜を作ることへの実際的な方法ではなかった。これは、現在知られているフルオロポリマーでは、当量重量が下がるにしたがって、ポリマーが吸収する水(または溶剤)の量が増えるからである。ポリマーによって吸収された水の量は水和度または水和と呼ばれる。それは、与えられた条件設定下、例えば室温の水に2時間の浸漬の後で、ポリマーによって吸収された水の重量パーセントとして表わされる。より高い水和度は、膜のイオン伝導度を増加させる傾向があるので、ある程度望ましい。同様に、水和度を低下させることは、伝導度を減少させることを伝統的に意味した。しかし、そのようなフルオロポリマー膜が含むことのできる水または溶剤の量には限界がある。あまりに多量の水が存在する場合、フィルムは物理的な完全性の多くを失う可能性があり、剛性がほとんどまたは全くなくなりゲルのようになる。極端には、ポリマーは完全に崩壊する場合がある。さらに、厳しいポリマー組成によっては、低EWフルオロポリマーアイオノマーは部分的または完全に水に溶解さえする場合がある。その上、たとえフィルムが安定していたとしても、高過ぎる水和は伝導のために存在するイオンの数を希釈する傾向があり、その結果、伝導度を低下させる。したがって、最も高い適切な伝導度を提供するに十分高く、一方、水和された時にフィルムが物理的に不安定になるほど高くはない最適の水和度がある。
したがって、それらの伝導度を増加させるためにこれらのフルオロポリマーの当量重量を減少させることが望まれるが、前述したように、水和度および/または水溶解性が実用的な膜を形成するには高過ぎるので、実際にはそうできなかった。
各種の方法がこの制限を回避するために使用された。米国特許第5,654,109号、同第5,246,792号、同第5,981,097号、同第6,156,451号および同第5,082,472号明細書に、層状複合膜の各種形態が提案される。’109では、外側の1層または複数の層が改良された電気性能のためにより低い当量重量であり、一方、コアの層は強度を提供する、より高いEWを有する、二層または三層の複合イオン交換膜の使用が提案される。同様の方法が’792で提案されるが、フィルムはEWの代わりにそれらのガラス転位温度によって特徴付けられる層である。変化するイオン交換比(EWに比例しているパラメータ)を有する3またはそれ以上の層が’097で提案される。’472では、パーフルオロ化アイオノマーを多孔質の延伸膨張PTFE膜とラミネートし、引き続いてそのラミネートへ低当量重量のアイオノマー(例えば920〜950EW)を含浸することによる膜の形成方法が教示される。含浸は低固体含量(例えば、2%)の溶液で実行されるので、最終製品中の低当量重量材料の量は比較的少ない。これらの方法の各々は、一体構造の単一層のフルオロポリマー膜を超えて何らかの改良を提供することができるとはいえ、それらは皆、処理加工するに困難および/または高価である場合がある、かなり複雑で、複合した多層構造の使用を含む。
また、フルオロポリマー自体を改変することへの方法は例えば、エゼル(Ezzell)への米国特許第4,358,545号明細書に教示された。これらのポリマーの特性はムーア(Moore)およびマーチン(Martin)の「ダウパーフルオロスルホン酸アイオノマーのモルホロジーと化学的性質(Morphology and Chemical Properties of the Dow Perfluorosulfonate Ionomers)」(マクロモレキュール、22巻、pp.3594−3599、1989年)およびムーア(Moore)およびマーチン(Martin)の「溶液キャスト法パーフルオロスルホン酸アイオノマーの化学的およびモルホロジー的特性(Chemical and Morphology Properties of Solution-Cast Perfluorosulfonate Ionomers」(マクロモレキュール、21巻、pp.1334−1339、1988年)に記載されている。これらの文献に説明された方法はより短い側鎖をポリマー主鎖に有するアイオノマーを作ることである。この方法は、塗布工程(例えば米国特許第4,661,411号および同第5,718,947号明細書に記載されるような)における使用には特に望ましいが、フルオロポリマーアイオノマー膜としての使用にはまだ制限を受ける。特に、これらのポリマーは溶液から許容できる薄さで強い膜に成形するにはまだ難しい場合がある。
様々な著者によって説明される別の方法は周知の乳化重合(例えば米国特許第3,282,875号明細書に開示された方法)の変形を使用することでテトラフルオロエチレンとアイオノマーのコポリマーを形成することである。中山等の米国特許第5,608,022号明細書およびベカリアン(Bekarian)等の国際公開第WO00/52060号パンフレットには、伝統的なフッ素含有モノマー、例えばテトラフルオロエチレンと重合する前にフッ素化コモノマーの細かい小滴を分散することによって、官能基を有するフッ素化コポリマーを形成する方法が教示される。これらの方法では、コモノマーの細かい小滴の生成がポリマーの成功する作製の秘訣である。バーンズ(Barnes)等への国際公開第WO94/03503号パンフレットでは、アイオノマーエマルジョンへのテトラフルオロエチレンモノマーの添加割合が、重合中エマルジョンの濃度を変更するか、反応中テトラフルオロエチレンガスの圧力を変えるか、または反応混合物の撹拌を変えることによって、制御される。バーンズは、これらの方法が、核磁気共鳴によって測定されるEWに対する滴定によって測定されるEWの比として定義される当量重量分布の特性によって決定される、アイオノマーをより高く利用した製品を生じることを教示する。バーンズ等は、このより高い利用がより高い相対水和生成物およびより高い比伝導度を導くことを権利請求している。これらのパラメータの両方は2.5モル硫酸(2.5MのH2S04)の存在下で評価された。したがって、水の存在下での水和された重合体だけが考慮される目下の用途には関連していない。
国際公開第WO00/79629号パンフレットに教示されたさらに別の方法では、アイオノマー性ポリマーは、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびビニリデンフルオリドのターポリマー(例えばダイネオン社(Dyneon Corp., Oakdale, MN)から入手可能なTHVシリーズ)などの構造的なフィルム形成ポリマーと十分に混合される。その後、低い当量重量のアイオノマーを使用して薄膜を満足に形成することが可能である。しかし、EWが800の原料アイオノマーが使用された場合(例えばWO00/79629の表1)、水和度はまだ比較的高く、80〜110%である。したがって、これらのフィルムは高い水和のために比較的弱いと予想することができる。
最後に、また、非アイオノマー性フルオロポリマーを形成する方法を説明する多数の技術がある。大部分に関して、製造された製品が実質的にイオン伝導性を有しない、すなわち、これらの製品のイオン伝導度は室温で約1×10-6S/cm未満であるので、この技術は本明細書で説明される本発明に関連していない。
フルオロポリマーのイオン伝導性膜は多くの異なった用途で利用された。広く提案された用途の一つが、例えば米国特許第4,358,545号、同第4,417,969号および同第4,478,695号明細書に記載されたような塩化ナトリウムの電解のための電解槽膜としてである。さらに、フルオロポリマーアイオノマーとして記述されたこの一般的な種類のポリマーは、マーチン(Martin)等の米国特許第4,661,411号明細書中で上述されたような塗布物として、電線絶縁材(例えばWO90/15828)として、オラー(Olah, G. A.),アイエル(Iyer P. S.)およびサーヤ(Surya P. G. K)による「合成におけるパーフルオロ化樹脂スルホン酸(ナフィオン−H(R))触媒(Perfluorinated Resin sulfonic Acid (Nafion-H (R)) Catalysis in Synthesis)」(雑誌:Synthesis (Stuttgart), 1986 (7) 513-531)およびヤマト(Yamato, T)による「有機合成におけるパーフルオロ化樹脂スルホン酸(ナフィオン−H)触媒(Perfluorinated Resin sulfonic Acid (Nafion-H) Catalysis in Organic Synthesis)」(有機合成化学協会/合成有機化学誌、53巻、6号、1995年6月、p487−499)に記載されているような、主として有機合成での酸触媒の代替として、応用電気化学誌、第10巻、1980年の741頁にイェン(Yen, R.S.)、マックブリーン(McBreen, J.)、キセル(Kissel, G.)、クレサ(Kulesa, F.)およびスリニバサン(Srinivasan, S.)によって説明されるような水の電解用膜として、例えばロードセップ(Raudsepp, R.)およびブローグデ(Vreugde, M.)による「塩化物溶液からの銅の電解採取におけるナフィオン−415膜の使用(The Use of Nation-415 Membrane in Copper Electrowinning from Chloride Solution)」(CIMブレティン、1982年、V75、N842、P122)の中で説明されているような電解採取用の膜として、ナフィオンパーフルオロ化膜事例史(デュポン社、ポリマー製品部、ウィルミントン、DE19898)の製品文献中に説明されるような金属イオン回収系で、湿潤ガス流を連続的にそして非常に選択的に乾燥するためのチューブとして(パーマピュア社(Perma Pure, Inc., Toms River, NJ)の製品文献参照)、および高分子電解質膜(PEM)燃料電池中の構成成分としての使用のために提案されていた。後者の場合では、例えば米国特許第5,547,551号および同第5,599,614号明細書中でバハール(Bahar)等によって説明されるような電解質またはそれの構成成分として、および/またはMEAの電極の一方または両方の構成成分としての両方で機能することができる。
イオン伝導性ポリマー、即ちアイオノマーがPEM燃料電池の電解質として使用される場合、それらは一方の電極からもう一方の電極にプロトンを導く。そのような燃料電池に関連している一般的な問題は、一酸化炭素などの汚染物質がMEAに使用される触媒を損なう傾向があるということである。これらの汚染物質は電極間のイオンの流れを妨げて、その結果、燃料電池の性能を下げる場合がある。
一酸化炭素の影響を減少させる1つの方法は上昇された温度で燃料電池を操作することである。これは潜在的汚染物質の生成を減らし、そして/またはその破壊速度を増加させて、その結果、より効率的な電極性能を許容する。
しかしながら、高温で操作することによる問題は、燃料電池内で液体の水を蒸発させて、そうすることで膜の水和度を減少させる傾向があるということである。上述したように、水和の減少はイオン伝導性を低下させ、それによって、膜を通るイオン輸送の効率を減少させ、そして燃料電池の運転に不利に影響する。事実、より低温で従来のアイオノマーを使用するPEM燃料電池では、通常、入って来るガス流は比較的高い水和度を維持するために十分に加湿されている。単にガスに湿気の形態で追加水を加えることによって、長期間の効率的な燃料電池の運転を許容するに十分高い水和を保つことができる。しかしながら、温度が水の沸点に近づくか、または水の沸点以上になると、この方法は難しく効率が悪くなる。したがって、比較的低い水和および許容できるほど高いイオン伝導性を有するアイオノマーが、より少ない周囲水を必要としてPEM燃料電池の電解質として機能するだろう。それはより低温でのより低い湿度環境で、ならびに水の沸点に近い温度そして潜在的には実に水の沸点以上の温度の両方で効率的に機能することができるであろう。
上述したように、既知の低い当量重量のアイオノマーは比較的高い水和を有する。その上、それらがまた、部分的にまたは完全に水に可溶であることも知られている。これらのファクターは水が作り出される環境、例えば水素−酸素燃料電池におけるそれらの使用に対して忠告するだろう。なぜなら、これらのポリマーはこれらの環境で物理的に不安定になる傾向があるからである。さらに、上述し、そして最近示されたように(国際公開第WO00/52060号パンフレットの表1)、水和の大きい増加に付随して当量重量が低下するので、イオン伝導度は減少する。対象のアイオノマーの当量重量が834から785まで減少する場合、WO’060に報告されたイオン伝導度は30%より多く減少する。
従来の知識のこの背景に対して、出願人は、比較的低い水和および比較的高いイオン伝導度の組み合わせを有する低い当量重量のアイオノマーを発見した。その結果、本発明は、上述したものなどの既存の用途における固体フルオロポリマー膜のさらに効果的な使用を可能にする。さらに、これまで実用的でなかった新用途が、この新しくて、ユニークな特性の設定によって可能になり得る。本発明は電解質またはその構成成分として、または、高温または低湿度で運転する高分子電解質膜燃料電池の電極の構成成分として特に有益である。
本発明は、(1)低い当量重量(950未満、好ましくは625〜850、そして最も好ましくは約675〜約800)および(2)高い伝導度(0.13S/cmよりも大きい)を有するようなアイオノマーおよび該アイオノマーを作製するための方法である。別の態様では、本発明は、(1)低い当量重量(950未満、好ましくは625〜850、そして最も好ましくは約675〜約800)および(2)許容できる低さの水和(約120重量%未満)を有するアイオノマーである。これらのアイオノマーは、薄膜に加工することが可能であり、そして低湿度または高温の燃料電池用途に非常に良く適する。
本発明では、2種またはそれ以上のモノマーから成るコポリマーを製造するために、水系ミニエマルジョン重合手順を記載する。コポリマーは実質的にフッ素化された主鎖および1種または複数のアイオノマーを含み、その結果、生成物は著しく高いイオン伝導度を有する。重合は、酸素、窒素または酸素原子を必要に応じて含有し、分子量が好ましくは2000未満の飽和脂肪族または芳香族有機化合物である液体パーフルオロ化炭化水素のミニエマルジョンの存在下で行なわれる。そのようにして製造されたポリマー微粒子は、約0.13S/cmより大きい、好ましくは約0.20S/cmより大きい著しく高い室温イオン伝導度(酸型に変換した時)を有する薄膜に成形することができる。
本明細書で使用される方法は、例えば、「乳化重合および乳化ポリマー(Emulsion Polymerization and Emulsion Polymers)」(P. A. Loweli および M. S. El-Aasser編集, John Wiley and Sons, Ltd, New Fork, 1997)中の第20章、E.デヴィッド・スドール(E. David Sudol)およびモハメドS.El−Aasser(Mohamed S. El-Aasser)による「ミニエマルジョン重合」に記載されるように、一般に、ミニエマルジョン重合として当業界で知られている。これらの方法では、本明細書では50〜500nmのエマルジョン中の液滴直径によって定義されるミニエマルジョンが、オイル(ここではアイオノマー)/水/界面活性剤/補助界面活性剤系を、超音波、マントンゴーリンホモジナイザー、またはマイクロフルーイダイザーによって生じるような高剪断混合に掛けることによって形成される。その後、このミニエマルジョンを重合反応に掛ける。本発明のこれらの方法によって生じる工程および製品は、例えば中山等の米国特許第5,608,022号明細書およびベカリアン(Bekarian)等の国際公開第WO00/52060号パンフレットに記載されているような従来技術と、補助界面活性剤の存在のために実質的に異なっている。ミニエマルジョンの達成を促進する補助界面活性剤の使用は、界面活性剤の使用量がより少ないという利点を示す。界面活性剤の使用量がより少ないということは、高濃度の界面活性剤が最終製品に有害な影響を有する可能性があるので、利点であることができる。
フルオロポリマーのマイクロエマルジョン重合における補助界面活性剤の使用は当業界で知られていたが(例えばウー(Wu)等の米国特許第6,046,271号明細書参照)、本明細書に記載されたアイオノマー性ポリマーの作製のための補助界面活性剤を用いたミニエマルジョンプロセスの使用は新規である。例えば、’271においてウーは、少なくとも1種の液体パーフルオロ化炭化水素化合物のマイクロエマルジョンを形成すること、そのマイクロエマルジョンに少なくとも1種のガス状のラジカル重合可能なポリマーを添加すること、そして混合物にラジカル開始剤を加えることによって重合を開始することからなる重合方法を開示している。ウーは、本明細書に記載されている酸性末端基を有するアイオノマー形成モノマーの使用を予期しなかった。我々が発見した特に驚異的な結果は、補助界面活性剤の存在中でのミニエマルジョン重合(以前に開示された直鎖アルケンのマイクロエマルジョンの代わりに)にアイオノマー形成モノマーを使用して、我々が異常に高いイオン伝導度を有するポリマーを生産することができるということである。得られるポリマーの同様に意外な比較的低い水和と結びついたこの全く予期されない結果は、非常に価値のあるイオン伝導膜の生産を可能にする。
アルコール、アミンまたは他の両親媒性分子、もしくは塩などの当業界で知られている補助界面活性剤の中から補助界面活性剤を選ぶことができる。ミニエマルジョンの形成を容易にするために、単一または複数の補助界面活性剤を使うことができる。特に望ましい補助界面活性剤は本明細書で使用されるパーフルオロ化炭化水素類から引き出されたものである。なぜなら、補助界面活性剤は重合が行なわれる温度で液体である低分子量の化合物であるから。分子量は望ましくは2000未満である。パーフルオロ化炭化水素は、望ましくは沸点が300℃未満である。また、それはパーフルオロ化ベンゼンなどのパーフルオロ化芳香族化合物、パーフルオロ化トリアルキルアミンなどのパーフルオロ化アルキルアミン、デカリンまたはパーフルオロテトラデカヒドロフェナントレンなどのパーフルオロ化環状脂肪族、またはパーフルオロ−2−ブチルテトラヒドロフランなどの環中に酸素または硫黄を含む複素環式脂肪族化合物であることができる。パーフルオロ化炭化水素の具体例は、パーフルオロ−2−ブチルテトラヒドロフラン、パーフルオロデカリン、パーフルオロメチルデカリン、パーフルオロジメチルデカリン、パーフルオロメチルシクロヘキサン、パーフルオロ(1、3−ジメチルシクロヘキサン)、パーフルオロジメチルデカヒドロナフタレン、パーフルオロフルオレン、パーフルオロ(テトラデカヒドロフェナントレン)、パーフルオロテトラコサン、パーフルオロケロセン、オクタフルオロナフタレン、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)のオリゴマー、パーフルオロ(トリプロピルアミン)、パーフルオロ(トリブチルアミン)、またはパーフルオロ(トリペンチルアミン)などのパーフルオロ(トリアルキルアミン)、オクタフルオロトルエン、ヘキサフルオロベンゼン、パーフルオロエーテルもしくはパーフルオロ化ポリエーテル、および3Mによって生産されるフルオリナート(Fluorinert)FC−77もしくはFC−75などの市販のフッ素化溶剤を含む。フッ素化アルカンは、炭素原子数が3〜20個の直鎖または分岐鎖状であることができる。また、酸素、窒素または硫黄原子が分子中に存在することができる。
フッ素化界面活性剤は、構造RgEXを有する。ここで、Rgは炭素原子数が4〜16であるフッ素化アルキル基またはフッ素化ポリエーテル基であり、Eは炭素原子数が0〜4であるアルキレン基であり、そしてXは、COOM、SO3M、SO4Mなどのアニオン性塩、第四アンモニウム塩などのカチオン性部分、アミノオキシドなどの両性部分、または(CH2CH2O)mHなどの非イオン性部分であり、Mは、H、Li、Na、K、またはNH4であり、mは2〜40の基数である。1つの好ましいフッ素化界面活性剤はアンモニウムパーフルオロオクタノエートである。
本発明の実質的にフッ素化された主鎖は、高いフッ素濃度を有する多くの異なったモノマーまたはコモノマーから作製されたポリマーであることができる。これらは、テトラフルオロエチレン、およびヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロプロピルビニルエーテル、パーフルオロメチルビニルエーテルならびにエチレンの群から選ばれた1つまたは複数のモノマーとテトラフルオロエチレンとの混合物を包含することができるが、これらに限定されない。実質的にフッ素化された主鎖を形成するために使用される好ましいモノマーの一つはテトラフルオロエチレンである。
重合反応に使用されるアイオノマー形成モノマーは、少なくとも1つのイオン性官能基を有する部分および少なくとも1つの重合可能な基を含む実質的にフッ素化された有機化合物である。あるいは、分子は、重合工程が完了した後にイオン性官能基に変換することができる先駆体を保持することができる。これらのアイオノマーを形成するために適当なモノマーの具体例は、下式を有する化合物および
重合の後に、実質的にフッ素化された主鎖に下式のペンダント基を形成する同様のものを含む。
上式の中で、Xは、F、ClまたはBrもしくはそれらの混合物であり、nは1または2に等しい整数であり、RfおよびRf’はF、Cl、パーフルオロアルキル基、およびクロロパーフルオロアルキル基の群から独立に選択され、Yは酸基または酸基に変換可能な官能基であり、aはゼロまたはゼロよりも大きい整数であり、そしてbはゼロよりも大きい整数である。酸基としてのYの具体例は、スルホン酸またはその塩型(−SO3Z)、スルフォンアミド(−SO2N(R1)−)、スルフォンイミド(−SO2N(R1)SO2R2)、カルボン酸(−CO2Z)、燐酸(−PO(OR1)2)、および同様のものを含むがこれらに限定されない。ここで、ZはH、またはアンモニウムイオン、金属イオンもしくは有機アンモニウムイオンを含むがこれらに限定されないカチオンの任意の組み合わせであり、R1はH、炭素原子数が1〜10のアルキル基、または炭素原子数が2〜10の部分的にフッ素化されたアルキル基であり、そしてR2は、酸素または遊離基に対して安定な他の原子もしくは基を必要に応じて含むことができる炭素原子数が1〜8のパーフルオロ化アルキル鎖、または酸素または遊離基に対して安定な他の原子もしくは基を必要に応じて含むことができ、そして末端が上記に定義されたYであるパーフルオロアルキル基である。酸基に変換可能な官能基であるYの具体例は、スルホニルハライド(−SO2W)、エステル(−COOR)および同様のものを含むがこれらに限定されない。ここで、WはF、Cl、またはBrであり、Rは炭素原子数が1〜20のアルキル基である。一つの好ましいアイオノマー形成モノマーは、式−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2−S02Fを有するペンダント基を形成するCF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2−S02Fである。
ミニエマルジョンの調製は成分の慎重な選択による。ミニエマルジョンは、水、パーフルオロ化炭化水素、フッ素化界面活性剤、アイオノマー、および補助界面活性剤または無機塩を混合することによって調製される。用いられる量は、0.1〜40重量パーセント、好ましくは0.1〜20重量パーセントのパーフルオロ化炭化水素、1〜40重量パーセント、好ましくは0.1〜25重量パーセントの界面活性剤および補助界面活性剤、1〜20重量パーセント、望ましくは5〜15重量パーセントのアイオノマー、残りは水でである。この混合物は、油相をサブミクロンサイズの液滴に壊すために、例えば機械的な剪断および/またはキャビテーションなどの当業界で知られている方法を用いて高剪断力混合に掛けられる。そのようなミキサーを通る複数のパスが、ミニエマルジョンを得るために必要とされるであろう。得られるミニエマルジョンは、マイクロエマルジョンで観測されるように完全に透明であるというわけではなく、(マクロ)エマルジョン中のように乳白色でもない。むしろ、それはしばしば僅かに色づいた、例えば青味のある実質的に半透明である。如何なる特定の理論によっても縛られず、得られるパーフルオロ化炭化水素のミニエマルジョンは、フッ素化モノマーが入って、そして重合するミニ反応槽として作用すると考えられる。
重合を開始するために、ミニエマルジョンの温度を0〜150℃、望ましくは40〜100℃に調整する。重合開始剤は、過硫酸塩、アゾ系開始剤、過酸化物、または紫外線またはガンマ線によってフリーラジカルを発生させることができる光開始剤などのフリーラジカル開始剤を含む。存在する開始剤の量は、最終ポリマー含有量に基づいて、0.001〜5重量%の範囲であることができる。ミニエマルジョンの形成を促進するために、アルコール、アミンもしくは両親媒性分子などの共溶媒または塩を必要であれば用いることができる。フッ素化モノマーを気相または液相のどちらかで反応槽の水性液体中へ導入する。位相間の十分な混合が物質移動を促進するために重要である。
上記重合から生成される製品は低い当量重量および比較的低い水和を有するイオン伝導性ポリマーである。それにもかかわらず得られるアイオノマーは有機溶媒の中で可溶性であり、そして単独(図5に示される典型的な態様のフィルム50を参照)で、または複合膜(図6に示される典型的な態様で複合膜62を形成する基板60およびアイオノマー61を参照)を形成するために他の基板と複合して、薄膜に成形することが可能である。そのような他の基板は、例えば延伸膨張ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)などの多孔質材料の支持体を含むことができる。本明細書に使用される場合、「多孔質」は多数の相互に連結した管路および小管を有することを意味する。アイオノマーの溶液は、例えば、バハール(Bahar)等の米国特許第5,547,551号および同第5,599,614号明細書に記載されているような当業界で知られている方法によって多孔質支持体中に含浸することができる。
そのようなフィルムは膜電極アッセンブリ(MEA)の分離膜として有用である。図7で示された典型的な態様に示されるように、MEA73を形成するために膜72の両側に電極70、71を接着するか、または別の方法で取り付ける。引き続いて、MEA73は、図7で示された典型的な態様に示されるように、燃料電池83に有用である。ガス拡散媒体80および81を電極に必要に応じて取り付けるか、または別の方法で接着することができ、そして電流コレクター(図示されていない)を必要に応じて正端子84および負端子85に接続することができる。運転中、燃料がセルに入って、アノードで反応し、電子を発生し、それは負端子85に集められる。電子は外部負荷(図示されていない)を通ってカソード端子84に流れる。電子はカソードで酸化種と共に使用される。燃料のタイプおよび酸化種のタイプによって、アノード室、カソード室または両方で生成物を形成することができる。もし存在するならば、これらの生成物は、必要に応じて入口ガス中に用いることができる如何なる過剰な燃料および/または酸化種と共にセルから掃き出される。他の別の態様では、MEAにおける電極もまた多成分電極系の1つの構成成分として本発明品を含むことができる。本発明のポリマーは、また、他の電解槽において有用である。
以下の手順が、上述の記載にしたがって作製されたアイオノマーを特徴付けるために用いられた。
(平均コロイド粒子径)
本明細書で作製された本発明のコポリマー溶液の平均コロイド粒子径をブルックハブンインスツルメント社(Brookhaven Instrument Corporation(BIC))のレーザ光散乱サブミクロン粒子径分析計(Laser Light Scattering Submicron Particle Size Analyzer)を用いて測定した。作製されたコポリマー溶液のサンプルを脱イオン水で元の溶液から1〜50重量%に希釈し、そして標準BICアクリル正方形セルの中に入れた。レーザ光は90度の散乱角度でセルに入射した。90プラス粒子径ソフトウェア(90 Plus Particle Sizing Software)によって報告された通りの平均粒子径を平均コロイド粒子径として本明細書に記載した。
本明細書で作製された本発明のコポリマー溶液の平均コロイド粒子径をブルックハブンインスツルメント社(Brookhaven Instrument Corporation(BIC))のレーザ光散乱サブミクロン粒子径分析計(Laser Light Scattering Submicron Particle Size Analyzer)を用いて測定した。作製されたコポリマー溶液のサンプルを脱イオン水で元の溶液から1〜50重量%に希釈し、そして標準BICアクリル正方形セルの中に入れた。レーザ光は90度の散乱角度でセルに入射した。90プラス粒子径ソフトウェア(90 Plus Particle Sizing Software)によって報告された通りの平均粒子径を平均コロイド粒子径として本明細書に記載した。
(膜の形成)
膜を必要とする以下の実施例の場合、そして以下に記載した当量重量測定の前に、以下の手順を行なった。当業界でよく知られている方法を使用して、スルホニルフルオリド型ポリマーから酸型のポリマーを得た。ここでは、スルホニルフルオリド型ポリマーをKOH中で完全に加水分解し、次に、HNO3中で完全に再酸性化することによって、それを行なった。それぞれ約0.05gの重さがある酸型の固体アイオノマー断片の約2gを、2枚のカプトンポリイミドフィルム(デュポン高性能材料、サークルビル、OH(DuPont High Performance Materials, Circleville, OH))の間に一定の山で置いた。そのサンドイッチ状の材料を、マーシュインストルメント(Marsh Instruments)のPHI空気圧プレスの予熱された完全に開いている64in2のプラテンの間に置いた。互いに接触した場合の上下プラテンの間で読む温度が165℃であるように、プラテン温度を設定した。それから、カプトンフィルムの上側のシートが上部プラテンに接触するまで、下部プラテンを上げた。その後、アイオノマーのサンプルを15分間置いた。そして、10秒間の約1トンおよび10秒間の約ゼロトンの間の3〜5回の圧力サイクルによって、そのサンドイッチを圧縮した。それから、圧力を5トンまで増加し、次に、90〜120秒掛けてゆっくりと10トンまで増加した。それから最後に、圧力を20トンまで増加し、そしてサンプルを20トンの下で120秒間、165℃に保持して、厚さが概して約5ミルの一定の、透明なフィルムを製造した。
膜を必要とする以下の実施例の場合、そして以下に記載した当量重量測定の前に、以下の手順を行なった。当業界でよく知られている方法を使用して、スルホニルフルオリド型ポリマーから酸型のポリマーを得た。ここでは、スルホニルフルオリド型ポリマーをKOH中で完全に加水分解し、次に、HNO3中で完全に再酸性化することによって、それを行なった。それぞれ約0.05gの重さがある酸型の固体アイオノマー断片の約2gを、2枚のカプトンポリイミドフィルム(デュポン高性能材料、サークルビル、OH(DuPont High Performance Materials, Circleville, OH))の間に一定の山で置いた。そのサンドイッチ状の材料を、マーシュインストルメント(Marsh Instruments)のPHI空気圧プレスの予熱された完全に開いている64in2のプラテンの間に置いた。互いに接触した場合の上下プラテンの間で読む温度が165℃であるように、プラテン温度を設定した。それから、カプトンフィルムの上側のシートが上部プラテンに接触するまで、下部プラテンを上げた。その後、アイオノマーのサンプルを15分間置いた。そして、10秒間の約1トンおよび10秒間の約ゼロトンの間の3〜5回の圧力サイクルによって、そのサンドイッチを圧縮した。それから、圧力を5トンまで増加し、次に、90〜120秒掛けてゆっくりと10トンまで増加した。それから最後に、圧力を20トンまで増加し、そしてサンプルを20トンの下で120秒間、165℃に保持して、厚さが概して約5ミルの一定の、透明なフィルムを製造した。
(水和度)
大きさが約1cm×約1.5cmのサンプルを膜から切り、圧力を維持するために窒素ブリードを使用して、水銀柱約3インチの圧力の真空オーブン中に120℃で約70時間置いた。サンプルを取り出して、冷やして(約1分またはそれ以下)秤量し、乾燥重量を得た。それから、サンプルを室温で2時間脱イオン水中に置いた。本明細書で使用する限り、室温は23℃±2℃である。サンプルを水から取り出して、紙の布で軽くたたいて水気をとり、すぐに秤量して、水和された重量を得た。パーセント表示の水和度を下式の通り計算する。
大きさが約1cm×約1.5cmのサンプルを膜から切り、圧力を維持するために窒素ブリードを使用して、水銀柱約3インチの圧力の真空オーブン中に120℃で約70時間置いた。サンプルを取り出して、冷やして(約1分またはそれ以下)秤量し、乾燥重量を得た。それから、サンプルを室温で2時間脱イオン水中に置いた。本明細書で使用する限り、室温は23℃±2℃である。サンプルを水から取り出して、紙の布で軽くたたいて水気をとり、すぐに秤量して、水和された重量を得た。パーセント表示の水和度を下式の通り計算する。
各膜に関して4つのサンプルを試験し、そして報告された水和は4つの測定の算術平均である。
(当量重量)
当量重量を測定するために本明細書で用いた方法は、乾燥固体アイオノマーの重量を測定し、そして滴定曲線のpH7近くの最初の変曲点に基づいて酸当量重量を計算する。特に各サンプルに関しては、それぞれ0.05g以下の重さの固体アイオノマー断片の約5gを80℃の完全な真空(水銀柱約2インチ)下のオーブンで少なくとも2時間乾燥した。乾燥した断片をオーブンから取り出し、湿気の取り込みを最小にするためにふた付きの容器に置いた。乾燥試料をふた付き容器中で室温まで冷却させた後、約0.15gを100mlの滴定カップ中に素早く秤リ取った。それから、既知の乾燥重量のサンプルを滴定カップ中で15分間5mlの脱イオン水および5mlのエタノール中に浸漬させた。次に、浸漬されたサンプルに55mlの2.0NNaCl溶液を添加した。そして、TIM900滴定マネージャ(TIM900 Titration Manager)(ラジオメーターアナリティカルS.A.(Radiometer Analytical S.A., Lyon, France))を使用する逆滴定方法を5mlの0.05NNaOH溶液の添加によって開始した。そして、0.01NHCl水溶液による酸滴定の前に、混合物全体を窒素ブランケット下で15分間撹拌した。pH7近くの終点を用いて、下式にしたがってサンプルのイオン交換容量(IEC)および酸当量重量(EW)の両者を計算した。
当量重量を測定するために本明細書で用いた方法は、乾燥固体アイオノマーの重量を測定し、そして滴定曲線のpH7近くの最初の変曲点に基づいて酸当量重量を計算する。特に各サンプルに関しては、それぞれ0.05g以下の重さの固体アイオノマー断片の約5gを80℃の完全な真空(水銀柱約2インチ)下のオーブンで少なくとも2時間乾燥した。乾燥した断片をオーブンから取り出し、湿気の取り込みを最小にするためにふた付きの容器に置いた。乾燥試料をふた付き容器中で室温まで冷却させた後、約0.15gを100mlの滴定カップ中に素早く秤リ取った。それから、既知の乾燥重量のサンプルを滴定カップ中で15分間5mlの脱イオン水および5mlのエタノール中に浸漬させた。次に、浸漬されたサンプルに55mlの2.0NNaCl溶液を添加した。そして、TIM900滴定マネージャ(TIM900 Titration Manager)(ラジオメーターアナリティカルS.A.(Radiometer Analytical S.A., Lyon, France))を使用する逆滴定方法を5mlの0.05NNaOH溶液の添加によって開始した。そして、0.01NHCl水溶液による酸滴定の前に、混合物全体を窒素ブランケット下で15分間撹拌した。pH7近くの終点を用いて、下式にしたがってサンプルのイオン交換容量(IEC)および酸当量重量(EW)の両者を計算した。
それぞれの膜の2つの異なったサンプルからの測定結果の算術平均を当量重量として報告する。
(室温イオン伝導度)
大きさが約1.5インチ×約2インチの膜サンプルを、最初に、21℃、相対湿度61%の室内条件で24時間平衡した。それから、室温の脱イオン水を入れたプラスチックのビーカー中に浸漬した。1回が30分毎である3回の測定を90分掛けて行なった。測定を行なうために、膜サンプルを水から取り出して、ティッシュペーパーによって軽くたたいて水気をとった。それからすぐに、ハイデンハイン(Heidenhain)ND281Bデジタルディスプレイに取り付けられたMT12Bハイデンハイン(Heidenhain (Schaurnburg, Illinois))シックネスゲージを使用して、厚さを測定した。平板の上に垂直にゲージを取り付け、そして、サンプルの角および中央をカバーするサンプル上の9つの異なった位置で測定をした。各測定が圧縮を最小にするように、ゲージのバネで止めてあるプローブをフィルム上にゆっくりと下げた。サンプルの厚さとして9つの値の平均を使用した。それから、図1に示した4点プローブ伝導度セルを使用して、膜(11)のイオン抵抗を測定した。伝導度セル(10)の検出プローブ(5)は長さが約1インチであり、そして間隔が約1インチである。プレキシガラス製のスペーサ1が電流プローブ4と検出プローブ5との間の絶縁を提供する。セルはナイロンねじ2によって一緒に保持され、そして、穴3を通してプローブに電気接触がなされる。測定中、良好な接触を確保するために、500gの重り(図示されていない)をセルの上に載せた。抵抗値は伝導度セル10上の更なる圧力の影響を受けないことが分かった。スクリブナーアソシエイツ(Scribner Associates)によって作成されたZプロット(ZPlot)ソフトウェアによって制御されたソラートロン(Solartron)SI1280Bよって適用される1000Hzの周波数で10mVの交流振幅を使用して、穴3を通る接続リード(図示されていない)によって抵抗を測定した。定電位方式で測定を行なった。これらの条件下では、位相角は測定全体を通して重要でないことが分かった。各測定に関して、S/cmで表わした室温イオン伝導度を下式から計算した。
大きさが約1.5インチ×約2インチの膜サンプルを、最初に、21℃、相対湿度61%の室内条件で24時間平衡した。それから、室温の脱イオン水を入れたプラスチックのビーカー中に浸漬した。1回が30分毎である3回の測定を90分掛けて行なった。測定を行なうために、膜サンプルを水から取り出して、ティッシュペーパーによって軽くたたいて水気をとった。それからすぐに、ハイデンハイン(Heidenhain)ND281Bデジタルディスプレイに取り付けられたMT12Bハイデンハイン(Heidenhain (Schaurnburg, Illinois))シックネスゲージを使用して、厚さを測定した。平板の上に垂直にゲージを取り付け、そして、サンプルの角および中央をカバーするサンプル上の9つの異なった位置で測定をした。各測定が圧縮を最小にするように、ゲージのバネで止めてあるプローブをフィルム上にゆっくりと下げた。サンプルの厚さとして9つの値の平均を使用した。それから、図1に示した4点プローブ伝導度セルを使用して、膜(11)のイオン抵抗を測定した。伝導度セル(10)の検出プローブ(5)は長さが約1インチであり、そして間隔が約1インチである。プレキシガラス製のスペーサ1が電流プローブ4と検出プローブ5との間の絶縁を提供する。セルはナイロンねじ2によって一緒に保持され、そして、穴3を通してプローブに電気接触がなされる。測定中、良好な接触を確保するために、500gの重り(図示されていない)をセルの上に載せた。抵抗値は伝導度セル10上の更なる圧力の影響を受けないことが分かった。スクリブナーアソシエイツ(Scribner Associates)によって作成されたZプロット(ZPlot)ソフトウェアによって制御されたソラートロン(Solartron)SI1280Bよって適用される1000Hzの周波数で10mVの交流振幅を使用して、穴3を通る接続リード(図示されていない)によって抵抗を測定した。定電位方式で測定を行なった。これらの条件下では、位相角は測定全体を通して重要でないことが分かった。各測定に関して、S/cmで表わした室温イオン伝導度を下式から計算した。
ここで、σは室温イオン伝導度であり、L2は検出プローブ間の距離であり、ここでは2.5654cmと等しく、L1は検出プローブの長さであり、ここでは2.5603cmで、Dはcmで表わした膜の測定厚さであり、そしてRはオームで表わした測定抵抗である。結果は、室温イオン伝導度が試験されたすべてのサンプルに関して30〜90分の間で浸漬時間に影響されないことを示した。報告された値は3回の測定から計算された平均である。
(高温イオン伝導度)
また、80および120℃の温度における高温イオン伝導度を測定した。この場合、雰囲気の温度および相対湿度をより正確に制御することができる異なった装置を使用して伝導度を測定した。これらの測定は、室温の水に浸漬されて、室温で測定されたサンプルの伝導度が、より高い温度で測定されそして決められた相対湿度条件で平衡されたサンプルと材料間で同じ傾向を示すことを確認するために行なわれた。シュローダー(Schroder)のパラドックス(P. Schroder, Z. Physik Chem., Vol. 75, pg. 75 (1903))がパーフルオロスルホン酸型アイオノマー膜に観察される(例えば、T. A. Zawodzinski, T. E. Springer, F. Uribe および S. Gottesfeld、固体アイオニクス(Solid State Ionics)、60巻、199頁(1993年)ならびにG. Blumenthal, M. Cappadonia および M. Lehrnann、アイオニクス、2巻、102頁(1996年)参照)ことがよく知られているので、これらの測定は特に意味がある。したがって、本発明の膜の測定された伝導度が、液体の水の中で測定された場合、同じ温度で100%の相対湿度で測定されたそれと比べて、たとえ水の活性が理論上両方の場合において等しいとしても、異なるであろうと予想される。したがって、本発明のアイオノマーが、液体の水の中に浸漬された場合と同様に水蒸気によって平衡された場合に、本当に改良された伝導度を有することを確認するために、相対湿度と温度が制御されたところで高温伝導度試験を行なった。
また、80および120℃の温度における高温イオン伝導度を測定した。この場合、雰囲気の温度および相対湿度をより正確に制御することができる異なった装置を使用して伝導度を測定した。これらの測定は、室温の水に浸漬されて、室温で測定されたサンプルの伝導度が、より高い温度で測定されそして決められた相対湿度条件で平衡されたサンプルと材料間で同じ傾向を示すことを確認するために行なわれた。シュローダー(Schroder)のパラドックス(P. Schroder, Z. Physik Chem., Vol. 75, pg. 75 (1903))がパーフルオロスルホン酸型アイオノマー膜に観察される(例えば、T. A. Zawodzinski, T. E. Springer, F. Uribe および S. Gottesfeld、固体アイオニクス(Solid State Ionics)、60巻、199頁(1993年)ならびにG. Blumenthal, M. Cappadonia および M. Lehrnann、アイオニクス、2巻、102頁(1996年)参照)ことがよく知られているので、これらの測定は特に意味がある。したがって、本発明の膜の測定された伝導度が、液体の水の中で測定された場合、同じ温度で100%の相対湿度で測定されたそれと比べて、たとえ水の活性が理論上両方の場合において等しいとしても、異なるであろうと予想される。したがって、本発明のアイオノマーが、液体の水の中に浸漬された場合と同様に水蒸気によって平衡された場合に、本当に改良された伝導度を有することを確認するために、相対湿度と温度が制御されたところで高温伝導度試験を行なった。
この試験を以下の通り行なった。テストされるべき3つの異なった厚さのサンプル膜を上述したように準備した。イーテック社(E- TEK Inc.)から入手可能な、2つの直径0.5インチのエーラト(ELAT(商標))ガス拡散媒体(GDM)をダイカットした。そのGDMの表面にウー(Wu)等の係属中の出願における実施例2にしたがって作製したアイオノマーの約1mg/cm2をブラシで塗り、そして次に約1.5インチ×約1.5インチのサンプル膜に対してサンドイッチを形成するように置いた。それから、上部プラテンが160℃に加熱された水圧機の約18インチ×約18インチのプラテンに15トンの圧力を適用することによってこのサンドイッチを3分間ラミネートした。冷却後、GDM/サンプル/GDMサンドイッチを試験のために図2に示したような高温イオン伝導度装置20に置いた。
装置20はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のセル22を有する分割されたアルミボディー21から成る。セル22は、運転中、120psiの空気作動圧力で一緒に固定される。40%多孔質の316Lステンレス鋼製の白金被覆された小球24がその端に溶接された2つの電極リード23がセンターを通してセル22に入って、その間に試験サンプル25が置かれる2つの電極を形成する。試験サンプル25は、上述したように作製された、両側にGDM27を有するサンプル膜26からなる。下部電極リード23は、下部電極リードに決められた圧力を適用することができる空気作動シリンダ(図示されていない)に取り付けられる。本明細書に記載したすべての試験に150psiの圧力を使用した。2つのライン、即ち各半セルに対して1つのラインを通して窒素ガスがセルに流される。各入口ガス流の湿度は、温度が固定されている水のボトルを通してガスを流すことによって制御される。また、各調湿ボトルの後のガスラインは、凝縮を防ぐために加熱される。セル温度、調湿ボトルの温度、およびガスラインは、スクリブナーアソシエイツの膜テストシステム(Scribner Associates, North Carolina)によって制御される。両方の入口ガス流の湿度は、バイサラ(Vaisala)HM138湿度プローブ(Vaisala Group, Vantaa, フィンランド)で測定される。ここでのすべての試験において、両方の半セルの測定湿度は3〜5%相対湿度以内で同一であった。
試験サンプル25をセルに置き、セルを閉じ、そしてセルおよび電極リードに圧力を適用した後、乾燥ガスを流すことによって、セルを最低試験温度まで加熱した。その温度の乾燥ガス下で30分間セルを平衡にした。それから、湿度を10%の相対湿度に進めた。それから、ソラートロン(Solartron)1280Bインピーダンスアナライザー(Solartron Analytical, Hampshire, England)を使用して、約1Hzから約20kHzまで周波数掃引することで定電位方式でインピーダンスを測定することによって、測定のための周波数を決定した。測定された位相角が約ゼロであった周波数を決定した。すべてのその後の測定において、この周波数を使用した。通常、この周波数は7〜l5kHzの範囲にあった。次に、湿度が低温で以下の値、約10、20、40、50、60、80、および90%の相対湿度に変更されるコンピュータ制御の下で一連の試験を開始した。各相対湿度段階でのインピーダンスの大きさを、インピーダンスの変化が1ミリΩ未満になるまで5秒間隔で記録した。この定常状態のインピーダンス(位相角がゼロである時の抵抗と等しい)をその温度および相対湿度でのセル抵抗として記録した。次に、セルを新たなより高い温度に進め、10%の相対湿度に戻し、そして上記工程を繰り返した。より高い温度に関しては、セルを加圧下で運転しなかったので、高い相対湿度を達成することはできなかった。したがって、達成可能な最大の相対湿度は、より高い温度では低かった。この場合、10%とその温度で達成可能な最大の相対湿度との間で6段階の相対湿度にした。ここでは相対湿度および温度を、各半セル中の相対湿度および熱電対プローブから得られた2つの値の平均として、記録した。
全抵抗値の重要な部分である場合がある接触抵抗の影響を除去するために、如何なる与えられた温度/相対湿度条件でも、抵抗は3つの異なった厚さのサンプルについて測定した。これらの抵抗を厚さの関数としてプロットし、回帰直線をそのデータへ適合し、そして外挿した厚さゼロの抵抗値をそのサンプルの接触抵抗として使用した。そして、真のサンプル抵抗を得るために測定された抵抗からこの値を引き算した。高温イオン伝導度を下式から計算した。
ここで、Lは装置に置かれる前に測定されたサンプルの厚さであり、Aは電極リードと接触するサンプルの面積、すなわち、二乗して4で割られた直径をπ倍したものであり、Rは厚さゼロの外挿から決定した接触抵抗を差し引いた測定抵抗である。
以下の実施例は、本発明の化合物およびそれらを作る方法を説明することを意図するものであり、制限することを意図するものではない。
(実施例1)
1650グラムの脱イオン水、50グラムの20重量%アンモニウムパーフルオロオクタノエート(パーフルオロオクタン酸のアンモニウム塩)水溶液、および82.5重量%のCF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2S02Fモノマーならびに17.5重量%のフルオリナート(Fluorinert)FC−77(3Mによって製造されたパーフルオロ化炭化水素)の194グラムを含む混合物の前混合および均質化によって、水系ミニエマルジョンを調製した。ミニエマルジョンは、マイクロフルーイダイザーの均質化モジュールを使用して形成した。約40psiの圧縮空気を使用するエアモータが均質化モジュールを通して混合物を送った。全体の混合物が均質化モジュールを6回通された。最終混合物は非常に淡い青色の半透明の水系ミニエマルジョンであった。次に、水系ミニエマルジョンを4リットルの反応槽に添加した。それから、反応槽を3回開けて、その都度、テトラフルオロエチレンガスによってパージした。水溶液の酸素含量は、テトラフルオロエチレンガスを入れる直前、約20ppmであった。
1650グラムの脱イオン水、50グラムの20重量%アンモニウムパーフルオロオクタノエート(パーフルオロオクタン酸のアンモニウム塩)水溶液、および82.5重量%のCF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2S02Fモノマーならびに17.5重量%のフルオリナート(Fluorinert)FC−77(3Mによって製造されたパーフルオロ化炭化水素)の194グラムを含む混合物の前混合および均質化によって、水系ミニエマルジョンを調製した。ミニエマルジョンは、マイクロフルーイダイザーの均質化モジュールを使用して形成した。約40psiの圧縮空気を使用するエアモータが均質化モジュールを通して混合物を送った。全体の混合物が均質化モジュールを6回通された。最終混合物は非常に淡い青色の半透明の水系ミニエマルジョンであった。次に、水系ミニエマルジョンを4リットルの反応槽に添加した。それから、反応槽を3回開けて、その都度、テトラフルオロエチレンガスによってパージした。水溶液の酸素含量は、テトラフルオロエチレンガスを入れる直前、約20ppmであった。
反応槽の撹拌速度は反応全体を通して700rpmに設定した。水系ミニエマルジョンをジャケットから約83℃の温度に加熱した。次に、テトラフルオロエチレンガスを加圧反応槽に導入し、圧力を約0.87MPaに上げた。400mlの脱イオン水にあらかじめ溶解した約0.1グラムのアンモニウムパーサルフェイトを反応槽にポンプで送って反応を開始した。反応温度は重合全体を通して82〜84℃に維持した。テトラフルオロエチレンの圧力は、約4分の最初の反応時間の間大体この初期値に維持した。テトラフルオロエチレンの供給を止め、そして反応槽へのテトラフルオロエチレンの更なる投入なしで反応を続けた。反応圧力は次の172分間の過程中に初期の約0.87MPaから0.2MPaまで徐々に落ちた。次に、反応温度を50℃未満に下げ、そして反応系を大気に開放した。反応はコポリマーの水系分散液を2333g生じた。沈殿および単離によって得られたコポリマーの総重量%は5.4%であった。平均コロイド粒子径は約131nmであった。
(実施例2〜5)
実施例1のそれに類似の手順を用いてポリマーの水系ミニエマルジョンを調製した。しかし、重合は30リットル反応槽中で行なった。幾つかの反応は表1に示したように異なった反応温度および反応圧力で行なった。特に、14900グラムの脱イオン水、375グラムの20重量%アンモニウムパーフルオロオクタノエート(パーフルオロオクタン酸のアンモニウム塩)水溶液、1200グラムのCF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2S02Fモノマーおよび300グラムのフルオリナートFC−77(3Mによって製造されたパーフルオロ化炭化水素)前混合することによって、水系エマルジョンを調製した。実施例1の記載と同じ手順を用いて、この混合物を均質化してミニエマルジョンを形成した。次に、水系ミニエマルジョンを30リットルの加圧反応槽に添加した。それから、反応槽を3回開けて、その都度、テトラフルオロエチレンガスによってパージした。水溶液の酸素含量は、テトラフルオロエチレンガスを入れる直前、約20ppmであった。
実施例1のそれに類似の手順を用いてポリマーの水系ミニエマルジョンを調製した。しかし、重合は30リットル反応槽中で行なった。幾つかの反応は表1に示したように異なった反応温度および反応圧力で行なった。特に、14900グラムの脱イオン水、375グラムの20重量%アンモニウムパーフルオロオクタノエート(パーフルオロオクタン酸のアンモニウム塩)水溶液、1200グラムのCF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2S02Fモノマーおよび300グラムのフルオリナートFC−77(3Mによって製造されたパーフルオロ化炭化水素)前混合することによって、水系エマルジョンを調製した。実施例1の記載と同じ手順を用いて、この混合物を均質化してミニエマルジョンを形成した。次に、水系ミニエマルジョンを30リットルの加圧反応槽に添加した。それから、反応槽を3回開けて、その都度、テトラフルオロエチレンガスによってパージした。水溶液の酸素含量は、テトラフルオロエチレンガスを入れる直前、約20ppmであった。
反応槽の撹拌速度は反応全体を通して500rpmに設定した。水系ミニエマルジョンをジャケットから約83℃の温度に加熱した。次に、テトラフルオロエチレンガスを加圧反応槽に導入し、圧力を概ね表1に初期反応圧力として示した値に上げた。約0.6グラムのアンモニウムパーサルフェイトを100mlの脱イオン水に前溶解し、400mlの追加脱イオン水を添加し、そして反応槽にポンプで送って反応を開始した。反応温度は重合全体を通して82〜84℃に維持した。テトラフルオロエチレンの圧力は、表1に示した第1反応時間の間大体この初期値に維持した。テトラフルオロエチレンの供給を止め、そして反応槽へのテトラフルオロエチレンの更なる投入なしで反応を続けた。反応圧力は、表1に示した第2反応時間中に表1に示した概ねの初期圧力から表1に示した概ねの最終圧力まで徐々に落ちた。次に、反応温度を50℃未満に下げ、そして反応系を大気に開放した。反応はポリマーの水系分散体を生成し、各々は表1に示したように、分散体の総重量、分散体中のポリマーの重量%および平均コロイド粒子径によって特徴付けられた。
上述のテスト手順を用いて、実施例1〜5の当量重量、水和度および4点伝導度を測定した(表2)。比較例中で以下に記載したような従来技術の対応する当量重量よりも、伝導度は実質的に高く、水和度は低い。さらに、実施例2および比較例Aの高温伝導度を2つの異なった温度および相対湿度範囲で評価した。再び、本発明材料の伝導度は、表3に示したように、すべての温度および相対湿度でかなり高い。
(比較例A)
デェポン社からナフィオン112膜を購入した。当量重量および水和を測定するために、受け取ったまま試験した。伝導度は、1つのフィルム片について30および60分での2回の測定を機械方向で行ない、そして90分での3回目の測定を2つ目のフィルム片の横方向で行なったことを除いて、上述したように試験した。先行文献(例えば、G. Blumenthal, M. Cappadonia, M. Lehmanの「方向、温度および相対湿度の関数としてのナフィオン膜のプロトン輸送の研究(Investigation of the Proton Transport in Nafion Membranes as a Function of Direction, Temperature and Relative Humidity)」、アイオニクス、2巻、102〜106頁(1996))から予想されるように、2つの方向の伝導度間に大きな差は観察されなかった。室温イオン伝導度を上述したように測定し、そして報告した伝導度はこれら3つの測定値の平均(表2)である。高温イオン伝導度を、GDM上にブラシで塗布したアイオノマーが上述したものの代わりにナフィオン1100であったことを除いて、上述した通り測定した。伝導度および水和の結果は、この市販材料についての文献(例えば、T. Zawodinski, C. Derouin, S. Radzinski, R. Sherman, V. Smith, T. Springer および S. Gottesfeld、電気化学協会誌(Journal of the Electrochemical Society)、140巻、第4号、1041〜1047頁(1993))で広く報告されているものと一致しており、測定手法が満足できることを確認した。
デェポン社からナフィオン112膜を購入した。当量重量および水和を測定するために、受け取ったまま試験した。伝導度は、1つのフィルム片について30および60分での2回の測定を機械方向で行ない、そして90分での3回目の測定を2つ目のフィルム片の横方向で行なったことを除いて、上述したように試験した。先行文献(例えば、G. Blumenthal, M. Cappadonia, M. Lehmanの「方向、温度および相対湿度の関数としてのナフィオン膜のプロトン輸送の研究(Investigation of the Proton Transport in Nafion Membranes as a Function of Direction, Temperature and Relative Humidity)」、アイオニクス、2巻、102〜106頁(1996))から予想されるように、2つの方向の伝導度間に大きな差は観察されなかった。室温イオン伝導度を上述したように測定し、そして報告した伝導度はこれら3つの測定値の平均(表2)である。高温イオン伝導度を、GDM上にブラシで塗布したアイオノマーが上述したものの代わりにナフィオン1100であったことを除いて、上述した通り測定した。伝導度および水和の結果は、この市販材料についての文献(例えば、T. Zawodinski, C. Derouin, S. Radzinski, R. Sherman, V. Smith, T. Springer および S. Gottesfeld、電気化学協会誌(Journal of the Electrochemical Society)、140巻、第4号、1041〜1047頁(1993))で広く報告されているものと一致しており、測定手法が満足できることを確認した。
(比較例B〜F)
当量重量1100、980、834、および785について、国際公開第WO00/52060号パンフレットの表1からのデータをそのまま比較例B、C、D、およびEとしてそれぞれ報告する。表1の比較例Fは、国際公開第WO00/52060号パンフレットの発明実施例9からのデータをそのまま報告する。国際公開第WO00/52060号パンフレットで報告された伝導度と水摂取量は、本明細書で使用したものと同じ手順を本質的に用いて得られており、したがってそのデータは実施例1〜5と直接比較できる。
当量重量1100、980、834、および785について、国際公開第WO00/52060号パンフレットの表1からのデータをそのまま比較例B、C、D、およびEとしてそれぞれ報告する。表1の比較例Fは、国際公開第WO00/52060号パンフレットの発明実施例9からのデータをそのまま報告する。国際公開第WO00/52060号パンフレットで報告された伝導度と水摂取量は、本明細書で使用したものと同じ手順を本質的に用いて得られており、したがってそのデータは実施例1〜5と直接比較できる。
図3および図4の中でそれぞれ伝導度および水和について、表1に示したデータをグラフにした。データおよび図4のプロットによって示されるように、約700〜約900の当量重量を有する本発明例に関する水和値は約50%未満である。約700未満の当量重量を有する本発明例については、水和値が約120%である。比較例に示された比較可能な当量重量について、本発明例の水和度が著しく低い。したがって、例えば燃料電池において、本発明例のアイオノマーは高温または低湿度運転に非常に良く適している。
(実施例6および比較例G)
実施例5のアイオノマーを使用して膜電極アセンブリ(MEA)を作製し、ここでは実施例6と呼んだ。また、従来技術を使用した対応する比較例である比較例Gも比較のために準備した。実施例7のMEAを試験用に以下の通り作製した。加水分解し、そして酸型にしたアイオノマーを先ずエタノールに溶解して、10%のアイオノマーを含有する溶液を形成した。次に、バハール(Bahar)等の米国特許第RE37,307号明細書の教示にしたがって、この溶液を厚さ22.5μmのePTFE支持体に含浸した。ePTFEを10インチの刺繍用フープに固定した。アイオノマー溶液をePTFEの両側に塗布し、次にヘアドライヤで乾燥して、溶剤を除去した。塗布および乾燥工程をもう2回繰り返した。それから、ePTFEと刺繍用フープを180℃の溶剤オーブンに8分間置いた。その後、サンプルを取り出し、室温に冷やした。アイオノマー溶液の被覆をもう1回両側に塗布した。サンプルを180℃のオーブンへ8分間戻した。それから、サンプルをオーブンから取り出し、刺繍フープから取りはずした。ePTFE/アイオノマー複合膜は透明であり、支持体へのアイオノマーによる実質的に完全な含浸を示した。
実施例5のアイオノマーを使用して膜電極アセンブリ(MEA)を作製し、ここでは実施例6と呼んだ。また、従来技術を使用した対応する比較例である比較例Gも比較のために準備した。実施例7のMEAを試験用に以下の通り作製した。加水分解し、そして酸型にしたアイオノマーを先ずエタノールに溶解して、10%のアイオノマーを含有する溶液を形成した。次に、バハール(Bahar)等の米国特許第RE37,307号明細書の教示にしたがって、この溶液を厚さ22.5μmのePTFE支持体に含浸した。ePTFEを10インチの刺繍用フープに固定した。アイオノマー溶液をePTFEの両側に塗布し、次にヘアドライヤで乾燥して、溶剤を除去した。塗布および乾燥工程をもう2回繰り返した。それから、ePTFEと刺繍用フープを180℃の溶剤オーブンに8分間置いた。その後、サンプルを取り出し、室温に冷やした。アイオノマー溶液の被覆をもう1回両側に塗布した。サンプルを180℃のオーブンへ8分間戻した。それから、サンプルをオーブンから取り出し、刺繍フープから取りはずした。ePTFE/アイオノマー複合膜は透明であり、支持体へのアイオノマーによる実質的に完全な含浸を示した。
プリメア(Primea(商標))5510(ジャパンゴアテックス社(Japan Gore-Tex Inc., Japan)から入手可能)の名称のMEAの一部としてW.L.ゴア&アソシエイツ社(W. L. Gore & Associates, Inc.)から入手可能な、Ptを0.4mg/cm2含有する電極を上記複合膜の両面にラミネートした。先ず、電極を厚さ0008インチのePTFE製ボトムシートの上に置いた。次に、複合膜を電極の上に置き、そして別の電極をその膜の上に置いた。そして、厚さ0.005インチのePTFE製トップシートを電極の上に置いた。アセンブリを160℃、15トンの圧力で3分間プレスし、その後、トップおよびボトムのePTFEシートを剥き取って捨てた。
比較例Gは、W.L.ゴア&アソシエイツから市販されているPRIMEA(商標)膜電極アセンブリシリーズ5510を使用した。このアセンブリは、実施例6と同じ電極および電解質中での類似のePTFE補強材を使用した。そして、実施例6と比較例Gとの間の唯一の実質的な差は電解質中のアイオノマーであった。
2つのMEAを使用したセルは、最初にアノード側を組み立てた。燃料電池テクノロジー(Fuel Cell Technologies)から入手可能な四重蛇紋石黒鉛(quadruple serpentine graphite)製アノード流領域(燃料電池テクノロジーから入手可能な50cm2の8本ボルトの燃料電池テストハードウェアを用いた)の上面に、52.5cm2の内側窓がある厚さ0.007インチのシリコーン被覆ガラス繊維製ガスケットを先ず置いた。シリコーン被覆ガラス繊維製ガスケットの上面に、52.5cm2の内側窓がある厚さ0.0012インチのOL−12スペーサ(デュポンから入手可能なマイラーフィルム)をシリコーン被覆ガラス繊維製ガスケットの内側窓と整列させて置いた。次に、イーテック(E-Tek)から入手可能な、面積が52cm2で厚さが約0.014〜0.015インチの片面イーラート(Elat)ガス拡散媒体(GDM)を、シリコーン被覆ガラス繊維製ガスケットおよびスペーサの内側窓の内部に炭素面を上に向けて置いた。次に、45cm2の内側窓を有する厚さ0.0012インチのOL−12サブガスケットをGDMの上面に置き、その上にMEAを置いた。このガスケットはセルの作用面積を0.45cm2に減少させた。MEAの上面で上記工程を反対の順番で繰り返した。MEA「サンドイッチ」を一旦作製すると、カソード流領域(上記アノード流領域と同じ)を一番上に置いた。ボルトをクリトックス(Krytox)グリース(デュポンから入手可能)で滑らかにし、そして5インチポンドのボルト増分で各ボルトのトルクが75インチポンドに達するまでスターパターンで締めた。使用した構成要素は150〜200psiの作用面積圧縮を生じた。
使用したテストステーションはスクリブナー(Scribner)890負荷器を有するグローブテック(Globe Tech)のガスユニットであった。3リットルの調湿ボトルをアノードおよびカソードに使用し、そしてセルに入るすべての配管をヒートトレースした(それらの長さに沿って加熱される)。セルを一旦テストステーションに接続すると、燃料ガスが適用された(アノード上に1.3化学量論量の水素とカソード上に2.0化学量論量の空気)。次に、セルを60℃に設定し、そしてアノードおよびカソードボトルの両方も同様に60℃に設定した。バックプレッシャーを両側で0psigに保った。温度が一旦それぞれの設定点に達すると、自動サイクルプログラムが作動して、セルを「ブレークイン」した。このサイクルプログラムのための条件を表3に示した。
表3のサイクルの終了に続いて、80℃のセル温度、83℃のアノード調湿温度、51℃のカソード調湿温度、および7psigのアノードおよびカソード両方でのバックプレッシャーにセルを設定した。これは、アノード加湿器の効率が65%であり、カソード加湿器の効率が85%であると仮定して、75%のアノード入口相対湿度(RH)および25%のカソード入口相対湿度を生じた。一旦、温度と圧力がそれぞれの設定点に達したら、自動「感度プロトコル」が各種湿度でMEAの試験を開始した。「感度プロトコル」はMEAが湿度条件を変えることにどのように応じるかを決定するように設計されたプログラムである。それは、比較的乾燥した状態でのセル運転の影響を示すように特に設計されている。
表4に示したプロトコルに従った。表4の湿度条件の各設定のために、セルを800mA/cm2の一定電流密度で2時間運転した。この間の電圧を記録し、そしてこの2時間の電圧−時間データの平均を計算して記録した。2時間の一定電流保持に続いて、分極曲線を記録した(ここでは報告されていない)。次の電流密度、即ち0.8、1.0、1.2、1.4A/cm2の連続した段階にしたがって、10または20分(乾燥したカソード状態のために、より長い時間)後に定常状態電圧を測定することによって、分極曲線を得た。次に、電流密度を0.8A/cm2にして、開路電圧(即ち、セルに全く負荷が適用されない)を1.5分後に測定した。それから、0.6、0.4、0.2A/cm2の連続した段階にしたがって、10または20分(乾燥したカソード状態のために、より長い時間)後に定常状態電圧を測定することによって、残りの分極曲線を得た。最後に、0.1A/cm2で5または13分(乾燥したカソード状態のために、より長い時間)後に定常状態電圧を測定した。それから、次の相対湿度の条件を得るために、アノードおよびカソード調湿ボトルの温度を表4に示した次の条件に変えた。800mA/cm2の一定電流を適用して、前記と同様に、電圧−時間データを記録し、平均電圧を計算し、そして分極曲線を取った。表4に示したプロトコルにおける各工程でこの手順を繰り返した。
乾燥条件、例えば表4の工程3,4および5のもとで試験した場合、本発明のアイオノマーから作製したセルについて観測された平均電圧は、例えば比較例Gなどの既知アイオノマーを使用する、以前に入手可能な電圧よりもかなり大きい。より乾燥した条件のもとで本発明を使用することで得られた劇的な改良は、アイオノマーが電解質の一部を構成する場合の当該アイオノマーの有用性を実証する。
Claims (92)
- 付加されたペンダント基を有する実質的にフッ素化された主鎖を含んでなるフッ素化アイオノマーであって、該ペンダント基が下式によって表わされ、
該アイオノマーが約600と約950との間の当量重量を有し、そして該アイオノマーからなる酸型の膜に基づいて測定された際に、該アイオノマーが約0.13S/cmよりも大きい室温イオン伝導度を有するフッ素化アイオノマー。 - aが0に等しく、bが1に等しく、nが1に等しく、RfおよびRf’が両者ともフッ素であり、そしてYがSO3Z、SO2N(R1R1’)、SO2NR1SO2R2、CO2Z、PO(OR1)2(ここでZはH、またはアンモニウムイオン、金属イオンもしくは有機アンモニウムイオンの任意の組み合わせであり、R1およびR1’は独立にH、炭素原子数が1〜10であるアルキル基、または炭素原子数が1〜10である部分的にフッ素化されたアルキル基からなる群から選ばれ、そしてR2は炭素原子数が1〜8であるパーフルオロ化アルキル鎖、または上記に定義されたYによって終わるパーフルオロアルキル基である)からなる群から選ばれる請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- YがSO3Hである請求項2に記載のフッ素化アイオノマー。
- aが0に等しく、bが1に等しく、nが1に等しく、RfおよびRf’が両者ともFであり、そしてYがSO2W(ここでWはF、Cl、またはBrからなる群から選ばれる)およびCOOR(ここでRは炭素原子数が1〜20であるアルキル基である)からなる群から選ばれる請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- YがSO2Fである請求項4のフッ素化アイオノマー。
- 該当量重量が約900である請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- 該当量重量が約850である請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- 該当量重量が約800である請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- 該当量重量が約750である請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- 該当量重量が約700である請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- 該当量重量が約650である請求項1に記載のフッ素化アイオノマー。
- a)脱イオン水、パーフルオロ化界面活性剤(必要に応じて水溶液中に溶解されている)、分子量2000未満の液体パーフルオロ化炭化水素およびアイオノマー形成モノマーからなる混合物のミニエマルジョンを形成すること、b)該エマルジョンを撹拌された反応器中で少なくとも1種の実質的にフッ素化されたアルケンガスによって加圧すること、c)該反応器中でフリーラジカル開始剤によって重合を開始すること、d)実質的にフッ素化されたアルケンガスの既知圧力を一定期間維持すること、およびe)該フッ素化ポリマーを回収することの各工程を含んでなるフッ素化ポリマーの製造方法。
- 実質的にフッ素化されたアルケンがテトラフルオロエチレンである請求項12の方法。
- パーフルオロ化界面活性剤がアンモニウムパーフルオロオクタノエートである請求項13の方法。
- アイオノマー形成モノマーが式CF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2−SO2Fを有する請求項14の方法。
- 開始剤がアンモニウムパーサルフェイトである請求項15の方法。
- 水溶液中のアンモニウムパーフルオロオクタノエートの濃度が約0.5重量%未満であり、アイオノマー形成モノマーの濃度が約10重量%未満であり、分子量2000未満の液体炭化水素の濃度が約5重量%未満であり、そしてアンモニウムパーサルフェイトの濃度が約0.01重量%未満である請求項16の方法。
- a)脱イオン水、パーフルオロ化界面活性剤(必要に応じて水溶液中に溶解されている)、分子量2000未満の液体パーフルオロ化炭化水素およびアイオノマー形成モノマーからなる混合物のミニエマルジョンを形成すること、b)該エマルジョンを撹拌された反応器中で少なくとも1種の実質的にフッ素化されたアルケンガスによって加圧すること、c)該反応器中でフリーラジカル開始剤によって重合を開始すること、およびd)実質的にフッ素化されたアルケンガスの既知圧力を一定期間維持することの各工程を含んでなる方法によって製造された製品。
- 該製品が約600と約950との間の当量重量を有し、そして該製品から作製されて室温で水和された膜の酸型のイオン伝導度が室温で約0.13S/cmより大きい請求項18の製品。
- 請求項1のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項2のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項3のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項4のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項5のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項1のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項2のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項3のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項4のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項5のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項25に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項25に記載の膜。
- 請求項25の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項26に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項26に記載の膜。
- 請求項26の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項27に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項27に記載の膜。
- 請求項27の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項28に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項28に記載の膜。
- 請求項28の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項29に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項29に記載の膜。
- 請求項29の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードまたは両者のどれかが請求項1のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードまたは両者のどれかが請求項2のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードまたは両者のどれかが請求項3のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードまたは両者のどれかが請求項4のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項20の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項21の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項22の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項24の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項25の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項49の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項50の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項51の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項52の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項53の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項54の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項49の膜電極アッセンブリを含んでなる電解槽。
- 当量重量が約800であり、そして水和度が室温で約40%と約45%との間にある請求項61のフッ素化アイオノマー。
- 当量重量が約810と約860との間にあり、そして水和度が室温で約32%と約42%との間にある請求項61のフッ素化アイオノマー。
- 該水和度が室温で約120%である請求項64に記載のフッ素化アイオノマー。
- 請求項61のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項62のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項63のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 請求項64のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項61のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項62のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項63のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 多孔質支持体および該多孔質支持体内に含浸された請求項64のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項70に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項71に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項72に記載の膜。
- 該フッ素化アイオノマーが実質的に完全に該多孔質支持体に含浸している請求項73に記載の膜。
- 請求項70の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項71の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項72の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項73の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項70に記載の膜。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項71に記載の膜。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項72に記載の膜。
- 該多孔質支持体が延伸膨張ポリテトラフルオロエチレンである請求項73に記載の膜。
- アノード、カソードおよび膜を含んでなる膜電極アッセンブリであって、該アノードおよび該カソードの少なくとも一つが請求項61のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードおよび膜を含んでなる膜電極アッセンブリであって、該アノードおよび該カソードの少なくとも一つが請求項62のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードおよび膜を含んでなる膜電極アッセンブリであって、該アノードおよび該カソードの少なくとも一つが請求項63のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- アノード、カソードおよび膜を含んでなる膜電極アッセンブリであって、該アノードおよび該カソードの少なくとも一つが請求項64のフッ素化アイオノマーを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項70の膜をサンドイッチ状に挟むアノードおよびカソードを含んでなる膜電極アッセンブリ。
- 請求項90の膜電極アッセンブリを含んでなる燃料電池。
- 請求項90の膜電極アッセンブリを含んでなる電解槽。
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