JP2016017160A - 複合高分子電解質膜およびその製造方法ならびにその用途 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】下記化学式1で示される構造を含み、且つ架橋性のカルコン誘導体構造を分子中に有することを特徴とする架橋性高分子電解質。
【化1】
(Ar1はスルホン酸基、スルホン酸塩またはスルホン酸基誘導体を含む芳香族基を示す。oは1〜200の整数を示す。)
【選択図】なし
Description
2.前記カルコン誘導体構造が下記化学式2および化学式3で示される構造の少なくともいずれか一方であることを特徴とする1に記載の架橋性高分子電解質。
4.前記1〜3のいずれかに記載の架橋性高分子電解質を含み、且つ1種類以上のラジカル重合性化合物を含んでいることを特徴とする架橋性高分子電解質組成物。
5.前記組成物中の前記ラジカル重合性化合物の少なくとも1種類が、スルホン酸基もしくはホスホン酸基を有していることを特徴とする4に記載の架橋性高分子電解質組成物。
6.前記組成物中の前記ラジカル重合性化合物の少なくとも1種類が、2個以上のラジカル重合性基を有していることを特徴とする4〜5に記載の架橋性高分子電解質組成物。
7.前記化学式1のAr1は下記化学式5で表されることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の架橋性高分子電解質組成物。
9.前記多孔性基材の材質が高分子材料であることを特徴とする8に記載の複合高分子電解質膜。
10.前記複合高分子電解質膜のイオン交換容量が1.5meq/g〜6.0meq/gであることを特徴とする、8〜9のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
11.前記複合高分子電解質膜が、架橋性高分子電解質組成物を多孔性の基材の細孔中に充填後に、外部刺激を与え、該高分子電解質組成物を反応させて得られることを特徴とする8〜10のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。
12.前記8〜11のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を用いた高分子電解質膜電極接合体。
13.前記12に記載の高分子電解質膜電極接合体を用いた燃料電池。
本発明の架橋性高分子電解質は、化学式1で表される構造を有し、且つ架橋性のカルコン誘導体構造を分子中に有し、好ましくは化学式2及び/又は化学式3で示されるカルコン誘導体構造を含む架橋可能な高分子電解質である。さらに、好適には、該架橋性高分子電解質のイオン交換容量が3.0meq/gであることを特徴とする架橋性高分子電解質である。
本発明における架橋性高分子電解質は架橋性のカルコン誘導体構造を含む繰り返し単位を有していることが好ましく、特にその構造を限定されるものではないが、プロトン伝導性や耐久性の観点から化学式1で示される繰り返し構造を有し、且つ化学式2で示されるカルコン誘導体構造を含む繰り返し構造を有することが好ましい。
ここで、イオン交換容量とは、乾燥した高分子電解質膜1グラムあたりに導入されたイオン交換基量であり、値が大きいほどイオン交換基の量が多いことを示す。例えば、スルホン酸基とした場合、スルホン酸基密度(meq/g)の値として示すことができる。イオン交換容量は、キャピラリー電気泳動、元素分析、中和滴定などにより求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、中和滴定法によりイオン交換容量を求めることが好ましい。本発明のイオン交換容量は中和滴定法により測定した値を用いるが、他の方法でも大きな差はなく採用可能である。
重合時間は0.5時間〜48時間以内で行い、反応温度は室温〜溶媒の沸点までで行うことができ、特に制限されない。
アルカリ金属ハロゲン化物としては、例えば、臭化リチウム、ヨウ化ナトリウム等が挙げられ、アミン塩酸塩としては、トリメチルアミン塩酸塩、トリエチルアミン塩酸塩等が挙げられ、臭化リチウム及びトリメチルアミン塩酸塩が好ましい。使用量はポリマー中のスルホン酸エステルに対して1.1〜10当量、好ましくは2〜8当量である。
ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリオキシエチル(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドキシエチル)イソシアヌレートトリ(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートジ(メタ)アクリレート、ビス(ヒドロキシメチル)トリシクロデカンジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのエチレンオキサイドまたはプロピレンオキサイドの付加体であるジオールのジ(メタ)アクリレート、水添ビスフェノールAのエチレンオキサイドまたはプロピレンオキサイドの付加体であるジオールのジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのジグリシジルエーテルにヒドロキシ(メタ)アクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートを付加させたエポキシ(メタ)アクリレート、ポリオキシアルキレン化ビスフェノールAのジ(メタ)アクリレート、N,N‘−メチレンビスアクリルアミド、p-またはm-ジビニルベンゼン、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ジビニルスルホン、1,3,5-トリアクリロイルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジン、トリアリルイソシアヌレートなどが挙げられる。
本発明に用いられる多孔性基材の材質としては、プロトン伝導を遮断や妨害しないものであれば特に限定するものではないが、耐熱性の観点や、物理的強度の補強効果を鑑みれば、脂肪族系高分子、芳香族系高分子、または含フッ素高分子が好ましく使用される。脂肪族系高分子としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、ここで言うポリエチレンとは、ポリエチレンの結晶構造を有するエチレン系のポリマーの総称であり、例えば直鎖状高密度ポリエチレン(HDPE)や、低密度ポリエチレン(LDPE)の他に、エチレンと他のモノマーとの共重合体をも含み、具体的には、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)と称されるエチレン、α−オレフィンとの共重合体や超高分子量ポリエチレンなどを含む。またここで言うポリプロピレンはポリプロピレンの結晶構造を有するポリプロピレン系のポリマーの総称であり、一般に使用されているプロピレン系ブロック共重合体、ランダム共重合体など(これらはエチレンや1−ブテンなどとの共重合体である)を含むものである。
空隙率=100−100(W/ρ)/(L2×D)
上記式中のρは、フィルム密度を示す。ρはJIS K7112(1980)のD法の密度勾配管法にて求めた値を用いる。このときの密度勾配管用液は、エタノールと水を用いる。
本発明の複合高分子電解質膜は、架橋性高分子電解質単独、もしくは、架橋性高分子電解質組成物を多孔性の基材の細孔中に充填後に、外部刺激を与え、架橋性高分子電解質組成物を架橋反応させて得ることができる。
前記架橋性高分子電解質組成物溶液の多孔膜への含浸方法は特に限定されず、該多孔質基材と上記溶液が接触するような態様をとればよく、上記溶液を溜めた溶液槽に、該多孔質基材を浸漬した後に溶媒を除去する工程、該溶液を多孔質基材に流延塗布して含浸させる工程、該溶液を基材上に流延塗布しその後に該多孔質基材を貼り合わせて含浸させる工程などが挙げられる。
本発明における電極とは、電極材料と、その表面に形成された触媒を含む層(電極触媒層)とからなり、電極材料としては、公知の材料を用いることができる。例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料を用いることができるが、それらに限定されるものではない。カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料は、撥水処理、親水処理などの表面処理がされたものを用いることもできる。触媒には、公知の材料を用いることができる。例えば、白金、白金とルテニウムなどの合金などを挙げることができるが、それらに限定されるものではない。
触媒や触媒を坦持した粒子を含む電極触媒層には、接着剤を用いることができ、接着剤としては、プロトン伝導性を有する樹脂を用いることができる。プロトン伝導性を有する樹脂としては、ナフィオン(商品名)など公知のものを用いてもよいし、本発明の複合高分子電解質膜構成するイオン性基含有ポリマーを主成分としたものを用いてもよいし、他の炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを主成分とするものを用いてもよい。
<複合高分子電解質膜の評価方法>
以下に複合高分子電解質膜の評価方法を示す。なお評価するに際しては、特別な記載がない限り、厚みや質量を正確に測ることを目的とし、室温が20℃で相対湿度が30±5RH%にコントロールされた測定室内で評価を行った。
複合高分子電解質膜の厚みは、マイクロメーター(Mitutoyo、標準マイクロメーター)を用いて測定することにより求めた。測定は10箇所行い、その平均値を厚みとした。
サンプル30mgを切り取り、80℃で一晩減圧乾燥した。乾燥後にサンプルの重量を測定し、0.01M NaOH水溶液60ml中で2時間 攪拌した。その後、溶液を50ml取り出し、自動滴定装置(平沼産業(株)製、タイトステーション TS−980)を用いて0.02M HCl水溶液で滴定した。下記式より、IECを計算した。
イオン交換容量[meq/g]=(ブランク平均滴下量(ml)−サンプル滴下量(ml))*1.2*2/100/サンプル重量(g)
自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、50%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルしたプロトン伝導率(σ)を算出した。
σ[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
高分子電解質膜の膨潤・収縮繰り返し試験および耐久性は、以下の方法で測定した。高分子電解質膜を自作の膨潤・収縮繰り返し試験セル(有効面積約15cm2)にセットし、セル温度は85℃になるように加温した。その後、セル中に無加湿の窒素を270秒−フル加湿の窒素を30秒流すサイクルを繰り返す試験を実施した。6サイクルごとにアノード開放状態でカソード側に背圧(50kPa)を掛けることで膜の破れを確認した(背圧↓で膜破れ発生と判断)。
500サイクルまで測定し、破れがあったものは×、破れがなかったものは○と評価した。
次いで得られたポリマー(11g)、4−ヒドロキシカルコン(1.1g、4.9mmol)および炭酸カリウム(0.82g、5.9mmol)を200ml反応溶液中でNMP110ml中に溶解させ、120℃で6時間反応させた。
さらに、得られた反応溶液をそのまま500ml反応容器に移し、トリメチルアミン塩酸塩(21.1g、22.1mmol)、NMP 300mlを計量し、120℃で12時間攪拌した。反応混合物をクロロホルム200mlで洗浄し、トリメチルアミン塩酸塩の反応残渣が除去できるまでクロロホルムで繰り返し洗浄した。洗浄後、得られたポリマーを60℃で5時間減圧乾燥した。続いて300ml三角フラスコに精製したポリマー、陽イオン交換樹脂(ダウエックスモノスフィアー650C)100g、純水200gを計量し室温で12時間攪拌した。陽イオン交換樹脂をろ過により除去し、ポリマー水溶液を濃縮、乾燥し、目的物を7g合成することができた。合成したポリのイオン交換基容量は5.0meq/gであった。
合成例1で得られたポリマー100mg、ビニルスルホン酸40mg、トリアリルイソシアヌレート20mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.4gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜(サイズ:10×10cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。得られた複合膜に対して得られた複合膜に対して、室温で、加速電圧250KVの電子線を500KGy照射した。得られた架橋複合膜を純水に一晩浸漬し、その後乾燥させ、目的の複合高分子電解質膜を得た。得られた膜のIECは2.1meq/gであった。また、得られた膜を70℃、12時間、熱水中に保持したが浸漬前後での重量変化は見られず、架橋が進行していることが確認された。
下記
この溶液を、室温の雰囲気下で188μmポリエステルフィルム上にキャストし、80℃で10分、100℃で10分、130℃で10分処理した。その後、得られたフィルム状膜を、室温の純水に一晩浸漬させ、残留している溶媒を取り除いた。その後、得られた膜をろ紙に挟み、さらにガラス板で両面を挟み、荷重をかけつつ、20℃、相対湿度30%RHの室内で、2日間、放置して乾燥し、高分子電解質膜を作製した。得られた高分子電解質膜の厚みは、17μmであり、イオン交換容量は、2.1meq/gとなった。
市販のパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜であるナフィオン NR211(商品名)を用いて、比較評価した。
実施例1で作製した電解質膜に、あらかじめ作製した電極触媒層付きガス拡散層をホットプレス法により80℃、3MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んで、セル温度80℃で、アノード26%RHおよびカソード16%RHの条件で水素と酸素を供給して発電特性を評価したところ、1A/cm2の電流密度における出力電圧は0.4Vであり、燃料電池膜として良好に機能していることを確認した。
Claims (13)
- 下記化学式1で示される構造を含み、且つ架橋性のカルコン誘導体構造を分子中に有することを特徴とする架橋性高分子電解質。
- 前記カルコン誘導体構造が下記化学式2および化学式3で示される構造の少なくともいずれか一方であることを特徴とする請求項1に記載の架橋性高分子電解質。
- 前記架橋性高分子電解質のIECが3.0meq/g以上であることを特徴とする請求項1〜2に記載の架橋性高分子電解質。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の架橋性高分子電解質を含み、且つ1種類以上のラジカル重合性化合物を含んでいることを特徴とする架橋性高分子電解質組成物。
- 前記組成物中の前記ラジカル重合性化合物の少なくとも1種類が、スルホン酸基もしくはホスホン酸基を有していることを特徴とする請求項4に記載の架橋性高分子電解質組成物。
- 前記組成物中の前記ラジカル重合性化合物の少なくとも1種類が、2個以上のラジカル重合性基を有していることを特徴とする請求項4〜5に記載の架橋性高分子電解質組成物。
- 前記化学式1のAr1は下記化学式5で表されることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の架橋性高分子電解質組成物。
- 請求項4〜7のいずれかに記載の架橋性高分子電解質組成物が多孔性の基材の細孔中に充填された複合高分子電解質膜であって、該充填された架橋性高分子電解質組成物が架橋されていることを特徴とする複合高分子電解質膜。
- 前記多孔性基材の材質が高分子材料であることを特徴とする請求項8に記載の複合高分子電解質膜。
- 前記複合高分子電解質膜のイオン交換容量が1.5meq/g〜6.0meq/gであることを特徴とする、請求項8〜9のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
- 前記複合高分子電解質膜が、架橋性高分子電解質組成物を多孔性の基材の細孔中に充填後に、外部刺激を与え、該高分子電解質組成物を反応させて得られることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。
- 請求項8〜11のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を用いた高分子電解質膜電極接合体。
- 請求項12に記載の高分子電解質膜電極接合体を用いた燃料電池。
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