JP2016532259A - 内部での架橋結合を用いて電解質膜を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
電解質膜を製造する方法は、内部に含浸させた直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を有する補強基材を準備する工程と、架橋結合されたパーフルオロ電解質ポリマー材料が前記補強基材内部に含浸された補強電解質膜を形成するように、前記補強基材内で前記直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を架橋結合する工程と、を備える。
Description
本開示は、例えばプロトン交換膜(「PEM」)型燃料電池内で使用される、高分子電解質膜および材料に関する。
燃料電池は一般に、電流を生成するために使用される。単一の燃料電池は一般に、燃料と酸化剤の間の既知の電気化学反応において電流を生成するように、アノード触媒と、カソード触媒と、アノード触媒とカソード触媒の間にある電解質とを備える。電解質は、プロトン交換膜としても知られる高分子膜とすることができる。
一般的な種類の高分子交換膜の1つは、ナフィオン(NAFION)(登録商標)(デュポン社(E. I. du Pont de Nemours and Company))などのパーフルオロスルホン酸(per−fluorinated sulfonic acid)(「PFSA」)である。PFSAは、パーフルオロ側鎖を有するパーフルオロ系炭素−炭素主鎖を有する。各側鎖は、アノード触媒とカソード触媒の間でプロトンを伝達しまたは伝導させるためのプロトン交換部位として役立つスルホン酸基を末端に備える。
PFSAポリマーのプロトン伝導性は、相対湿度(RH)および温度に関連して変化する。伝導性と水和レベルとの関係は、2つの異なるプロトン輸送機構に基づく。1つの機構は、プロトン輸送がポリマー中の水によって支援される、ビークル機構である。もう1つの機構は、プロトンがスルホン酸部位に沿って跳んで行く、ホッピング機構である。高相対湿度条件ではビークル機構が支配的であり、一方、低相対湿度条件ではホッピング機構が重要になる。
PEM型燃料電池は特に車両用途では、ラジエーターの大きさを低減し、システム構造を単純にし、システム全体の効率を向上させるために、高温(≧100℃)および低RH(≦25%RH)で作動できる必要がある。その結果、高温および低RH条件において高プロトン伝導性を有するPEM材料が必要である。
PFSAポリマーは一般に、テトラフルオロエチレン(「TFE」)とパーフルオロビニルエーテルモノマー(ナフィオン(NAFION)(登録商標)用のペルフルオロ−2−(2−フルオロスルホニルエトキシ)プロピルビニルエーテル、すなわち、「PSEPVE」)の遊離基共重合で調製される。電解質材料の伝導性の指標は、当量(equivalent weight)(「EW」)、すなわち、1モルの塩基を中和するのに必要なポリマーのグラム数である。向上したプロトン伝導性を有するPFSAポリマーを生成する方法の1つは、生成物ポリマー中のTFE含有量を低減することによってポリマーの当量を低減することである。商業的に入手可能なPFSA高分子膜(ナフィオン(NAFION)(登録商標)など)の最も一般的な当量は、約800〜約1100g/molであり、これによって、伝導性と機械的性質との均衡が保たれている。この範囲のEWを有するPFSAポリマーが必要とされているとはいえ、約750g/mol未満などといった特定のEW閾値より下で伝導性を増大させると、電解質が水溶性になり、PEM用途には適さなくなる。
パーフルオロスルホイミド(sulfonimide)(SI)酸(CF3−SO2−NH−SO2−CF3など)は、PEM型燃料電池用途のための、強酸性、優れた化学的および電気化学的安定性などを含む好ましい性質を示す。TFEとSI含有パーフルオロビニルエーテルモノマーの共重合により調製された直鎖状パーフルオロスルホイミドポリマー(「PFSI」)は、DesMarteauらによって最初に報告された(米国特許第5,463,005号)。PEM用途のための、1175〜1261g/molの範囲のEWを有するこのような種類の直鎖状PFSIポリマーは、Creagerらによっても報告された(Polymeric materials: science and engineering−WASHINGTON−80,1999:600)。2つのSI基を含有するパーフルオロビニルエーテルモノマーも合成され、そして対応する、1175g/molのEWを有する直鎖状PFSIポリマーが調製され、PEM型燃料電池作動条件において高い熱的および化学的安定性を有することが示された(Zhou,Ph.D.学位論文2002、Clemson大学)。PFSIポリマー中のTFE含有量を低減することは、生成物ポリマーのプロトン伝導性を増大させる効率的な方法である。970g/molと同じくらい低いEWを有する直鎖状PFSIポリマーが、文献に報告された(Xue,論文1996、Clemson大学)。しかしながら、よりいっそう低いEWを有するこのような種類の直鎖状PFSIポリマーは、遊離基共重合で合成するのが困難であり、また特定のEW閾値より下でポリマーが水溶性になる。
PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)の化学修飾によって計算された約1040のEWを有するPFSIポリマーの調製が、日本国特許(公開第2002−212234号)において報告された。さらに、より効率的な化学修飾プロセスが、Hamrockらによって報告された(公開第WO2011/129967号)。このプロセスでは、直鎖状PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)をアセトニトリル(「ACN」)中でアンモニアで処理して、−SO2−F基をスルホンアミド(−SO2−NH2)基に変換し、次いで、二フッ化パーフルオロジスルホニル化合物(F−SO2−(CF2)3−SO2−Fなど)と反応させて、最終生成物における−SI−(CF2)3−SO3Hに変換した。約800g/molのEWを有する3MのPFSA樹脂(−SO2−F形態のもの)で開始することによって、約625g/molと同じくらい低いEWを有する非水溶性ポリマー電解質が報告された。しかしながら、よりいっそう低いEW(<625g/mol)を有するポリマー電解質は、結果として水溶性ポリマーとなっており、従って、PEM用途には適さない。
架橋結合は、ポリマーが水溶媒および有機溶媒に可溶性となるのを防止するのに有効な戦略として知られている。この戦略は、機械的強度を向上させることが知られている。架橋結合PFSAポリマーは、架橋結合部位としてスルホイミド酸(−SO2−NH−SO2−)を形成するように、フッ化スルホニル(−SO2−F)基とスルホンアミド(N2H−SO2−)基のカップリング反応によって達成可能である。結果として得られたスルホイミド基もプロトン伝導部位として働く。
Uematsuら(Journal of Fluorine Chemistry 127(2006)1087−1095)は、TFEと、PSEPVEと、スルホンアミド含有パーフルオロビニルエーテルモノマーとのターポリマー中のフッ化スルホニル基とスルホンアミド基をカップリングさせるように、熱処理(270℃)を用いることを報告した。ポリマーマトリックスの機械的強度の向上が、当量の低減なしで示された。
Hamrockら(米国特許出願公開第2009/041614号、第2006/0160958号、第2005/0113528号、米国特許第7060756号、欧州特許第1690314号)は、ポリマーマトリックス中に芳香族スルホン含有架橋結合を生成するように、PFSAポリマー(−SO2−Fおよび/または−SO2−Cl形態のもの)と反応する芳香族架橋結合剤を用いることを提案した。提案された反応条件は、高温(160℃以上)で触媒としてルイス酸を用いる熱処理を含む。提案された生成物ポリマーは、900g/molより低いEWを有し得る。より低いEW(≦700g/mol)の架橋結合ポリマー生成物は、これらの特許の中では言及されなかった。また、ポリマーマトリックス中への芳香環構造の導入は、化学的安定性を損なっており、PEM型燃料電池内の高酸性および高酸化性の条件における生成物ポリマー膜の耐久性の低下になり得た。
より低いEWの架橋結合電解質材料は、向上した機械的強度およびより高い伝導性を提供するが、完全な架橋結合ポリマー、例えばゴムは、さらに変形可能ではなく、架橋結合電解質材料から自立型の電解質膜を作成する実行可能性が制限されており、それは、多孔質マット補強電解質膜を製造する際の課題にさえなっている。
電解質膜を製造する実施例の方法は、内部に含浸させた直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を有する補強基材を準備する工程と、架橋結合されたパーフルオロ電解質ポリマー材料が前記補強基材内部に含浸された補強電解質膜を形成するように、前記補強基材内で前記直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を架橋結合する工程と、を備える。
開示された実施例のプロトン交換ポリマー材料は、アイオノマーとしても知られているが、PEM型燃料電池、またはプロトン交換が望まれる他の用途のための、プロトン交換膜として使用可能である。プロトン交換ポリマー材料は、機械的補強膜を提供するように、多孔質または繊維質マットなどの補強基材内へ組み込み可能である。前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、基材内へアイオノマーを流入させるために高温を使用すると、代わりに、結果としてアイオノマーおよび補強基材の化学的分解になるので、補強基材へ容易に浸透させることができない。さらに、架橋結合されたアイオノマーが基材内に浸透する程度まで、収率は低くなり、結果として膜内に望ましくない空隙が生じ得る。しかしながら、本明細書に記載される方法は、直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を補強基材内へ浸透させ、次いで、基材内でポリマー樹脂を架橋結合する。直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂は、基材内へより容易に浸透させることができ、従って、より高い収率およびより少ない空隙が期待される。
補強電解質膜を製造する実施例の方法は、内部に含浸させた直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を有する補強基材を準備する工程と、架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料が前記補強基材内部に含浸された補強電解質膜を形成するように、前記補強基材内で前記直鎖状パーフルオロ電解質ポリマー樹脂を架橋結合する工程と、を備える。理解されるように、開示された工程は、所望の膜を生成するのに適切な他の処理工程と組み合わせて使用できる。
一実施例では、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、750g/mol以下の当量を有する。さらなる実施例では、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、パーフルオロスルホイミドポリマーを含む。さらなる実施例では、前記補強基材は、ポリテトラフルオロエチレン(「PTFE」)、ポリエチレン、またはポリ二フッ化ビニリデン(「PVDF」)の多孔質または繊維質マットなどの多孔質基材である。
さらなる実施例では、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、パーフルオロ系炭素−炭素主鎖と、エーテル結合を介してパーフルオロ系炭素−炭素主鎖から延在するパーフルオロ側鎖とを含む。前記パーフルオロ側鎖は、1つまたは複数のスルホイミド(SI)基、−SO2−NH−SO2−を有する。
実施例において、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、−(CF2−CF2)N−CF2−CF(−O−RA−RB)−の構造を有しており、−(CF2−CF2)N−CF2−CF−は、ポリマー主鎖を示し、Nは平均で、0以上であり、−O−RA−RBは、主鎖から延在する側鎖を示し、RAは、直鎖状または枝分れパーフルオロ鎖であり、一般構造、−CXF2XOY−を含み、Xは、2以上であり、Yは、0以上である。RBは、直鎖状または枝分れパーフルオロ鎖であり、1つまたは複数のSI基を含み、−CF3基または−SO3H基を末端に備えるか、異なる側鎖中の別のRAに共有結合する。
実施例において、主鎖から延在する側鎖は、架橋結合鎖を有するが、末端蓋付き(end−capped)鎖も有し得る。末端蓋付き鎖は、少なくとも1つのSI基、−SO2−NH−SO2−を有することができ、また、2〜5のSI基または、5すら超えるSI基を含むことができる。また、末端蓋付き鎖は、−CF3基または−SO3H基を末端に備えることができる。−CF3を末端に備える末端蓋付き鎖の部分は、複数のSI基を含むことができ、−SO3Hを末端に備える末端蓋付き鎖の部分は、少なくとも1つのSI基を含むことができる。架橋結合鎖は、少なくとも2つのSI基を含むことができ、同じかまたは異なるポリマー主鎖に共有結合することができる。
さらなる実施例では、パーフルオロ側鎖の20〜99%が、末端蓋付き鎖であり、側鎖の80〜1%が、架橋結合鎖である。他の実施例では、パーフルオロ側鎖の50〜99%が、末端蓋付き鎖であり、側鎖の50〜1%が、架橋結合鎖である。
一実施例では、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、以下に示す構造1を有し、Nは平均で、0以上であり、RAは、直鎖状または枝分れパーフルオロ鎖であり、一般構造、−CXF2XOY−を含み、Xは、2以上であり、Yは、0以上である。SIは、スルホイミド基である。末端蓋付き鎖および架橋結合鎖が、パーフルオロ系炭素−炭素主鎖上でランダムに生じ得ることも理解される。末端蓋付き鎖および架橋結合鎖の量は、上述したものとすることができる。
別の実施例では、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料は、以下に示す構造2を有し、Nは平均で、0以上であり、RAは、直鎖状または枝分れパーフルオロ鎖であり、一般構造、−CXF2XOY−を含み、Xは、2以上であり、Yは、0以上である。SIは、スルホイミド基であり、RC1、RC2およびRC3は、独立して−(CF2)y−(yは、1〜6である)および−(CF2)y'−O−(CF2)y'−(y’は、1〜4である)から選択され、m、m’、nおよびn’は、1以上である。係数m、m’、n、n’は、互いに同じかまたは異なるものとすることができ、zは、0以上である。末端蓋付き鎖および架橋結合鎖が、パーフルオロ系炭素−炭素主鎖上でランダムに生じ得ることも理解される。末端蓋付き鎖および架橋結合鎖の量は、上述したものとすることができる。
ユーザーは、所望のEWのプロトン交換部位を提供するように、選択された数のSI基、主鎖構造および側鎖構造を有する架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料を設計することができる。
さらなる実施例では、前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料の当量は、700未満であり、追加の実施例では、625未満とすることができる。開示された範囲は、比較的高いプロトン伝導性と、PEM型燃料電池または他の用途のために望ましい膜または電極アイオノマーに適したレオロジーとを提供する。
さらなる実施例では、方法は、直鎖状パーフルオロアイオノマー材料を補強基材内へ浸透させることを含む。これについては、方法は、2つの異なる方法のうちのいずれかを利用することができる。2つの方法は、以下により詳細に説明する。
方法I
方法Iは、上記の構造1に記載した一般化学構造を有する架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料を生成する。方法Iは一般に、4工程を含むことができ、これらの工程は以下のように簡単に要約される。
方法Iは、上記の構造1に記載した一般化学構造を有する架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料を生成する。方法Iは一般に、4工程を含むことができ、これらの工程は以下のように簡単に要約される。
(A)重合: 直鎖状PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)を生成するための遊離基重合、
(B)浸透: (A)からのポリマー樹脂を補強基材内へ含浸させ、
(C)変換: 補強基材内で、(A)からのポリマー樹脂中の−SO2−F基の一部だけをスルホンアミド基、−SO2−NH2に変換し、
(D)架橋結合: 補強基材内で、ポリマー樹脂が液体溶媒に溶解されるのでなく固体状態で処理されかつアミンが気相において触媒として使用される、固体−気体相反応において、行われる。
(B)浸透: (A)からのポリマー樹脂を補強基材内へ含浸させ、
(C)変換: 補強基材内で、(A)からのポリマー樹脂中の−SO2−F基の一部だけをスルホンアミド基、−SO2−NH2に変換し、
(D)架橋結合: 補強基材内で、ポリマー樹脂が液体溶媒に溶解されるのでなく固体状態で処理されかつアミンが気相において触媒として使用される、固体−気体相反応において、行われる。
さらなる実施例では、工程(A)の重合は、テトラフルオロエチレンと、パーフルオロビニルエーテルモノマーとの共重合を含み、パーフルオロビニルエーテルモノマーは、限定される訳ではないが、PSEPVEおよびペルフルオロ3−オキサ−4−ペンテン−フッ化スルホニル(CF2=CF−O−CF2CF2−SO2−F)を含む。生成物ポリマー樹脂中のパーフルオロビニルエーテルモノマーに対するテトラフルオロエチレンの比は、0と4の間である。
さらなる実施例では、浸透工程(B)は、溶液浸透または溶融浸透を含む。溶液浸透は、直鎖状PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)を、CF3−CHF−CHF−CF2−CF3(デュポン社(E. I. du Pont de Nemours and Company)によるVERTREL(登録商標)HFC−43−10)、パーフルオロヘキサンまたは同様の溶媒などのキャリヤー流体に溶解し、溶液を補強基材内へ流し込むことを含む。次いで、キャリヤー流体は、補強基材内に直鎖状PFSAポリマー樹脂を析出させるように蒸発などによって除去する。溶融浸透は、直鎖状PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)を補強基材上に配置し、次いで、溶融ポリマー樹脂が補強基材内へ浸透するようにポリマー樹脂の融点まで加熱することを含む。溶融浸透は、手動リールシステムによって実行することができる。PTFEマットをその両端においてガラスロッドに取り付け、デジタルヒーター上での加熱による溶融ポリマー樹脂内へ浸漬した。この連続プロセスおよび条件によって、複合膜を円滑に取り出した。
さらなる実施例では、変換工程(C)は、補強基材および直鎖状PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)をアンモニアガスに曝すことを含む。一例として、気体圧力、反応温度、および反応時間は、−SO2−F基の所望の部分がスルホンアミド基、−SO2−NH2に変換されるように、制御することができる。
工程(B)、(C)のさらなる実施例では、PSEPVEホモポリマーを高温(120〜160℃)で溶融して、多孔質PTFEマットを含浸するのに使用した。次いで、含浸マットをおよそ1時間、室温において1気圧のNH3ガスで処理して、結果としての架橋結合反応のためにポリマー中に必要な量の−SO2−NH2基を形成した。
さらなる実施例では、架橋結合工程(D)は、補強基材と、−SO2−F基および−SO2−NH2基の両方を含有する部分的に変換されたPFSAポリマー樹脂とをアミン触媒蒸気に曝すことを含む。アミン触媒は、限定される訳ではないが、トリメチルアミン(「TMA」)、トリエチルアミン(「TEA」)、N,N−ジイソプロピルエチルアミン(「DIPEA」)、およびこれらの組み合わせを含む。さらなる実施例では、架橋結合反応は、極性溶媒蒸気の存在下で実行することもできる。例えば、溶媒蒸気は、限定される訳ではないが、アセトニトリル(「ACN」)、1,4−ジオキサン、ジメチルホルムアミド(「DMF」)、N−メチル−2−ピロリドン(「NMP」)、およびこれらの組み合わせを含む。
触媒としてTMAを使用するさらなる実施例において、処理は、1週間、80〜100℃において1気圧のTMAガスで行うことができる。TEA/1,4−ジオキサンの方法では、処理は、12時間、80℃においてTEA/1,4−ジオキサン混合物蒸気(3/5体積比)中で行うことができる。TMA蒸気のみを使用する一実施例では、スルホイミド基へのスルホンアミド基の不完全な変換があった。TMA/1,4−ジオキサン混合物蒸気を使用する一実施例では、IRスペクトル中にスルホンアミド基が観察されなかった。これは、ポリマーマトリックス中のTMAの低い気体透過性に起因し得るものであり、溶媒蒸気がポリマーを膨張させ、ポリマーマトリックス中により多くのTMAを導入する。
単離された架橋結合ポリマーの収率は、以下の表1に示すようにアミド化時間に強く依存する。最大収率は約90%であった。しかしながら、得られた全ての単離された架橋結合ポリマーは、ほぼ同じ構造を有することが示された。アミド化の程度/単離収率は、異なっていたとはいえ、全ての単離された架橋結合ポリマーのIRスペクトルはほぼ同じであった。これは、十分な架橋結合構造のない低分子量および/または低EWポリマーが作成の間に除去されたことに起因し得たものである。
さらに、表1の試験1の条件を使用するPTFE複合膜調製を実行した。複合膜は、観察された260%の重量増加、105%の水吸収、および約30%の膨張(MD:32%、TD:33%)を有した。
方法II
方法IIは、上記の構造2に記載した一般化学構造を有する架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料を生成する。方法IIは一般に、4工程を含むことができ、これらの工程は以下のように簡単に要約される。
方法IIは、上記の構造2に記載した一般化学構造を有する架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料を生成する。方法IIは一般に、4工程を含むことができ、これらの工程は以下のように簡単に要約される。
(A)重合: 直鎖状PFSAポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)を生成するための遊離基重合、
(B)変換: 補強基材外で、全ての−SO2−F基をスルホンアミド基、−SO2−NH2に変換し、
(C)浸透: (B)からのポリマーと、少なくとも1つの架橋結合剤とを補強基材内へ含浸させ、
(D)架橋結合: 補強基材内で、ポリマー樹脂が液体溶媒に溶解されるのでなく固体状態で処理されかつアミンが気相において触媒として使用される、固体−気体相において、行われる。
(B)変換: 補強基材外で、全ての−SO2−F基をスルホンアミド基、−SO2−NH2に変換し、
(C)浸透: (B)からのポリマーと、少なくとも1つの架橋結合剤とを補強基材内へ含浸させ、
(D)架橋結合: 補強基材内で、ポリマー樹脂が液体溶媒に溶解されるのでなく固体状態で処理されかつアミンが気相において触媒として使用される、固体−気体相において、行われる。
さらなる実施例では、工程(B)の変換は、直鎖状ポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)をアンモニアガスに曝すことを含む。一例として、気体圧力、温度、および時間は、スルホンアミド基、−SO2−NH2への−SO2−F基の所望の変換率を提供するように、制御することができる。さらなる一実施例では、気体圧力、温度、および時間は、全ての−SO2−F基をスルホンアミド基、−SO2−NH2に完全に変換するように、制御する。
さらなる実施例では、アンモニアガスの使用によって、アミド化を、直鎖状ポリマー樹脂が液体溶媒溶液に溶解されるのでなく固体状態で処理される、無溶媒プロセスにおいて行うことができる。直鎖状ポリマー樹脂(−SO2−Fのもの)をアンモニアガスに曝す前に、ポリマー樹脂の粒径を、限定される訳ではないが、低温粉砕(cryo−grinding)を用いて低減することができる。粒径低減によって、アンモニアガスとのポリマーの接触表面積が増加し、従って、反応時間が低減し、反応収率が向上する。溶媒の除去によって、(i)溶媒との副反応による望ましくない副生成物を低減させる比較的清浄な反応と、(ii)生成物作成を簡単にすることによる生成物のより容易な収集とが提供される。以下は、溶液(溶媒)プロセスにおいても行うことができる、アンモニアガスを使用するアミド化のさらなる実施例を示す。
実施例II(B)−1(PSEPVEホモポリマーのアミド化)
PSEPVEホモポリマーでは、丸底フラスコ内に配置し、ポリマーが流れ始めるまで真空下で徐々に加熱した。次いで、フラスコの内面にホモポリマーの薄いフィルムが形成するようにフラスコを回転させた。反応フラスコを冷却し、アンモニアガスを1気圧の圧力に到達するように加えた。アンモニアガスは、反応フラスコ内で1気圧の一定の圧力を保つように時々追加した。
PSEPVEホモポリマーでは、丸底フラスコ内に配置し、ポリマーが流れ始めるまで真空下で徐々に加熱した。次いで、フラスコの内面にホモポリマーの薄いフィルムが形成するようにフラスコを回転させた。反応フラスコを冷却し、アンモニアガスを1気圧の圧力に到達するように加えた。アンモニアガスは、反応フラスコ内で1気圧の一定の圧力を保つように時々追加した。
作成では、以下の2つの方法のうちの一方を適用した。
1)生成物を乾燥ACNによって抽出し、溶媒を蒸発させ、生成物を真空下、100〜120℃において乾燥した。
2)生成物を、限定される訳でないが、酢酸エチルまたはジエチルエーテルを含む、有機溶媒に溶解し、水で洗浄した。溶液は、MgSO4上で乾燥し、溶媒を蒸発させ、生成物を真空下、100〜120℃において乾燥した。
第2の方法によって、ポリマー生成物から全てのNH4Fを除去することができた。3.5gのPSEPVEホモポリマー(7.85mmol、−SO2−F形態のもの)から開始して、84%の収率で、2.91gのポリマー生成物(−SO2−NH2形態のもの)が得られた。
実施例II(B)−2(PSEPVEホモポリマーのアミド化)
6.67gのPSEPVEホモポリマー(−SO2−F形態のもの)をフラスコに加えて、20℃において気体アンモニアを加えた。アンモニアが消費されるにつれ、3日間、圧力を15psigにおいて一定に保つように、より多くのアンモニアを加えた。NH4Fを100℃、20mTorrで除去した。結果として得られたポリマーに乾燥ACNを加え、12時間、80℃で加熱し、ポリマーを溶解した。溶液をデカントし、ACNを蒸留によって除去し、5.78gのポリマー生成物(−SO2−NH2形態のもの)を生成した。ポリマー生成物は、極性有機溶媒にかなり可溶であり、ACN中に100mg/mLの可溶性を有する。
6.67gのPSEPVEホモポリマー(−SO2−F形態のもの)をフラスコに加えて、20℃において気体アンモニアを加えた。アンモニアが消費されるにつれ、3日間、圧力を15psigにおいて一定に保つように、より多くのアンモニアを加えた。NH4Fを100℃、20mTorrで除去した。結果として得られたポリマーに乾燥ACNを加え、12時間、80℃で加熱し、ポリマーを溶解した。溶液をデカントし、ACNを蒸留によって除去し、5.78gのポリマー生成物(−SO2−NH2形態のもの)を生成した。ポリマー生成物は、極性有機溶媒にかなり可溶であり、ACN中に100mg/mLの可溶性を有する。
実施例II(B)−3(TFE−PSEPVEコポリマーのアミド化)
775の当量を有し、PSEPVEとTFEとの4.00gのコポリマーをNiオートクレーブに加え、NH3を加え、12時間、30psig、20℃に維持した。生成したNH4Fを真空蒸留によって100℃、20mTorrで除去した。150mLの乾燥ACNを2回加え、80℃に加熱し、スルホンアミドポリマー生成物を溶解した。溶液をデカントし、ACNを蒸留によって除去し、3.46gのポリマー生成物(−SO2−NH2形態のもの)を生成した。ポリマーは、極性有機溶媒に可溶であり、ACN中に10mg/mL、N−メチル−2−ピロリジノン中に25mg/mLの可溶性を有する。
775の当量を有し、PSEPVEとTFEとの4.00gのコポリマーをNiオートクレーブに加え、NH3を加え、12時間、30psig、20℃に維持した。生成したNH4Fを真空蒸留によって100℃、20mTorrで除去した。150mLの乾燥ACNを2回加え、80℃に加熱し、スルホンアミドポリマー生成物を溶解した。溶液をデカントし、ACNを蒸留によって除去し、3.46gのポリマー生成物(−SO2−NH2形態のもの)を生成した。ポリマーは、極性有機溶媒に可溶であり、ACN中に10mg/mL、N−メチル−2−ピロリジノン中に25mg/mLの可溶性を有する。
実施例II(B)−4(溶液アミド化)
TFEとPSEPVEとの6.52gの量のコポリマーを還流ペルフルオロヘキサンに溶解する。アンモニアを溶液に泡を立てて通し、室温で数時間、高い還流率を維持する。アンモニアを沸騰させて除去し、フッ化アンモニウムを含む揮発物を、50mTorrで110℃に加熱することによって全て除去する。次いで、乾燥ACNをフラスコに加え、還流するまで加熱する。ACNを用いた3回の抽出の後、5.67gの白色生成物が87%の収率で得られる。
TFEとPSEPVEとの6.52gの量のコポリマーを還流ペルフルオロヘキサンに溶解する。アンモニアを溶液に泡を立てて通し、室温で数時間、高い還流率を維持する。アンモニアを沸騰させて除去し、フッ化アンモニウムを含む揮発物を、50mTorrで110℃に加熱することによって全て除去する。次いで、乾燥ACNをフラスコに加え、還流するまで加熱する。ACNを用いた3回の抽出の後、5.67gの白色生成物が87%の収率で得られる。
さらなる実施例では、工程(C)の浸透は、溶液浸透を含む。一実施例では、溶液浸透は、工程(B)からのポリマー(−SO2−NH2形態のもの)と、少なくとも1つの架橋結合剤とをキャリヤー流体に溶解することを含む。キャリヤー流体は、ACN、1,4−ジオキサン、DMF、NMP、およびこれらの組み合わせを含むことができる。架橋結合剤は、F−SO2−Rf−SO2−F、および、任意選択的にNH2−SO2−Rf’−SO2−NH2を含むことができ、RfおよびRf’は、独立して−(CF2)n−(nは、1〜6である)または−(CF2)n'−O−(CF2)n'−(n’は、1〜4である)から選択される。さらなる実施例では、nは、n’と同じかまたは異なる。次いで、溶液を補強基材内へ流し込む。次いで、蒸発などによってキャリヤー流体を除去し、補強基材内にポリマー(−SO2−NH2形態のもの)と、架橋結合剤とを析出させる。
上述したように、方法IIにおける工程(A)の重合はまた、テトラフルオロエチレンと、限定される訳ではないが、PSEPVEおよびペルフルオロ3−オキサ−4−ペンテン−フッ化スルホニル(CF2=CF−O−CF2CF2−SO2−F)を含むパーフルオロビニルエーテルモノマーとの共重合を含む。さらなる実施例では、パーフルオロビニルエーテルモノマーに対するテトラフルオロエチレンの比は、0と4の間である。さらに、工程(D)の架橋結合はまた、補強基材内で架橋結合されたポリマー電解質を直接生成するように、ポリマー(−SO2−NH2形態のもの)と、架橋結合剤とを有する補強基材を気相アミン触媒に、任意選択的に極性溶媒蒸気の存在下で、曝すことを含む。アミン触媒および溶媒、さらには反応条件の選択は、上述したようなものである。
例示的な実施例において特徴の組み合わせを示したとはいえ、それらの全てを、本開示のさまざまな実施例の利益を実現するために、組み合わせる必要はない。すなわち、本開示の実施例に従って設計されたシステムは、図面のいずれか1つに示された特徴の全て、または図面に概略示された部分の全てを、必ずしも含まない。さらに、例示的な一実施例の選択された特徴は、他の例示的な実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。
上述の記載は、本質的に限定ではなく例示である。本開示の本質から必ずしも逸脱しない、開示された実施例に対する変形および修正が当業者には明らかとなり得る。本開示に与えられる法的保護範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによって決定できるだけである。
Claims (18)
- 電解質膜を製造する方法であって、
内部に含浸させた直鎖状パーフルオロポリマー樹脂を有する補強基材を準備する工程と、
架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料が前記補強基材内部に含浸された補強電解質膜を形成するように、前記補強基材内で前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂を架橋結合する工程と、
を備えることを特徴とする、電解質膜を製造する方法。 - 前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料が、プロトン交換酸基に関して750g/mol以下の当量を有することを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記架橋結合されたパーフルオロアイオノマー材料が、パーフルオロスルホイミドポリマーを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記補強基材が、多孔質ポリマーマットであることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記多孔質ポリマーマットが、多孔質パーフルオロポリマーマットであることを特徴とする請求項4記載の方法。
- 前記多孔質ポリマーマットが、部分的にフッ化されたポリマー多孔質マットまたは非パーフルオロポリマー多孔質マットであることを特徴とする請求項4記載の方法。
- 前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂が、パーフルオロ側鎖が取り付けられたパーフルオロ系炭素−炭素主鎖を有し、前記パーフルオロ側鎖が、−SO2−F基または−SO2−NH2基を末端に備えることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記架橋結合する工程が、含浸された直鎖状ポリマー樹脂を有する前記補強基材を触媒蒸気に曝すことを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記触媒蒸気が、トリメチルアミン、トリエチルアミン、N,N−ジイソプロピルエチルアミンおよびこれらの組み合わせから成る群より選択されるアミン蒸気であることを特徴とする請求項8記載の方法。
- 架橋結合反応収率を向上させるように、アセトニトリル、1,4−ジオキサン、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドンおよびこれらの組み合わせから成る群より選択される極性溶媒蒸気を加えることを含むことを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記準備する工程が、前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)とキャリヤー流体との溶液を前記補強基材内へ流し込み、次いで、前記補強基材内で前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂を析出させるように前記キャリヤー流体を除去することを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記準備する工程が、前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)を前記補強基材内へ溶融浸透させる工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記補強基材内で、−SO2−F基の一部を−SO2−NH2基に変換する工程をさらに含むことを特徴とする請求項11または請求項12記載の方法。
- 前記変換する工程が、含浸された直鎖状パーフルオロポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)を有する前記補強基材をアンモニアガスに曝すことを含むことを特徴とする請求項13記載の方法。
- 前記準備する工程が、前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)と、少なくとも1つの架橋結合剤と、キャリヤー流体との溶液を補強基材内へ含浸させる工程と、
次いで、補強基材内で直鎖状パーフルオロポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)と、少なくとも1つの架橋結合剤とを析出させるようにキャリヤー流体を除去する工程と、
を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記準備する工程が、前記直鎖状パーフルオロポリマー樹脂(−SO2−F形態のもの)と、少なくとも1つの架橋結合剤とを補強基材内へ溶融浸透させる工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記少なくとも1つの架橋結合剤が、F−SO2−Rf−SO2−F、NH2−SO2−Rf’−SO2−NH2およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、RfおよびRf’は、独立して−(CF2)n−(nは、1〜6である)および−(CF2)n'−O−(CF2)n'−(n’は、1〜4である)から選択されることを特徴とする請求項15または請求項16記載の方法。
- 前記含浸させる工程または前記溶融浸透させる工程が、式X/(Y+0.5Z)≧1(X、Y、Zは、変数であり、X>0、Y≧0、およびZ>0である)に従って、XモルのF−SO2−Rf−SO2−Fと、YモルのNH2−SO2−Rf−SO2−NH2と、Zモルのパーフルオロポリマー樹脂(−SO2−NH2基によって計算されたもの)とを組み合わせることを含むことを特徴とする請求項15または請求項16記載の方法。
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