JP2019519668A - イオン伝導膜 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)カソードは、以下のように作製される:
(a)30mgの銀ナノ粒子(20-40nm, ストック#45509, Alfa Aesar, マサチューセッツ州ワードヒル(Ward Hill))を0.1mlの脱イオン水(18.2メガオーム, EMD Millipore、マサチューセッツ州ビレリカ(Billerica))及び0.2mlのイソプロパノール(ストック#3032-16, Macron Fine Chemicals, Avantor Performance Materials, ペンシルヴァニア州センターバレー(Centre Valley))と混合することにより銀インクを調製する。次に、混合物を1分間超音波処理する。
(b)銀ナノ粒子インクを、2.5cm×2.5cmの面積を占めるガス拡散層(Sigracet 35 BC GDL, Ion Power Inc., デラウェア州ニューキャッスル(New Castle))上に手塗りする。
(2)アノードは、以下のように作製される:
(a)15mgのRuO2(ストック#11804, Alfa Aesar)を0.2mlの脱イオン水(18.2メガオーム, Millipore)、0.2mlのイソプロパノール(Macromon#3032-16)及び0.1mlの5%ナフィオン(Nafion)溶液(1100EW, DuPont, デラウェア州ウィルミントン(Wilmington))と混合することによりRuO2インクを調製する。
(b)RuO2インクを、2.5cm×2.5cmの面積を占めるガス拡散層(Sigracet 35 BC GDL, Ion Power)上に手塗りする。
(3)例えば流延又は押出などの従来の手段により「試験」材料の50〜300マイクロメートルの厚さの膜を作製する。
(4)銀及び酸化ルテニウム触媒が膜に面するように、膜をアノードとカソードとの間に挟む。
(5)サーペンタイン流動場を有するFuel Cell Technologies(ニューメキシコ州アルバカーキー(Albuquerque))の5cm2燃料電池ハードウェアアセンブリに膜電極アセンブリを取り付ける。
(6)セルを室温及び室圧にして、50℃で加湿された二酸化炭素を5sccmの流量でカソードに供給し、アノード側を室温及び室圧で大気に開放し、セルに3.0Vを印加し、セルを室温で30分間動作させた後、カソードアウトプットの組成を分析する。
(7)選択率は次のように計算される。
本明細書で使用される「CO2の電気化学的変換」という用語は、プロセスの任意の工程において二酸化炭素、炭酸塩又は炭酸水素塩が別の化学物質に変換される任意の電気化学的プロセスを指す。
の配位子が包含される。
の配位子が包含される。
P+(R12R13R14R15)
(式中、R12〜R15は、水素、ハライド、線状アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリール、及びそれらのポリマー、例えば本明細書に記載のビニルベンジルコポリマーからそれぞれ独立に選択される。)
の配位子が包含される。
N(R16R17R18)
の化学種を指す。
図1は、典型的にはグラファイト又はグラファイト複合材料で形成されたリジッドな流動場プレート34及び36の間に挟まれた膜電極アセンブリ32を含む燃料電池ハードウェアアセンブリ30を示す。膜電極アセンブリ32は、2つの電極、すなわちアノード44とカソード46の間に挟まれたポリマー電解質(イオン交換)膜42からなる。アノード44及びカソード46は、典型的には、例えば炭素繊維紙などの多孔質導電性シート材料から形成され、平坦な主表面を有する。電極44及び46は、電気化学的に活性になるように、膜42との界面でそれらの主表面上に配置された触媒材料の薄層を有する。
具体的実施例1は、ヘルパー膜を有する電解槽を作製する手順を例示する。具体的実施例1の実施形態は、CO2変換のために使用される初期の電気化学セルに対して改善された性能を示す。
比較例1は、「有機生成物混合物の一部としてのメタノールの選択性を与えることができ、メタノールへの二酸化炭素のファラデー収率は30%〜95%であり、残りは水素を発生する」と主張した‘583号公報の教示にしたがって構成された電解槽の定常電流及びファラデー効率を測定した。メタノールへの二酸化炭素の95%ファラデー収率、残りの水素の進化。しかし、‘583号公報は、カソードが液体フリーである場合に30%〜95%のファラデー収率を示すデータを提供していない。比較例1では、‘583号公報の教示にしたがって電池を組み立て、液体フリーカソードを用いてファラデー効率を室温で測定した。
比較例2は、ナフィオン、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)「SPEEK」、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンイミン(PEI)、CMI-7000、AMI 7001、リン酸ドープPBI又はNeosepta膜が、表1に記載した先行文献に記載されているように前処理された場合に、ヘルパー膜として機能するかどうかを決定するために行った。
この実施例の目的は、膜ドーピングの変化がCO2変換のために膜を活性化することができるかどうかを決定することであった。AMI−7001及びCMI−7000は、PSMMIM及びPSDMIMと同じポリスチレン骨格を有するが、異なるアミン基を有して、それらを活性化させることができるであろうから、AMI−7001及びCMI−7000を試験例として選択した。
具体的実施例3の目的は、ヘルパー膜の別の例を提供することである。
具体的実施例4の目的は、ピリジニウム基を有するヘルパー膜の例を提供することである。
この実施例の目的は、性能に及ぼすポリマー中のアミンの割合の効果を調べることであった。ヘルパー膜は、様々な組成のメチルイミダゾリウム−ポリ(4−ビニルベンジルクロリド−co−スチレン)クロリド(PSMIM−Cl)ポリマー溶液から作製した。
この実施例の目的は、強化されたヘルパー膜の例を提供することである。特に、メチルイミダゾリウム−ポリ(4−ビニルベンジルクロリド−co−スチレン)クロリド(PSMIM−Cl)と、ポリマーマトリックス、例えばポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリ(2,6−ジメチル−1,2−フェニレンオキシド)(PPO)、ナイロン6/6、又はポリエチレン(PE)とのブレンドから製造されたヘルパー膜が提供される。
この実施例の目的は、スチレンを含まないヘルパー膜を同定することである。特に、メチルメタクリレート(MMA)と、ブチルアクリレート(BA)と、VBCの1−メチルイミダゾール付加物とのターポリマー(これをメチルイミダゾリウム−ポリ(ビニルベンジルクロリド1−co−メチルメタクリレート−co−ブチルアクリレート)クロリド(PVMBMIM−Cl)と呼ぶ)は、ヘルパー膜であることが分かった。
開始剤として2,2’−アゾビス(2-メチルプロピオニトリル)(AIBN)を使用し、窒素ガス(S.J. Smith)保護下、トルエン中で、4−ビニルベンジルクロリド(VBC)、メチルメタクリレート(MMA)及びブチルアクリレートの反応からのポリ(VBC−co−MMA−co−BA)の合成。次に、(2)ポリ(VBC−co−MMA−co−BA)を1−メチルイミダゾールと室温で24時間以上反応させてPVMBMIM−Clポリマー溶液を得た。
この実施例の目的は、保水性を改善するために親水性材料を膜に添加することができることを示すことである。この実施例では、膜の作製中に吸湿性酸化物材料を導入して、膜における水の取り込み及び保水性を改善した。吸湿性酸化物材料としては、シリカ(SiC)、ジルコニア(ZrC)、及びチタニア(TiC)が挙げられる。この例では、ジルコニアを試験した。
この実施例の目的は、保水性を改善するために潮解性物質ZnBrを膜に添加することができることを示すことである。
この実験の目的は、ヘルパー膜が水電解槽に有用であることを示すことである。
この例は、ヘルパー膜がアルカリ膜燃料電池発電装置にも有用であることを示す。
この実施例の目的は、メチルイミダゾリウム−ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンオキシド)ブロミド(PPOMIM−Br)ポリマー溶液から作製されたヘルパー膜を提供することである。
低臭素化率のPPO−Br#14を文献(Reactive & Functional Polymers 70 (2010) 944-950)に従って合成した。詳細手順は以下のように要約することができる:NBS(2.84g,15.96mmol)(Sigma-Aldrich)及びAIBN(0.12g,0.73mmol)を、クロロベンゼン(200ml)中のPPO(2.839,24.08mmol)(Sigma-Aldrich)の溶液に加えた。混合物を、窒素保護下、125〜135℃で4〜6時間撹拌し、次に、反応混合物を過剰のメタノールに加えて生成物を沈殿させた。ろ過し、メタノールで数回洗浄した後、ポリマーを、真空下、室温で2日間以上乾燥させた。2.45gの淡黄色粉末を収集した(収率:51.14%)。PPO−Brの臭素化率は、核磁気共鳴(NMR)のメチルピーク及びメチレンピークの積分から計算した(18.3%):
この実施例の目的は、スチレンを有しないメチルイミダゾリウム−ポリ(4−ビニルベンジルクロリド膜)もヘルパー膜であるかどうかを決定することである。
この実施例の目的は、ポリ(ビニルベンジルクロリド)(PVBC)とポリベンゾイミダゾール(PBI)とのブレンドから作製されたヘルパー膜を提供することである。
この例の目的は、錫カソード触媒及び上記の表4のPBI/PSMIM−Clアニオン交換膜#6を使用することによって、電気化学装置においてCO2をギ酸に変換する手順を説明することである。
この実施例の目的は、(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウム−ポリ(4−ビニルベンジルクロリド−co−スチレン)クロリド(PSIMOH−Cl)ポリマー溶液から作製された膜がヘルパー膜であることを示すことである。
この実施例の目的は、CO2電解について、スチレン、ビニルベンジルクロリド(VBC)及びビニルベンジル−Rsのターポリマーが、ニルベンジルクロリドが無視できるスチレンとビニルベンジル−Rsのコポリマーよりも優れていることを示すことである。
コポリマーをメタノール中で沈殿させ、徹底的に洗浄し、60℃で一晩乾燥させた。
(アセトニトリル0.0840g中に0.00024g)を、窒素流の保護下で混合した。混合物を78〜80℃に加熱し、48時間撹拌して、PSTMIM/アセトニトリル溶液を得た。次に、この具体的実施例17において上で述べたように膜を作製した。
これらの結果は、コポリマー及びターポリマーの両方がヘルパー膜であるが、スチレン、ビニルベンジル−Rs及びビニルベンジル−Rxのターポリマー(Rsは正電荷を帯びた環状アミン基であり、RxはCl、OH、及びOH−と膜中のポリマーとの間の反応生成物からなる群から選ばれる少なくとも1つの要素であり、ビニルベンジル−Rx基の全質量は、膜の全質量の0.3%を超える)は、ビニルベンジル−Rx基の全質量が膜の全質量の0.3%未満であるコポリマー又はターポリマーよりも優れていることを示している。
Claims (9)
- スチレン、ビニルベンジル−Rs及びビニルベンジル−Rxのターポリマーを含むアニオン伝導性ポリマー膜であって、
Rsは正電荷を帯びた環状アミン基であり、
Rxは、Cl、OH、及びOH又はClと単純なアミン又は環状アミン以外の化学種との反応生成物からなる群から選ばれた少なくとも1つの要素であり、
前記ビニルベンジル−Rx基の全質量は前記膜の全質量の0.3%を超える、
アニオン伝導性ポリマー膜。 - 前記膜が10〜300マイクロメートルの厚さを有する、請求項1に記載のポリマー膜。
- 前記ビニルベンジル−Rx基の全質量が、前記膜の全質量の0.3%〜25%である、請求項1に記載のポリマー膜。
- 前記ビニルベンジル−Rx基の全質量が、前記膜の全質量の1%〜15%である、請求項3に記載のポリマー膜。
- 前記ビニルベンジル−Rs基の全質量が、前記膜の全質量の15%〜90%である、請求項1に記載のポリマー膜。
- 前記膜が、
(1)炭素繊維紙ガス拡散層上に6mg/cm2の銀ナノ粒子を含むカソードを作製すること;
(2)炭素繊維紙ガス拡散層上に3mg/cm2のRuO2を含むアノードを作製すること;
(3)ポリマー膜試験材料を作製すること;
(4)前記アノードと前記カソードの間に前記膜試験材料を挟むこと、前記カソード上に配置された銀ナノ粒子を有する前記カソードの面が前記膜の片面に面し、前記アノード上に配置されたRuO2を有する前記アノードの面が前記膜の反対面と面することで膜電極アセンブリが形成される;
(5)前記膜電極アセンブリを燃料電池ハードウェアアセンブリに取り付けること;
(6)前記燃料電池ハードウェアアセンブリが室温及び大気圧にある間に、50℃で加湿されたCO2の流れをカソード反応物流チャネルに導き、アノード反応物流チャネルを室温及び室圧で大気に開放したままにすること;
(7)前記アノードと前記カソードとの間の電気的接続を介して3.0Vのセル電圧を印加すること;
(8)セルを流れる電流及びカソード流チャネルの出口でのCO及びH2の濃度を測定すること;
(9)CO選択率を以下のように計算すること:
(10)前記膜の平均電流密度が少なくとも20mA/cm2(前記cm2は、触媒粒子により覆われた前記カソードガス拡散層の面積として測定され、)であり、前記CO選択率が3.0Vのセル電圧で少なくとも50%である場合に、前記膜をヘルパー膜として同定すること;
を含む試験を適用することにより同定することが可能なヘルパー膜である、請求項1に記載のポリマー膜。 - 前記正電荷を帯びた環状アミン基がイミダゾリウム又はピリジニウムである、請求項1に記載のポリマー膜。
- 前記正電荷を帯びた環状アミン基がアルキルピリジニウムである、請求項7に記載のポリマー膜。
- 前記正電荷を帯びた環状アミン基がテトラメチルイミダゾリウムである、請求項7に記載のポリマー膜。
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