JP4032738B2 - Solid polymer electrolyte material, liquid composition, solid polymer fuel cell, fluoropolymer and fluoropolymer - Google Patents

Solid polymer electrolyte material, liquid composition, solid polymer fuel cell, fluoropolymer and fluoropolymer Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質材料、液状組成物、固体高分子型燃料電池及びこれらに適用できる含フッ素ポリマーに関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、高い電池特性を得られることに加え、小型軽量化が容易であることから、電気自動車等の移動車両や、小型コジェネレーションシステムの電源等としての実用化が期待されている。現在検討されている固体高分子型燃料電池は、その作動温度領域が低くその排熱を利用しにくいので、水素等のアノード反応ガス利用率及び空気等のカソード反応ガス利用率の高い作動条件下において、高い発電効率、高い出力密度を得ることのできる性能が要求されている。
【0003】
従来より、固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜と同種或いは異種のイオン交換樹脂で被覆した金属担持カーボンブラック等の触媒の微粒子を電極触媒層の構成材料として使用し、いわゆる触媒層内の反応サイトの3次元化を行なうことにより電池出力の向上が図られている。
【0004】
しかし、先に述べたような電池反応の反応速度が比較的高い作動条件のもとでは、アノードからカソードに向けて高分子電解質膜中を移動するプロトンに伴って移動する水の量と、カソードの電極反応により生成し凝縮する生成水の量とが多くなる。そのため、これらの水がカソードから外部に速やかに排出されず、カソードの触媒層内に形成された反応ガス供給用の細孔がこれらの水により閉塞されてしまう現象、いわゆるフラッディングの現象が起こり易かった。
【0005】
このようなフラッディングが起こると、触媒層の反応サイトへのカソード反応ガスの供給が妨げられ、所望の電池出力を安定的に得られなくなる。そこで、電池出力の向上を図るとともに、その出力を安定的に得るためには、電極触媒層内のイオン伝導性を低下させることなくガス拡散性及び撥水性を向上させることが必要となる。
【0006】
これに対し、触媒層内のイオン交換樹脂のイオン交換容量(以下、ARという)を小さくし触媒層内のガス拡散性及び撥水性を確保することを意図すると、イオン交換樹脂の含水率が低下することになり、イオン伝導性が低下して電池出力が低下する。更に、この場合にはイオン交換樹脂のガス透過性も低下するため、反応サイトに供給されるガスの供給が遅くなる。その結果、濃度過電圧が増大し電池出力が低下する。
【0007】
一方、触媒層に含有されるイオン交換樹脂のARを高くして、そのイオン伝導性とガス透過性を向上させることを意図するとイオン交換樹脂の含水率が増大してフラッディングが発生し易くなり、高い電池出力を安定的に得ることが困難となるという問題があった。
【0008】
そのため、特開平5−36418号公報には、撥水化剤として、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体等の含フッ素重合体等を、カソード触媒層中に含有させた固体高分子型燃料電池が提案されている。なお、本明細書中において、「A/B共重合体」とは、Aに基づく繰り返し単位とBに基づく繰り返し単位とからなる共重合体を示す。
【0009】
また、特開平7−211324号公報には、PTFEと共にフッ化ピッチをカソード触媒層中に含有させた固体高分子型燃料電池が提案されている。更に、特開平7−192738号公報には、触媒表面をフッ素化被膜によりコーティング処理し、これを用いて固体高分子型燃料電池のカソード触媒層を形成する方法が提案されている。また、特開平5−251086号公報、特開平7−134993号公報には、電極の厚さ方向に対して撥水性に勾配を持たせる方法も提案されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平5−36418号公報に記載の固体高分子型燃料電池のように触媒層中に撥水化剤を含有させると、撥水化剤の絶縁性によるカソードの電気抵抗の増大や、触媒層の層厚の増大による触媒層のガス拡散性の低下により、カソードの分極特性がかえって低くなり、電池出力を向上することができないという問題があった。また、触媒層中の撥水化剤の含有量を低減させて電池出力を高くしようとすると触媒層内の撥水性が低下し、起動から比較的短時間で電極の分極特性が低下し、更にはフラッディングが発生してしまうという問題があった。
【0011】
また、特開平7−211324号公報や特開平7−192738号公報に記載の固体高分子型燃料電池においては、触媒層に含有される触媒の表面をイオン交換樹脂により均一に被覆することは困難であるため、カソード触媒層に含有されている触媒の量に見合う十分な反応サイトを確保できず、高い電池出力を安定的に得ることができないという問題があった。更に、特開平5−251086号公報、特開平7−134993号公報に記載の固体高分子型燃料電池は、その製造工程が煩雑になるという問題があった。
【0012】
そして、上記のようなガス拡散電極の触媒層内の良好なガス拡散性及び撥水性の確保の問題は、ガス拡散電極を水や食塩の電解等の他の電気化学プロセスに応用する際にも、その分極特性を向上させてプロセスの効率を向上させる上で重要となっている。
【0013】
また、現在検討されている固体高分子型燃料電池は、作動温度領域が60〜90℃と低くその排熱が利用しにくいという課題を有している。自動車用途においては、冷却システムの小型化や燃料ガス中に含まれる一酸化炭素による触媒被毒低減のため、100℃よりも高い温度で運転できる燃料電池が求められている。
【0014】
現在、燃料電池の実用化検討には、CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)nSO3H (ただし、nは2又は3を示す)とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるパーフルオロイオン交換樹脂が主に用いられているが、軟化温度が100℃よりも低く、100℃以上の高温では強度が低下するため燃料電池を100℃以上の高温で運転するのは困難である。特に燃料電池の膜材料には100℃以上の軟化温度を有し、且つ、燃料電池の使用に耐えられる強度を有するものが求められている。
【0015】
また、アノード及びカソードの触媒層にも高分子電解質が通常含まれているが、該高分子電解質も高温運転における耐久性の観点から、軟化温度が運転温度よりも高いことが好ましい。更に、CF2=CFOCF2CF2SO3Hとテトラフルオロエチレンの共重合体は軟化温度が100℃よりも高いことが知られている(ACS Symp.Ser.(1989),Vol.395,pp370-400)が、製造コストが高く工業的に製造することが困難である。
【0016】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、イオン伝導性、撥水性及びガス透過性に優れた含フッ素ポリマー及びそれからなる固体高分子電解質材料、該固体高分子電解質材料を含む液状組成物、該固体高分子電解質材料からなる膜並びに該固体高分子電解質材料を構成材料として含むことにより高い電池出力を安定的に得ることのできる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、従来よりも高い温度で固体高分子型燃料電池の運転を可能にするため、従来よりも高い軟化温度を有する固体高分子電解質材料を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、重合体中に脂肪族環構造を有する含フッ素スルホン酸ポリマーは高いイオン伝導性を有しており、これを固体高分子型燃料電池の電極触媒層の固体高分子電解質材料として使用すると、触媒層内のイオン伝導性を十分に確保しつつ燃料電池の出力を向上させることができることを見出し、本発明に到達した。さらに、本発明者らは、前記脂肪族環構造を有する含フッ素スルホン酸ポリマーが高いイオン伝導性を有すると同時に、従来のスルホン酸ポリマーよりも高い軟化温度を有しており、固体高分子型燃料電池の高温運転に適した材料であることを見出した。
【0018】
すなわち、本発明は、ラジカル重合により主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーを与える含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位と、下記式(1)で表される含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位とを含む共重合体からなり、イオン交換容量が0.9〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂であることを特徴とする固体高分子電解質材料を提供する。
CF2=CF(RfjSO2X …(1)
ここで、式(1)中、jは0又は1を示し、Xはフッ素原子、塩素原子又はOMで表される基を示す。そして、OMで表される基のMは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234で表される基を示す。更に、NR1234で表される基のR1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示すが、好ましくは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基である。また、Rfは直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜20のポリフルオロアルキレン基であって、エーテル結合性の酸素原子が含まれていてもよい。
【0019】
なお、本明細書において、「固体高分子電解質材料」にはその前駆体も含める。即ち、式(1)に示す−SO2X基のXが前述のOMである場合の−SO3M基を分子中に有するイオン伝導性の含フッ素ポリマーに加えて、−SO3M基の前駆体となる−SO2F基又は−SO2Cl基を分子中に有する含フッ素ポリマーも固体高分子電解質材料というものとする。本発明の固体高分子電解質材料が−SO2F基又は−SO2Cl基を分子中に有する含フッ素ポリマーの場合、これに塩基の水溶液等を用いて加水分解処理をすることにより−SO3M基を分子中に有する含フッ素イオン伝導性ポリマーに変換させ固体高分子電解質材料として使用することができるようになる。
【0020】
従って、以下の説明において本発明の固体高分子電解質材料のイオン伝導性を議論する場合には、得られる固体高分子電解質材料が、式(1)に示すXにより−SO2F基又は−SO2Cl基を分子中に有する含フッ素ポリマーであるときには、これに加水分解処理を施し、−SO3M基を分子中に有する含フッ素イオン伝導性ポリマーとした場合のイオン伝導性を示すものとする。
【0021】
また、本発明において、「主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーを与える含フッ素モノマーA」とは、ラジカル重合により主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーとなるものであり、具体的には分子中に脂肪族環構造を有するモノマーと、分子中に脂肪族環構造を有していないが重合反応の進行とともに脂肪族環構造を形成する環化重合性モノマーとの2種類のタイプがある。更に、「主鎖に脂肪族環構造を有する」とは、繰り返し単位中の脂肪族環構造の炭素原子の少なくとも1つが主鎖に共有されていることをいう。
【0022】
本発明の固体高分子電解質材料は、上記の含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位を有しているためガス透過性が高くなっていると考えられる。また、−SO2X基を有する含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位を有するため、高いイオン伝導性も有する。更に、これらの繰り返し単位中の炭素鎖に結合したフッ素原子は撥水性に寄与している。そのため、本発明の固体高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池の電極触媒層の構成材料として使用すれば、触媒層内において、高いイオン伝導性と撥水性を保持しつつガス拡散性が従来よりも向上するので電池出力が向上し、然も、フラッディングの発生が効果的に防止されるので、その高い出力を安定して得ることが可能になる。
【0023】
このように、本発明の固体高分子電解質材料を電極触媒層に用いた固体高分子型燃料電池が高い出力を発現する理由は明確には解明されていないが、固体高分子電解質材料中の含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位に含まれる脂肪族環構造に起因していると考えられる。すなわち、脂肪族環構造のために固体高分子電解質材料が非晶質となることにより従来の固体高分子電解質材料よりもガス透過性が向上すると考えられる。また、本発明の固体高分子電解質材料を構成材料とする触媒層を備えたガス拡散電極、或いは本発明の固体高分子電解質材料から形成された高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池のみならず食塩電解等の電気化学プロセスにも使用できる。
【0024】
また、本発明は、上述の固体高分子電解質材料であり、かつ、含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位の末端の−SO2X基が−SO3M基である固体高分子電解質材料が、分子中に水酸基を有する有機溶媒に溶解又は分散されていることを特徴とする液状組成物を提供する。ここで、Mは式(1)に記載のMと同義である。また、前記液状組成物には水が含まれていても良く、有機溶媒の沸点が水の沸点よりも低い場合には、液状組成物に水を添加して有機溶媒を留去することにより、スルホン酸ポリマーが実質的に有機溶媒を含まない水に溶解又は分散した液状組成物を得ることもできる。
【0025】
本発明の固体高分子電解質材料のうち、−SO2X基が−SO3M基であるものは、分子中に水酸基を有する有機溶媒に溶解又は良好に分散できる。例えば、本発明の固体高分子電解質材料のうち−SO3H基を有するものを上記有機溶媒に溶解又は分散させて得られる液状組成物に、触媒の微粒子を分散させた液を使用すると、固体高分子型燃料電池の触媒層を容易に形成でき、ガス透過性に優れる触媒層を提供できる。
【0026】
更に、本発明は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質膜とを有する固体高分子型燃料電池であって、上述の電解質材料のうち含フッ素モノマーBが−SO3H基を有する固体高分子電解質材料をカソードの構成材料として含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池を提供する。
【0027】
このように、本発明の固体高分子電解質材料をカソードの触媒層の構成材料として使用する固体高分子型燃料電池が安定した高い電池出力を長期にわたり得ることが可能となるのは、カソードの触媒層内のイオン伝導率と撥水性が十分に確保されつつ酸素ガスの拡散性が向上するので、酸素濃度過電圧が低減するとともにフラッディングの発生が効果的に防止されるためであると考えられる。
【0028】
また、本発明の固体高分子電解質材料は、主鎖に脂肪族環構造を有しているので、従来のスルホン酸ポリマーよりも高い軟化温度を有し、燃料電池の高温運転に適している。
【0029】
更に、本発明は、下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマーを提供する。
【0030】
【化10】

Figure 0004032738
【0031】
ここで、式(I)及び(II)中、Rf16及びRf17は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、k’は0又は1を示し、Yは式(2)に記載のYと同義であり、Mは式(1)に記載のMと同義である。
【0032】
また、本発明は、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)に基づく繰り返し単位と、上記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマーを提供する。
【0033】
更に、本発明は、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰り返し単位と、上記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマーを提供する。
【0034】
これらの本発明の含フッ素ポリマーは、本発明の固体高分子電解質材料の中でも特にガス透過性が高くなっていると考えられるものであり、特に高いイオン伝導性も有する。更に、これらの繰り返し単位中の炭素鎖に結合したフッ素原子は撥水性に寄与している。そのため、上記の本発明の含フッ素ポリマーは、先に述べた電気化学プロセスに備えられるガス拡散電極又は高分子電解質膜の構成材料として好ましく使用することができる。また、従来のスルホン酸ポリマーよりも高い軟化温度を有し、燃料電池の高温運転に適している。
【0035】
式(I)で表される繰り返し単位と、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる含フッ素ポリマーにおいて、含フッ素ポリマー中の含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10モル%未満であると、プロトン伝導性が小さくなるので好ましくない。一方、上記の含有率が75モル%を超えると、ガス拡散性が小さくなるので好ましくない。そして、上記と同様の観点から、共重合体中の含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率は、15〜60モル%であることがより好ましい。
【0036】
更に、この含フッ素ポリマーの数平均分子量が5000未満であると、膨潤度等の物性が経時的に変化するため耐久性が不十分になる。一方、数平均分子量が5000000を超えると、溶液の調製が困難になる。そして、上記と同様の観点から、含フッ素ポリマーの数平均分子量は10000〜3000000であることがより好ましい。
【0037】
また、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)に基づく繰り返し単位と、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる含フッ素ポリマーも前述の式(I)で表される繰り返し単位を含む含フッ素ポリマーと同様にこの含フッ素ポリマー中の含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率は、10〜75モル%であることが好ましく、15〜60モル%であることがより好ましい。更に、この含フッ素ポリマーの数平均分子量も5000〜5000000であることが好ましく、10000〜3000000であることがより好ましい。
【0038】
また、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰り返し単位と、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる含フッ素ポリマーも前述の式(I)で表される繰り返し単位を含む含フッ素ポリマーと同様にこの含フッ素ポリマー中の含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率は、10〜75モル%であることが好ましく、15〜60モル%であることがより好ましい。更に、この含フッ素ポリマーの数平均分子量も5000〜5000000であることが好ましく、10000〜3000000であることがより好ましい。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を固体高分子型燃料電池に適用した場合の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0040】
本発明の固体高分子型燃料電池は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配置した構成を有している。ガス拡散電極であるカソード及びアノードは、何れもガス拡散層と、これらのガス拡散層に隣接した触媒層とからなる。ガス拡散層の構成材料としては、電子伝導性を有する多孔質体(例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー)が使用される。
【0041】
カソードの触媒層は、主として先に述べた本発明の固体高分子電解質材料(−SO3H型)と触媒とが含有されており、電池出力の向上と、その高い電池出力を安定して得ることが可能な触媒層内の良好なイオン伝導性と撥水性の確保とガス拡散性の向上が図られている。
【0042】
カソードの触媒層に含有される本発明の固体高分子電解質材料は、含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位と、含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位とを含む共重合体からなるが、含フッ素モノマーA、含フッ素モノマーBともにパーフルオロモノマーであることが好ましい。特に、含フッ素モノマーBが下記式(2)で表される化合物であることが好ましく、中でも特に式(6)で表される化合物が好ましい。
【0043】
【化11】
Figure 0004032738
【0044】
ここで、式(2)及び式(6)中、kは0〜2の整数、mは1〜12の整数、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基をそれぞれ示し、Xは前述の式(1)に記載のXと同義である。このように、含フッ素モノマーAと含フッ素モノマーBとがともにパーフルオロモノマーであると、得られる固体高分子電解質材料の撥水性及び耐久性が向上する。また、含フッ素モノマーBが式(2)で示される化合物であると、得られる固体高分子電解質材料は良好なイオン伝導性を示す。
【0045】
そして、本発明における含フッ素モノマーAとは、先に述べたように具体的には分子中に脂肪族環構造を有するモノマーと、環化重合性モノマーとの2種類のタイプがあるが、含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位が下記式(3)〜(5)の何れかで表されることが好ましい。
【0046】
【化12】
Figure 0004032738
【0047】
【化13】
Figure 0004032738
【0048】
ここで、式(3)中、p、q及びrはそれぞれ独立に0又は1を示し、Rf1及びRf2は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子、炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基の何れかを示し、Rf3は炭素数1〜3のパーフルオロアルキレン基であって、置換基として炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基を有していてもよい。
【0049】
また、式(4)中、sは0又は1を示し、Rf4、Rf5、Rf6及びRf7は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又は炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基の何れかを示し、Rf8はフッ素原子、炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基を示す。ただし、上記のRf4とRf5とは、s=0のときに連結してスピロ環を形成してもよい。
【0050】
更に、式(5)中、Rf9、Rf10、Rf11及びRf12は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又は炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基の何れかを示す。
【0051】
前述の式(3)で示される繰り返し単位の構造は、環化重合性モノマーから形成することができ、Rf3で示されるパーフルオロアルキレン基には、置換基として炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基が結合していてもよい。また、環化重合した場合、式(3)において、q=0のときr=1であり、q=1のときr=0である。当該繰り返し単位としては、具体的には、例えば、下記式(7)〜(22)に示すものが挙げられる。
【0052】
【化14】
Figure 0004032738
【0053】
【化15】
Figure 0004032738
【0054】
【化16】
Figure 0004032738
【0055】
また、前述の式(4)で示される繰り返し単位の構造は、分子中に脂肪族環構造を有するモノマーから形成することが可能である。当該繰り返し単位としては、具体的には、例えば、下記式(23)〜(32)に示すものが挙げられる。更に、式(4)で示される繰り返し単位の構造において、s=0のときRf4とRf5とにより形成されるスピロ環が4〜6員環である場合、この環を構成する元素としてエーテル性酸素原子が含まれていてもよく、この環には置換基としてパーフルオロアルキル基が結合していてもよい。このような分子中に脂肪族環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位の構造としては、例えば、下記式(33)に示すものが挙げられる。
【0056】
【化17】
Figure 0004032738
【0057】
【化18】
Figure 0004032738
【0058】
更に、前述の式(5)で示される繰り返し単位の構造も、分子中に脂肪族環構造を有するモノマーから形成することが可能である。当該繰り返し単位としては、具体的には、例えば、下記式(34)〜(36)に示すものが挙げられる。
【0059】
【化19】
Figure 0004032738
【0060】
含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位の中でも、特に式(7)、式(23)、式(24)、式(29)及び式(34)でそれぞれ表される繰り返し単位からなる群から選ばれる1種以上が好ましい。これらの繰り返し単位を固体高分子電解質材料を構成する共重合体中に導入するために原料として使用されるモノマー(含フッ素モノマーA)はそれぞれ以下のとおりである。式(7):パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、式(23):パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)、式(24):パーフルオロ(1,3−ジオキソール)、式(29):2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール、式(34):パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)。
【0061】
これらの繰り返し単位と、前述の式(6)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位とを含む共重合体からなる固体高分子電解質材料は、イオン伝導性が高く、撥水性に優れかつ酸素透過性に優れるので特に好ましい。特に、上記共重合体のうち−SO3H基を有するものを固体高分子型燃料電池のカソードの触媒層に含有させると、得られる固体高分子型燃料電池の出力を従来よりも高めることができる。
【0062】
本発明の固体高分子電解質材料の中でも、前述の式(I)で表される繰り返し単位と、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とから実質的になる共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000である含フッ素ポリマーが好ましい。また、その他には、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)に基づく繰り返し単位と、前述の式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とから実質的になる共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000である含フッ素ポリマーも好ましい。
【0063】
更に、その他には、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰り返し単位と、前述の式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とから実質的になる共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000である含フッ素ポリマーも好ましい。
【0064】
そして更に、本実施形態のように本発明の固体高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池の電解質材料として使用する場合、含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位と含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位とを含む共重合体の−SO2X基が、−SO3H基以外であるときは、酸型化処理をして−SO3H基に変換してから使用する。なお、前駆体の−SO2F基の部分の加水分解処理は、例えば、NaOHやKOH等の塩基の水溶液又は該塩基と水と水溶性有機溶媒との混合溶液を使用して−SO3Na基、−SO3K基等に変換する。これらの酸型化処理は、例えば、塩酸、硝酸や硫酸等の水溶液を使用し、−SO3H基に変換する。
【0065】
また、本発明の固体高分子電解質材料である共重合体の軟化温度は100℃以上であることが好ましい。ここで、本発明における固体高分子電解質材料の軟化温度とは、固体高分子電解質材料の動的粘弾性の評価試験において、固体高分子電解質材料の温度を室温付近から徐々に昇温させながらその弾性率を測定した場合に、固体高分子電解質材料の弾性率が急激に低下しはじめるときの温度を示す。従って、本発明における軟化温度は通常tanδの値より求めるガラス転移温度とは異なり、一般に該ガラス転移温度よりも低い温度領域で観測される温度を示す。
【0066】
この軟化温度は、具体的には熱的機械分析装置(TMA)を用い、直径1mmの石英プローブによるペネトレーション法により測定することができる。すなわち、測定する固体高分子電解質材料を溶液からキャストしてフィルムとし、このフィルムに対して石英プローブを当該フィルムの面の法線方向から接触させ、1〜10℃/minの昇温速度で温度を上昇させてフィルムに対するプローブのめり込みによりフィルムの厚みが急激に減少しはじめる温度を軟化温度として計測する。
【0067】
なお、この方法により得られる軟化温度の値が、先に述べたポリマーの弾性率の温度依存性のプロフィールに現れる急激な弾性率の低下が観測されはじめる温度の値に一致することを予め確認した。また、フィルムにかかるプローブの荷重が小さすぎる場合にはフィルムの熱膨張が観測されるが、荷重を最適化することにより支障なくフィルムの軟化温度におけるプローブのめり込みの度合いを計測することができる。
【0068】
固体高分子型燃料電池の作動温度は一般に80℃以下であるので、触媒層に含有される固体高分子電解質材料の軟化温度が100℃以上であれば、電池の作動中において触媒層中の固体高分子電解質材料の膨潤度等の物性の経時的な変化を抑制することが可能となる。そのため、電池作動中における触媒層中の固体高分子電解質材料の耐久性が向上する。また、軟化温度が100℃以上の固体高分子電解質材料をカソードの触媒層に加えて、アノードの触媒層、高分子電解質膜の材料として使用すれば、上記と同様に電池作動中におけるアノードの触媒層中の電解質材料或いは高分子電解質膜の耐久性が向上し、ひいては電池寿命を向上させることが可能となる。
【0069】
更に、この場合には、高分子電解質膜にも軟化温度が100℃以上の固体高分子電解質材料を用いることにより従来の固体高分子型燃料電池の作動温度を80℃よりも高くすることができる。これにより、電池の排熱をより有効に利用することが可能となるとともに、電池の除熱が容易となるため作動中の電池の温度制御がより容易となる。
【0070】
また、この場合には、アノード反応ガス中に含まれる一酸化炭素等による触媒被毒を軽減することが可能となり、この点においても電池寿命を向上させることが可能となる。更に、本発明の固体高分子電解質材料を固体酸触媒として使用する場合にも軟化温度を高くすることができれば反応温度を高くすることができるので、所望の反応をより高い温度領域において進行させることが可能となる。
【0071】
高い軟化温度を有し、且つ、膜としての実用強度を得るためには、前述の式(I)で表される繰り返し単位と、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位と、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位から実質的になる共重合体であって、前述の式(I)で表される繰り返し単位が5〜70モル%、好ましくは10〜60モル%、更に好ましくは20〜60モル%であり、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位が10〜85モル%、好ましくは15〜70モル%、更に好ましくは20〜60モル%であり、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が5〜40モル%、好ましくは10〜30モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000である含フッ素ポリマーが特に好適である。
【0072】
また、本発明の固体高分子電解質材料は、ARが0.5〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂(以下、meq./gとする)であることが好ましい。固体高分子電解質材料のARが0.5meq./g未満となると、固体高分子電解質材料の含水率が低下しそのイオン伝導性が低くなるので、固体高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池の電極の触媒層の構成材料として使用すると、十分な電池出力を得ることが困難になる。
【0073】
一方、固体高分子電解質材料のARが2.5meq./gを超えると、固体高分子電解質材料中のイオン交換基の密度が増大し、固体高分子電解質材料の強度が低くなり易い。また、固体高分子型燃料電池の電極の触媒層の構成材料として使用すると、含水率が高くなりすぎるために触媒層におけるガス拡散性或いは排水性が低下してフラッディングが発生し易くなる。なお、上記と同様の観点から本発明の固体高分子電解質材料のARは0.7〜2.0meq./gであることがより好ましく、0.9〜1.5meq./gであることが更に好ましい。
【0074】
更に、本発明の固体高分子電解質材料の数平均分子量は特に限定されず、用途に応じて共重合体の重合度を変化させることにより適宜設定してよいが、本実施形態のように固体高分子型燃料電池のカソードの触媒層の構成材料として使用する場合には、5000〜5000000であることが好ましく、10000〜3000000であることがより好ましい。固体高分子電解質材料の数平均分子量が5000未満であると、膨潤度等の物性が経時的に変化するため耐久性が不十分になる。一方、数平均分子量が5000000を超えると、溶液の調製が困難になる。
【0075】
また、本発明の固体高分子電解質材料中の含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位と含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位との比率(物質量比)は特に限定されず、用途に応じて適宜設定してよいが、本実施形態のように固体高分子型燃料電池のカソードの触媒層の構成材料として使用する場合には、上記ARの範囲に適合するように選定されるのが好ましい。
【0076】
また、本発明の固体高分子電解質材料には、当該固体高分子電解質材料を構成する繰り返し単位として含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位及び含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位以外の他の繰り返し単位が強度の調整等の必要に応じて含有されていてもよい。このような他の繰り返し単位を与えるモノマーは特に限定されるものではないが、例えば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニル、エチレン、下記式(37)〜(40)で表される含フッ素ビニル化合物等が挙げられる。
【0077】
なお、得られる共重合体の強度を向上させる場合、これらのモノマーの中では、重合反応に対する活性の高さと、耐久性(パーフルオロ構造)と、入手の容易さとの観点からテトラフルオロエチレンを用いることが好ましい。
CH2=CHRf13 …(37)
CH2=CHCH2f13 …(38)
【0078】
【化20】
Figure 0004032738
【0079】
CF2=CFORf14Z …(40)
【0080】
ここで、式(37)及び式(38)中、Rf13は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基を示す。また、式(39)中、aは0〜3の整数を示し、Wはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、Rf15は直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基を示す。更に、式(40)中、Rf14は直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜12のパーフルオロアルキレン基であって、エーテル結合性の酸素原子が含まれていてもよく、Zは−CN、−COORf16(Rf16は炭素数1〜6のアルキル基を示す。)又は−COFからなる群から選ばれる何れかを示す。
【0081】
また、本発明の固体高分子電解質材料について、含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位及び含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位以外に他の繰り返し単位を含有させる場合、他の繰り返し単位の含有量は、固体高分子電解質材料の用途に応じて適宜設定してよい、本実施形態のように固体高分子型燃料電池のカソードの触媒層の構成材料として使用する場合には、固体高分子電解質材料を構成する共重合体中の当該他の繰り返し単位の含有量は35質量%未満とすることが好ましい。この値が35質量%を超えると、燃料電池の出力アップの効果が小さくなる。
【0082】
更に、式(39)で表される含フッ素ビニルエーテル化合物の中では、下記式(41)〜(43)で表される含フッ素ビニルエーテル化合物を用いることが好ましい。ただし、下記式(41)〜(43)中、bは1〜8の整数、dは1〜8の整数、eは2又は3をそれぞれ示す。
【0083】
【化21】
Figure 0004032738
【0084】
また、本発明におけるカソードの触媒層にそれぞれ含まれる触媒は特に限定されるものではないが、例えば、白金等の白金族金属又はその合金等をカーボンに担持した触媒が好ましい。
【0085】
更に、カソードの触媒層において、触媒と固体高分子電解質材料との質量比の範囲は、触媒の質量(金属とカーボン担体をあわせた全質量):固体高分子電解質材料の質量=20:80〜95:5であることが好ましく、30:70〜90:10であることがより好ましい。
【0086】
ここで、固体高分子電解質材料に対する触媒の含有率が低すぎると、触媒量が少なくなるので反応サイトが不足する傾向がある。また、触媒を被覆する固体高分子電解質材料の被覆層の厚みが大きくなり固体高分子電解質材料中における反応ガスの拡散速度が小さくなる傾向がある。更に、反応ガスの拡散に必要な細孔が樹脂により塞がれてフラッディングの現象が生じ易くなるおそれがある。
【0087】
一方、固体高分子電解質材料に対する触媒の含有率が高すぎると、触媒に対して当該触媒を被覆する固体高分子電解質材料の量が不足して反応サイトが少なくなり電池出力が低下する傾向がある。また、固体高分子電解質材料は、触媒層のバインダ及び触媒層と高分子電解質膜との接着剤としても機能するが、その機能が不十分となり触媒層構造を安定に維持できなくなる傾向が大きくなる。
【0088】
また、この燃料電池のアノードの触媒層の構成は特に限定されず、従来の固体高分子型燃料電池のアノードの触媒層と同様の構成にでき、本発明の固体高分子電解質材料を含有していてもよく、他の樹脂を含有していてもよい。
【0089】
更に、本発明におけるカソード及びアノードの触媒層の層厚は、1〜500μmであることが好ましく、5〜100μmであることがより好ましい。更に、本発明における触媒層には、必要に応じてPTFE等の撥水化剤を含有させてもよい。ただし、撥水化剤は絶縁体であるためその量は少量であるほど望ましく、その添加量は30質量%以下が好ましい。
【0090】
また、本発明の固体高分子型燃料電池に使用する高分子電解質膜は、湿潤状態下で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換膜が用いられ、耐久性の観点からパーフルオロポリマーからなるイオン交換膜が好ましい。高分子電解質膜を構成する固体高分子材料としては、例えば、本発明の固体高分子電解質材料を用いてもよく、従来の固体高分子型燃料電池に使用されているイオン交換樹脂等を用いてもよい。
【0091】
以下、本発明において固体高分子電解質材料に用いる含フッ素ポリマーの製造方法の一例について説明する。先ず、含フッ素モノマーBとしては、−SO2F基又は−SO2Cl基を有するものを用いる。含フッ素モノマーAと含フッ素モノマーBとの重合反応は、ラジカルが生起する条件のもとで行われるものであれば特に限定されない。例えば、バルク重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合、液体又は超臨界の二酸化炭素中の重合等により行なってもよい。
【0092】
ラジカルを生起させる方法は特に限定されず、例えば、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法を用いてもよく、通常のラジカル重合で用いられるラジカル開始剤を使用する方法を用いてもよい。重合反応の反応温度も特に限定されず、例えば、通常は15〜150℃程度である。ラジカル開始剤を使用する場合、ラジカル開始剤としては、例えば、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられる。
【0093】
溶液重合を行なう場合には、使用する溶媒は取り扱い性の観点から、通常は20〜350℃の沸点を有していることが好ましく、40〜150℃の沸点を有していることがより好ましい。そして、溶媒中に、含フッ素モノマーと含フッ素ビニル化合物とを所定量投入し、ラジカル開始剤等を添加してラジカルを生起させて重合を行なう。
【0094】
ここで、使用可能な溶媒としては、例えば、(i)パーフルオロトリブチルアミン、パーフルオロトリプロピルアミン等のポリフルオロトリアルキルアミン化合物、(ii)パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、パーフルオロデカン、パーフルオロドデカン、パーフルオロ(2,7−ジメチルオクタン)、2H,3H−パーフルオロペンタン、1H−パーフルオロヘキサン、1H−パーフルオロオクタン、1H−パーフルオロデカン、1H,4H−パーフルオロブタン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロヘキサン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロオクタン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロデカン、3H,4H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)、2H,3H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)等のフルオロアルカン、(iii)3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン、1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン等のクロロフルオロアルカン、(iv)ヘキサフルオロプロペンの2量体、ヘキサフルオロプロペンの3量体等の分子鎖末端に二重結合を有しないフルオロオレフィン、(v)パーフルオロデカリン、パーフルオロシクロヘキサン、パーフルオロ(1,2−ジ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(1,3,5−トリメチルシクロヘキサン)、パーフルオロジメチルシクロブタン(構造異性を問わない)等のポリフルオロシクロアルカン、(vi)パーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)等のポリフルオロ環状エーテル化合物、(vii)n−C37OCH3、n−C37OCH2CF3、n−C37OCHFCF3、n−C37OC25、n−C49OCH3、iso−C49OCH3、n−C49OC25、iso−C49OC25、n−C49OCH2CF3、n−C511OCH3、n−C613OCH3、n−C511OC25、CF3OCF(CF3)CF2OCH3、CF3OCHFCH2OCH3、CF3OCHFCH2OC25、n−C37OCF2CF(CF3)OCHFCF3等のヒドロフルオロエーテル類、(viii)フッ素含有低分子量ポリエーテル、(ix)tert−ブタノール等が挙げられる。なお、これらの溶媒は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
【0095】
また、溶液重合を行なう場合に使用する溶媒の他の例としては、1,1,2−トリクロロ−1,2,2−トリフルオロエタン、1,1,1−トリクロロ−2,2,2−トリフルオロエタン、1,1,1,3−テトラクロロ−2,2,3,3−テトラフルオロプロパン、1,1,3,4−テトラクロロ−1,2,2,3,4,4−ヘキサフルオロブタン等のクロロフルオロカーボン類を挙げることができる。ただし、これらのクロロフルオロカーボン類は、技術的には使用できるが、地球環境に与える影響を考慮すると、その使用は好ましくない。
【0096】
重合により得られる共重合体は−SO2F基又は−SO2Cl基を有しているので加水分解や必要に応じて酸型化処理を行い、−SO3M基に変換する。
【0097】
次に、本発明の固体高分子型燃料電池について、その製造方法の一例を説明するとともに本発明の液状組成物を固体高分子型燃料電池に適用する場合の好適な実施形態について説明する。本発明の固体高分子型燃料電池のカソード及びアノードの触媒層を有するガス拡散電極を作製するための方法は特に限定されず、公知の方法により作製することができる。
【0098】
例えば、カソードの触媒層は、−SO3H基を有する本発明の固体高分子電解質材料を分子中に水酸基を有する溶媒に溶解又は分散させた液状組成物に触媒を混合して調製した触媒層形成用の塗工液を用いて形成することができる。
【0099】
本発明の固体高分子電解質材料は、−SO3M基を有する場合、水酸基を有する有機溶媒に良好に溶解又は分散することができる。水酸基を有する有機溶媒は特に限定されないが、アルコール性の水酸基を有する有機溶媒が好ましい。
【0100】
アルコール性の水酸基を有する有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、2,2,3,3−テトラフルオロ−1−プロパノール、4,4,5,5,5−ペンタフルオロ−1−ペンタノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、3,3,3−トリフルオロ−1−プロパノール、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロ−1−ヘキサノール、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロ−1−オクタノール等が挙げられる。また、アルコール以外の有機溶媒としては、酢酸等のカルボキシル基を有する有機溶媒も使用できる。
【0101】
ここで、水酸基を有する有機溶媒は上記の溶媒を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよく、更に、水又は他の含フッ素溶媒等と混合して用いてもよい。他の含フッ素溶媒としては、先に述べた固体高分子電解質材料の製造における溶液重合反応において、好ましい含フッ素溶媒として例示した含フッ素溶媒が例示される。
【0102】
なお、水酸基を有する有機溶媒を水又は他の含フッ素溶媒との混合溶媒として使用する場合、水酸基を有する有機溶媒の含有量は溶媒全質量に対して10%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましい。また、この場合、はじめから固体高分子電解質材料を混合溶媒中に溶解又は分散させてもよく、また、固体高分子電解質材料を先ず水酸基を有する有機溶媒に溶解又は分散させた後、水又は他の含フッ素溶媒を混合してもよい。更に、このような溶媒に対する固体高分子電解質材料の溶解又は分散は、大気圧下又はオートクレーブなどで密閉加圧した条件のもとで、0〜250℃の温度範囲で行なうことが好ましく、20〜150℃の範囲で行なうことがより好ましい。
【0103】
また、本発明の液状組成物中の固体高分子電解質材料の含有量は液状組成物全質量に対して1〜50%であることが好ましく、3〜30%であることがより好ましい。固体高分子電解質材料の含有量が1%未満であると、この液に触媒を混合することにより塗工液を調製し、これを用いてカソードの触媒層を作製するときに所望の厚みの触媒層を作製するのに塗工回数が多くなることや、このような塗工液は、多量の有機溶媒を含むためコストがかかりかつその除去作業の時間が長くなる等、製造作業を効率よく行ないにくい。一方、固体高分子電解質材料の含有量が50%を超えると液状組成物の粘度が高くなりすぎて取扱いにくくなり易い。
【0104】
更に、液状組成物には本発明の固体高分子電解質材料に加え、これとは別の固体高分子電解質材料となる樹脂を含有させてもよく、この場合、液状組成物を原料として得られる触媒層のガス拡散性及び撥水性を十分に確保する観点から、液状組成物中の本発明の固体高分子電解質材料の含有量は液状組成物中の全ての固体高分子電解質材料の総質量に対して20%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。
【0105】
そして、カソードの触媒層は、本発明の液状組成物に白金が担持されたカーボンブラック等の微粒子からなる触媒を混合して調製した触媒層形成用の塗工液を用いて、高分子電解質膜、ガス拡散層、又は、支持板上に厚さが均一になるように形成し、溶媒を乾燥除去後、必要に応じてホットプレスを施すなどすることにより作製できる。塗工液は所望により本発明の液状組成物と触媒とを混合した後、溶媒を留去して固形分を取り出し、別の溶媒に再分散することにより調製したものを用いてもよい。その再分散溶液は、通常前述のアルコール性溶媒から選択され、水を含んでいてもよい。このようにして、ガス拡散性及び撥水性に優れるカソードの触媒層が得られる。
【0106】
特に、ポリマー自体の軟化温度が100℃以上である固体高分子電解質材料を含む液状組成物から塗工液を調製して触媒層を作製すると、層内のガス拡散性が顕著に向上する。固体高分子電解質材料の軟化温度が100℃以上であると、塗工液から溶媒が徐々に揮発する際に固体高分子電解質材料が収縮しにくいため、固体高分子電解質材料の内部又は固体高分子電解質材料により被覆された触媒粒子の凝集体間に適度な大きさの細孔が形成されていくためであると考えられる。
【0107】
また、アノードの触媒層も上記のカソードの触媒層と同様にして形成することができる。ただし、アノードの触媒層形成用の塗工液は本発明の液状組成物を用いてもよく、従来の固体高分子電解質材料を所定の溶媒に溶解または分散させた液を用いて調製してもよい。
【0108】
そして、作製されたカソードの触媒層及びアノードの触媒層を高分子電解質膜とガス拡散層との間に配置することにより、固体高分子型燃料電池を作製できる。ここで、触媒層を高分子電解質膜上に形成した場合には、例えば、別途用意したガス拡散層を触媒層上に隣接して配置又は接合する。また、触媒層をガス拡散層上に形成し、ガス拡散電極を予め形成した場合には、例えば、別途用意した高分子電解質膜を触媒層に隣接して配置又は接合する。更に、触媒層を支持板上に形成した場合には、例えば、別途用意した高分子電解質膜に転写し、その後支持板を剥離して別途用意したガス拡散層を触媒層上に隣接して配置又は接合する。
【0109】
高分子電解質膜と触媒層、触媒層とガス拡散層の接合は、例えば、ホットプレスやロールプレスにより行ってもよい。このとき、パーフルオロスルホン酸ポリマー溶液等を接着剤に用いて非加熱により両者を接合させてもよい。
【0110】
また、先に述べたように、電池を構成する高分子電解質膜を本発明の固体高分子電解質材料を用いて作製してもよい。
【0111】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態においては、アノード反応ガスとして水素を主成分とするガスを用いる場合の固体高分子型燃料電池について説明したが、本発明の固体高分子型燃料電池は、例えば、アノード反応ガスとしてメタノールガスをアノードに直接導入する構成のものであってもよい。
【0112】
また、上記の実施形態においては、本発明の固体高分子電解質材料を含む液状組成物を固体高分子型燃料電池の電極の触媒層に用いる場合について説明したが、他の用途にも使用できる。例えば、本発明の固体高分子電解質材料を用いて膜を形成する場合、1)食塩電解等に使用する陽イオン選択透過膜、2)水電解用の膜、3)過酸化水素製造、オゾン製造、排酸回収等に使用するプロトン選択透過膜、4)脱塩又は製塩に使用する電気透析用陽イオン交換膜等として各種の電気化学プロセスにおいて使用できる。
【0113】
更に、電気化学プロセス以外にも、本発明の固体高分子電解質材料を用いて膜を形成し、例えば、酸、塩基、及び塩類の分離精製に用いる拡散透析用の膜、蛋白質分離のための荷電型多孔膜(荷電型逆浸透膜、荷電型限外ろ過膜、荷電型ミクロろ過膜等)、除湿膜、加湿膜等にも使用できる。更に、本発明の固体高分子電解質材料は、例えば、リチウムイオン電池のポリマー電解質、固体酸触媒、陽イオン交換樹脂、修飾電極を用いたセンサー、空気中の微量イオンを除去するためのイオン交換フィルターやアクチュエーター等にも使用できる。
【0114】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明ついて更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例の説明において下記化合物を下記略号を用いて記載する。
PSVE:CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F、
PSVE−H:CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO3H、
BVE:パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、
PDD:パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)、
MMD:パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)
TFE:テトラフルオロエチレン
IPP:(CH32CHOC(=O)OOC(=O)OCH(CH32
HCFC141b:CH3CCl2F、
HCFC225cb:CClF2CF2CHClF。
【0115】
[合成例1](PDD/PSVE−H共重合体1)
容積0.2Lのステンレス製オートクレーブに、PDD26.0g、PSVE127.8g、IPP0.46gを入れ、オートクレーブ内の気体を窒素によりパージした後、窒素を全圧が0.3MPa(ゲージ圧)となるように導入した。次に、オートクレーブ内の温度を40℃として、内容物を撹拌しながら重合を開始した。重合開始から10時間後、オートクレーブを冷却し系内のガスをパージして重合を止め、HCFC225cbで希釈後、ヘキサンに投入することでポリマーを沈殿させ、ヘキサンで2回、更にHCFC141bで1回洗浄した。
【0116】
ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、白色のポリマー41.6gを得た。元素分析で硫黄の含有量を求め、ポリマー中のPDDに基づく繰り返し単位とPSVEに基づく繰り返し単位とのモル比(PDD/PSVE)とARとを求めたところ、PDD/PSVE=56.5/43.5であり、AR=1.31meq./gであった。また、GPCによりポリマーの数平均分子量を測定したところポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は3.3万であった。重量平均分子量は5.6万であった。
【0117】
次に、得られたポリマーをKOHの水/エタノール混合溶液に浸漬して加水分解処理し、次いで、希硫酸水溶液に浸漬して酸型化処理した。次に、ポリマーをイオン交換水により洗浄し乾燥した後、エタノールに溶解してポリマー(PDD/PSVE−H共重合体1)10質量%の透明なエタノール溶液を得た。
【0118】
上記のポリマーのエタノール溶液を使用してキャスト膜を作成し、先に述べた1mmφ石英プローブによるペネトレーション法によりポリマーの軟化温度を測定した。先ず、ポリマーのエタノール溶液10質量部とブタノール2質量部の混合溶液を調製し、この溶液を用いて室温でキャスト製膜し、160℃において30分乾燥させることにより厚みが約200μmのキャスト膜を得た。次に、得られたキャスト膜をTMA(マックサイエンス社製)にセットした。
【0119】
そして昇温速度5℃/minでキャスト膜の温度を昇温させながら、キャスト膜と1mmφ石英プローブとの接触部に対して0.2Hzのsinカーブに基づく振動荷重(荷重振動範囲:1〜6g、平均荷重:3.5g)をかけて、キャスト膜の厚みの変化を測定した。そして、キャスト膜に対するプローブのめり込みにより膜の厚みが急激に減少しはじめる温度を軟化点として計測した。その結果、このポリマーの軟化温度は150℃であった。
【0120】
[合成例2](PDD/PSVE−H共重合体2)
容積0.2Lのステンレス製オートクレーブに、PDD36.4g、PSVE123.1g、IPP0.48gを入れ、合成例1と同様にして重合を開始した。重合開始から3.2時間後、オートクレーブを冷却し、系内のガスをパージして重合を止め、HCFC225cbで希釈後ヘキサンに投入することで沈殿させ、ヘキサンで2回、更にHCFC141bで1回洗浄した。
【0121】
ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、白色のポリマー25.3gを得た。得られたポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型化処理してPDD/PSVE−H共重合体2を得るとともに合成例1と同様のキャラクタリゼーションを行なった。その結果、PDD/PSVE=69.8/30.2、AR=0.99meq./g、ポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量:5.8万、重量平均分子量:9.5万、軟化温度:180℃であった。
【0122】
[合成例3](BVE/PSVE−H共重合体1)
窒素雰囲気下において、容積300mLのフラスコに、BVE120.0g、PSVE128.5g、IPP0.76gを入れ、フラスコ内の温度を40℃として、内容物を撹拌しながら重合を開始した。重合開始から16.7時間後、フラスコ内を冷却して重合を止め、ヘキサンに投入することでポリマーを沈殿させ、さらにヘキサンで3回洗浄した。
【0123】
ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、白色のポリマー47.8gを得た。得られたポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型化処理してBVE/PSVE−H共重合体1を得るとともに合成例1と同様のキャラクタリゼーションを行なった。その結果、BVE/PSVE=67.0/33.0、AR=0.99meq./g、ポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量:2.9万、重量平均分子量4.2万、軟化温度:110℃であった。
【0124】
[合成例4](BVE/PSVE−H共重合体2)
窒素雰囲気下において、容積300mLのフラスコに、BVE150.0g、PSVE103.0g、IPP0.77gをいれ、合成例3と同様にして重合を開始した。重合開始から10.7時間後、フラスコ内を冷却して重合を止め、ヘキサンに投入することでポリマーを沈殿させ、ヘキサンで3回、さらにHCFC141bで1回洗浄した。
【0125】
ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、白色のポリマー38.0gを得た。得られたポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型化処理してBVE/PSVE−H共重合体2を得るとともに合成例1と同様のキャラクタリゼーションを行なった。その結果、BVE/PSVE=76.1/23.9、AR=0.75meq./g、ポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量:3.8万、重量平均分子量:5.3万、軟化温度:110℃であった。
【0126】
[合成例5](TFE/PSVE−H共重合体)
固体高分子型燃料電池の電極の触媒層の材料又は高分子電解質膜の材料として従来より用いられている、TFE/PSVE共重合体を公知の方法により製造した。得られたポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型化処理してTFE/PSVE−H共重合体を得るとともに合成例1と同様にしてキャラクタリゼーションを行なったところ、TFE/PSVE=82.2/17.8、AR=1.1meq./g、軟化温度:80℃であった。
【0127】
[合成例6](MMD/PSVE−H共重合体1)
0.2LのオートクレーブにIPP:0.68g、PSVE:207.1g、MMD:20.0gを入れ、減圧脱気したあとに窒素で加圧パージを3回行い、窒素で全圧が0.12MPa(ゲージ圧)となるように加圧した。40℃に昇温し、2.5時間反応させた。重合溶液をヘキサンに注いでポリマーを凝集し、さらにヘキサンで3回洗浄した。室温で一晩、真空乾燥を行い、さらに80℃で一晩真空乾燥を行った。収量:16.9g(収率:7.4%)。
【0128】
元素分析で硫黄の含有量を求め、ポリマー中のMMDに基づく繰り返し単位とPSVEに基づく繰り返し単位とのモル比(MMD/PSVE)とARとを求めたところ、MMD/PSVE=76.0/24.0であり、AR=0.82meq./gであった。また、GPCによりポリマーの数平均分子量を測定したところポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は4.5万、重量平均分子量は7.0万であった。
【0129】
ポリマーをKOH/H2O/DMSO=11/59/30(質量比)の溶液に浸漬し、90℃で7日間保持した。室温に戻して水洗を行い、さらに90℃で水に浸漬した。この水洗を3回繰り返した。さらに1mol/Lの塩酸に90℃で1日浸漬し、室温に戻して水洗を行い、さらに90℃で水に浸漬した。この水洗を3回繰り返した。80℃で16時間オーブン中で乾燥し、さらに80℃で真空乾燥し、酸型化したポリマーを得た。
【0130】
合成例1と同様にしてこのポリマーの10質量%のエタノール溶液を調製し、キャスト膜を作製した。キャスト膜の軟化温度は135℃であった。
【0131】
[合成例7](MMD/PSVE−H共重合体2)
仕込みのPSVEを207.1g、MMDを13.3gとし、窒素を導入して全圧を0.11MPa(ゲージ圧)とし、反応時間を6時間とした以外は合成例6と同様にしてポリマー19.6gを得た(収率:8.9%)。
【0132】
合成例6と同様にポリマー中のMMDに基づく繰り返し単位とPSVEに基づく繰り返し単位とのモル比(MMD/PSVE)とARとを求めたところ、MMD/PSVE=66.7/33.3であり、AR=1.07meq./gであった。また、ポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は2.4万、重量平均分子量は3.9万であった。
【0133】
上記ポリマーを合成例6と同様にして酸型化し、MMD/PSVE−H共重合体を得た。合成例1と同様にしてこのポリマーの9.6質量%のエタノール溶液を調製し、キャスト膜を作製した。キャスト膜の軟化温度は125℃であった。
【0134】
[合成例8](TFE/PDD/PSVE−H共重合体)
0.2LのオートクレーブにPDDを14.3g、PSVEを52.6g、HCFC−225cbを76.9g、IPPを0.36gを入れ、凍結脱気した。TFEを5.9g導入後、40℃に昇温して重合を開始した。このとき圧力は0.26MPa(ゲージ圧)であった。40℃で10時間反応させ、圧力が0.07MPa(ゲージ圧)になったところで、反応を停止した。重合溶液をヘキサンに注いでポリマーを凝集し、ヘキサンで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量:25.0g(収率:34.4%)。
【0135】
19F-NMRでポリマー組成を求めたところ、TFE/PDD/PSVE=42/35/22(モル比)であり、ARは0.98meq./gであった。また、GPCによるポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は5.3万、重量平均分子量は8.3万であった。
【0136】
160℃でポリマーをプレスして厚さ100μmのフィルムを作製した。このフィルムをKOH/H2O/DMSO=11/59/30(質量比)の溶液に浸漬し、90℃で17時間保持して加水分解した。室温に戻して水洗を3回行った。さらに1mol/Lの硫酸に室温で2時間浸漬して水洗した。この硫酸浸漬と水洗を3回繰り返し、最後にさらに3回水洗を行った。80℃で16時間オーブン中で乾燥し、さらに80℃で真空乾燥し、酸型の乾燥フィルムを得た。合成例1の手法により測定した軟化温度は120℃であった。引っ張り試験における最大点応力は6.1MPa、破断点伸度は3.0%であった。膜として充分な強度を有することが確認できた。
【0137】
上記ポリマーから合成例1と同様にして酸型化ポリマーの14.5質量%エタノール溶液を調製することができた。
【0138】
なお、フィルムの引っ張り試験は、フィルムをJIS K−7127に規定される試験片タイプ2の形状(長さ:150mm、幅:10mm、標線間距離:50mm)に切り出し、チャック間初期距離:100mm、引張速度50mm/min、25℃、相対湿度50%の条件下で行った。
【0139】
(実施例1)
実施例1の単位セルは、以下に説明する手順により作製した。先ず、Pt担持カーボン(Pt担持量:54質量%)を、PDD/PSVE−H共重合体1の10質量%エタノール溶液に分散させた分散液(Pt担持カーボンの質量:上記共重合体の質量=6:4)を調製した。次に、分散液を十分に撹拌した後、更に蒸発乾固して得られる固形物を粉砕した。次に、この粉末を2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール中に再分散させ、固形分濃度が5質量%であるカソードの触媒層形成用の塗工液を調製した。
【0140】
次に、Pt担持カーボン(Pt担持量:40質量%)を、TFE/PSVE−H共重合体(AR=1.1meq./g)の9質量%エタノール溶液及びエタノールと混ぜて分散させ、更に水を加えて固形分濃度が8質量%であるアノードの触媒層形成用の塗工液(エタノールの質量:水の質量=1:1、Pt担持カーボンの質量:上記共重合体の質量=7:3)を調製した。
【0141】
また、アノード及びカソードのガス拡散層として、撥水性カーボンクロス(繊維織布)の片表面を撥水性カーボン粉末層(カーボンブラックとPTFEの混合物)で目詰めし、更にホットプレスを施して触媒層を形成するカーボン粉末層表面を平坦にした厚さ約340μmのものを用意した。更に、高分子電解質膜として、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体からなる高分子電解質膜(商品名:フレミオンHR、旭硝子社製、AR=1.1meq./g、乾燥膜厚50μm)を用意した。
【0142】
次に、上記ガス拡散層の撥水性カーボン粉末層側の面にカソードの触媒層形成用の塗工液をPt量が0.8mg/cm2となるように一回塗布して乾燥させて触媒層を形成し、カソードを作製した。一方、アノードの触媒層形成用の塗工液をカソードと同様の手順で上記ガス拡散層シートの撥水性カーボン粉末層側の面にPt量が0.5mg/cm2となるように一回塗布して乾燥させて触媒層を形成し、アノードを得た。
【0143】
次に、得られたカソード及びアノードを有効電極面積が25cm2となるように切り出した。そして、カソード及びアノードともに触媒層側を内側に向けて対向させ、その間に高分子電解質膜を挟み込んだ状態でホットプレスすることでカソード及びアノードの各触媒層と高分子電解質膜とを接合させ、膜・電極接合体を作製した。
【0144】
(比較例1)
実施例1において調製したアノードの触媒層形成用の塗工液を用いて、アノードとカソードとの両方を作製した以外は、実施例1と同様にして膜・電極接合体を作製した。
【0145】
[電池特性試験]
上記の実施例1及び比較例1の各膜・電極接合体にガス流路の形成されたカーボン製のセパレータを装着して測定セルとし、電子負荷(高砂製作所社製,FK400L)と直流電源(高砂製作所社製,EX750L)を用いて測定セルの電流電圧特性試験を行った。
測定条件は、水素導入口圧力;0.15MPa、空気導入口圧力;0.15MPa、測定セルの作動温度;80℃とし、作動後10時間経過後、出力電流密度をそれぞれ0.3A/cm2、1.0A/cm2としたときのセル電圧(iRフリー)を測定した。また、この作動条件において水素利用率が70%、空気利用率が40%となように水素ガス及び空気の流量を調節した。その結果を表1に示す。
【0146】
【表1】
Figure 0004032738
【0147】
【発明の効果】
本発明によれば、脂肪族環構造を有する繰り返し単位が固体高分子電解質材料となる共重合体中に導入されているので、良好なイオン伝導性、撥水性を有し、かつガス透過性に優れた固体高分子電解質材料と、これを含む液状組成物並びに高い電池出力を安定的に得ることのできる固体高分子型燃料電池を提供できる。
また、本発明の固体高分子電解質材料は軟化温度が従来のものよりも高いので固体高分子型燃料電池だけでなく、他の電気化学プロセスにおけるイオン選択透過膜、逆浸透膜、ろ過膜、隔膜等として応用する際にも、高い温度で使用することができる特徴を有する。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid polymer electrolyte material, a liquid composition, a solid polymer fuel cell, and a fluorine-containing polymer applicable to them.
[0002]
[Prior art]
Solid polymer fuel cells are expected to be practically used as power sources for mobile vehicles such as electric vehicles and small cogeneration systems because they are easy to reduce in size and weight in addition to obtaining high battery characteristics. ing. The polymer electrolyte fuel cell currently under study has a low operating temperature range and it is difficult to use the exhaust heat. Therefore, the operating conditions of the anode reaction gas such as hydrogen and the cathode reaction gas such as air are high. Are required to have high power generation efficiency and high power density.
[0003]
Conventionally, in polymer electrolyte fuel cells, fine particles of a catalyst such as metal-supported carbon black coated with the same or different ion exchange resin as the polymer electrolyte membrane have been used as the constituent material of the electrode catalyst layer, so-called catalyst layer. The battery output is improved by three-dimensionalization of the reaction sites.
[0004]
However, under the operating conditions where the reaction rate of the cell reaction as described above is relatively high, the amount of water moving with the proton moving in the polymer electrolyte membrane from the anode toward the cathode, and the cathode The amount of water produced and condensed by the electrode reaction increases. For this reason, these waters are not quickly discharged from the cathode to the outside, and the reaction gas supply pores formed in the catalyst layer of the cathode are clogged by these waters, so-called flooding phenomenon easily occurs. It was.
[0005]
When such flooding occurs, supply of the cathode reaction gas to the reaction site of the catalyst layer is hindered, and a desired battery output cannot be stably obtained. Therefore, in order to improve the battery output and stably obtain the output, it is necessary to improve the gas diffusibility and water repellency without reducing the ionic conductivity in the electrode catalyst layer.
[0006]
In contrast, the ion exchange capacity of the ion exchange resin in the catalyst layer (hereinafter referred to as A R Is intended to ensure gas diffusibility and water repellency in the catalyst layer, the water content of the ion exchange resin will be reduced, resulting in a decrease in ion conductivity and a decrease in battery output. Further, in this case, the gas permeability of the ion exchange resin is also lowered, so that the supply of gas supplied to the reaction site is delayed. As a result, the concentration overvoltage increases and the battery output decreases.
[0007]
On the other hand, the ion exchange resin A contained in the catalyst layer. R Is intended to improve its ion conductivity and gas permeability, the water content of the ion exchange resin increases, and flooding is likely to occur, making it difficult to stably obtain high battery output. There was a problem.
[0008]
Therefore, JP-A-5-36418 discloses polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene / perfluoro (alkyl vinyl ether) as a water repellent. A polymer electrolyte fuel cell in which a fluorine-containing polymer such as a copolymer is contained in a cathode catalyst layer has been proposed. In the present specification, “A / B copolymer” refers to a copolymer comprising a repeating unit based on A and a repeating unit based on B.
[0009]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-212324 proposes a polymer electrolyte fuel cell in which a fluoride pitch is contained in a cathode catalyst layer together with PTFE. Further, JP-A-7-192738 proposes a method of forming a cathode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell by coating the catalyst surface with a fluorinated coating. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-251086 and 7-134993 also propose methods for providing a gradient in water repellency with respect to the thickness direction of the electrodes.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a water repellent is contained in the catalyst layer as in the polymer electrolyte fuel cell described in JP-A-5-36418, the electrical resistance of the cathode is increased due to the insulating property of the water repellent, Due to the decrease in gas diffusibility of the catalyst layer due to the increase in the layer thickness of the catalyst layer, there has been a problem that the polarization characteristics of the cathode are lowered and the battery output cannot be improved. In addition, reducing the content of the water repellent in the catalyst layer to increase the battery output decreases the water repellency in the catalyst layer, and the polarization characteristics of the electrode decrease in a relatively short time from startup. Had the problem of flooding.
[0011]
Further, in the polymer electrolyte fuel cell described in JP-A-7-212324 and JP-A-7-192738, it is difficult to uniformly coat the surface of the catalyst contained in the catalyst layer with an ion exchange resin. Therefore, there is a problem that a sufficient reaction site corresponding to the amount of the catalyst contained in the cathode catalyst layer cannot be secured, and a high battery output cannot be stably obtained. Further, the polymer electrolyte fuel cells described in JP-A-5-251086 and JP-A-7-134993 have a problem that the production process becomes complicated.
[0012]
The problem of ensuring good gas diffusibility and water repellency in the catalyst layer of the gas diffusion electrode as described above is also a problem when the gas diffusion electrode is applied to other electrochemical processes such as electrolysis of water and salt. In order to improve the efficiency of the process by improving the polarization characteristics, it is important.
[0013]
In addition, the polymer electrolyte fuel cell currently under study has a problem that the operating temperature range is as low as 60 to 90 ° C., and its exhaust heat is difficult to use. In automotive applications, there is a need for a fuel cell that can be operated at a temperature higher than 100 ° C. in order to reduce the size of a cooling system and reduce catalyst poisoning due to carbon monoxide contained in fuel gas.
[0014]
Currently, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF Three ) O (CF 2 ) n SO Three A perfluoro ion exchange resin comprising a copolymer of H (where n represents 2 or 3) and tetrafluoroethylene is mainly used, but the softening temperature is lower than 100 ° C and higher than 100 ° C. However, since the strength decreases, it is difficult to operate the fuel cell at a high temperature of 100 ° C. or higher. In particular, a membrane material for a fuel cell is required to have a softening temperature of 100 ° C. or higher and a strength that can withstand the use of the fuel cell.
[0015]
The catalyst layers for the anode and the cathode usually contain a polymer electrolyte, but the polymer electrolyte also preferably has a softening temperature higher than the operation temperature from the viewpoint of durability at high temperature operation. In addition, CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO Three The copolymer of H and tetrafluoroethylene is known to have a softening temperature higher than 100 ° C (ACS Symp. Ser. (1989), Vol. 395, pp 370-400), but the production cost is high and industrial. It is difficult to manufacture.
[0016]
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and includes a fluorine-containing polymer excellent in ion conductivity, water repellency and gas permeability, a solid polymer electrolyte material comprising the same, and the solid polymer electrolyte material A solid polymer fuel cell capable of stably obtaining a high battery output by including the solid polymer electrolyte material as a constituent material and a liquid composition containing the solid polymer electrolyte material With the goal.
Another object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte material having a softening temperature higher than that of the prior art, in order to enable operation of the solid polymer fuel cell at a higher temperature than before.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the fluorinated sulfonic acid polymer having an aliphatic ring structure in the polymer has high ionic conductivity. It has been found that when used as a solid polymer electrolyte material for an electrode catalyst layer of a fuel cell, the output of the fuel cell can be improved while sufficiently ensuring the ionic conductivity in the catalyst layer. Furthermore, the present inventors have found that the fluorine-containing sulfonic acid polymer having an aliphatic ring structure has high ionic conductivity and at the same time has a softening temperature higher than that of a conventional sulfonic acid polymer, and is a solid polymer type. It was found that the material is suitable for high-temperature operation of fuel cells.
[0018]
That is, the present invention comprises a repeating unit based on a fluorine-containing monomer A that gives a polymer having an aliphatic ring structure in the main chain by radical polymerization, and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer B represented by the following formula (1). From a copolymer containing The ion exchange capacity is 0.9 to 1.5 meq / g dry resin. A solid polymer electrolyte material is provided.
CF 2 = CF (R f ) j SO 2 X (1)
Here, in formula (1), j represents 0 or 1, and X represents a group represented by a fluorine atom, a chlorine atom or OM. And M of the group represented by OM is a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR. 1 R 2 R Three R Four The group represented by these is shown. Furthermore, NR 1 R 2 R Three R Four R of the group represented by 1 , R 2 , R Three And R Four May be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group, preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. R f Is a C1-C20 polyfluoroalkylene group having a straight chain or branched structure, and may contain an etheric oxygen atom.
[0019]
In the present specification, the “solid polymer electrolyte material” includes a precursor thereof. That is, -SO shown in Formula (1) 2 -SO where X of group X is OM as described above Three In addition to ion-conducting fluoropolymer having M group in the molecule, -SO Three -SO which is a precursor of M group 2 F group or -SO 2 A fluorine-containing polymer having a Cl group in the molecule is also referred to as a solid polymer electrolyte material. The solid polymer electrolyte material of the present invention is -SO 2 F group or -SO 2 In the case of a fluorine-containing polymer having a Cl group in the molecule, it is subjected to a hydrolysis treatment using an aqueous solution of a base, etc. Three It can be converted into a fluorine-containing ion conductive polymer having M group in the molecule and used as a solid polymer electrolyte material.
[0020]
Therefore, when the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte material of the present invention is discussed in the following description, the obtained solid polymer electrolyte material is represented by -SO by X shown in the formula (1). 2 F group or -SO 2 When it is a fluorine-containing polymer having a Cl group in the molecule, it is subjected to hydrolysis treatment, and -SO Three The ion conductivity in the case of a fluorine-containing ion conductive polymer having an M group in the molecule is shown.
[0021]
In the present invention, the “fluorinated monomer A that gives a polymer having an aliphatic ring structure in the main chain” is a polymer that has an aliphatic ring structure in the main chain by radical polymerization. There are two types: a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule and a cyclopolymerizable monomer that does not have an aliphatic ring structure in the molecule but forms an aliphatic ring structure as the polymerization reaction proceeds . Furthermore, “having an aliphatic ring structure in the main chain” means that at least one carbon atom of the aliphatic ring structure in the repeating unit is shared by the main chain.
[0022]
Since the solid polymer electrolyte material of the present invention has a repeating unit based on the above-mentioned fluorine-containing monomer A, it is considered that gas permeability is high. -SO 2 Since it has a repeating unit based on the fluorine-containing monomer B having an X group, it also has high ionic conductivity. Furthermore, the fluorine atom bonded to the carbon chain in these repeating units contributes to water repellency. Therefore, if the solid polymer electrolyte material of the present invention is used as a constituent material of an electrode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, gas diffusibility is maintained while maintaining high ion conductivity and water repellency in the catalyst layer. Therefore, the battery output is improved, and the occurrence of flooding is effectively prevented, so that a high output can be stably obtained.
[0023]
As described above, the reason why the solid polymer fuel cell using the solid polymer electrolyte material of the present invention for the electrode catalyst layer exhibits high output has not been clearly clarified, but the inclusion in the solid polymer electrolyte material has not been clarified. It is thought that it originates in the aliphatic ring structure contained in the repeating unit based on the fluorine monomer A. That is, it is considered that the gas permeability is improved as compared with the conventional solid polymer electrolyte material by making the solid polymer electrolyte material amorphous due to the aliphatic ring structure. In addition, the gas diffusion electrode provided with a catalyst layer comprising the solid polymer electrolyte material of the present invention as a constituent material, or the polymer electrolyte membrane formed from the solid polymer electrolyte material of the present invention is only a solid polymer fuel cell. It can also be used for electrochemical processes such as salt electrolysis.
[0024]
Further, the present invention is the above-mentioned solid polymer electrolyte material, and the terminal -SO of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B. 2 X group is -SO Three Provided is a liquid composition in which a solid polymer electrolyte material which is an M group is dissolved or dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group in the molecule. Here, M is synonymous with M described in Formula (1). The liquid composition may contain water, and when the boiling point of the organic solvent is lower than the boiling point of water, by adding water to the liquid composition and distilling off the organic solvent, It is also possible to obtain a liquid composition in which the sulfonic acid polymer is dissolved or dispersed in water substantially free of an organic solvent.
[0025]
Among the solid polymer electrolyte materials of the present invention, -SO 2 X group is -SO Three Those which are M groups can be dissolved or well dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group in the molecule. For example, of the solid polymer electrolyte material of the present invention, -SO Three When a liquid in which fine particles of a catalyst are dispersed in a liquid composition obtained by dissolving or dispersing an H group in an organic solvent, a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell can be easily formed, and a gas A catalyst layer having excellent permeability can be provided.
[0026]
Furthermore, the present invention is a solid polymer fuel cell having an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, wherein the fluorine-containing monomer B is the electrolyte material. -SO Three A solid polymer type fuel cell comprising a solid polymer electrolyte material having an H group as a constituent material of a cathode is provided.
[0027]
As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell using the solid polymer electrolyte material of the present invention as a constituent material of the cathode catalyst layer can obtain a stable and high battery output over a long period of time. This is considered to be because oxygen gas diffusibility is improved while sufficiently ensuring the ionic conductivity and water repellency in the layer, so that the oxygen concentration overvoltage is reduced and flooding is effectively prevented.
[0028]
Moreover, since the solid polymer electrolyte material of the present invention has an aliphatic ring structure in the main chain, it has a softening temperature higher than that of a conventional sulfonic acid polymer and is suitable for high-temperature operation of a fuel cell.
[0029]
Furthermore, the present invention includes a repeating unit represented by the following formula (I) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II). Rana A fluorine-containing polymer having a repeating unit content based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5000 to 5000000. .
[0030]
[Chemical Formula 10]
Figure 0004032738
[0031]
Here, in the formulas (I) and (II), R f16 And R f17 May be the same or different and each represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, k ′ represents 0 or 1, Y has the same meaning as Y in Formula (2), and M represents Formula (1). It is synonymous with M of description.
[0032]
The present invention also relates to a repeating unit based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II). Rana A fluorine-containing polymer having a repeating unit content based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5000 to 5000000. .
[0033]
Furthermore, the present invention relates to a repeating unit based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II). Rana A fluorine-containing polymer having a repeating unit content based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5000 to 5000000. .
[0034]
These fluorine-containing polymers of the present invention are considered to have particularly high gas permeability among the solid polymer electrolyte materials of the present invention, and also have particularly high ionic conductivity. Furthermore, the fluorine atom bonded to the carbon chain in these repeating units contributes to water repellency. Therefore, the above-described fluoropolymer of the present invention can be preferably used as a constituent material of a gas diffusion electrode or a polymer electrolyte membrane provided in the electrochemical process described above. Moreover, it has a softening temperature higher than that of conventional sulfonic acid polymers, and is suitable for high temperature operation of fuel cells.
[0035]
A repeating unit represented by formula (I) and a repeating unit based on fluorine-containing monomer D represented by formula (II) Rana In the fluorine-containing polymer, it is not preferable that the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D in the fluorine-containing polymer is less than 10 mol% because proton conductivity is reduced. On the other hand, if the content exceeds 75 mol%, the gas diffusibility becomes small, which is not preferable. And from a viewpoint similar to the above, it is more preferable that the content rate of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D in a copolymer is 15-60 mol%.
[0036]
Further, when the number average molecular weight of the fluorine-containing polymer is less than 5,000, the physical properties such as the degree of swelling change with time, and the durability becomes insufficient. On the other hand, when the number average molecular weight exceeds 5000000, it is difficult to prepare a solution. And from a viewpoint similar to the above, it is more preferable that the number average molecular weight of a fluorine-containing polymer is 10000-3000000.
[0037]
In addition, a repeating unit based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) Rana Similarly to the fluorinated polymer containing the repeating unit represented by the above formula (I), the content of the repeating unit based on the fluorinated monomer D in the fluorinated polymer is 10 to 75 mol%. It is preferable that it is 15 to 60 mol%. Furthermore, the number average molecular weight of the fluorine-containing polymer is also preferably 5,000 to 5,000,000, and more preferably 10,000 to 3,000,000.
[0038]
In addition, a repeating unit based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) Rana Similarly to the fluorinated polymer containing the repeating unit represented by the above formula (I), the content of the repeating unit based on the fluorinated monomer D in the fluorinated polymer is 10 to 75 mol%. It is preferable that it is 15 to 60 mol%. Furthermore, the number average molecular weight of the fluorine-containing polymer is also preferably 5,000 to 5,000,000, and more preferably 10,000 to 3,000,000.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment when the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell will be described in detail.
[0040]
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a configuration in which an anode, a cathode, and an anode and a cathode are disposed. Each of the cathode and the anode, which are gas diffusion electrodes, includes a gas diffusion layer and a catalyst layer adjacent to these gas diffusion layers. As a constituent material of the gas diffusion layer, a porous body having electronic conductivity (for example, carbon cloth or carbon paper) is used.
[0041]
The catalyst layer of the cathode is mainly composed of the above-described solid polymer electrolyte material (-SO Three H type) and a catalyst are contained, improving battery output, ensuring good ion output and ensuring water repellency and gas diffusibility in the catalyst layer capable of stably obtaining high battery output. Improvements are being made.
[0042]
The solid polymer electrolyte material of the present invention contained in the catalyst layer of the cathode is composed of a copolymer containing a repeating unit based on the fluorine-containing monomer A and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer B. The fluorine-containing monomer B is preferably a perfluoromonomer. In particular, the fluorine-containing monomer B is preferably a compound represented by the following formula (2), and among them, the compound represented by the formula (6) is particularly preferable.
[0043]
Embedded image
Figure 0004032738
[0044]
Here, in Formula (2) and Formula (6), k is an integer of 0 to 2, m is an integer of 1 to 12, k ′ is 0 or 1, Y is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, respectively. X is synonymous with X described in Formula (1) above. Thus, when both the fluorine-containing monomer A and the fluorine-containing monomer B are perfluoromonomers, the water repellency and durability of the obtained solid polymer electrolyte material are improved. Further, when the fluorinated monomer B is a compound represented by the formula (2), the obtained solid polymer electrolyte material exhibits good ionic conductivity.
[0045]
The fluorine-containing monomer A in the present invention is specifically classified into two types, that is, a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule and a cyclopolymerizable monomer as described above. It is preferable that the repeating unit based on the fluorine monomer A is represented by any one of the following formulas (3) to (5).
[0046]
Embedded image
Figure 0004032738
[0047]
Embedded image
Figure 0004032738
[0048]
Here, in formula (3), p, q and r each independently represent 0 or 1, and R f1 And R f2 May be the same or different and each represents a fluorine atom, a C 1-5 perfluoroalkyl group or a C 1-5 perfluoroalkoxy group, and R f3 Is a perfluoroalkylene group having 1 to 3 carbon atoms, and may have a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms as a substituent.
[0049]
In formula (4), s represents 0 or 1, and R f4 , R f5 , R f6 And R f7 May be the same or different and each represents either a fluorine atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms; f8 Represents a fluorine atom, a C 1-5 perfluoroalkyl group or a C 1-5 perfluoroalkoxy group. However, the above R f4 And R f5 May be linked when s = 0 to form a spiro ring.
[0050]
Furthermore, in formula (5), R f9 , R f10 , R f11 And R f12 May be the same or different and each represents either a fluorine atom or a C 1-5 perfluoroalkyl group.
[0051]
The structure of the repeating unit represented by the above formula (3) can be formed from a cyclopolymerizable monomer, and R f3 A perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms may be bonded to the perfluoroalkylene group represented by In the case of cyclopolymerization, in formula (3), r = 1 when q = 0, and r = 0 when q = 1. Specific examples of the repeating unit include those represented by the following formulas (7) to (22).
[0052]
Embedded image
Figure 0004032738
[0053]
Embedded image
Figure 0004032738
[0054]
Embedded image
Figure 0004032738
[0055]
The structure of the repeating unit represented by the above formula (4) can be formed from a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule. Specific examples of the repeating unit include those represented by the following formulas (23) to (32). Further, in the structure of the repeating unit represented by the formula (4), when s = 0, R f4 And R f5 When the spiro ring formed by is a 4- to 6-membered ring, an etheric oxygen atom may be contained as an element constituting this ring, and a perfluoroalkyl group is bonded to this ring as a substituent. It may be. Examples of the structure of the repeating unit based on the monomer having an aliphatic ring structure in the molecule include those represented by the following formula (33).
[0056]
Embedded image
Figure 0004032738
[0057]
Embedded image
Figure 0004032738
[0058]
Furthermore, the structure of the repeating unit represented by the above formula (5) can also be formed from a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule. Specific examples of the repeating unit include those represented by the following formulas (34) to (36).
[0059]
Embedded image
Figure 0004032738
[0060]
Among the repeating units based on the fluorinated monomer A, 1 is particularly selected from the group consisting of repeating units represented by formula (7), formula (23), formula (24), formula (29) and formula (34), respectively. More than species are preferred. The monomer (fluorinated monomer A) used as a raw material for introducing these repeating units into the copolymer constituting the solid polymer electrolyte material is as follows. Formula (7): Perfluoro (3-butenyl vinyl ether), Formula (23): Perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), Formula (24): Perfluoro (1,3-dioxole) Formula (29): 2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole, Formula (34): perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane).
[0061]
A solid polymer electrolyte material composed of a copolymer containing these repeating units and a repeating unit based on the monomer represented by the above formula (6) has high ion conductivity, excellent water repellency, and oxygen permeability. It is particularly preferable because it is excellent. In particular, among the above copolymers, -SO Three When the catalyst layer of the cathode of the polymer electrolyte fuel cell contains the one having an H group, the output of the obtained polymer electrolyte fuel cell can be increased as compared with the conventional one.
[0062]
Among the solid polymer electrolyte materials of the present invention, a copolymer consisting essentially of a repeating unit represented by the aforementioned formula (I) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) And the content rate of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D is 10-75 mol%, and the fluorine-containing polymer whose number average molecular weight is 5000-5 million is preferable. Another example is a copolymer consisting essentially of a repeating unit based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II). Further, a fluorine-containing polymer having a repeating unit content based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5000 to 5000000 is also preferable.
[0063]
Furthermore, in addition, it is substantially composed of a repeating unit based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II). Also preferred is a fluorine-containing polymer having a repeating unit content based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5000 to 5000000.
[0064]
Furthermore, when the solid polymer electrolyte material of the present invention is used as an electrolyte material for a solid polymer fuel cell as in this embodiment, a repeating unit based on the fluorine-containing monomer A and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer B -SO of copolymer containing 2 X group is -SO Three When it is other than H group, it is acidified and treated with -SO. Three Used after conversion to H group. The precursor —SO 2 The hydrolysis treatment of the F group portion is carried out by using, for example, an aqueous solution of a base such as NaOH or KOH or a mixed solution of the base, water and a water-soluble organic solvent. Three Na group, -SO Three Convert to K group etc. These acidification treatments use, for example, an aqueous solution of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, etc., and -SO Three Convert to H group.
[0065]
The softening temperature of the copolymer that is the solid polymer electrolyte material of the present invention is preferably 100 ° C. or higher. Here, the softening temperature of the solid polymer electrolyte material in the present invention refers to the softening temperature of the solid polymer electrolyte material while gradually raising the temperature of the solid polymer electrolyte material from around room temperature in the evaluation test of the dynamic viscoelasticity of the solid polymer electrolyte material. When the elastic modulus is measured, the temperature at which the elastic modulus of the solid polymer electrolyte material starts to rapidly decrease is shown. Therefore, the softening temperature in the present invention is different from the glass transition temperature usually obtained from the value of tan δ, and generally indicates a temperature observed in a temperature region lower than the glass transition temperature.
[0066]
Specifically, the softening temperature can be measured by a penetration method using a quartz probe having a diameter of 1 mm using a thermal mechanical analyzer (TMA). That is, the solid polymer electrolyte material to be measured is cast from a solution to form a film, and a quartz probe is brought into contact with the film from the normal direction of the surface of the film, and the temperature is increased at a temperature increase rate of 1 to 10 ° C./min. The temperature at which the thickness of the film begins to decrease rapidly due to penetration of the probe into the film is measured as the softening temperature.
[0067]
In addition, it was confirmed in advance that the softening temperature value obtained by this method coincided with the temperature value at which a sudden decrease in elastic modulus appearing in the temperature-dependent profile of the elastic modulus of the polymer described above was observed. . In addition, when the load of the probe on the film is too small, thermal expansion of the film is observed, but by optimizing the load, the degree of probe penetration at the softening temperature of the film can be measured without hindrance.
[0068]
Since the operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell is generally 80 ° C. or lower, if the softening temperature of the solid polymer electrolyte material contained in the catalyst layer is 100 ° C. or higher, the solid in the catalyst layer during the operation of the cell It becomes possible to suppress changes with time in physical properties such as swelling degree of the polymer electrolyte material. Therefore, the durability of the solid polymer electrolyte material in the catalyst layer during battery operation is improved. In addition, if a solid polymer electrolyte material having a softening temperature of 100 ° C. or higher is added to the cathode catalyst layer and used as a material for the anode catalyst layer and polymer electrolyte membrane, the anode catalyst during battery operation as described above is used. The durability of the electrolyte material or polymer electrolyte membrane in the layer is improved, and as a result, the battery life can be improved.
[0069]
Furthermore, in this case, the operating temperature of the conventional solid polymer fuel cell can be raised above 80 ° C. by using a solid polymer electrolyte material having a softening temperature of 100 ° C. or higher for the polymer electrolyte membrane. . As a result, the exhaust heat of the battery can be used more effectively, and since the heat removal of the battery is facilitated, the temperature control of the battery during operation becomes easier.
[0070]
In this case, catalyst poisoning due to carbon monoxide or the like contained in the anode reaction gas can be reduced, and the battery life can be improved in this respect as well. Furthermore, even when the solid polymer electrolyte material of the present invention is used as a solid acid catalyst, if the softening temperature can be increased, the reaction temperature can be increased, so that the desired reaction proceeds in a higher temperature range. Is possible.
[0071]
In order to have a high softening temperature and to obtain practical strength as a film, the repeating unit represented by the above formula (I) and the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) And a copolymer substantially consisting of repeating units based on tetrafluoroethylene, wherein the repeating unit represented by the formula (I) is 5-70 mol%, preferably 10-60 mol%, more preferably Is 20 to 60 mol%, and the repeating unit based on tetrafluoroethylene is 10 to 85 mol%, preferably 15 to 70 mol%, more preferably 20 to 60 mol%, and represented by the formula (II) The content of repeating units based on the fluorine-containing monomer D is 5 to 40 mol%, preferably 10 to 30 mol%, and the number-average molecular weight is 5000 to 5000000. Chromatography is particularly suitable.
[0072]
The solid polymer electrolyte material of the present invention is A R Is 0.5 to 2.5 meq / g dry resin (hereinafter referred to as meq./g). A of solid polymer electrolyte material R 0.5 meq. When it is less than / g, the water content of the solid polymer electrolyte material is lowered and its ionic conductivity is lowered. Therefore, when the solid polymer electrolyte material is used as a constituent material of the catalyst layer of the electrode of the solid polymer fuel cell, It becomes difficult to obtain sufficient battery output.
[0073]
On the other hand, the solid polymer electrolyte material A R 2.5 meq. When it exceeds / g, the density of the ion exchange groups in the solid polymer electrolyte material increases, and the strength of the solid polymer electrolyte material tends to decrease. Further, when used as a constituent material of the catalyst layer of the electrode of the polymer electrolyte fuel cell, the moisture content becomes too high, so that gas diffusibility or drainage in the catalyst layer is lowered and flooding is likely to occur. From the same viewpoint as described above, the solid polymer electrolyte material A of the present invention R Is 0.7 to 2.0 meq. / G, more preferably 0.9 to 1.5 meq. More preferably, it is / g.
[0074]
Further, the number average molecular weight of the solid polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited, and may be appropriately set by changing the degree of polymerization of the copolymer according to the use. When used as a constituent material of the catalyst layer of the cathode of the molecular fuel cell, it is preferably 5,000 to 5,000,000, and more preferably 10,000 to 3,000,000. If the number average molecular weight of the solid polymer electrolyte material is less than 5,000, the physical properties such as the degree of swelling change over time, resulting in insufficient durability. On the other hand, when the number average molecular weight exceeds 5000000, it is difficult to prepare a solution.
[0075]
Further, the ratio (substance ratio) of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A and the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B in the solid polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited, and is appropriately set according to the application. However, when used as a constituent material of the catalyst layer of the cathode of the polymer electrolyte fuel cell as in this embodiment, the above A R Is preferably selected so as to meet the range of
[0076]
In the solid polymer electrolyte material of the present invention, the repeating unit constituting the solid polymer electrolyte material has a repeating unit other than the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A and the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B as the repeating unit. It may be contained as necessary for the adjustment of the above. Monomers that give such other repeating units are not particularly limited. For example, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, ethylene, Examples thereof include fluorine-containing vinyl compounds represented by the formulas (37) to (40).
[0077]
In order to improve the strength of the obtained copolymer, among these monomers, tetrafluoroethylene is used from the viewpoints of high activity for polymerization reaction, durability (perfluoro structure), and availability. It is preferable.
CH 2 = CHR f13 ... (37)
CH 2 = CHCH 2 R f13 ... (38)
[0078]
Embedded image
Figure 0004032738
[0079]
CF 2 = CFOR f14 Z (40)
[0080]
Here, in Formula (37) and Formula (38), R f13 Represents a perfluoroalkyl group having 1 to 12 carbon atoms. In the formula (39), a represents an integer of 0 to 3, W represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, R f15 Represents a C1-C12 perfluoroalkyl group having a linear or branched structure. Furthermore, in formula (40), R f14 Is a C1-C12 perfluoroalkylene group having a straight chain or branched structure, and may contain an etheric oxygen atom, Z is -CN, -COOR f16 (R f16 Represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. ) Or -COF.
[0081]
When the solid polymer electrolyte material of the present invention contains other repeating units in addition to the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A and the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B, the content of the other repeating unit is solid. The polymer electrolyte material may be appropriately set according to the use of the polymer electrolyte material. When used as a constituent material of the catalyst layer of the cathode of the solid polymer fuel cell as in this embodiment, the solid polymer electrolyte material is configured. The content of the other repeating unit in the copolymer is preferably less than 35% by mass. When this value exceeds 35% by mass, the effect of increasing the output of the fuel cell is reduced.
[0082]
Furthermore, among the fluorine-containing vinyl ether compounds represented by the formula (39), it is preferable to use fluorine-containing vinyl ether compounds represented by the following formulas (41) to (43). However, in following formula (41)-(43), b is an integer of 1-8, d is an integer of 1-8, e shows 2 or 3, respectively.
[0083]
Embedded image
Figure 0004032738
[0084]
The catalyst contained in each of the cathode catalyst layers in the present invention is not particularly limited. For example, a catalyst in which a platinum group metal such as platinum or an alloy thereof is supported on carbon is preferable.
[0085]
Furthermore, in the cathode catalyst layer, the mass ratio of the catalyst to the solid polymer electrolyte material is the mass of the catalyst (the total mass of the metal and the carbon support): the mass of the solid polymer electrolyte material = 20: 80 to The ratio is preferably 95: 5, and more preferably 30:70 to 90:10.
[0086]
Here, if the content of the catalyst with respect to the solid polymer electrolyte material is too low, the amount of catalyst tends to be small, and the reaction sites tend to be insufficient. In addition, the thickness of the coating layer of the solid polymer electrolyte material covering the catalyst tends to increase, and the diffusion rate of the reaction gas in the solid polymer electrolyte material tends to decrease. Furthermore, the pores necessary for the diffusion of the reaction gas may be clogged with the resin, so that the flooding phenomenon is likely to occur.
[0087]
On the other hand, if the content of the catalyst with respect to the solid polymer electrolyte material is too high, the amount of the solid polymer electrolyte material that covers the catalyst with respect to the catalyst tends to be insufficient, resulting in fewer reaction sites and a decrease in battery output. . The solid polymer electrolyte material also functions as a binder for the catalyst layer and an adhesive between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, but its function becomes insufficient, and the tendency for the catalyst layer structure to be unable to be maintained stably increases. .
[0088]
The structure of the anode catalyst layer of the fuel cell is not particularly limited, and can be the same structure as the anode catalyst layer of a conventional solid polymer fuel cell, and contains the solid polymer electrolyte material of the present invention. It may also contain other resins.
[0089]
Furthermore, the layer thickness of the cathode and anode catalyst layers in the present invention is preferably 1 to 500 μm, and more preferably 5 to 100 μm. Furthermore, the catalyst layer in the present invention may contain a water repellent such as PTFE as necessary. However, since the water repellent agent is an insulator, the amount thereof is preferably as small as possible, and the addition amount is preferably 30% by mass or less.
[0090]
In addition, the polymer electrolyte membrane used in the solid polymer fuel cell of the present invention is an ion exchange membrane that exhibits good proton conductivity under wet conditions. From the viewpoint of durability, an ion exchange membrane made of a perfluoropolymer is used. A membrane is preferred. As the solid polymer material constituting the polymer electrolyte membrane, for example, the solid polymer electrolyte material of the present invention may be used, and an ion exchange resin or the like used in a conventional solid polymer fuel cell is used. Also good.
[0091]
Hereinafter, an example of a method for producing a fluorine-containing polymer used for the solid polymer electrolyte material in the present invention will be described. First, as the fluorine-containing monomer B, -SO 2 F group or -SO 2 Those having a Cl group are used. The polymerization reaction between the fluorinated monomer A and the fluorinated monomer B is not particularly limited as long as it is carried out under conditions where radicals are generated. For example, bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization, emulsion polymerization, polymerization in liquid or supercritical carbon dioxide may be used.
[0092]
The method for generating radicals is not particularly limited. For example, a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, and electron beams may be used, and a method using a radical initiator used in normal radical polymerization may be used. Also good. The reaction temperature of the polymerization reaction is not particularly limited, and is usually about 15 to 150 ° C., for example. When a radical initiator is used, examples of the radical initiator include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, Examples include azo compounds and persulfates.
[0093]
In the case of performing solution polymerization, the solvent used usually has a boiling point of 20 to 350 ° C., more preferably 40 to 150 ° C., from the viewpoint of handleability. . Then, a predetermined amount of a fluorine-containing monomer and a fluorine-containing vinyl compound is added to the solvent, and a radical initiator or the like is added to generate radicals to perform polymerization.
[0094]
Here, examples of the usable solvent include (i) polyfluorotrialkylamine compounds such as perfluorotributylamine and perfluorotripropylamine, (ii) perfluorohexane, perfluorooctane, perfluorodecane, and perfluorodecane. Fluorododecane, perfluoro (2,7-dimethyloctane), 2H, 3H-perfluoropentane, 1H-perfluorohexane, 1H-perfluorooctane, 1H-perfluorodecane, 1H, 4H-perfluorobutane, 1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorohexane, 1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctane, 1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecane, 3H, 4H-perfluoro (2-methyl Pentane), 2H, 3H-perfluoro (2-me (Alpentane), (iii) 3,3-dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane, A fluoroolefin having no double bond at the molecular chain end, such as a chlorofluoroalkane such as 1,1-dichloro-1-fluoroethane, (iv) a dimer of hexafluoropropene, a trimer of hexafluoropropene, v) perfluorodecalin, perfluorocyclohexane, perfluoro (1,2-dimethylcyclohexane), perfluoro (1,3-dimethylcyclohexane), perfluoro (1,3,5-trimethylcyclohexane), perfluorodimethylcyclobutane ( Polyfluorocycloalkanes, etc. (regardless of structural isomerism), (vi) perful B (2-butyl tetrahydrofuran) polyfluoro cyclic ether compounds such as, (vii) n-C Three F 7 OCH Three , N-C Three F 7 OCH 2 CF Three , N-C Three F 7 OCHFCF Three , N-C Three F 7 OC 2 H Five , N-C Four F 9 OCH Three , Iso-C Four F 9 OCH Three , N-C Four F 9 OC 2 H Five , Iso-C Four F 9 OC 2 H Five , N-C Four F 9 OCH 2 CF Three , N-C Five F 11 OCH Three , N-C 6 F 13 OCH Three , N-C Five F 11 OC 2 H Five , CF Three OCF (CF Three CF 2 OCH Three , CF Three OCHFCH 2 OCH Three , CF Three OCHFCH 2 OC 2 H Five , N-C Three F 7 OCF 2 CF (CF Three ) OCHFCF Three Hydrofluorethers such as (viii) fluorine-containing low molecular weight polyether, (ix) tert-butanol and the like. In addition, these solvents may be used independently and may be used in mixture of 2 or more types.
[0095]
Other examples of solvents used for solution polymerization include 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane, 1,1,1-trichloro-2,2,2- Trifluoroethane, 1,1,1,3-tetrachloro-2,2,3,3-tetrafluoropropane, 1,1,3,4-tetrachloro-1,2,2,3,4,4- Mention may be made of chlorofluorocarbons such as hexafluorobutane. However, these chlorofluorocarbons can be used technically, but their use is not preferable in consideration of the influence on the global environment.
[0096]
The copolymer obtained by polymerization is -SO. 2 F group or -SO 2 Since it has a Cl group, hydrolysis or acidification treatment is performed if necessary, and -SO Three Convert to M group.
[0097]
Next, an example of a method for producing the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described, and a preferred embodiment when the liquid composition of the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell will be described. The method for producing the gas diffusion electrode having the cathode and anode catalyst layers of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, and can be produced by a known method.
[0098]
For example, the catalyst layer of the cathode is -SO Three It is formed using a coating liquid for forming a catalyst layer prepared by mixing a catalyst in a liquid composition in which a solid polymer electrolyte material of the present invention having an H group is dissolved or dispersed in a solvent having a hydroxyl group in the molecule. be able to.
[0099]
The solid polymer electrolyte material of the present invention contains -SO Three When it has M group, it can melt | dissolve or disperse | distribute favorably in the organic solvent which has a hydroxyl group. The organic solvent having a hydroxyl group is not particularly limited, but an organic solvent having an alcoholic hydroxyl group is preferable.
[0100]
Examples of the organic solvent having an alcoholic hydroxyl group include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3-pentafluoro-1- Propanol, 2,2,3,3-tetrafluoro-1-propanol, 4,4,5,5,5-pentafluoro-1-pentanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro- 2-propanol, 3,3,3-trifluoro-1-propanol, 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluoro-1-hexanol, 3,3,4,4,5 5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluoro-1-octanol and the like. Moreover, as an organic solvent other than alcohol, an organic solvent having a carboxyl group such as acetic acid can also be used.
[0101]
Here, as the organic solvent having a hydroxyl group, the above-mentioned solvents may be used alone, or two or more kinds thereof may be mixed and used, or may be further used by mixing with water or other fluorine-containing solvent. . Examples of other fluorine-containing solvents include the fluorine-containing solvents exemplified as preferred fluorine-containing solvents in the solution polymerization reaction in the production of the solid polymer electrolyte material described above.
[0102]
In addition, when using the organic solvent which has a hydroxyl group as water or a mixed solvent with another fluorine-containing solvent, it is preferable that content of the organic solvent which has a hydroxyl group is 10% or more with respect to the solvent total mass, 20% More preferably. In this case, the solid polymer electrolyte material may be dissolved or dispersed in the mixed solvent from the beginning, and the solid polymer electrolyte material is first dissolved or dispersed in the organic solvent having a hydroxyl group, and then water or other components. These fluorine-containing solvents may be mixed. Further, the dissolution or dispersion of the solid polymer electrolyte material in such a solvent is preferably carried out in a temperature range of 0 to 250 ° C. under conditions of atmospheric pressure or hermetically pressurized with an autoclave or the like. It is more preferable to carry out in the range of 150 ° C.
[0103]
Further, the content of the solid polymer electrolyte material in the liquid composition of the present invention is preferably 1 to 50%, more preferably 3 to 30% with respect to the total mass of the liquid composition. When the content of the solid polymer electrolyte material is less than 1%, a coating liquid is prepared by mixing a catalyst with this liquid, and a catalyst having a desired thickness is prepared when a cathode catalyst layer is produced using the coating liquid. The number of times of coating is increased to produce the layer, and such a coating solution contains a large amount of organic solvent, which is costly and takes a long time for the removal operation. Hateful. On the other hand, when the content of the solid polymer electrolyte material exceeds 50%, the viscosity of the liquid composition becomes too high and it is difficult to handle.
[0104]
Furthermore, in addition to the solid polymer electrolyte material of the present invention, the liquid composition may contain a resin that is another solid polymer electrolyte material. In this case, a catalyst obtained using the liquid composition as a raw material From the viewpoint of sufficiently ensuring the gas diffusibility and water repellency of the layer, the content of the solid polymer electrolyte material of the present invention in the liquid composition is based on the total mass of all the solid polymer electrolyte materials in the liquid composition. It is preferably 20% or more, and more preferably 50% or more.
[0105]
The cathode catalyst layer is prepared by using a coating solution for forming a catalyst layer prepared by mixing a catalyst composed of fine particles such as carbon black carrying platinum on the liquid composition of the present invention. Further, it can be produced by forming the gas diffusion layer or the support plate so as to have a uniform thickness, drying and removing the solvent, and performing hot pressing as necessary. If desired, the coating liquid may be prepared by mixing the liquid composition of the present invention and the catalyst, then distilling off the solvent, taking out the solid content, and redispersing in another solvent. The redispersed solution is usually selected from the aforementioned alcoholic solvents and may contain water. In this way, a cathode catalyst layer excellent in gas diffusibility and water repellency can be obtained.
[0106]
In particular, when a coating liquid is prepared from a liquid composition containing a solid polymer electrolyte material in which the softening temperature of the polymer itself is 100 ° C. or higher, the gas diffusibility in the layer is significantly improved. If the softening temperature of the solid polymer electrolyte material is 100 ° C. or higher, the solid polymer electrolyte material is less likely to shrink when the solvent gradually evaporates from the coating solution. This is presumably because pores of an appropriate size are formed between the aggregates of the catalyst particles coated with the electrolyte material.
[0107]
The anode catalyst layer can also be formed in the same manner as the cathode catalyst layer. However, the coating liquid for forming the catalyst layer of the anode may use the liquid composition of the present invention, or may be prepared using a liquid obtained by dissolving or dispersing a conventional solid polymer electrolyte material in a predetermined solvent. Good.
[0108]
A solid polymer fuel cell can be manufactured by disposing the prepared cathode catalyst layer and anode catalyst layer between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer. Here, when the catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane, for example, a separately prepared gas diffusion layer is disposed or joined adjacent to the catalyst layer. When the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer and the gas diffusion electrode is formed in advance, for example, a separately prepared polymer electrolyte membrane is disposed or joined adjacent to the catalyst layer. Further, when the catalyst layer is formed on the support plate, for example, it is transferred to a separately prepared polymer electrolyte membrane, and then the support plate is peeled off and a separately prepared gas diffusion layer is disposed adjacent to the catalyst layer. Or join.
[0109]
The polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, and the catalyst layer and the gas diffusion layer may be joined by, for example, hot pressing or roll pressing. At this time, both may be joined by non-heating using a perfluorosulfonic acid polymer solution or the like as an adhesive.
[0110]
Further, as described above, the polymer electrolyte membrane constituting the battery may be produced using the solid polymer electrolyte material of the present invention.
[0111]
The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the polymer electrolyte fuel cell has been described in the case where a gas containing hydrogen as a main component is used as the anode reaction gas. However, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is, for example, an anode reaction gas. A configuration may be adopted in which methanol gas is directly introduced into the anode as the gas.
[0112]
In the above embodiment, the case where the liquid composition containing the solid polymer electrolyte material of the present invention is used for the catalyst layer of the electrode of the solid polymer fuel cell has been described. However, the liquid composition can be used for other applications. For example, when forming a membrane using the solid polymer electrolyte material of the present invention, 1) a cation selective permeable membrane used for salt electrolysis and the like, 2) a membrane for water electrolysis, 3) hydrogen peroxide production, ozone production It can be used in various electrochemical processes as a proton selective permeable membrane used for waste acid recovery and the like, and 4) a cation exchange membrane for electrodialysis used for desalting or salt production.
[0113]
In addition to the electrochemical process, a membrane is formed using the solid polymer electrolyte material of the present invention, for example, a membrane for diffusion dialysis used for separation and purification of acids, bases, and salts, and a charge for protein separation. It can also be used for type porous membranes (charged reverse osmosis membranes, charged ultrafiltration membranes, charged microfiltration membranes, etc.), dehumidifying membranes, humidifying membranes and the like. Further, the solid polymer electrolyte material of the present invention includes, for example, a polymer electrolyte of a lithium ion battery, a solid acid catalyst, a cation exchange resin, a sensor using a modified electrode, and an ion exchange filter for removing trace ions in the air. It can also be used for actuators.
[0114]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples. In the following description of Examples and Comparative Examples, the following compounds are described using the following abbreviations.
PSVE: CF 2 = CFOCF 2 CF (CF Three OCF 2 CF 2 SO 2 F,
PSVE-H: CF 2 = CFOCF 2 CF (CF Three OCF 2 CF 2 SO Three H,
BVE: perfluoro (3-butenyl vinyl ether),
PDD: perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole),
MMD: perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane)
TFE: Tetrafluoroethylene
IPP: (CH Three ) 2 CHOC (= O) OOC (= O) OCH (CH Three ) 2 ,
HCFC141b: CH Three CCl 2 F,
HCFC225cb: CCIF 2 CF 2 CHClF.
[0115]
[Synthesis Example 1] (PDD / PSVE-H copolymer 1)
Put 26.0 g of PDD, 127.8 g of PSVE, 0.46 g of IPP in a 0.2 L stainless steel autoclave, purge the gas in the autoclave with nitrogen, and then adjust the total pressure of nitrogen to 0.3 MPa (gauge pressure) Introduced. Next, the temperature in the autoclave was set to 40 ° C., and polymerization was started while stirring the contents. Ten hours after the start of polymerization, the autoclave was cooled and the gas in the system was purged to stop the polymerization. After dilution with HCFC225cb, the polymer was precipitated by adding it to hexane, washed twice with hexane, and once with HCFC141b. did.
[0116]
After filtration, it was vacuum-dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 41.6 g of a white polymer. The sulfur content is determined by elemental analysis, and the molar ratio of the repeating unit based on PDD and the repeating unit based on PSVE in the polymer (PDD / PSVE) and A R And PDD / PSVE = 56.5 / 43.5, and A R = 1.31 meq. / G. Moreover, when the number average molecular weight of the polymer was measured by GPC, the number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate was 33,000. The weight average molecular weight was 56,000.
[0117]
Next, the obtained polymer was immersed in a water / ethanol mixed solution of KOH for hydrolysis treatment, and then immersed in a dilute sulfuric acid aqueous solution for acidification treatment. Next, the polymer was washed with ion-exchanged water, dried, and then dissolved in ethanol to obtain a 10% by mass transparent ethanol solution of the polymer (PDD / PSVE-H copolymer 1).
[0118]
A cast film was prepared using the above ethanol solution of the polymer, and the softening temperature of the polymer was measured by the penetration method using a 1 mmφ quartz probe described above. First, a mixed solution of 10 parts by weight of a polymer ethanol solution and 2 parts by weight of butanol is prepared, cast into a film at room temperature using this solution, and dried at 160 ° C. for 30 minutes to form a cast film having a thickness of about 200 μm. Obtained. Next, the obtained cast film was set in TMA (manufactured by Mac Science).
[0119]
Then, while raising the temperature of the cast film at a temperature rising rate of 5 ° C./min, a vibration load based on a sin curve of 0.2 Hz (load vibration range: 1 to 6 g) with respect to the contact portion between the cast film and the 1 mmφ quartz probe. , Average load: 3.5 g), and the change in the thickness of the cast film was measured. Then, the temperature at which the thickness of the film began to decrease rapidly due to the penetration of the probe into the cast film was measured as the softening point. As a result, the softening temperature of this polymer was 150 ° C.
[0120]
[Synthesis Example 2] (PDD / PSVE-H Copolymer 2)
In a 0.2 L stainless steel autoclave, 36.4 g of PDD, 123.1 g of PSVE, and 0.48 g of IPP were added, and polymerization was started in the same manner as in Synthesis Example 1. 3.2 hours after the start of the polymerization, the autoclave is cooled, the gas in the system is purged to stop the polymerization, and the mixture is diluted with HCFC225cb and then poured into hexane to precipitate, washed twice with hexane and once with HCFC141b. did.
[0121]
After filtration, the resultant was vacuum-dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 25.3 g of a white polymer. The obtained polymer was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain PDD / PSVE-H copolymer 2, and the same characterization as in Synthesis Example 1 was performed. As a result, PDD / PSVE = 69.8 / 30.2, A R = 0.99 meq. / G, polymethyl methacrylate conversion number average molecular weight: 58,000, weight average molecular weight: 95,000, softening temperature: 180 ° C.
[0122]
[Synthesis Example 3] (BVE / PSVE-H copolymer 1)
Under a nitrogen atmosphere, 120.0 g of BVE, 128.5 g of PSVE, and 0.76 g of IPP were placed in a 300 mL volume flask, the temperature in the flask was set to 40 ° C., and polymerization was started while stirring the contents. After 16.7 hours from the start of the polymerization, the inside of the flask was cooled to stop the polymerization, and the polymer was precipitated by adding to hexane, and further washed with hexane three times.
[0123]
After filtration, it was vacuum dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 47.8 g of a white polymer. The obtained polymer was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain a BVE / PSVE-H copolymer 1, and the same characterization as in Synthesis Example 1 was performed. As a result, BVE / PSVE = 67.0 / 33.0, A R = 0.99 meq. / G, polymethyl methacrylate conversion number average molecular weight: 29,000, weight average molecular weight: 42,000, softening temperature: 110 ° C.
[0124]
[Synthesis Example 4] (BVE / PSVE-H copolymer 2)
Under a nitrogen atmosphere, 150.0 g of BVE, 103.0 g of PSVE, and 0.77 g of IPP were placed in a 300 mL volume flask, and polymerization was started in the same manner as in Synthesis Example 3. After 10.7 hours from the start of the polymerization, the inside of the flask was cooled to stop the polymerization, and the polymer was precipitated by adding it to hexane, followed by washing with hexane three times and further with HCFC 141b.
[0125]
After filtration, it was vacuum-dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 38.0 g of a white polymer. The obtained polymer was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain BVE / PSVE-H copolymer 2, and the same characterization as in Synthesis Example 1 was performed. As a result, BVE / PSVE = 76.1 / 23.9, A R = 0.75 meq. / G, polymethyl methacrylate conversion number average molecular weight: 38,000, weight average molecular weight: 53,000, softening temperature: 110 ° C.
[0126]
[Synthesis Example 5] (TFE / PSVE-H copolymer)
A TFE / PSVE copolymer conventionally used as a material for a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell electrode or a material for a polymer electrolyte membrane was produced by a known method. The obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain a TFE / PSVE-H copolymer and characterized in the same manner as in Synthesis Example 1. As a result, TFE / PSVE = 82.2 / 17.8, A R = 1.1 meq. / G, softening temperature: 80 ° C.
[0127]
[Synthesis Example 6] (MMD / PSVE-H copolymer 1)
A 0.2 L autoclave was charged with IPP: 0.68 g, PSVE: 207.1 g, MMD: 20.0 g, degassed under reduced pressure, and then purged with nitrogen three times. The total pressure with nitrogen was 0.12 MPa. (Gauge pressure) was applied. The temperature was raised to 40 ° C. and reacted for 2.5 hours. The polymerization solution was poured into hexane to aggregate the polymer, and further washed with hexane three times. Vacuum drying was performed overnight at room temperature, and further vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield: 16.9 g (Yield: 7.4%).
[0128]
The sulfur content is determined by elemental analysis, and the molar ratio (MMD / PSVE) of the repeating unit based on MMD and the repeating unit based on PSVE in the polymer is R And MMD / PSVE = 76.0 / 24.0, and A R = 0.82 meq. / G. When the number average molecular weight of the polymer was measured by GPC, the number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate was 45,000, and the weight average molecular weight was 70000.
[0129]
Polymer is KOH / H 2 It was immersed in a solution of O / DMSO = 11/59/30 (mass ratio) and kept at 90 ° C. for 7 days. It returned to room temperature, washed with water, and further immersed in water at 90 ° C. This washing with water was repeated three times. Further, it was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid at 90 ° C. for 1 day, returned to room temperature, washed with water, and further immersed in water at 90 ° C. This washing with water was repeated three times. The polymer was dried in an oven at 80 ° C. for 16 hours and further vacuum dried at 80 ° C. to obtain an acidified polymer.
[0130]
A 10% by mass ethanol solution of this polymer was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 to prepare a cast film. The softening temperature of the cast film was 135 ° C.
[0131]
[Synthesis Example 7] (MMD / PSVE-H copolymer 2)
Polymer 19 was prepared in the same manner as in Synthesis Example 6, except that the charged PSVE was 207.1 g, the MMD was 13.3 g, nitrogen was introduced to make the total pressure 0.11 MPa (gauge pressure), and the reaction time was 6 hours. 0.6 g was obtained (yield: 8.9%).
[0132]
Similar to Synthesis Example 6, the molar ratio (MMD / PSVE) of the repeating unit based on MMD to the repeating unit based on PSVE in the polymer and A R And MMD / PSVE = 66.7 / 33.3, and A R = 1.07 meq. / G. Moreover, the number average molecular weight of polymethyl methacrylate conversion was 24,000, and the weight average molecular weight was 39,000.
[0133]
The polymer was acidified in the same manner as in Synthesis Example 6 to obtain an MMD / PSVE-H copolymer. A 9.6 mass% ethanol solution of this polymer was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 to prepare a cast film. The softening temperature of the cast film was 125 ° C.
[0134]
[Synthesis Example 8] (TFE / PDD / PSVE-H copolymer)
A 0.2 L autoclave was charged with 14.3 g of PDD, 52.6 g of PSVE, 76.9 g of HCFC-225cb, and 0.36 g of IPP, and freeze degassed. After introducing 5.9 g of TFE, the temperature was raised to 40 ° C. to initiate polymerization. At this time, the pressure was 0.26 MPa (gauge pressure). The reaction was carried out at 40 ° C. for 10 hours, and the reaction was stopped when the pressure reached 0.07 MPa (gauge pressure). The polymerization solution was poured into hexane to aggregate the polymer, and washed with hexane three times. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield: 25.0 g (Yield: 34.4%).
[0135]
19 When the polymer composition was determined by F-NMR, it was TFE / PDD / PSVE = 42/35/22 (molar ratio), and A R Is 0.98 meq. / G. Moreover, the number average molecular weight of polymethyl methacrylate conversion by GPC was 53,000, and the weight average molecular weight was 83,000.
[0136]
The polymer was pressed at 160 ° C. to produce a film having a thickness of 100 μm. This film is KOH / H 2 It was immersed in a solution of O / DMSO = 11/59/30 (mass ratio) and hydrolyzed by maintaining at 90 ° C. for 17 hours. It returned to room temperature and washed with water 3 times. Furthermore, it was immersed in 1 mol / L sulfuric acid at room temperature for 2 hours and washed with water. This sulfuric acid immersion and water washing were repeated three times, and finally water washing was further performed three times. The film was dried in an oven at 80 ° C. for 16 hours and further vacuum dried at 80 ° C. to obtain an acid-type dry film. The softening temperature measured by the method of Synthesis Example 1 was 120 ° C. The maximum point stress in the tensile test was 6.1 MPa, and the elongation at break was 3.0%. It was confirmed that the film had sufficient strength.
[0137]
In the same manner as in Synthesis Example 1, a 14.5% by mass ethanol solution of an acidified polymer could be prepared from the above polymer.
[0138]
The film tensile test was performed by cutting the film into the shape of test piece type 2 (length: 150 mm, width: 10 mm, distance between marked lines: 50 mm) defined in JIS K-7127, and initial distance between chucks: 100 mm. , Under the conditions of a tensile speed of 50 mm / min, 25 ° C., and a relative humidity of 50%.
[0139]
Example 1
The unit cell of Example 1 was produced according to the procedure described below. First, a dispersion obtained by dispersing Pt-supported carbon (Pt-supported amount: 54% by mass) in a 10% by mass ethanol solution of PDD / PSVE-H copolymer 1 (mass of Pt-supported carbon: mass of the copolymer). = 6: 4) was prepared. Next, after sufficiently stirring the dispersion, the solid obtained by further evaporating to dryness was pulverized. Next, the powder was redispersed in 2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol to prepare a coating solution for forming a cathode catalyst layer having a solid content concentration of 5% by mass. .
[0140]
Next, Pt-supported carbon (Pt-supported amount: 40% by mass) was converted into a TFE / PSVE-H copolymer (A R = 1.1 meq. / G) a 9% by mass ethanol solution and ethanol and dispersed, and further water is added to form a coating solution for forming an anode catalyst layer having a solid content concentration of 8% by mass (ethanol mass: water mass = 1: 1, mass of Pt-supported carbon: mass of the above copolymer = 7: 3).
[0141]
Also, as a gas diffusion layer for the anode and cathode, one surface of a water-repellent carbon cloth (fiber woven fabric) is clogged with a water-repellent carbon powder layer (a mixture of carbon black and PTFE), and further subjected to hot pressing to form a catalyst layer A carbon powder layer having a thickness of about 340 μm was prepared. Furthermore, as a polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer (trade name: Flemion HR, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., A R = 1.1 meq. / G, dry film thickness 50 μm).
[0142]
Next, a coating solution for forming a cathode catalyst layer is applied to the surface of the gas diffusion layer on the water-repellent carbon powder layer side with a Pt amount of 0.8 mg / cm 2. 2 Then, it was applied once and dried to form a catalyst layer, thereby producing a cathode. On the other hand, a coating solution for forming the catalyst layer of the anode was subjected to a procedure similar to that for the cathode, with a Pt amount of 0.5 mg / cm 2 Then, it was applied once and dried to form a catalyst layer to obtain an anode.
[0143]
Next, the effective cathode area of the obtained cathode and anode is 25 cm. 2 It cut out so that it might become. Then, both the cathode and the anode are opposed to each other with the catalyst layer side facing inward, and the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane of the cathode and the anode are joined by hot pressing with the polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween, A membrane / electrode assembly was prepared.
[0144]
(Comparative Example 1)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that both the anode and the cathode were produced using the anode catalyst layer forming coating solution prepared in Example 1.
[0145]
[Battery characteristics test]
Each membrane / electrode assembly of Example 1 and Comparative Example 1 is fitted with a carbon separator having a gas flow path to form a measurement cell, and an electronic load (manufactured by Takasago Seisakusho, FK400L) and a DC power source ( The current-voltage characteristic test of the measurement cell was performed using Takasago Seisakusho, EX750L).
The measurement conditions were: hydrogen inlet pressure: 0.15 MPa, air inlet pressure: 0.15 MPa, operating temperature of the measuring cell: 80 ° C., and after 10 hours of operation, the output current density was 0.3 A / cm, respectively. 2 1.0 A / cm 2 The cell voltage (iR free) was measured. In addition, the flow rates of hydrogen gas and air were adjusted so that the hydrogen utilization rate was 70% and the air utilization rate was 40% under these operating conditions. The results are shown in Table 1.
[0146]
[Table 1]
Figure 0004032738
[0147]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the repeating unit having an aliphatic ring structure is introduced into the copolymer that becomes the solid polymer electrolyte material, it has good ion conductivity, water repellency, and gas permeability. It is possible to provide an excellent solid polymer electrolyte material, a liquid composition containing the material, and a solid polymer fuel cell capable of stably obtaining a high battery output.
In addition, since the solid polymer electrolyte material of the present invention has a softening temperature higher than that of the conventional one, not only the polymer electrolyte fuel cell but also ion selective permeable membrane, reverse osmosis membrane, filtration membrane, diaphragm in other electrochemical processes Even when applied as such, it has a feature that it can be used at a high temperature.

Claims (14)

ラジカル重合により主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーを与える含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位と、
下記式(1)で表される含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位とを含む共重合体からなり、
イオン交換容量が0.9〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂であることを特徴とする固体高分子電解質材料。
CF2=CF(RfjSO2X …(1)
[式(1)中、jは0又は1を示し、
Xはフッ素原子、塩素原子又はOM{Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す}で表される基を示し、
fは直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜20のポリフルオロアルキレン基であって、エーテル結合性の酸素原子が含まれていてもよい。]
A repeating unit based on the fluorine-containing monomer A which gives a polymer having an aliphatic ring structure in the main chain by radical polymerization;
Ri Do a copolymer comprising repeating units based on the fluoromonomer B of the following formula (1),
Solid polymer electrolyte material ion exchange capacity, characterized in 0.9-1.5 meq / g dry resin der Rukoto.
CF 2 = CF (R f ) j SO 2 X (1)
[In the formula (1), j represents 0 or 1,
X is a fluorine atom, a chlorine atom or OM {M is a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different; A hydrogen atom or a monovalent organic group), a group represented by
Rf is a C1-C20 polyfluoroalkylene group having a linear or branched structure, and may contain an etheric oxygen atom. ]
前記含フッ素モノマーAがパーフルオロモノマーであり、
前記含フッ素モノマーBが下記式(2)で表されることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質材料。
Figure 0004032738
[式(2)中、kは0〜2の整数、mは1〜12の整数、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基をそれぞれ示し、Xは前記式(1)に記載のXと同義である。]
The fluorine-containing monomer A is a perfluoromonomer,
The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the fluorine-containing monomer B is represented by the following formula (2).
Figure 0004032738
[In the formula (2), k represents an integer of 0 to 2, m represents an integer of 1 to 12, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and X has the same meaning as X in the formula (1). is there. ]
前記含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位が下記式(3)〜(5)の何れかで表されることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体高分子電解質材料。
Figure 0004032738
[式(3)中、p、q及びrはそれぞれ独立に0又は1を示し、
f1及びRf2は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子、炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基の何れかを示し、
f3は炭素数1〜3のパーフルオロアルキレン基であって、置換基として炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基を含有していてもよい。]
Figure 0004032738
[式(4)中、sは0又は1を示し、
f4、Rf5、Rf6及びRf7は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又は炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基の何れかを示し(ただし、Rf4とRf5とは、s=0のときに連結してスピロ環を形成してもよい)、
f8はフッ素原子、炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基を示す。]
Figure 0004032738
[式(5)中、Rf9、Rf10、Rf11及びRf12は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又は炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基の何れかを示す。]
3. The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A is represented by any one of the following formulas (3) to (5).
Figure 0004032738
[In the formula (3), p, q and r each independently represent 0 or 1,
R f1 and R f2 may be the same or different and each represents a fluorine atom, a C 1-5 perfluoroalkyl group or a C 1-5 perfluoroalkoxy group,
R f3 is a perfluoroalkylene group having 1 to 3 carbon atoms, and may contain a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms as a substituent. ]
Figure 0004032738
[In the formula (4), s represents 0 or 1,
R f4 , R f5 , R f6 and R f7 may be the same or different and each represents either a fluorine atom or a C 1-5 perfluoroalkyl group (provided that R f4 and R f5 are they may be linked to form a spiro ring when s = 0),
R f8 represents a fluorine atom, a C 1-5 perfluoroalkyl group or a C 1-5 perfluoroalkoxy group. ]
Figure 0004032738
[In Formula (5), R f9 , R f10 , R f11 and R f12 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a C 1-5 perfluoroalkyl group. ]
前記含フッ素モノマーAが、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)、パーフルオロ(1,3−ジオキソール)、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)からなる群から選択される少なくとも1種であり、
前記含フッ素モノマーBが、下記式(6)で表されることを特徴とする請求項3に記載の固体高分子電解質材料。
Figure 0004032738
[式(6)中、k’は0又は1を示し、Xは前記式(1)に記載のXと同義であり、Yは前記式(2)に記載のYと同義である。]
The fluorine-containing monomer A is perfluoro (3-butenyl vinyl ether), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), perfluoro (1,3-dioxole), 2,2,4-triol. At least one selected from the group consisting of fluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole and perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane);
The solid polymer electrolyte material according to claim 3, wherein the fluorine-containing monomer B is represented by the following formula (6).
Figure 0004032738
[In Formula (6), k 'shows 0 or 1, X is synonymous with X as described in said Formula (1), Y is synonymous with Y as described in said Formula (2). ]
前記含フッ素モノマーAがパーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)であり、
前記含フッ素モノマーA及び前記含フッ素モノマーBのほかに、さらに、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位が含まれていることを特徴とする請求項4に記載の固体高分子電解質材料。
The fluorine-containing monomer A is perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole),
5. The solid polymer electrolyte material according to claim 4, further comprising a repeating unit based on tetrafluoroethylene in addition to the fluorine-containing monomer A and the fluorine-containing monomer B.
前記含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位の末端の−SO2X基が−SO3H基である固体高分子電解質材料であって、かつ固体高分子型燃料電池の構成材料として使用されることを特徴とする請求項1〜の何れかに記載の固体高分子電解質材料。It is a solid polymer electrolyte material in which the terminal -SO 2 X group of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B is a -SO 3 H group, and is used as a constituent material of a solid polymer fuel cell The solid polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 5 , wherein 前記共重合体の軟化温度が100℃以上であることを特徴とする請求項1〜の何れかに記載の固体高分子電解質材料。The solid polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 6 , wherein a softening temperature of the copolymer is 100 ° C or higher. 請求項1〜の何れかに記載の固体高分子電解質材料であり、かつ、前記含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位の末端の−SO2X基が−SO3M{Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す}基である固体高分子電解質材料が、分子中に水酸基を有する有機溶媒に溶解又は分散されていることを特徴とする液状組成物。Claim 1-7 a solid polymer electrolyte material according to any one of, and, -SO 2 X group is -SO 3 M {M terminal of the repeating unit based on the fluoromonomer B is a hydrogen atom, A group represented by an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group); A liquid composition, wherein the solid polymer electrolyte material, which is a group, is dissolved or dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group in the molecule. アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜とを有する固体高分子型燃料電池であって、
請求項に記載の固体高分子電解質材料を前記カソードの構成材料として含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
A solid polymer fuel cell having an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode,
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising the solid polymer electrolyte material according to claim 6 as a constituent material of the cathode.
下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる共重合体であって、
前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、
数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマー。
Figure 0004032738
[式(I)及び(II)中、Rf16、Rf17は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す。]
A repeating unit represented by the following formula (I), a copolymer Ru repeating units Toka Rana based on fluoromonomer D represented by the following formula (II),
The content of repeating units based on the fluorine-containing monomer D is 10 to 75 mol%, and
A fluorine-containing polymer having a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000.
Figure 0004032738
[In the formulas (I) and (II), R f16 and R f17 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, k ′ represents 0 or 1, and Y represents a fluorine atom or Represents a trifluoromethyl group, and M represents a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different, and each represents a hydrogen atom or Represents a monovalent organic group). ]
パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)に基づく繰り返し単位と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる共重合体であって、
前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、
数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマー。
Figure 0004032738
[式(II)中、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す。]
And repeating units based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether), a copolymer Ru repeating units Toka Rana based on fluoromonomer D represented by the following formula (II),
The content of repeating units based on the fluorine-containing monomer D is 10 to 75 mol%, and
A fluorine-containing polymer having a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000.
Figure 0004032738
[In formula (II), k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, M represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group. ]
パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰り返し単位と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とからなる共重合体であって、
前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、
数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマー。
Figure 0004032738
[式(II)中、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す。]
And repeating units based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane), a copolymer Ru repeating units Toka Rana based on fluoromonomer D of the following formula (II) ,
The content of repeating units based on the fluorine-containing monomer D is 10 to 75 mol%, and
A fluorine-containing polymer having a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000.
Figure 0004032738
[In formula (II), k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, M represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group. ]
下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とテトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位からなる共重合体であって、
下記式(I)で表される繰り返し単位の含有率が5〜70モル%、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位の含有率が10〜85モル%、前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が5〜40モル%であり、かつ、
数平均分子量が5000〜5000000であることを特徴とする含フッ素ポリマー。
Figure 0004032738
[式(I)及び(II)中、Rf16、Rf17は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す。]
A repeating unit represented by the following formula (I), a repeating unit or Rana Ru copolymer based on repeating units and tetrafluoroethylene-based fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II),
The content of the repeating unit represented by the following formula (I) is 5 to 70 mol%, the content of the repeating unit based on tetrafluoroethylene is 10 to 85 mol%, and the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D Is 5 to 40 mol%, and
A fluorine-containing polymer having a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000.
Figure 0004032738
[In the formulas (I) and (II), R f16 and R f17 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, k ′ represents 0 or 1, and Y represents a fluorine atom or Represents a trifluoromethyl group, and M represents a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different, and each represents a hydrogen atom or Represents a monovalent organic group). ]
請求項13に記載の含フッ素ポリマーからなる固体高分子電解質膜。A solid polymer electrolyte membrane comprising the fluorine-containing polymer according to claim 13 .
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