JP4584800B2 - 樹脂材料及びその製造方法、燃料電池、電源並びに電子機器 - Google Patents
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Description
−CF2CH2−
で示される構成単位、化学構造式
−CF2CFCl−
で示される構成単位及び一般式
−CH2CH(CH2OCOOR)−
(式中、Rは、フッ化ビニリデンをグラフト重合することにより得られる側鎖である。)
で示される構成単位を有する樹脂であり、該第二の樹脂は、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方を重合することにより得られる樹脂であり、該第三の樹脂は、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方並びにスルホン酸基を有するモノマーを共重合することにより得られる樹脂であることを特徴とする。
で示される化合物、一般式
CH2=CHCH2SO3X2
(式中、X 2 は、水素原子又はアルカリ金属である。)
で示される化合物及び一般式
CH2=CHCONHC(CH3)2CH2SO3X3
(式中、X 3 は、水素原子又はアルカリ金属である。)
で示される化合物の少なくとも一つであることを特徴とする。
−CF2CH2−
で示される構成単位、化学構造式
−CF2CFCl−
で示される構成単位及び一般式
−CH2CH(CH2OCOOR)−
(式中、Rは、フッ化ビニリデンをグラフト重合することにより得られる側鎖である。)
で示される構成単位を有する樹脂を含有する液体中で、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方、又は、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方並びにスルホン酸基を有するモノマーを重合する工程を有することを特徴とする。
(CF2CH2)、(CF2CFCl)及び(CH2CH(CH2OCOO−R))
で示される3種類の構成単位を有する主鎖と、化学構造式
(CH2CH2)及び(CF2CH2)
で示される構成単位の少なくとも一方を有する側鎖(R部位)を有する。また、イオン伝導性樹脂は、化学構造式(1)
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2及び
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方を重合することにより得られる樹脂並びに化学構造式(1)で示される化合物の少なくとも一方及びスルホン酸基を有するモノマーを共重合することにより得られる樹脂の少なくとも一方である。なお、本発明の樹脂材料は、グラフト共重合体とイオン伝導性樹脂の他に、単独重合体をさらに含有していてもよい。
CH2=CHCH2SO3X2
で示される化合物(アリルスルホン酸及びそのアルカリ金属塩)並びに化学構造式
CH2=CHCONHC(CH3)2CH2SO3X3
で示される化合物(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及びそのアルカリ金属塩)の少なくとも一つであることが好ましい。なお、X1、X2及びX3は、それぞれ独立に、水素原子又はアルカリ金属である。中でも、p−スチレンスルホン酸及びそのアルカリ金属塩が特に好ましい。
カソード反応:2H++1/2O2+2e−→H2O
全反応:H2+1/2O2→H2O
本発明の燃料電池は、電極触媒の種類により適性があるが、燃料は、特に限定されない。しかしながら、燃料は、通常、容器等の有限な体積を有する空間に収められるため、体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度に優れることが好ましく、体積エネルギー密度に優れることが特に好ましい。このため、液体燃料又は固体燃料を用いることが好ましい。
CH3OH+H2O→6H++6e−+CO2
C2H5OH+3H2O→12H++12e−+2CO2
に示すように、それぞれ1分子及び3分子の水を必要とするが、このことを加味しても液体燃料の体積エネルギー密度が優れることは明らかである。
なお、フッ素樹脂1としては、分子量の異なる二種類のフッ素樹脂1−1及びフッ素樹脂1−2を用いた。フッ素樹脂1−1の数平均分子量Mnは、7100であり、重量平均分子量Mwは、440000であった。また、フッ素樹脂1−2のMnは、26000であり、Mwは、340000であった。
(実施例1)
ジメチルホルムアミドに、2.78gのフッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレート4.73gを加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルを、アシッドホスホオキシエチルメタクリレートの2重量%加えた。溶液を攪拌しながら、75℃で24時間及び85℃で1時間保持した後、徐冷し、樹脂材料を含有する液体を得た。なお、得られた液体は、乳白色であり、均一であった。樹脂材料を含有する液体を離形性プラスチック上に塗布し、真空下で加熱することにより、溶剤を除去した。得られた樹脂材料を、加熱したメタノール中で充分に洗浄した後、沸騰水中で加熱し、イオン交換水中に保存した。なお、得られた樹脂材料は均質であった。
(実施例2−1)
フッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの添加量をそれぞれ3.75g及び3.75gとした以外は、実施例1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、1.0×10−2S/cmであった。
(実施例2−2)
フッ素樹脂1−2を用いた以外は、実施例2−1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、1.7×10−2S/cmであった。
(実施例3)
フッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの添加量をそれぞれ4.73g及び2.78gとした以外は、実施例1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、2.9×10−3S/cmであった。
(実施例4)
フッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの添加量をそれぞれ5.63g及び1.88gとした以外は、実施例1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、2.1×10−3S/cmであった。
(実施例5)
フッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの添加量をそれぞれ6.45g及び1.05gとした以外は、実施例1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、6.2×10−4S/cmであった。
(実施例6)
フッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの添加量をそれぞれ1.83g及び5.63gとした以外は、実施例1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料は、表面の一部に直径1mm程度の盛り上がりが見られた。イオン伝導度(25℃)は、5.8×10−2S/cmであった。
(実施例7)
ジメチルホルムアミドに、5.62gのフッ素樹脂1−1を加え、溶解させた。この溶液に1.88gのポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)を加え、回転刃式のホモジナイザーを用いて、10000rpmで一次分散を行った。次に、3本ロールミルを用いて、5回処理を行うことにより、樹脂材料を含有する液体は均一になった。得られた樹脂材料を含有する液体を離形性プラスチック上に塗布し、真空下で加熱することにより、溶剤を除去した。得られた樹脂材料を沸騰水中で加熱し、イオン交換水中に保存した。なお、得られた樹脂材料は均質であった。実施例1と同様に、イオン伝導度(25℃)を評価したところ、1.5×10−3S/cmであった。
(比較例1)
ジメチルホルムアミドに、アシッドホスホオキシエチルメタクリレート2.78gを加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルを、アシッドホスホオキシエチルメタクリレートの2重量%加えた。溶液を攪拌しながら、75℃に加熱すると、ゲル化が起こった。実施例3の結果との比較から、フッ素樹脂1−1には、リン酸基の会合を抑制する効果があることがわかった。
(比較例2)
ジメチルホルムアミドに、4.73gのフッ素樹脂3及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレート2.78gを加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルをアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの2重量%加えた。溶液を攪拌しながら、75℃で24時間及び85℃で1時間保持した後、徐冷し、樹脂材料を含有する液体を得た。樹脂材料が析出したため、均一にはならなかった。実施例3の結果との比較から、フッ素樹脂1−1には、均一性(分散性)を改善する効果があることがわかった。
(比較例3)
メチルエチルケトンに、4.73gのフッ素樹脂2及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレート2.78gを加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルをアシッドホスホオキシエチルメタクリレートの2重量%加えた。溶液を攪拌しながら、75℃で24時間及び78℃で1時間保持した後、徐冷し、樹脂材料を含有する液体を得た。固形分と透明な液体部分に分離したため、均一にはならなかった。
(比較例4)
ポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)の粉末を200kg/cm2で加圧することにより、直径約10mmの円盤状に成型した。これをイオン交換水に投入した。円盤は膨潤し、崩壊した。このことから、フッ素樹脂1には、成形性を改善する効果があることがわかった。
(比較例5)
アシッドホスホオキシエチルメタクリレートの替わりに化学構造式
CH2=C(CH3)COO(CH2CH2O)nPO(OH)2
(n=4−5)で示されるモノマーを使用した以外は、実施例3と同様に樹脂材料を作製した。得られた樹脂材料は均質であったが、イオン伝導度(25℃)は、1.7×10−3S/cmであった。
(比較例6)
アシッドホスホオキシエチルメタクリレートの替わりに化学構造式
CH2=C(CH3)COO(CH2CH(CH3)O)nPO(OH)2
(n=5−6)で示されるモノマーを使用した以外は、実施例3と同様に樹脂材料を作製した。得られた樹脂材料は不均質であり、イオン伝導度を安定に測定することができなかった。
(参考例1)
フッ素樹脂1−1、ポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)及び実施例3で得られた樹脂材料を熱重量分析した。その結果を図7に示す。これより、樹脂材料の熱重量分析曲線71は、その成分であるフッ素樹脂1−1及びポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)の熱重量分析曲線72及び73を重量比に対応させて足したものとは異なり、樹脂材料は、ポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)より耐熱性が向上していることがわかる。このことは、フッ素樹脂1がポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)と相互作用していることを示している。
(参考例2)
フッ素樹脂1−1、ポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)及び実施例3で得られた樹脂材料を示差熱分析した。その結果を図8に示す。これより、樹脂材料の示差熱分析曲線81は、その成分であるフッ素樹脂1−1及びポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)の示差熱分析曲線82及び83を重量比に対応させて足したものとは異なり、フッ素樹脂1−1より高い温度にピークを有することがわかる。なお、ポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレートは、測定範囲で熱の出入りを示さない。また、フッ素樹脂1は、3個のピークを有し、170℃付近のピークは融点である。)このことは、フッ素樹脂1がポリ(アシッドホスホオキシエチルメタクリレート)と相互作用していることを示している。
(実施例8)
ジメチルホルムアミドに、3.77gのフッ素樹脂1−1及びアシッドホスホオキシエチルメタクリレート3.37g、アリルスルホン酸ナトリウム0.363gを加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルを、モノマーの2重量%加えた。溶液を攪拌しながら、75℃で24時間及び85℃で1時間保持した後、徐冷し、樹脂材料を含有する液体を得た。なお、得られた液体は、乳白色であり、均一であった。樹脂材料を含有する液体を離形性プラスチック上に塗布し、真空下で加熱することにより、溶剤を除去した。得られた樹脂材料を、加熱したメタノール中で充分に洗浄した後、沸騰水中で加熱した。次に、1NH2SO4水溶液中に加え、1時間加熱し、イオン交換水で洗浄した後、沸騰水中で加熱洗浄を2回行い、イオン交換水中に保存した。なお、得られた樹脂材料は均質であった。
(実施例9)
アリルスルホン酸ナトリウムの代わりに、p−スチレンスルホン酸ナトリウムを用いた以外は、実施例8と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、2.3×10−2S/cmであった。
(実施例10−1)
フッ素樹脂1−1、アシッドホスホオキシエチルメタクリレート及びp−スチレンスルホン酸ナトリウムの添加量をそれぞれ3.75g、2.625g及び1.125gとした以外は、実施例9と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度は、2.8×10−2S/cmであった。
(実施例10−2)
フッ素樹脂1−2を用いた以外は、実施例10−1と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、3.8×10−2S/cmであった。
(実施例11)
フッ素樹脂1−1、アシッドホスホオキシエチルメタクリレート及びp−スチレンスルホン酸ナトリウムの添加量をそれぞれ3.75g、1.875g及び1.875gとした以外は、実施例9と同様に樹脂材料を製造した。樹脂材料を含有する液体は、乳白色であり、均一であった。また、得られた樹脂材料も均質であり、イオン伝導度(25℃)は、2.1×10−2S/cmであった。
(比較例6)
ジメチルホルムアミドに、アシッドホスホオキシエチルメタクリレート2.625g及びp−スチレンスルホン酸ナトリウム1.125gを加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルを、モノマーの2重量%加えた。溶液を攪拌しながら、75℃に加熱すると、ゲル化が起こった。
(実施例12)
ドクターブレードを用いて、実施例2で得られた樹脂材料を含有する液体を離型性のプラスチックシートに塗布、乾燥した後、メタノールで洗浄して膜厚が約180μmのイオン伝導膜(8cm×8cm)を得た。
12 モノマー
13 グラフト構造の非イオン伝導性共重合樹脂
21 電解質膜
22 アノード
23 カソード
24 セパレータ
31 燃料電池
32 液体燃料カートリッジ
33 混合器
34、46 バルブ
35 液体燃料ポンプ
36 濃度センサー
37 気液分離器
38、42 温度センサー
39、43 冷却素子
40 熱交換器
41 空気ポンプ
44 水分凝縮器
45 水タンク
47 制御回路
48 DCDCコンバーター
49 端子
51 電源
61 CPU
62 ROM
63 RAM
64 バス
65 HDD
66 表示装置
67 入力装置
68 記録媒体
69 データ読取装置
91 電解質膜
92 アノード触媒層
93 カソード触媒層
94 拡散層
95 液体燃料供給部
96 酸化剤供給部
97 集電板
98 絶縁板
99 エンドプレート
100 シール部材
101 ボルト
102 支持棒
103 液体燃料供給口
104 液体燃料排出口
105 酸化剤供給口
106 酸化剤排出口
Claims (10)
- 第一の樹脂と、第二の樹脂及び第三の樹脂の少なくとも一方とを含有する樹脂材料において、
該第一の樹脂は、化学構造式
−CF2CH2−
で示される構成単位、化学構造式
−CF2CFCl−
で示される構成単位及び一般式
−CH2CH(CH2OCOOR)−
(式中、Rは、フッ化ビニリデンをグラフト重合することにより得られる側鎖である。)
で示される構成単位を有する樹脂であり、
該第二の樹脂は、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方を重合することにより得られる樹脂であり、
該第三の樹脂は、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方並びにスルホン酸基を有するモノマーを共重合することにより得られる樹脂であることを特徴とする樹脂材料。 - 前記第一の樹脂の含有量は、35重量%以上95重量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の樹脂材料。
- 化学構造式
−CF2CH2−
で示される構成単位、化学構造式
−CF2CFCl−
で示される構成単位及び一般式
−CH2CH(CH2OCOOR)−
(式中、Rは、フッ化ビニリデンをグラフト重合することにより得られる側鎖である。)
で示される構成単位を有する樹脂を含有する液体中で、
化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方、又は、化学構造式
CH2=CHCOOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物及び化学構造式
CH2=C(CH3)COOCH2CH2OPO(OH)2
で示される化合物の少なくとも一方並びにスルホン酸基を有するモノマーを重合する工程を有することを特徴とする樹脂材料の製造方法。 - 請求項4に記載の樹脂材料の製造方法を用いて製造されていることを特徴とする樹脂材料。
- 請求項1乃至3又は5に記載の樹脂材料を有することを特徴とする燃料電池。
- アルコールを含有する燃料を用いて発電することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。
- 前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。
- 請求項6乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池を有することを特徴とする電源。
- 請求項9に記載の電源を有することを特徴とする電子機器。
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