JP4625327B2 - 照射によりグラフトしたポリマー電解質膜を内蔵する燃料電池 - Google Patents
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Description
より具体的には、本発明は、照射によりグラフトしたポリマー電解質膜を内蔵する燃料電池、該ポリマー電解質膜を製造する方法、及び該方法にて使用されるポリマー電解質膜に関する。
アノード:H2→2H++2e−;
カソード:1/2O2+2H++2e−→H2O;
全体として:H2+1/2O2→H2O
燃料電池が作動する間、水素は、アノードを通って透過し、金属触媒と相互作用し、電子及び陽子を発生させる。電子は、導電性材料を介して外部回路を通じてカソードまで伝導される一方、陽子は、イオン経路を介してポリマー電解質膜を通じてカソードに同時に伝達される。酸素は、カソードの触媒箇所に透過し、ここで、酸素は、電子を得て且つ、陽子と反応して水を形成する。その結果、陽子交換膜燃料電池の反応生成物は、水、電気及び熱である。陽子−交換膜材料電池において、電流は、イオン経路及び電解質経路を通じて同時に伝導される。上記の陽子−交換膜燃料電池の効率は、主として、イオン抵抗率及び電子抵抗率の双方を最小にするその能力に依存する。
開発中の異なる型式の燃料電池の内、ポリマー電解質膜を使用する直接メタノール燃料電池(DMFC)は、持運び型の電子装置及び輸送用(例えば、電気自動車)に適用するための有望な候補である。
アノード:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−;
カソード:3/2O2+6H++6e−→3H2O;
全体として:CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
陽子は、アノードからカソードまでポリマー電解質膜を通じて同時に伝達される。
(a)アノードと、
(b)カソードと、
(c)アノードとカソードとの間に配置されたポリマー電解質膜であって、陽子導電性官能基を保持する側鎖にてグラフトした少なくとも1つのポリオレフィンを備える上記ポリマー電解質膜とを備え、
90℃にて0.30Ωcm2以下、好ましくは、0.02Ωcm2ないし0.25Ωcm2の範囲、より好ましくは、0.05Ωcm2ないし0.20Ωcm2の範囲の電池抵抗値を有し、
90℃における電池抵抗値に対して90%以下、好ましくは、70%以下、より好ましくは、50%以下だけ90℃における電池抵抗値と相違する、20℃における、電池抵抗値を有する上記燃料電池に関するものである。
1つの好ましい実施の形態に従い、上記側鎖のグラフト量[Δp(%)]は、10%ないし250%の範囲、好ましくは、40%ないし230%の範囲にある。
[Δp(%)]=[(Wt−Wo)/Wo]×100
ここで、WOは、グラフト重合化反応前の膜の重量、Wtは、グラフト重合化反応後の膜の重量である。
本明細書及び特許請求の範囲の目的のため、「直接メタノール燃料電池」という表現は、メタノールが何らそれ以前の化学的改質を伴わずに燃料電池内に直接供給され且つ、アノードにて酸化される燃料電池を意味する。
更なる側面によれば、本発明は、陽子導電性官能基を保持する側鎖にてグラフトした少なくとも1つのポリオレフィンを備え、上記側鎖は、酸素ブリッジを通じてポリオレフィンにグラフトされる、ポリマー電解質膜に関するものである。
更なる側面によれば、本発明は、ポリマー電解質膜を製造する方法であって、
(i)活性化したポリオレフィンを得るため酸素の存在下にてポリオレフィンを照射するステップと、
(ii)得られた活性化したポリオレフィンを少なくとも1つの不飽和炭化水素モノマーと反応させることにより、該ポリオレフィンをグラフトし、該炭化水素モノマーは、選択的に少なくとも1つの陽子導電性官能基を選択的に保持して活性化したポリオレフィン上にグラフトした側鎖を得るステップと、
(iii)陽子導電性官能基が不飽和炭化水素モノマー内に保持されていないならば、該グラフトした側鎖に対し陽子導電性官能基を選択的に提供するステップとを備え、
上記照射するステップ(i)が、0.10Gy/sないし100Gy/sの範囲、より好ましくは、1.0Gy/sないし10.0Gy/sの範囲の照射量にて行われ、
上記グラフトするステップ(ii)が、20分ないし5時間の範囲、好ましくは、30分ないし4時間の範囲の時間に亙って行われる、ポリマー電解質膜を製造する方法に関する。
上記に既に開示したように、本発明は、ポリマー電解質膜を製造する方法にも関する。
1つの好ましい実施の形態によれば、照射するステップ(i)における総照射量は、0.01MGyないし0.20MGy、より好ましくは、0.02MGyないし0.10MGyの範囲にあることが好ましい。
ポリオレフィンは、照射するステップ(i)の前に架橋結合することができ、又は架橋結合しなくてもよい。好ましくは、ポリオレフィンは、架橋結合されないものとする。
1つの好ましい実施の形態によれば、グラフトステップ(ii)は、少なくとも1つのヒドロペルオキシ基分解触媒の存在下にて行うことができる。該触媒は、鉄、コバルト、クロム又は、例えば、硫酸鉄、硫酸アンモニウム鉄、塩化コバルト(II)、塩化クロム(III)、塩化銅のような銅塩から選ぶことができる。硫酸鉄が特に好ましい。上記触媒は、0.5mg/mlないし10mg/mlの範囲、より好ましくは、1.0mg/mlないし6.0mg/mlの範囲の量にて添加されることが好ましい。
図1には、本発明に従って、アノード(2)と、カソード(3)と、ポリマー電解質膜(4)とを備える燃料電池(1)が示されている。好ましくは、一般に膜電極組立体(MEA)として一般に知られる2つの電極の間に介在させたポリマー電解質膜を有する、単一の複合的構造体を形成するようにアノード、カソード及びポリマー電解質膜が一体化されるものとする。上記膜電極組立体は、通常、図1に図示しないハウジング内に配置されている。
実施例1
低密度ポリエチレン(LDPE)フィルムを空気中で室温にて60CO−照射源から5.2Gy/sの照射量、総照射量0.05MGyにてγ線で照射した。
照射したLDPEフィルムを還流凝縮器を備える反応容器を使用して上述のようにして、作製したスチレン/メタノール溶液100ml中に浸漬させた。次に、溶液が沸騰する迄、反応容器を水浴内にて加熱した。
膜を実施例1にて開示したように作製し、唯一の相違点は、グラフト時間であり、2時間とした。
膜を実施例1に開示したように作製し、唯一の相違点は、グラフト時間であり、4時間とした。
上記の実施例1ないし3に開示されたように得られた膜に対し次の特徴付けを行った。
(a)照射後の有機ヒドロペルオキシ基の量の測定
照射後の有機ヒドロペルオキシ基の量の測定は、次のようにして行った。
次に、酢酸15ml及びヨー化カリウム1mlを添加した。フラスコを迅速に閉じて、室温にて、1分間、撹拌状態を保ち、その後、暗状態で15℃ないし25℃の範囲の温度に5分間、置いた。次に、75mlの蒸留水を添加した。次に、指示薬としてでんぷん溶液を使用して解放されたヨー素を急激な撹拌状態で0.002Nチオ硫酸ナトリウム溶液にて滴定した。これと同時に、標準液も滴定した。
(−COOH)基=32(V★N/m)★1000
ここで、Vは(mlにて表現)は、標準にて補正した後の標準的なナトリウムチオサルフェイト溶液の容積、Nは、チオ硫酸ナトリウム溶液の通常の濃度、mは、分析したポリマーの重量である。
(b)グラフト量[Δp(%)]の測定
グラフト量[Δp(%)]は、上記に開示したように計算した。得られた結果は表1に掲げてある。
イオン交換能力(IEC)は、次のようにして計算した。
上記の実施例1ないし3に開示したようにして得られた膜を1N HCl水溶液中に室温にて1時間、浸漬させ、陽子形態によるサンプルが得られるようにした。その後、膜を脱イオン水で50℃ないし60℃にて洗浄し、真空状態で80℃にて2時間、加熱炉内で乾燥させた。
電池抵抗の測定
E−テックインコーポレーテッド(E−TEK Inc.)(ニュージャージー州、ソーマセット)が市販する燃料電池電極ELAT型を使用して膜電極組立体(MEA)を得た。炭素電極は、アノード及びカソードの双方に対し0.5mg/cm2の量のPtを含むものとした。電極は、各々、膜の両面にて膜と接触させ、このようにして得られたMEA組立体を1kg/cm2の圧力にて締め付けた燃料電池ハウジング内に取り付けた。
デュポンによるナフィオン(登録商標名)117(厚さ、170μm);
実施例3によって得られた膜(厚さ、20μm)
得られた結果は、表2及び図2に掲げてある。
(R%)=[(R20℃−R90℃)/R90℃]×100
ここで、R20℃は、20℃における電池抵抗値、R90℃は、90℃における電池抵抗値である。
メタノールの透過度の測定は、図3に概略図的に示した装置を使用して上述した方法に従って行った。利用した膜は図3のものである。
(p):メタノールの透過度
(p★):膜の厚さに対して正規化したメタノールの透過度
上述したデータは、本発明による膜(実施例1ないし3)の透過度は従来技術の膜(ナフィオン(登録商標名)112及びナフィオン(登録商標名)117)の透過度よりも低いことを示す。
Claims (51)
- 燃料電池において、
(a)アノードと、
(b)カソードと、
(c)アノードとカソードとの間に配置されたポリマー電解質膜であって、陽子導電性官能基(protonconductive functional groups)を保持する側鎖(side chains)にてグラフトした少なくとも1つのポリオレフィンを備え、側鎖が酸素ブリッジを通じてポリオレフィンにグラフトされた前記ポリマー電解質膜とを備え、
90℃にて0.30Ωcm2以下の電池抵抗値を有し、
90℃における電池抵抗値に対して90%以下だけ90℃における電池抵抗値と相違する、20℃における電池抵抗値を有する、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池において、
90℃における電池抵抗値が0.02Ωcm2ないし0.25Ωcm2の範囲にある、燃料電池。 - 請求項2に記載の燃料電池において、
90℃における電池抵抗値が0.05Ωcm2ないし0.20Ωcm2の範囲にある、燃料電池。 - 請求項1ないし3の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
90℃における電池抵抗値に対して70%以下だけ90℃における電池抵抗値と相違する、20℃における電池抵抗値を有する、燃料電池。 - 請求項4に記載の燃料電池において、
90℃における電池抵抗値に対して50%以下だけ90℃における電池抵抗値と相違する、20℃における電池抵抗値を有する、燃料電池。 - 請求項1ないし5の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
側鎖のグラフト量が、10%ないし250%の範囲にある、燃料電池。 - 請求項6に記載の燃料電池において、
側鎖のグラフト量が、40%ないし230%の範囲にある、燃料電池。 - 請求項1ないし7の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
直接メタノール燃料電池である、燃料電池。 - 請求項1ないし8の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
水素燃料電池である、燃料電池。 - 請求項1ないし9の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
ポリオレフィンが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、エチレン−プロピレン共重合体(EPR)又はエチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、エチレンビニルアセテート共重合体(EVA)、エチレンブチルアクリレート共重合体(EBA)、ポリ二塩化ビニリデン、ポリふっ化ビニル(PVF)、ポリニふっ化ビニリデン(PVDF)、ふっ化ビニリデンテトラフルオロエチレン共重合体(PVDF−TFE)、ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体、クロロトリフルオロエチレン−プロピレン共重合体、ポリクロロエチレン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、プロピレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、エチレン−ヘキサフオロプロピレン共重合体から選ばれる、燃料電池。 - 請求項10に記載の燃料電池において、
ポリオレフィンがポリエチレンである、燃料電池。 - 請求項11に記載の燃料電池において、
ポリオレフィンが低密度ポリエチレン(LDPE)である、燃料電池。 - 請求項1ないし12の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
側鎖が、陽子導電性官能基を保持するか又は陽子導電性官能基を提供し得るよう改質することのできる任意の炭化水素ポリマー鎖から選ばれる、燃料電池。 - 請求項13に記載の燃料電池において、
側鎖が、選択的にハロゲン化される、不飽和炭化水素モノマーをグラフト重合化することにより得られる、燃料電池。 - 請求項14に記載の燃料電池において、
不飽和炭化水素モノマーが、スチレン、クロロアルキルスチレン、α−メチルスチレン、α,β−ジメチルスチレン、α,β,β−トリメチルスチレン、オルト−メチルスチレン、p−メチルスチレン、メタ−メチルスチレン、α−フルオロスチレン、トリフルオロスチレン、p−クロロメチルスチレン、アクリル酸、メタクリル酸、ビニルアルキルスルホン酸、ジビニルベンゼン、トリアリルシアヌール酸塩、ビニルピリジン、及びそれらの共重合体から選ばれる、燃料電池。 - 請求項15に記載の燃料電池において、
不飽和炭化水素モノマーが、スチレン又はα−メチルスチレンである、燃料電池。 - 請求項1ないし16の何れか1つの項に記載の燃料電池において、
陽子導電性官能基が、スルホン酸基及びリン酸基から選ばれる、燃料電池。 - 請求項17に記載の燃料電池において、
陽子導電性官能基が、スルホン酸基から選ばれる、燃料電池。 - ポリマー電解質膜において、
陽子導電性官能基を保持する側鎖にてグラフトした少なくとも1つのポリオレフィンを備え、
該側鎖が、酸素ブリッジを通じてポリオレフィンにグラフトされる、ポリマー電解質膜。 - 請求項19に記載のポリマー電解質膜において、
側鎖のグラフト量[Δp(%)]が、10%ないし250%の範囲にある、ポリマー電解質膜。 - 請求項20に記載のポリマー電解質膜において、
側鎖のグラフト量[Δp(%)]が、40%ないし230%の範囲にある、ポリマー電解質膜。 - 請求項19ないし21の何れか1つの項に記載のポリマー電解質膜において、
ポリオレフィンが、請求項10ないし12の何れか1つの項に従って画成される、ポリマー電解質膜。 - 請求項19ないし22の何れか1つの項に記載のポリマー電解質膜において、
側鎖が、請求項13ないし16の何れか1つの項に従って画成される、ポリマー電解質膜。 - ポリマー電解質膜を製造する方法において、
(i)活性化したポリオレフィンを得るため酸素の存在下にてポリオレフィンを照射するステップと、
(ii)得られた活性化したポリオレフィンを少なくとも1つの不飽和炭化水素モノマーと反応させることにより、得られた活性化したポリオレフィンをグラフトし、
前記炭化水素モノマーが、選択的に少なくとも1つの陽子導電性官能基を保持して活性化したポリオレフィン上に酸素ブリッジを通じてグラフトした側鎖を得るステップと、
(iii)陽子導電性官能基が不飽和炭化水素モノマー内に保持されていないならば、該グラフトした側鎖に対し陽子導電性官能基を選択的に提供するステップとを備え、
前記照射するステップ(i)が、0.10Gy/sないし100Gy/sの範囲の照射量にて行われ、
前記グラフトするステップ(ii)が、20分ないし5時間の範囲の時間に亙って行われる、ポリマー電解質膜を製造する方法。 - 請求項24に記載の方法において、
照射するステップ(i)が、1.0Gy/sないし10.0Gy/sの範囲の照射量にて行われる、方法。 - 請求項24又は25に記載の方法において、
グラフトするステップ(ii)が、30分ないし4時間の範囲の時間に亙って行われる、方法。 - 請求項24ないし26の何れか1つの項に記載の方法において、
照射するステップ(i)が、γ線、X線、紫外線、プラズマ照射又はβ粒子によって行われる、方法。 - 請求項27に記載の方法において、
照射するステップ(i)が、γ線によって行われる、方法。 - 請求項24ないし28の何れか1つの項に記載の方法において、
照射するステップ(i)における総照射量が、0.01MGyないし0.20MGyの範囲にある、方法。 - 請求項29に記載の方法において、
照射するステップ(i)における総照射量が、0.02MGyないし0.10MGyの範囲にある、方法。 - 請求項24ないし30の何れか1つの項に記載の方法において、
照射するステップ(i)の後、活性化したポリオレフィンが、3×10-3mol/kgないし70×10-3mol/kgの範囲の量にて有機ヒドロペルオキシを備える、方法。 - 請求項31に記載の方法において、
照射するステップ(i)の後、活性化したポリオレフィンが、4×10-3mol/kgないし50×10-3mol/kgの範囲の量にて有機ヒドロペルオキシ基を備える、方法。 - 請求項24ないし32の何れか1つの項に記載の方法において、
ポリオレフィンが、照射するステップ(i)の前に、架橋結合され又は架橋結合されない、方法。 - 請求項33に記載の方法において、
ポリオレフィンが、架橋結合されない、方法。 - 請求項24ないし34の何れか1つの項に記載の方法において、
グラフトするステップ(ii)が、15℃ないし150℃の範囲の温度にて行われる、方法。 - 請求項35に記載の方法において、
グラフトするステップ(ii)が、45℃ないし55℃の範囲の温度にて行われる、方法。 - 請求項24ないし36の何れか1つの項に記載の方法において、
グラフトするステップ(ii)が、少なくとも1つのヒドロペルオキシ基分解触媒の存在下にて行われる、方法。 - 請求項37に記載の方法において、
ヒドロペルオキシ基分解触媒が、硫酸鉄、硫酸アンモニウム鉄、塩化コバルト(II)、塩化クロム(III)、塩化銅から選ばれる、方法。 - 請求項38に記載の方法において、
ヒドロペルオキシ基分解触媒が、硫酸鉄、である、方法。 - 請求項37ないし39の何れか1つの項に記載の方法において、
ヒドロペルオキシ基分解触媒が、0.5mg/mlないし10mg/mlの量にて添加される、方法。 - 請求項40に記載の方法において、
ヒドロペルオキシ基分解触媒が、1.0mg/mlないし6.0mg/mlの量にて添加される、方法。 - 請求項24ないし41の何れか1つの項に記載の方法において、
グラフトするステップ(ii)において、炭化水素不飽和モノマーが、溶剤中に溶解される、方法。 - 請求項42に記載の方法において、
溶剤が、ケトン、アルコール、芳香属炭化水素、環状炭化水素、エーテル、エステルから選ばれる、方法。 - 請求項24ないし43の何れか1つの項に記載の方法において、
ステップ(iii)が、不活性気体の雰囲気内で又は空気中で、スルホン化剤又はリン化剤を使用することにより行われる、方法。 - 請求項44に記載の方法において、
スルホン化剤が、クロロスルホン酸、フルオロスルホン酸、又は硫酸から選ばれる、方法。 - 請求項45に記載の方法において、
リン化剤が、クロロリン酸又はフルオロリン酸から選ばれる、方法。 - 請求項24ないし46の何れか1つの項に記載の方法において、
ステップ(iii)が、50℃ないし150℃の温度にて行われる、方法。 - 請求項47に記載の方法において、
ステップ(iii)が、70℃ないし100℃の温度にて行われる、方法。 - 請求項1ないし18の何れか1つの項に記載の燃料電池により作動される装置。
- 請求項49に記載の装置において、
輸送用車のエンジンである、装置。 - 請求項49に記載の装置において、
持ち運び型電子装置である、装置。
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