JP4697385B2 - イオン交換膜、膜/電極接合体、燃料電池 - Google Patents
イオン交換膜、膜/電極接合体、燃料電池 Download PDFInfo
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Description
(1) 25℃における5mol/Lのメタノール水溶液に対するメタノール透過速度(M)及び透過係数(C)、イオン交換容量(I)、並びに80℃、相対湿度95%RHにおけるプロトン伝導性(σ)が、以下の数式(1)〜(4)を満たし、化学式(4)とともに化学式(5)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物からなる
ことを特徴とするイオン交換膜。
C<0.065×(I^3) 数式(2)
σ≧0.02×(I^3) 数式(3)
1≦I≦2.3 数式(4)
M:濃度が5mol/Lのメタノール水溶液に対する25℃でのメタノール透過速度
(mmol・m-2・sec-1)
C:濃度が5mol/Lのメタノール水溶液に対する25℃でのメタノール透過係数
(mmol・m-1・sec-1)
I:イオン交換容量(meq/g)
σ:80℃、相対湿度95%RHにおける導電率(S/cm)
である。
イオン交換膜の特性の中でも燃料電池の性能に大きく影響するものとして、イオン交換容量、メタノール透過速度、メタノール透過係数、プロトン伝導性を挙げることができる。これらの特性は複雑に関連しており、ポリマー構造や膜の厚みなど様々な要因が関係している。本発明者らが鋭意研究した結果、優れた特性を有するダイレクトメタノール形燃料電池を得るためには、上記の四つの特性が特定の関係を満たすイオン交換膜を用いることが有効であることが分かった。
ただし、Yはスルホン基 、Xは1価のカチオン種、Zは塩素又はフッ素を示す。本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリル は、 良好なイオン伝導性、耐熱性、加工性及び寸法安定性を達成することができる。その理由としては 反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。
4'−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−
ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
メタノール透過係数[μmol・m−1・sec−1]=メタノール透過速度[mmol・m−2・sec−1]×膜厚[μm]×1000
実施例1
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)80.074g(0.163mol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)57.967g(0.337mol)、4,4'−ビフェノール93.
105g(0.500mol)、炭酸カリウム76.016g(0.550mol)、モレキュラーシーブ52.0gを2000ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。562mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、150℃で30分撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約7時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.44を示した。
ポリマー10gをNMP30mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約1000μm厚にキャストして150℃で4時間乾燥してフィルムを得た。得られたフィルムは室温の純水に1時間浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について評価を行った。
S−DCDPSとDCBNのモル比、及びキャスト厚みを変更した他は、実施例1と同様にして各種イオン交換膜を作製し評価を行った。
S−DCDPSとDCBNのモル比、及びキャスト厚みを変更した他は、実施例1と同様にして各種イオン交換膜を作製し評価を行った。
DCBNの代わりに、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン(略号:DCDPS)を
用い、S−DCDPSとDCDPSのモル比、及びキャスト厚みを変更した他は、実施例1と同様にして公知の構造で本発明の範囲外の各種イオン交換膜を作製し評価を行った。
市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)112及びナフィオン(商品名)117について各種評価を行った。
Claims (4)
- 25℃における5mol/Lのメタノール水溶液に対するメタノール透過速度(M)及び透過係数(C)、イオン交換容量(I)、並びに80℃、相対湿度95%RHにおけるプロトン伝導性(σ)が、以下の数式(1)〜(4)を満たし、化学式(4)とともに化学式(5)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物からなることを特徴とするイオン交換膜。
M≦3.0 数式(1)
C<0.065×(I^3) 数式(2)
σ≧0.02×(I^3) 数式(3)
1≦I≦2.3 数式(4)
M:濃度が5mol/Lのメタノール水溶液に対する25℃でのメタノール透過速度(mmol・m-2・sec-1)
C:濃度が5mol/Lのメタノール水溶液に対する25℃でのメタノール透過係数(mmol・m-1・sec-1)
I:イオン交換容量(meq/g)
σ:80℃、相対湿度95%RHにおける導電率(S/cm)
化学式(4)
化学式(5)
ただし、XはH又は1価のカチオン種を示す。 - 請求項1に記載のイオン交換膜を用いた膜/電極接合体。
- 請求項1に記載のイオン交換膜を用いた燃料電池。
- メタノールを燃料とすることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
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