JP4957544B2 - プロトン伝導性電解質膜とその製造方法、及び該プロトン伝導性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Description
1.無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも、(a)分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、(b)分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び(c)下記一般式(1)で表される化合物を共重合してなるポリマーであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
2.前記プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも前記(a)〜(c)の化合物、及び(d)反応性乳化剤を共重合してなるポリマーであることを特徴とする1記載のプロトン伝導性電解質膜。
3.前記無機多孔質膜は、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られることを特徴とする1または2に記載のプロトン伝導性電解質膜。
4.前記無機粒子の一次平均粒径が10〜100nmであることを特徴とする3に記載のプロトン伝導性電解質膜。
5.前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする1〜4のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
6.前記反応性乳化剤がスルホン酸基を有することを特徴とする2〜5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
7.前記一般式(1)で表される化合物のR2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基またはビニル基のうちの少なくとも1種を含有する有機基であることを特徴とする1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
8.前記無機多孔質膜の細孔の平均径(平均細孔径)が10〜450nmであることを特徴とする1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
9.前記無機多孔質膜の空隙率が40〜95%であることを特徴とする1〜8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
10.カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、1〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を該電解質に用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
11.無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られる無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、(a)分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、(b)分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び(c)前記一般式(1)で表される化合物とを充填し、In−situ重合することを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
12.前記無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、前記(a)〜(c)の化合物、及び(d)反応性乳化剤を充填し、In−situ重合することを特徴とする11に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
13.前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液中が、前記無機粒子を5〜60体積%、前記有機粒子を40〜95体積%の割合で含有(無機粒子と有機粒子の体積の総和を1とする)することを特徴とする11または12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
14.前記無機粒子及び前記有機粒子を含む分散液を含有する層を形成する工程が塗布工程であることを特徴とする11〜13のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
2 アノード極(燃料極)
3 カソード極(空気極)
4 外部回路
また、無機粒子と有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成する工程を経て形成されるので、無機粒子同志が固着、焼結して薄膜を形成するのと同時に、主には有機粒子が占有していた部分が薄膜内(層内)で細孔を形成する。本発明においては、無機多孔質膜の細孔の平均径(平均細孔径)は10〜450nmが好ましく、更に好ましくは平均細孔径が100〜300nmである。平均細孔径は、例えば、島津製作所社製ポアサイザー9320等を用い、水銀圧入法により求めることができる。このようにして形成された無機多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを充填させて得られたプロトン伝導性電解質膜は、高いプロトン伝導性、低いメタノール透過性を有することが判明した。
無機粒子及び有機粒子を含有する分散液中において、無機粒子及び有機粒子については、無機粒子を5〜60体積%、有機粒子を40〜95体積%の割合で用いる(無機粒子と有機粒子の体積の総和を1とする)ことにより、無機多孔質膜の空隙率を上記範囲に調整することができる。体積%は、無機粒子の体積と有機粒子の体積の総和に対する各々の粒子の体積の割合を百分率で表したものである。
なお、本発明のプロトン伝導性ポリマーを充填した後の無機多孔質膜については、走査型電子顕微鏡を用いたその断面写真でのポリマー部分とその他の部分の面積比を用いて、該無機多孔質膜の空隙率を近似することができる。この場合、その率の値は40〜95%であることが好ましく、より好ましくは50〜70%である。
なお、プロトン伝導性ポリマーの充填率は、80〜100%が好ましい。ここで、充填率とは、プロトン伝導性電解質膜の断層写真を用いて測定したとき、測定個数100個の空隙部分の、空隙部の全面積に対する充填されたプロトン伝導性ポリマーの全面積との比を指す。
本発明のプロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は特に制限はないが、通常は500μm以下であり、好ましくは300μm以下、より好ましくは50〜200μmである。膜厚は1/10000シックネスゲージで測定できる。平均膜厚は任意の箇所を5点を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。
カソード極3では、空気B中の酸素と電解膜1を通ってきた水素イオン(H+)と外部回路4からきた電子(e-)とが反応して水を生成する。一方、水を含む酸素が減少した空気B′は系外に排出される。カソード極3での反応は下記式で表される。
燃料電池の全体の反応としては次式のようになる。
アノード極2の構造は従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。また、カソード極3の構造も従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。
〈無機多孔質膜の作製〉
〈無機多孔質膜No.1の作製〉
ポリスチレン微粒子(モリテックス社製5008B、平均粒径80nm)とコロイダルシリカ(日産化学社製スノーテックス50、一次平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子80体積%、コロイダルシリカ20体積%)を、1%界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は20質量%となるようにした。分散液をポリエチレンテレフタレート支持体上に、バーコーターを用いて乾燥後の膜厚が150μmとなるように塗布、乾燥し、乾燥後、ポリエチレンテレフタレート支持体を剥離し、昇温スピード60℃/時間で600℃まで昇温させ、600℃で3時間仮焼成後、昇温スピード120℃/時間で1000℃まで昇温させ、1000℃で3時間焼成し、無機多孔質膜No.1を作製した。
無機多孔質膜No.1において、ポリスチレン微粒子とコロイダルシリカを表1のように代えた以外は、無機多孔質膜No.1と同様にして無機多孔質膜No.2〜4を作製した。
平均細孔径の測定は、島津製作所社製ポアサイザー9320を用い、水銀圧入法により測定した。
〔プロトン伝導性電解質膜No.1の製造〕
上記で作製した無機多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1)を製造した。
プロトン伝導性電解質膜No.1において、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、一般式(1)で表される化合物、反応性乳化剤、及び共重合しうる他の不飽和化合物を表2のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜No.1と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.2〜12を作製した。
A:2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸
B:p−スチレンスルホン酸
C:ビニルスルホン酸
D:Phosmer M(ユニケミカル((株))
E:Phosmer A(ユニケミカル((株))
F:Phosmer PE(ユニケミカル((株))
G:Phosmer PP(ユニケミカル((株))
H:Phosmer CL(ユニケミカル((株))
I:3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
J:3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン
K:3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン
L:ビニルトリメトキシシラン
M:p−スチリルトリメトキシシラン
N:3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン
O:アクアロン KH−05 (第一工業製薬((株))
P:アクアロン HS−10 (第一工業製薬((株))
Q:エレミノール JS−2 (三洋化成((株))
R:N,N−メチレンビスアクリルアミド
S:ジビニルベンゼン
〔プロトン伝導性電解質膜の評価〕
比較としてナフィオン117(デュポン社製)も用意した。
プロトン伝導性電解質膜を水中(25℃)で膨潤させ、その後2枚の白金電極に挟んで、ヒューレットパッカード社製LCRメーターHP4284Aを用いて、インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を算出した。
図2のH型セルにプロトン伝導性電解質膜を挟み、Aセルに入れた2mol/Lメタノール水溶液からBセルの純水中に透過してくるメタノール量を、島津製作所社製ガスクロマトグラフィー(GC−14B)で測定した。結果を表3に示す。
作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜12)及び比較試料としてナフィオン117を用いて膜−電極接合体(MEA)を下記の方法で作製し、評価した。
炭素繊維クロス基材にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で撥水処理を行った後、PTFEを20質量%含むカーボンブラック分散液を塗工、焼成して電極基材を作製した。この電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、またPt担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。
作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜12)及びナフィオン117を、それぞれアノード電極とカソード電極で夾持し、加熱プレスすることで膜−電極複合体(MEA)(MEA−No.1〜12)及びMEA−ナフィオン117を作製した。この膜−電極接合体(MEA)をセパレータに挟み、アノード側に3%メタノール水溶液、カソード側に空気を流して燃料電池を作動し、電流電圧特性の評価を行った。電圧0.4Vでの電流密度を表4に示す。
Claims (14)
- 無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも、(a)分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、(b)分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び(c)下記一般式(1)で表される化合物を共重合してなるポリマーであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
- 前記プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも、前記(a)〜(c)の化合物、及び(d)反応性乳化剤を共重合してなるポリマーであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記無機多孔質膜は、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られることを特徴とする請求の範囲第1項または第2項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記無機粒子の一次平均粒径が10〜100nmであることを特徴とする請求の範囲第3項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする請求の範囲第1項〜第4項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記反応性乳化剤がスルホン酸基を有することを特徴とする請求の範囲第2項〜第5項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記一般式(1)で表される化合物のR2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基またはビニル基のうちの少なくとも1種を含有する有機基であることを特徴とする請求の範囲第1項〜第6項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記無機多孔質膜の細孔の平均径(平均細孔径)が10〜450nmであることを特徴とする請求の範囲第1項〜第7項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- 前記無機多孔質膜の空隙率が40〜95%であることを特徴とする請求の範囲第1項〜第8項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
- カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、請求の範囲第1項〜第9項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を該電解質に用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
- 無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られる無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、(a)分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、(b)分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び(c)下記一般式(1)で表される化合物とを充填し、In−situ重合することを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
- 前記無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、前記(a)〜(c)の化合物、及び(d)反応性乳化剤を充填し、In−situ重合することを特徴とする請求の範囲第11項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
- 前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液中が、無機粒子を5〜60体積%、有機粒子を40〜95体積%の割合で含有(無機粒子と有機粒子の体積の総和を1とする)することを特徴とする請求の範囲第11項または第12項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
- 前記無機粒子及び前記有機粒子を含む分散液を含有する層を形成する工程が塗布工程であることを特徴とする請求の範囲第11項〜第13項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
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