JP5090007B2 - 直接液体型燃料電池用隔膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
b)架橋性重合性単量体、及び
c)重合開始剤、
を少なくとも含む重合性組成物を重合硬化させて樹脂膜を得、次いで前記樹脂膜中のアルコキシ基又はアシロキシ基を加水分解することにより前記アルコキシ基又はアシロキシ基を水酸基に誘導した後、樹脂膜中の前記芳香族系重合性単量体に由来する芳香環にカチオン交換基を導入することを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法。
b)架橋性重合性単量体、及び
c)重合開始剤、
を少なくとも含む重合性組成物を多孔質膜と接触させて前記重合性組成物を多孔質膜の有する空隙部に充填させた後、前記重合性組成物を重合硬化させて樹脂硬化体とし、次いで前記樹脂硬化体中のアルコキシ基又はアシロキシ基を加水分解することにより前記アルコキシ基又はアシロキシ基を水酸基に誘導し、その後前記樹脂硬化体中の芳香族系重合性単量体に由来する芳香環にカチオン交換基を導入することを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法。
(第1の直接液体型燃料電池用隔膜)
第1の直接液体型燃料電池用隔膜は、下記化学式(1)で模式的に示されるカチオン交換樹脂膜からなる。
本発明における第2の直接液体型燃料電池用隔膜は、多孔質膜を基材とし、この多孔質膜の有する空隙に上記化学式(1)で示されるカチオン交換樹脂を充填してなる。
基材として用いる多孔質膜は、その内部に細孔等による空隙部を有する多孔質基材であって、前記空隙部を介して、少なくとも空隙部の一部により基材の表裏が連通されているものである。この多孔質基材としては、公知の多孔質基材が制限なく使用できる。
本発明の第1の直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法においては、所定の重合性組成物を調製してこれを所定厚さの膜状に重合硬化させ、次いで重合硬化させて得られる樹脂膜に水酸基を誘導した後、カチオン交換基を導入することにより、本発明の直接液体型燃料電池用隔膜(以下本隔膜と略記する場合がある。)が得られる。
本隔膜を製造する際の出発原料である重合性組成物は、a)芳香族系重合性単量体、b)架橋性重合性単量体、c)重合開始剤を必須成分とする。
芳香族系重合性単量体は、1個の重合性基、少なくとも1個のアルコキシ基又はアシロキシ基、及び少なくとも1個の水素原子が芳香環に結合した化合物であり、通常下記化学式(3)で示される化合物が使用される。
等が例示される。
重合性組成物に配合する架橋性重合性単量体としては、従来公知のイオン交換膜の製造において用いられる単量体が制限無く使用できる。架橋性重合性単量体を重合性組成物に配合することにより、得られるカチオン交換樹脂は架橋型になる。架橋型のイオン交換樹脂は本質的に溶媒不溶性である。このため、水やアルコールに対する溶解性は無く、膨潤も最小限になり、樹脂にカチオン交換基を多量に導入できる。その結果、本隔膜は電気抵抗が極めて小さくなる。
上記重合性組成物には、重合開始剤が含有される。重合開始剤としては、上記芳香族系重合性単量体、架橋性重合性単量体の重合を開始させる化合物であれば特に限定されない。
上記調製された重合性組成物は、重合させられて所定の厚さの樹脂膜にされる。
重合方法は特に限定されず、用いた重合性単量体の組成及び重合開始剤の種類に応じて適宜公知の方法を採用すればよい。重合開始剤として前記したような有機過酸化物を用いる場合は、加熱による重合方法(熱重合)が一般的である。この方法は、操作が容易で、また比較的均一に重合させることができるので、他の方法よりも好ましい。重合に際しては、酸素による重合阻害を防止し、また表面の平滑性を得るため、重合性組成物をポリエステル等のフィルムで覆った後、重合させることが好ましい。フィルムで重合性組成物を覆うことにより、薄く均一な燃料電池隔膜が製造される。
上記重合操作により得られる樹脂膜を、次いで加水分解処理に付す。この加水分解処理により、アルコキシ基又はアシロキシ基は水酸基に、誘導される。
上記のようにして水酸基に誘導された樹脂膜に、次いでカチオン交換基を導入する。
本発明の第2の直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法においては、所定の重合性組成物を多孔質膜に形成された空隙部に充填させた後、前記充填した重合性組成物を重合硬化させ、次いで重合硬化させて得られる樹脂硬化体に水酸基を誘導した後、カチオン交換基を導入することにより、本隔膜を製造する。
本隔膜を製造する際の出発原料である重合性組成物は、前記第1の直接液体型燃料電池用隔膜の製造に用いた重合性組成物と同一である。従って、その説明は省略する。
本発明の製造方法においては、上記重合性組成物を、多孔質膜と接触させる。これにより、重合性組成物は多孔質膜の有する空隙部に充填される。
重合性組成物と多孔質膜との接触は、重合性組成物が多孔質膜の有する空隙部に浸入できる方法で接触させる方法であれば特に制限がない。例えば、重合性組成物を多孔質膜に塗布し、またはスプレーし、あるいは、多孔質膜を重合性組成物中に浸漬させる方法などが例示される。多孔質膜を重合性組成物に浸漬して接触させる場合、その浸漬時間は多孔質膜の種類や重合性組成物の組成により相違するが、一般的には0.1秒〜十数分である。
多孔質膜の空隙部に充填された重合性組成物を、次いで重合させて樹脂硬化体を形成する。重合方法は特に限定されず、用いた重合性単量体の組成及び重合開始剤の種類に応じて適宜公知の方法を採用できる。重合開始剤として前記有機過酸化物を用いる場合は、加熱による重合方法(熱重合)が一般的である。この方法は、操作が容易で、また比較的均一に重合させることができるので、他の方法よりも好ましい。重合に際しては、酸素による重合阻害を防止し、また表面の平滑性を得るため、重合性組成物が充填されている多孔質膜をポリエステル等のフィルムで覆った後、重合させることが好ましい。フィルムで多孔質膜を覆うことにより、過剰の重合性組成物が多孔質膜から排除され、薄く均一な燃料電池隔膜を製造できる。
重合性組成物を重合させて樹脂硬化体とした後、該樹脂硬化体のアルコキシ基又はアシロキシ基を加水分解して、これらを水酸基に誘導する。
上記のようにして製造された、多孔質膜の空隙部に重合性組成物の重合体からなる樹脂硬化体には、次いでカチオン交換基が導入される。
このようにして得られる、カチオン交換樹脂を膜状に形成したカチオン交換膜、及び多孔質膜の空隙部にカチオン交換樹脂が充填されてなるカチオン交換膜は、必要に応じて洗浄、裁断などが行われ、定法に従って直接液体型燃料電池用の隔膜として用いられる。
カチオン交換膜を1mol/L−HCl水溶液に10時間以上浸漬し、水素イオン型とした後、このカチオン交換膜を1mol/L−NaCl水溶液に浸漬して水素イオン型をナトリウムイオン型に置換させた。遊離した水素イオンを水酸化ナトリウム水溶液を用いて電位差滴定装置(COMTITE−900、平沼産業株式会社製)で定量した(Amol)。
含水率=100×(W−D)/D[%]
2)膜抵抗
線幅0.3mmの白金線5本を互いに離して平行に配置した絶縁基板を用い、前記白金線に純水に湿潤した2.0cm幅の短冊状サンプル隔膜を押し当てた。40℃、90%RHの恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間に1kHzの交流を印加したときの交流インピーダンスを測定した。白金線間距離を0.5〜2.0cmに変化させたときのそれぞれの交流インピーダンスを測定した。
R :膜抵抗[Ω・cm2]
L :膜厚[cm]
S :抵抗極間勾配[Ω/cm]
3)メタノール透過率
隔膜を中央に取付けた燃料電池セル(隔膜面積5cm2)の一方の室に、メタノール濃度30が質量%の水溶液を液体クロマトグラフ用ポンプで供給し、隔膜の反対側の室にアルゴンガスを300ml/minで供給した。測定は25℃の恒温槽内で行った。隔膜の反対側の室から流出するアルゴンガスをガス捕集容器に導き、ガス捕集容器で捕集したアルゴンガス中のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、隔膜を透過したメタノール量を求めた。
ポリテトラフルオロエチレンで撥水化処理した厚さ100μm、空孔率80%のカーボンペーパー上に、触媒が2mg/cm2となるように塗布し、80℃で4時間減圧乾燥してガス拡散電極を得た。塗布した触媒は、白金とルテニウムとの合金触媒(ルテニウム50mol%)を50質量%担持したカーボンブラックと、アルコールと水とにパーフルオロカーボンスルホン酸を5%溶解(デュポン社製、商品名ナフィオン)したものとを混合して調製した。
表1に示した組成表に従って、各種単量体等を混合して単量体組成物を得た。得られた単量体組成物400gを500mlのガラス容器に入れ、これに多孔質膜(重量平均分子量25万のポリエチレン製、膜厚25μm、平均孔径0.03μm、空隙率37%)を浸漬した。
表1に示した組成表に従って、各種単量体等を混合して単量体組成物を得た。得られた単量体組成物400gを500mlのガラス容器に入れ、これに多孔質膜(重量平均分子量25万のポリエチレン製、膜厚25μm、平均孔径0.03μm、空隙率37%)を浸漬した。
表1に示した組成表に従って、各種単量体等を混合して単量体組成物を得た。得られた単量体組成物400gを500mlのガラス容器に入れ、これに多孔質膜(重量平均分子量25万のポリエチレン製、膜厚25μm、平均孔径0.03μm、空隙率37%)を浸漬した。
2 燃料ガス流通孔
3 酸化剤ガス流通孔
4 燃料室側ガス拡散電極
5 酸化剤室側ガス拡散電極
6 固体高分子電解質膜(カチオンイオン交換膜)
7 燃料室
8 酸化剤室
Claims (6)
- 架橋構造を有するメチレン主鎖に、1個のスルホン酸基及び1個の水酸基を有する芳香環を結合するイオン交換樹脂からなることを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜。
- 多孔質膜と、前記多孔質膜の有する空隙部に充填されたイオン交換樹脂とからなり、前記イオン交換樹脂が架橋構造を有するメチレン主鎖に1個のスルホン酸基及び1個の水酸基を有する芳香環を結合するイオン交換樹脂であることを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜。
- 架橋構造が、ジエチルベンゼン骨格でメチレン主鎖を連結してなる請求項1又は2に記載の直接液体型燃料電池用隔膜。
- 水酸基が、メチレン主鎖に結合する芳香環の炭素原子に対してパラ位に芳香環に結合している請求項1又は2に記載の直接液体型燃料電池用隔膜。
- a) 1個の重合性基、1個の炭素数1〜5のアルコキシ基又はアシロキシ基、及び少なくとも1個の水素原子が芳香環に結合してなる芳香族系重合性単量体、
b)架橋性重合性単量体、及び
c)重合開始剤、
を少なくとも含む重合性組成物を重合硬化させて樹脂膜を得、次いで前記樹脂膜中のアルコキシ基又はアシロキシ基を加水分解することにより前記アルコキシ基又はアシロキシ基を水酸基に誘導した後、樹脂膜中の前記芳香族系重合性単量体に由来する芳香環に1個のスルホン酸基を導入することを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法。 - a) 1個の重合性基、1個の炭素数1〜5のアルコキシ基又はアシロキシ基、及び少なくとも1個の水素原子が芳香環に結合してなる芳香族系重合性単量体、
b)架橋性重合性単量体、及び
c)重合開始剤、
を少なくとも含む重合性組成物を多孔質膜と接触させて前記重合性組成物を多孔質膜の有する空隙部に充填させた後、前記重合性組成物を重合硬化させて樹脂硬化体とし、次いで前記樹脂硬化体中のアルコキシ基又はアシロキシ基を加水分解することにより前記アルコキシ基又はアシロキシ基を水酸基に誘導し、その後前記樹脂硬化体中の芳香族系重合性単量体に由来する芳香環に1個のスルホン酸基を導入することを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法。
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