JP5217708B2 - ポリマー、その製造方法、固体高分子形燃料電池用電解質膜および膜電極接合体 - Google Patents
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Description
CF2=CF(OCF2CFY)pOq(CF2)rSO2F ・・・(1)。
ただし、Yは、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、pは、0〜3の整数であり、qは、0または1であり、rは、1〜12であり、p+q>0である。
CF2=CFO(CF2)sSO2F ・・・(11)、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)tSO2F ・・・(12)、
CF2=CF(OCF2CF(CF3))uO(CF2)2SO2F ・・・(13)。
ただし、sは、1〜8の整数であり、tは、1〜8の整数であり、uは、2または3である。
CF2=CFCF2OCF2CF2SO2F ・・・(2)。
(i)固体高分子形燃料電池の出力特性をさらに向上させるには、イオン交換容量をさらに高くする(具体的には、1.51〜1.80ミリ当量/g乾燥樹脂とする。)必要があるが、式(2)で表される化合物が重合しにくいため、式(2)で表される化合物に基づく繰り返し単位の含有率を高くできない。
(ii)式(2)で表される化合物とTFEとを重合して得られたポリマーの分子量が、式(1)で表される化合物とTFEとを重合して得られたポリマーに比べ低いため、得られる電解質膜の機械的強度が不充分である。
(iii)式(2)で表される化合物の重合速度が、式(1)で表される化合物の重合速度に比べ遅いため、工業的生産性が低い。
(a)下式(m1)で表される化合物および下式(m2)で表される化合物の少なくとも一方と、TFEとを含むモノマー成分を、ラジカル重合開始剤としてジtert−ブチルパーオキサイドを用い、100〜200℃の温度で重合させる工程。
前記式(m1)で表される化合物は、下式(m11)で表される化合物であることが好ましい。
前記式(m11)で表される化合物は、下式(m11−1)で表される化合物であることが好ましい。
本発明のポリマーの製造方法は、さらに、下記の工程(c)を有することが好ましい。
(c)前記工程(a)の後、−SO2F基を加水分解し、ついで酸型化してスルホン酸基に変換する工程。
前記式(u1)で表される繰り返し単位は、下式(u11)で表される繰り返し単位であることが好ましい。
前記式(u11)で表される繰り返し単位は、下式(u11−1)で表される繰り返し単位であることが好ましい。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードの触媒層と前記カソードの触媒層との間に配置された電解質膜とを有する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体であり、前記電解質膜、アノードの触媒層およびカソードの触媒層の少なくとも1つが、本発明のポリマーを含むことを特徴とする。
本発明のポリマーは、分子量、軟化温度およびイオン交換容量が高い。
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜は、高温においても高い機械的強度を有し、かつプロトン伝導性が高い。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、出力特性に優れ、かつ高温運転に適している。
また、本明細書においては、式(u1)で表される繰り返し単位を単位(u1)と記す。他の式で表される繰り返し単位も同様に記す。繰り返し単位は、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。繰り返し単位は、重合によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
本発明のポリマーの製造方法は、下記の工程(a)を有し、必要に応じて工程(b)、(c)を有する方法である。
(a)化合物(m1)および化合物(m2)の少なくとも一方と、TFEとを含むモノマー成分を、ラジカル重合開始剤としてジtert−ブチルパーオキサイドを用い、100〜200℃の温度で重合させ、−SO2F基を有するポリマー(以下、ポリマーFと記す。)を得る工程。
(b)必要に応じて、工程(a)の後、ポリマーFとフッ素ガスとを接触させ、ポリマーFの不安定末端基をフッ素化する工程。
(c)必要に応じて、工程(a)または工程(b)の後、ポリマーFの−SO2F基を加水分解し、ついで酸型化してスルホン酸基に変換し、スルホン酸基を有するポリマー(以下、ポリマーHと記す。)を得る工程。
(化合物(m1))
Q1のパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
パーフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、ポリマーのイオン交換容量の低下が抑えられ、電解質膜のプロトン伝導性の低下が抑えられる。
化合物(m11−1)は、特許文献1に記載された方法にしたがって、下記のスキームAに示す合成ルートにより製造できる。
Q21、Q22のパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
パーフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、原料の含フッ素モノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、ポリマーのイオン交換容量の低下が抑えられ、電解質膜のプロトン伝導性の低下が抑えられる。
Q21、Q22の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
化合物(m21)は、たとえば、下記の合成ルートにより製造できる。
モノマー成分は、ポリマーの物性を調整するために、化合物(m1)、化合物(m2)およびTFE以外の他のモノマーを含んでいてもよい。
他のモノマーとしては、下記のものが挙げられる。
CF2=CFCF2O(CF2)n1F、
CF2=CF(CF2)n2F、
CF2=CFCF2[OCF2CF(CF3)]n3OCF2CF2CF3、
CF2=CFO(CF2)n4CF3、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)n5CF3、
CF2=CF[OCF2CF(CF3)]n6O(CF2)3F、
モノマー成分中の他のモノマーの割合は、化合物(m1)、化合物(m2)およびTFEのいずれよりも少ないことが好ましい。
本発明においては、ラジカル重合開始剤として化合物(i−1)(ジtert−ブチルパーオキサイド)を用いる。ラジカル重合開始剤としてジtert−ブチルパーオキサイドを用いることにより、イオン交換容量が高いポリマーを生産性よく製造できる。
重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合方法、乳化重合法等が挙げられ、重合溶媒の連鎖移動性に起因するポリマーの分子量の低下が避けられる点から、重合溶媒を実質的に用いないバルク重合法が好ましい。
溶液重合法を採用する場合、連鎖移動定数の低い重合溶媒を用いることが好ましい。該重合溶媒としては、炭素原子、フッ素原子、酸素原子および窒素原子以外の原子を有しない化合物が挙げられる。具体的には、パーフルオロトリブチルアミン、パーフルオロトリプロピルアミン、パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、パーフルオロデカン、パーフルオロドデカン、パーフルオロ(2,7−ジメチルオクタン)、パーフルオロデカリン、パーフルオロシクロヘキサン、パーフルオロ(1,3−ジメチルシクロヘキサン)、パーフルオロ(1,3,5−トリメチルシクロヘキサン)、パーフルオロジメチルシクロブタン(構造異性を問わない。)、パーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)、パーフルオロベンゼン、液化二酸化炭素、超臨界二酸化炭素等が挙げられる。
水素原子の数が少ないハイドロフルオロカーボンとしては、1H−パーフルオロヘキサン、1H−パーフルオロオクタン、1H,4H−パーフルオロブタン、2H,3H−パーフルオロペンタン、3H,4H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)等が挙げられる。
水素原子の数が少ないハイドロクロロフルオロカーボンとしては、3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン等が挙げられる。
水素原子の数が少ないハイドロフルオロエーテルとしては、HCF2CF2OCH2CF3、n−C3F7OCH3、n−C3F7OCHFCF3、n−C3F7OCH2CF3、n−C4F9OCH3、iso−C4F9OCH3、n−C4F9OCH2CF3、CF3OCF(CF3)CF2OCH3、n−C3F7OCF(CF3)CF2OCHFCF3等が挙げられる。
水素原子を有しないクロロフルオロカーボンも技術的には使用可能である。
化合物(m1)および化合物(m2)のTFEに対する反応性は、低温では低いが、高温では高くなると推定される。高温ではTFEの反応性も高まるが、化合物(m1)および化合物(m2)の反応性の温度による上昇率がより大きいと考えられる。100℃未満の低温では、化合物(m1)および化合物(m2)の反応性が低いため、ポリマーの生長反応速度に比較して、生長ラジカルの停止反応の方が相対的に速く、充分な分子量のポリマーを得ることができない。したがって、重合温度は、120℃以上が好ましい。200℃超の高温では、ラジカル重合開始剤の分解速度が速くなりすぎ、重合の制御が難しく実用的でない。また、200℃超ではTFEの圧力が2MPaG(ゲージ圧、以下同様。)以上、窒素ガスでの希釈を行うと3MPaG以上となり、それ以上に昇圧可能なTFE供給装置と安全上の措置が必要とされ、プロセス上好ましくない。したがって、重合温度は、180℃以下が好ましく、170℃以下がより好ましく、160℃以下がさらに好ましい。
なお、100〜200℃の温度でTFEの重合を行う場合、TFEの不均化反応が起こるおそれがあるため、窒素ガス等の不活性ガスでTFEを15〜40体積%に希釈することで不均一化反応を回避できる。
不安定末端基をフッ素化して安定化することにより、ポリマーの分解が抑えられ、電解質膜の耐久性が向上する。
不安定末端基とは、連鎖移動反応によって形成される基、ラジカル開始剤に基づく基等であり、具体的には、−COOH基、−CF=CF2基、−COF基、−CF2H基等である。
ポリマーFとフッ素ガスとを接触させる際の温度は、150〜200℃が好ましく、170〜190℃がより好ましい。
ポリマーFとフッ素ガスとの接触時間は、1分〜1週間が好ましく、1〜50時間がより好ましい。
加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマーFと塩基とを接触させて行う。
塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類(メタノール、エタノール等。)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
酸型化は、たとえば、スルホン酸塩を有するポリマーを、酸の水溶液に接触させて行う。酸としては、塩酸、硝酸、硫酸等が挙げられる。
加水分解および酸型化は、通常、0〜120℃にて行う。
NF3、
RfNF2、
Rf 2NF、
Rf 3N、
R1N=NR1、
RfOORf、
パーフルオロピペラジン、
ヒンダードパーフルオロカーボン(CnF2n+2)、
国際公開第88/08007号パンフレットに記載のパーフルオロカーボン類、
ヒンダードパーフルオロアルケン類(CnF2n)、
パーフルオロ(ジアルキルスルホン)(R1SO2R1、R1SO2F、R1SO2ClまたはClSO2Cl)、
R1I、
IR6I(2つのヨウ化物は隣接も並列もしていない。)、
パーフルオロ(ジアルキルジスルフィド)類(R1SSR1)、
パーフルオロ(トリアルキルアミン)類、
窒素−硫黄結合含有パーフルオロアルキル化合物(R1 2NSR1)。
R6は、炭素数3〜20のパーフルオロアルキレン基であり、
R1は、飽和パーフルオロヒドロカルビル基(エーテル性酸素原子を有していてもよい。)、孤立したヨウ素、臭素もしくは塩素置換基、またはパーフルオロアミノ基である。
「飽和パーフルオロヒドロカルビル基」は、炭素原子およびフッ素原子のみを有していて炭素−炭素不飽和結合を有さない一価の基を意味する。
「孤立した」ヨウ素、臭素もしくは塩素置換基は、この孤立したヨウ素、臭素もしくは塩素原子に結合している炭素原子に対してアルファ位またはベータ位に位置する炭素原子上に他のヨウ素、塩素もしくは臭素原子が存在していないことを意味する。
本発明のポリマーは、単位(u1)および単位(u2)の少なくとも一方と、TFEに基づく繰り返し単位とを有し、イオン交換容量が、1.51〜1.80ミリ当量/g乾燥樹脂のポリマーである。
単位(u1)としては、単位(u11)が好ましく、ポリマーの製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u11−1)がより好ましい。
単位(u2)としては、単位(u21)が好ましく、ポリマーの製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u21−1)がより好ましい。
本発明のポリマーは、ポリマーの物性を調整するために、単位(u1)、単位(u2)およびTFEに基づく繰り返し単位以外の他の単位を有してもよい。
他の単位としては、上述の他のモノマーに基づく繰り返し単位が挙げられる。
ポリマー中の他の単位の割合は、単位(u1)、単位(u2)およびTFEに基づく繰り返し単位のいずれよりも少ないことが好ましい。
本発明のポリマーのイオン交換容量は、1.51〜1.80ミリ当量/g乾燥樹脂であり、1.51〜1.65ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましい。イオン交換容量が1.51ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、電解質膜のプロトン伝導性が高くなる(電気抵抗が低くなる)ため、膜電極接合体の出力特性が良好となる。イオン交換容量が1.80ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易であり、また、ポリマーが過度に水で膨潤しないため、電解質膜の機械的強度を保持できる。
イオン交換容量が1.51〜1.80ミリ当量/g乾燥樹脂のポリマーは、本発明の製造方法によって容易に得られる。
TQは、ポリマーの溶融流動性の指標であり、該TQによってポリマーの分子量および軟化温度を評価できる。TQは、加水分解、酸型化される前のポリマーFの段階で測定される。TQは、容量流速100mm3/秒を示す温度(℃)と定義される。容量流速とは、ポリマーFを2.94MPa加圧下、長さ1mm、内径1mmのノズルから溶融流出させ、流出するポリマーFをmm3/秒の単位で示したものである。通常、TQが高いほど分子量は大きく、軟化温度が高い。
一方、ポリマーFのTQの上限は、電解質膜の製造方法に依存する。ポリマーFを溶融成形して電解質膜を製造する場合、350℃付近から−SO2F基の分解が始まるため、TQは350℃以下がより好ましく、300℃以下がさらに好ましい。ポリマーHをキャスト法により電解質膜を製造する場合、溶媒への溶解性または分散性を確保する点から、TQは350℃以下がより好ましい。
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜(以下、電解質膜と記す。)は、本発明のポリマーを含む膜である。
電解質膜は、たとえば、下記の方法によって製造される。
(x−1)ポリマーFを膜状に成形した後、前記工程(c)を行う方法。
(x−2)前記工程(c)で得られたポリマーHを膜状に成形する方法。
ポリマーFを膜状に成形する方法としては、ポリマーFが溶融流動性に優れる点から、押出成形法、加圧プレス成形法、延伸法等が挙げられる。
ポリマーHを膜状に成形する方法としては、ポリマーHの液状組成物を基材に塗工、乾燥する方法(キャスト法)が挙げられる。
液状組成物は、水酸基を有する有機溶媒および水を含む分散媒に、ポリマーHを分散させた分散液である。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)は、触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードの触媒層と前記カソードの触媒層との間に配置された電解質膜とを有する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体であり、前記電解質膜、アノードの触媒層およびカソードの触媒層の少なくとも1つが、本発明のポリマーを含む。
電解質膜15は、イオン性基を有するポリマーを含む膜である。
イオン性基を有するポリマーとしては、ポリマーHが好ましい。
触媒層11は、触媒と、イオン性基を有するポリマーとを含む層である。
触媒としては、カーボン担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。
カーボン担体としては、カーボンブラック粉末が挙げられる。
イオン性基を有するポリマーとしては、ポリマーHが好ましい。
ガス拡散層12は、触媒層11に均一にガスを拡散させる機能および集電体としての機能を有する。
ガス拡散層12としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層12は、PTFE等によって撥水化処理されていることが好ましい。
膜電極接合体10は、図2に示すように、触媒層11とガス拡散層12との間に中間層16を有していてもよい。
中間層としては、補強層、カーボン層等が挙げられる。
シート状補強材の材料としては、PTFEからなる多孔質フィルム、ポリマー(ポリプロピレン、含フッ素ポリマー、ポリアミド等。)からなる不織布等が挙げられる。
イオン性基を有するポリマーとしては、ポリマーHが好ましい。
非イオン性含フッ素ポリマーとしては、PTFE等が挙げられる。
膜電極接合体10は、たとえば、下記の方法にて製造される。
(y−1)電解質膜15上に触媒層11を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層12で挟み込む方法。
(y−2)ガス拡散層12上に触媒層11を形成して電極(アノード13、カソード14)とし、電解質膜15を該電極で挟み込む方法。
(z−1)触媒層形成用液を、固体高分子電解質膜15またはガス拡散層12上に塗布し、乾燥させる方法。
(z−2)触媒層形成用液を基材フィルム上に塗布し、乾燥させ触媒層11を形成し、該触媒層11を固体高分子電解質膜15上に転写する方法。
本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に用いられる。固体高分子形燃料電池は、たとえば、2つのセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックすることにより製造される。
固体高分子形燃料電池の種類としては、水素/酸素型燃料電池、直接メタノール型燃料電池(DMFC)等が挙げられる。DMFCの燃料に用いるメタノールまたはメタノール水溶液は、液フィードであってもよく、ガスフィードであってもよい。
例1〜6は実施例であり、例7〜13は比較例である。
TQ(単位:℃)は、ポリマーHの分子量および軟化温度の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーFの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。
フローテスタCFT−500D(島津製作所社製)を用い、温度を変えてポリマーFの押出し量を測定し、押出し量が100mm3/秒となるTQを求めた。
ポリマーHのイオン交換容量は、下記の方法により求めた。
0.35Nの水酸化ナトリウム溶液を用いて、60℃で40時間かけてポリマーHを中和し、0.1Nの塩酸で未反応の水酸化ナトリウムを滴定することで、イオン交換容量を求めた。
特許文献1の実施例に記載の方法にしたがって、上述のスキームAに示す合成ルートで化合物(m11−1)を合成した。
下記合成ルートにより化合物(m21−1)を合成した。
特開昭57−176973号公報の実施例2に記載の方法と同様にして、化合物(a21)を合成した。
ジムロート冷却管、温度計、滴下ロートおよび撹拌翼付きガラス棒を備えた300cm3の4口丸底フラスコに、窒素雰囲気下、フッ化カリウム(森田化学社製、商品名:クロキャットF)の1.6gおよびジメトキシエタンの15.9gを入れた。ついで、丸底フラスコを氷浴で冷却して、滴下ロートより化合物(b1)の49.1gを32分かけて、内温10℃以下で滴下した。滴下終了後、滴下ロートより化合物(a21)の82.0gを15分かけて滴下した。内温上昇はほとんど観測されなかった。滴下終了後、内温を室温に戻して約90時間撹拌した。分液ロートで下層を回収した。回収量は127.6gであり、ガスクロマトグラフィー(以下、GCと記す。)純度は55%であった。回収液を200cm3の4口丸底フラスコに移して、蒸留を実施した。減圧度1.0〜1.1kPa(絶対圧)の留分として化合物(c21)の97.7gを得た。GC純度は98%であり、収率は80%であった。
温度計、ジムロート冷却管および撹拌機を備えた200mLの4口フラスコに、窒素雰囲気下、ジグライムの677gをいれた。ついで、フラスコ内を撹拌しながら、フッ化カリウムの23.33g(402mmol)を加えた。滴下ロートをフラスコに取り付け、フラスコを氷浴で冷却した。化合物(c21)の191.02g(363mmol)を30分かけて滴下した。この間、内温は2.7〜6.4℃であった。氷浴で冷却したまま2時間撹拌した。
δ(ppm):45.5(1F),45.1(1F),−72.1(2F),−79.6(2F),−82.4(4F),−82.9(2F),−90.3(1F),−104.2(1F),−112.5(2F),−112.7(2F),−145.2(1F),−190.8(1F)。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の87.96gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の1.8mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.39MPaGに保持した。そこへ窒素ガスを加えて0.72MPaGとした。その後、145℃に昇温して0.95MPaGとした。化合物(i−1)を化合物(s−1)に溶解した5.2質量%の化合物(i−1)溶液を30分毎に逐次添加した。1回の添加量は、化合物(i−1)の固形分が0.67mgとなる量とし、合計12回添加した。12回目を添加した後、30分経過した後に、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させた。145℃で撹拌した時間は、6.5時間であった.添加したラジカル重合開始剤を合計すると、9.84mgであった。
CClF2CF2CHClF ・・・(s−1)。
CH3CCl2F ・・・(s−2)。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の63.85gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の6.39mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.25MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.49MPaGとする。100℃で10時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の63.85gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の6.39mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.41MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.75MPaGとする。その後、120℃に昇温して0.86MPaGとする。120℃で9時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了する。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の87.96gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の0.9mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.35MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.65MPaGとする。その後、170℃に昇温して1.59MPaGとする。化合物(i−1)を化合物(s−1)に溶解した5.2質量%の化合物(i−1)溶液を30分毎に逐次添加する。1回の添加量は、化合物(i−1)の固形分が0.33mgとなる量とし、合計12回添加する。12回目を添加した後、30分経過した後に、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。170℃で撹拌した時間は、6.5時間である。添加したラジカル重合開始剤を合計すると、4.86mgである。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m21−1)の87.96gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の0.9mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.31MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.58MPaGとする。その後、145℃に昇温して0.66MPaGとする。化合物(i−1)を化合物(s−1)に溶解した5.2質量%の化合物(i−1)溶液を30分毎に逐次添加する。1回の添加量は、化合物(i−1)の固形分が0.33mgとなる量とし、合計12回添加する。12回目を添加した後、30分経過した後に、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。145℃で撹拌した時間は、6.5時間である。添加したラジカル重合開始剤を合計すると、4.86mgである。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の30.0g(50モル%)、化合物(m21−1)の61.5g(50モル%)、ラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の1.8mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.45MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.85MPaGとする。その後、145℃に昇温して1.15MPaGとする。化合物(i−1)を化合物(s−1)に溶解した5.2質量%の化合物(i−1)溶液を30分毎に逐次添加する。1回の添加量は、化合物(i−1)の固形分が0.67mgとなる量とし、合計14回添加する。14回目を添加後、30分経過した後に、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。145℃で撹拌した時間は、7.5時間である。添加したラジカル重合開始剤を合計すると、11.18mgである。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の61.64gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−2)の34.0mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、70℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.3MPaGに保持する。70℃で7時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。
(CH3)2(CN)C−N=N−C(CN)(CH3)2 ・・・(i−2)。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の36.13gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−3)の16.2mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、80℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.22MPaGに保持した。80℃で10.5時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させた。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の63.77gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−4)の122.5mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、40℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.05MPaGに保持する。40℃で9時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了する。
(CH3)2CHOC(O)−O−O−C(O)OCH(CH3)2 ・・・(i−4)。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の36.13gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−3)の3.6mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.25MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.49MPaGとする。100℃で8時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了する。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m11−1)の63.85gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の6.39mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、80℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.2MPaGに保持する。80℃で9時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m21−1)の67.42gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−3)の14.5mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、80℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.14MPaGに保持した。80℃で9時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させた。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(m21−1)の87.96gおよびラジカル重合開始剤として化合物(i−1)の0.9mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、100℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.31MPaGに保持する。そこへ窒素ガスを加えて0.58MPaGとする。その後、205℃に昇温して0.9MPaGとする。化合物(i−1)を化合物(s−1)に溶解した5.2質量%の化合物(i−1)溶液を30分毎に逐次添加する。1回の添加量は、化合物(i−1)の固形分が0.33mgとなる量とし、合計13回添加する。13回目を添加した後、30分経過後に、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了させる。205℃で撹拌した時間は、7時間である.添加したラジカル重合開始剤を合計すると、5.19mgである。
例1のポリマーFをTQ温度で、加圧プレス成形によりポリマーフィルム(膜厚100〜200μm)に加工する。ついで、ジメチルスルホキシドの30質量%とKOHの15質量%を含む水溶液に80℃にてポリマーフィルムを16時間浸漬させることにより、ポリマーフィルム中の−SO2F基を加水分解し、−SO3K基に変換する。さらに該ポリマーフィルムを、3mol/Lの塩酸水溶液に、50℃で2時間浸漬した後、塩酸水溶液を交換する酸処理を4回繰り返し行う。ついで、該ポリマーフィルムをイオン交換水で充分に水洗し、該ポリマーフィルム中の−SO3K基がスルホン酸基に変換されたポリマーフィルムを得る。該ポリマーフィルムを粉砕してポリマーHとする。
該膜触媒層接合体を、2枚のカーボンペーパーからなるガス拡散層で挟み込んで膜電極接合体を得る。該カーボンペーパーは、片側の表面にカーボンとPTFEとからなる層を有しており、該層が膜触媒層接合体の触媒層と接触するように配置する。
11 触媒層
13 アノード
14 カソード
15 電解質膜
Claims (10)
- 前記ラジカル重合開始剤を連続添加または逐次添加する、請求項1〜3のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- さらに、下記の工程(c)を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
(c)前記工程(a)の後、−SO2F基を加水分解し、ついで酸型化してスルホン酸基に変換する工程。 - 請求項6〜8のいずれかに記載のポリマーを含む、固体高分子形燃料電池用電解質膜。
- 触媒層を有するアノードと、
触媒層を有するカソードと、
前記アノードの触媒層と前記カソードの触媒層との間に配置された電解質膜と
を有する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体であり、
前記電解質膜、アノードの触媒層およびカソードの触媒層の少なくとも1つが、請求項6〜8のいずれかに記載のポリマーを含む、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
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