JP5227546B2 - 高分子電解質膜及びその製造方法、この高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体及び燃料電池セル、並びに、高分子電解質膜のイオン伝導性の評価方法 - Google Patents
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Description
日本化学会編、「燃料電池」、丸善、p.61 Hashimoto T., Koizumi S., Hasegawa H.,IzumitaniT., Hyde S. T., Macromolecules, 1992 (25) 1433.
第1の貫通臨界値は、上記断面を観察して得られたイオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に上記の濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、さらに、単位領域を、所定の濃淡変数を基準値として、イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域とに分類する際に、第1の単位領域が濃淡像における膜厚方向に対向している2つの辺同士を結ぶように連続して配置されるような上記分類となるときの、最もイオン伝導性基が多い側の値を上記基準値として設定したときの、(第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数)で表される値であり、
第2の貫通臨界値は、上記と同じ断面を観察して得られたイオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に上記の濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、単位領域を、所定の濃淡変数を基準値として、イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域とに分類する際に、第1の単位領域が濃淡像における膜面方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような上記分類となるときの、最もイオン伝導性基が多い側の値を上記基準値として設定したときの、(第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数)で表される値であることを特徴とする。ここで、「表面近傍領域」は、高分子電解質膜の少なくとも一方の表面の近傍領域であることを意味する。
[式中、Ar11は、置換基としてカチオン交換基を少なくとも有するアリーレン基、X11は、単結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を表す。]
[式中、Ar21、Ar22、Ar23及びAr24は、それぞれ独立に、イオン伝導性基以外の置換基を有していてもよいアリーレン基、X21及びX22は、それぞれ独立に、単結合又は2価の基、Y21及びY22は、それぞれ独立に、酸素原子又は硫黄原子を表し、a、b及びcは、それぞれ独立に、0又は1であり、nは正の整数である。]
第1の貫通臨界値は、上記断面を観察して得られたイオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に前記濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、更にこれらの単位領域を、所定の濃淡変数を基準値として、イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域とに分類する際に、第1の単位領域が濃淡像における膜厚方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような上記分類となるときの、最もイオン伝導性基が多い側の値を上記基準値として設定したときの、(第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数)で表される値であり、
第2の貫通臨界値は、上記と同じ断面を観察して得られたイオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に前記濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、更にこれらの単位領域を、所定の濃淡変数を基準値として、イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域とに分類する際に、第1の単位領域が濃淡像における膜面方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような上記分類となるときの、最もイオン伝導性基が多い側の値を上記基準値として設定したときの、(第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数)で表される値であることを特徴とする。
まず、高分子電解質膜を構成する高分子電解質の好適な実施形態について説明する。本実施形態の高分子電解質は、イオン伝導性基を有しており、高分子電解質膜とした場合に、このイオン伝導性基を有する領域(ミクロドメイン)及びイオン伝導性基を実質的に有しない領域(ミクロドメイン)の2相を少なくとも含むミクロ相分離構造を構成し得るものである。
次に、高分子電解質膜の好適な製造方法について説明する。高分子電解質膜は、高分子電解質を溶媒に溶解させた溶液を、所定の基材上に塗布した後(塗布工程)、この塗布された溶液の膜(塗工膜)から溶媒を蒸発させて除去する(蒸発工程)ことにより製造することができる。高分子電解質としては、上記の実施形態のものを特に制限なく適用できるが、特に上記一般式(1)及び(2)で表される繰り返し構造を含むブロック共重合体を含む高分子電解質を用いた場合に、本方法によって後述するような好適な高分子電解質膜が得られ易くなる傾向にある。
次に、好適な実施形態に係る高分子電解質膜について説明する。
第1の貫通臨界値=(第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数)
第2の貫通臨界値=(第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数)
次に、好適な実施形態の燃料電池について説明する。この燃料電池は、上述した実施形態の高分子電解質膜を備えるものである。
上述した高分子電解質膜が有する表面近傍領域の第1及び第2の貫通臨界値は、例えば、未知の高分子電解質膜のイオン伝導性、特に膜厚方向のイオン伝導性を評価する方法にも応用することができる。
[高分子電解質の合成]
まず、窒素雰囲気下、蒸留管を付けたフラスコに、4,4´−ジヒドロキシフェニルスルホン88.3g(352.9mmol)、炭酸カリウム53.6g(388.1mmol)、ジメチルスルホキシド693mL及びトルエン139mLを入れて攪拌した。次いで、この溶液を135℃まで昇温し、この温度で3時間保温することにより、水分をトルエンとともに共沸除去した。この溶液を放冷した後、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン84.9g(333.9mmol)を加え、135℃まで昇温し、この温度で7時間反応させた。この反応後の溶液を反応溶液1とした。
[高分子電解質膜の製造]
合成例1で得られた高分子電解質膜をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10重量%である高分子電解質の溶液を得た。次いで、常圧下でこの高分子電解質の溶液をポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に連続的に流延塗布して塗布膜を形成した。この際、50℃から100℃の間で加熱を行い、溶媒であるジメチルスルホキシドを蒸発させた。塗布膜を放冷した後、イオン交換水による洗浄を施し、更に溶媒を除去した。この塗布膜を更に2規定の塩酸に2時間浸漬させた後、再度イオン交換水による洗浄を行うことにより、約30μmの厚さであり、ミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜を得た。
合成例1で得られた高分子電解質膜をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10重量%である高分子電解質の溶液を得た。次いで、常圧下でこの高分子電解質の溶液をポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に連続的に流延塗布して塗布膜を形成した。この際、60℃から100℃の間で加熱を行い、溶媒であるジメチルスルホキシドを蒸発させた。それから、イオン交換水による洗浄を施し、更に溶媒を除去した。この塗布膜を更に2規定の塩酸に2時間浸漬させた後、再度イオン交換水による洗浄を行うことにより、約30μmの厚さであり、ミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜を得た。かかる工程における蒸発時間を同様に測定したところ、蒸発時間は33分であった。
合成例1で得られた高分子電解質膜をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10重量%である高分子電解質の溶液を得た。次いで、得られた溶液をガラス板上に流延塗布して塗布膜を形成した。この際、80℃で2時間の加熱を行うことにより、塗布膜から溶媒であるジメチルスルホキシドを蒸発させた。その後、イオン交換水による洗浄を施すことにより、更に溶媒を除去した。この塗布膜を更に2規定の塩酸に2時間浸漬させた後、再度イオン交換水による洗浄を行った。こうして、約30μmの厚さであり、ミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜を得た。かかる工程における蒸発時間を同様に測定したところ、蒸発時間は120分であった。
合成例1で得られた高分子電解質膜をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10重量%である高分子電解質の溶液を得た。次いで、得られた溶液をPETフィルム上に流延塗布して塗布膜を形成した。この際、80℃で2時間の加熱を行うことにより、塗布膜から溶媒であるジメチルスルホキシドを蒸発させた。その後、イオン交換水による洗浄を施すことにより、更に溶媒を除去した。この塗布膜を更に2規定の塩酸に2時間浸漬させた後、再度イオン交換水による洗浄を行った。こうして、約54μmの厚さであり、ミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜を得た。かかる工程における蒸発時間を同様に測定したところ、蒸発時間は120分であった。
[第1及び第2の貫通臨界値の測定]
[膜厚方向の伝導度の測定]
Claims (16)
- ミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜の製造方法であって、
イオン伝導性基を有する高分子電解質を含む溶液から溶媒を蒸発させる蒸発工程を含み、
前記蒸発工程において、前記溶媒の蒸発が開始してから完了するまでの時間を40分以下とする、
ことを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。 - 前記蒸発工程で用いる前記溶媒の沸点が、120℃以上250℃以下である、ことを特徴とする請求項1記載の高分子電解質膜の製造方法。
- 前記蒸発工程において、前記溶媒の凝固点の温度以上であり且つ前記溶媒の沸点よりも50℃高い温度以下の温度条件で前記溶媒を蒸発させる、ことを特徴とする請求項1又は2記載の高分子電解質膜の製造方法。
- 前記溶媒が、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン及びジメチルスルホキシドからなる群より選ばれる少なくとも一種の溶媒である、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
- イオン伝導性基を有する領域を含むミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜であって、
当該高分子電解質膜は、その表面近傍領域における膜厚方向に沿う断面で得られる膜厚方向の第1の貫通臨界値が、前記断面で得られる膜面方向の第2の貫通臨界値以下であり、前記第1の貫通臨界値が、0.55以下であり、
前記第1の貫通臨界値は、
前記断面を観察して得られた前記イオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に前記濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、
前記単位領域を、所定の前記濃淡変数を基準値として、前記イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、前記イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域と、に分類する際に、前記第1の単位領域が前記濃淡像における膜厚方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような前記分類となるときの、最も前記イオン伝導性基が多い側の値を前記基準値として設定したときの、
第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数、で表される値であり、
前記第2の貫通臨界値は、
前記断面を観察して得られた前記イオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に前記濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、
前記単位領域を、所定の前記濃淡変数を基準値として、前記イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、前記イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域と、に分類する際に、前記第1の単位領域が前記濃淡像における膜面方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような前記分類となるときの、最も前記イオン伝導性基が多い側の値を前記基準値として設定したときの、
第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数、で表される値である、
ことを特徴とする高分子電解質膜。 - 前記濃淡像は、当該高分子電解質膜を電子染色法により染色して透過型電子顕微鏡で観察することにより得られたものである、ことを特徴とする請求項5記載の高分子電解質膜。
- 前記表面近傍領域は、表面から1000nmまでの深さの領域である、ことを特徴とする請求項5又は6記載の高分子電解質膜。
- 前記表面近傍領域の範囲外の領域における前記第1の貫通臨界値が、0.55以下である、ことを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
- 膜面方向に沿う少なくとも一つの方向の長さが1m以上であって継ぎ目がない、ことを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
- イオン伝導性基を含むセグメントとイオン伝導性基を有しないセグメントとを有するブロック共重合体を含む高分子電解質から構成される、ことを特徴とする請求項5〜9のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
- 前記ブロック共重合体は、ポリアリーレン構造を有する、ことを特徴とする請求項10記載の高分子電解質膜。
- 前記イオン伝導性基を含むセグメントが、下記一般式(1)で表される繰り返し構造を有する、ことを特徴とする請求項10又は11記載の高分子電解質膜。
- 前記イオン伝導性基を有しないセグメントが、下記一般式(2)で表される繰り返し構造を有する、ことを特徴とする請求項10〜12のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
- 一対の触媒層と、該触媒層間に配置された請求項5〜13のいずれか一項に記載の高分子電解質膜と、を備えることを特徴とする膜−電極接合体。
- アノードと、カソードと、これらの間に配置された請求項5〜13のいずれか一項に記載の高分子電解質膜と、を備えることを特徴とする燃料電池セル。
- イオン伝導性基を有する領域を含むミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜のイオン伝導性の評価方法であって、
前記高分子電解質膜の表面近傍領域における、膜厚方向に沿う断面で得られる膜厚方向の第1の貫通臨界値、及び、前記断面で得られる膜面方向の第2の貫通臨界値を算出するステップと、
前記第1の貫通臨界値と前記第2の貫通臨界値とを比較するステップと、を有しており、
前記第1の貫通臨界値は、
前記断面を観察して得られた前記イオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に前記濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、
前記単位領域を、所定の前記濃淡変数を基準値として、前記イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、前記イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域と、に分類する際に、前記第1の単位領域が前記濃淡像における膜厚方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような前記分類となるときの、最も前記イオン伝導性基が多い側の値を前記基準値として設定したときの、
第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数、で表される値であり、
前記第2の貫通臨界値は、
前記断面を観察して得られた前記イオン伝導性基の量に対応する濃淡を有する濃淡像に対し、一定の単位領域が繰り返されるように区画するとともにこの各単位領域に前記濃淡の程度に対応した濃淡変数を付与する処理を行い、
前記単位領域を、所定の前記濃淡変数を基準値として、前記イオン伝導性基が多い側の濃淡変数を有する第1の単位領域と、前記イオン伝導性基が少ない側の濃淡変数を有する第2の単位領域と、に分類する際に、前記第1の単位領域が前記濃淡像における膜面方向に対向している2つの辺を結ぶように連続して配置されるような前記分類となるときの、最も前記イオン伝導性基が多い側の値を前記基準値として設定したときの、
第1の単位領域の数/第1及び第2の単位領域の総数、で表される値である、
ことを特徴とする評価方法。
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