JP5234824B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
(式中、R1〜R5は、独立して、任意の基または原子であり、R1〜R5のうち2〜5個、より好ましくは3〜5個、最も好ましくは4個は、Nドナー原子を含む有機基を含み、それらNドナー原子の1〜5個、より好ましくは3〜5個、最も好ましくは4個は、1個以上の場合によっては置換された芳香族複素環に属する。)好ましくは、該芳香族複素環または各環は、場合によっては置換されたピリジルまたはピリジルメチル環であり、これらは、環上の任意の位置(複数を含む)で任意の数の置換基官能基を含んでもよい。そのような置換基官能基として、サルフェート、スルホネート、スルホン酸、ホスフェート、ホスホネート、ホスホン酸、カルボキシレート、カルボン酸および/またはハライドが挙げられるが、これらは限定されない例の選択である。R1〜R5基中の残りの原子として、炭素、水素、酸素、イオウ、リンおよび/またはハライドが挙げられ、それらのなかには、金属中心に付加的に配位しているものもある。
この構造式中、nおよびmは同じまたは異なってもよく、1〜10の任意の整数であり、より好ましくはnおよびmは、独立して、1〜5であり、最も好ましくはnおよびmは独立して1〜3であり、n=m=2が特に好ましい。R1〜R4の1個と3個の間、より好ましくは1個または2個、最も好ましくは2個が、Nドナー原子を含む有機基(複数を含む)である。好ましい実施形態では、それらのN−ドナー原子の1〜3個が、場合によっては置換された芳香族複素環に属する。最も好ましくは、2個のN−ドナー原子が、場合によっては置換された芳香族複素環に属する。芳香族複素環は、好ましくは、場合によっては置換されたピリジルまたはピリジルメチル環であり、これらは、環上の任意の位置(複数を含む)で任意の数の置換基官能基を含んでもよい。そのような置換基官能基として、サルフェート、スルホネート、スルホン酸、ホスフェート、ホスホネート、ホスホン酸、カルボキシレート、カルボン酸および/またはハライドが挙げられるが、これらは限定ではない例示の選択である。基R1〜R4中の残りの原子として、炭素、水素、酸素、イオウ、リンおよび/またはハライドが挙げられ、それらのなかには、金属中心に付加的に配位しているものもある。
nは、1〜10の任意の整数が好ましく、1〜5がより好ましく、1〜3が最も好ましく、n=2が特に好ましい。R1〜R4の1〜4個、より好ましくは2〜4個、最も好ましくは3個が、Nドナー原子を含む有機基であり、これらのN−ドナー原子の少なくとも1個で4個までの、より好ましくは3個または4個は、場合によっては置換された芳香族複素環に属する。好ましい実施形態では、芳香族複素環は、場合によっては置換されたピリジルまたはピリジルメチル環であり、これらは、環上の任意の位置(複数を含む)で任意の数の置換基官能基を含んでもよい。そのような複素環に導入されてもよい置換基官能基として、サルフェート、スルホネート、スルホン酸、ホスフェート、ホスホネート、ホスホン酸、カルボキシレート、カルボン酸および/またはハライドが挙げられるが、これらは限定ではない例示の選択である。基R1〜R4中の残りの原子として、炭素、水素、酸素、イオウ、リンおよび/またはハライドを挙げることができ、それらのなかには、金属中心に付加的に配位しているものもある。
である。
(式中、XおよびYは、独立して、水素、およびハロゲン、ヒドロキシ、アミノ、プロトン化アミノ、イミノ、ニトロ、シアノ、アシル、アシルオキシ、サルフェート、スルホニル、スルフィニル、アルキルアミノ、プロトン化アルキルアミノ、四級アルキルアンモニウム、カルボキシ、カルボン酸、エステル、エーテル、アミド、スルホネート、スルホン酸、スルホンアミド、ホスホニル、ホスホン酸、アルキルスルホニル、アリールスルホニル、アルコキシカルボニル、アルキルスルフィニル、アリールスルフィニル、アルキルチオ、アリールチオ、アルキル、アルコキシ、オキシエステル、オキシアミド、アリール、アリールアミノ、アリールオキシ、ヘテロシクロアルキル、ヘテロアリール、(C2−C5)アルケニル、(C2−C5)アルキニル、アジドフェニルスルホニルオキシまたは式:−CO−W−OH(式中、Wはアミノ酸である)で表わされるアミノ酸複合体を含む官能基から選択される。)
で表わすことができる。
a)プロトン交換膜に隣接して位置するアノードで、H+イオンを形成するステップと;
b)本発明のカソード液を、酸化状態のそのレドックスメディエーターと、還元状態のそのレドックス触媒とともに、プロトン交換膜の反対側に隣接して位置するカソードに供給するステップと;
c)H+イオンが膜を通過すると同時にカソードと接触する時に、メディエーターが還元され始め、電荷のバランスを取るステップと;
を含む方法が提供される。
d)カソード液を、カソードから、メディエーターが酸化剤と反応する触媒によって再酸化される再酸化区域に通すステップを含んでもよい。
e)カソード液を再酸化区域からカソード液貯蔵部へ通すステップを含む。
O2+4Spred+4H+→2H2O+4SpOX
(式中、Spは、レドックス対種である。)
N,N−ビス(ピリジン−2−イル−メチル)−ビス(ピリジン−2−イル)メチルアミン(N4Py)
(a)ジ−2−ピリジルケトンオキシム
J.Changら、Inorg.Chem.,2004,43,1735に記載される経路を使用して製造した。
(b)ジ−2−ピリジルメタンアミン
M.van den Heuvalら、J.Org.Chem.,2004,69,250に記載される経路を使用して製造した。
(c)N,N−ビス(ピリジン−2−イル−メチル)−ビス(ピリジン−2−イル)メチルアミン
M.Lubbenら、Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.,1995,34,1512に記載される経路の変法を使用して製造した。唯一の相違点は、過塩素酸塩の代わりにヘキサフルオロリン酸塩を単離したことである。
N,N−ビス(ピリジン−2−イル−メチル)−1,1−ビス(ピリジン−2−イル)−1−アミノ−エタン(MeN4Py)
G.Roelfes,PhD Thesis,RijksuniversiteitGroningen,2000に記載される経路を使用して製造した。
1,9−ビス(2−ピリジル)−2,5,8−トリアザノナントリヒドロクロリド(ピジエン)
ジエチレントリアミンおよびピリジン−2−カルボキシアルデヒドから、W.R.Harrisら、Inorg.Chem.,1978,17,889に記載される手順を使用して製造した。
N−メチル−N,N’,N’−トリス(2−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(トリレン)
N−メチルエタン−1,2−ジアミンおよび2−クロロメチルピリジン塩酸塩から、I.Bernalら、J.Chem.Soc,Dalton.Trans.,1995,3667に記載される手順を使用して製造した。
N−メチル−N,N’,N’,−トリス(2−(4−クロロ)−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(トリレン−Cl3)
(a)(4−クロロ−2−ピリジル)メチルクロリドの合成
M.Tamuraら、Chem.Pharm.Bull.,2000,48,1514に記載された経路を使用して製造した。
塩化チオニル(4.47g,37.6mmol)のジクロロメタン(70mL)溶液を、4−クロロ−2−ピリジンメタノール(3.0g,20.9mmol)のジクロロメタン(80mL)溶液に、還流で滴下した。添加が完了した後、混合物を還流でさらに2時間加熱した。溶剤を蒸発させ、残渣をNa2CO3水溶液(100mLの2M溶液)で塩基性とした。生成物をジクロロメタン(3×100mL)で抽出し、混合した有機相をK2CO3で乾燥した。溶剤をろ過し、蒸発することによって、目的生成物を黄色油状物(3.19g,94%)として得た。1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 4.65 (s, 2H, CH2), 7.26 (d, 1H, Py), 7.48 (d, 1H, Py), 8.45 (d, 1H, Py).
テトラキス誘導体の合成に関して、M.Tamuraら、Chem.Pharm.Bull.,2000,48,1514に記載された経路の変法を使用して製造した。
(4−クロロ−2−ピリジル)メチルクロリド(1.02g,6.3mmol)の水(2.0mL)懸濁液に、N−メチルエチレンジアミン(0,148g,2.0mmol)、5.0MのNaOH水溶液(2.0mL)およびヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(0.06mLの25%水溶液)を加えた。混合物を、室温で72時間攪拌した。水(10mL)およびジクロロメタン(20mL)を加え、生成物をジクロロメタン(3×20mL)で抽出した。混合した有機相を水洗した後、該溶液をMgSO4で乾燥し、ろ過し、蒸発乾固し、黄褐色油状物(0.88g,98%)を得た。1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 2.15 (s, 3H, CH3), 2.58 (t, 2H, CH2CH2), 2.70 (t, 2H, CH2CH2), 3.56 (s, 2H, CH2Ar), 3.78 (s, 4H, CH2Ar), 7.09 (d, 3H, Py), 7.39 (s, 1H, Py), 7.47 (s, 2H, Py), 8.34 (d, 3H, Py).
N,N,N’,N’−テトラキス(2−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(ティーペン)
N,N,N’,N’−テトラキス(2−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミンをABCR社から購入した。
N,N,N’,N’−テトラキス(2−(4−クロロ)−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(ティーペンCl4)
(a)(4−クロロ−2−ピリジル)メチルクロリド
M.Tamuraら、Chem.Pharm.Bull.2000,48,1514に記載される経路を使用して製造した。
H.Satoら、Synthesis,1992,539およびM.Tamuraら、Chem.Pharm.Bull.,2000,48,1514に記載される経路を使用して製造した。
Fe(N4Py)
実験は、FeSO4・7H2Oの0.1Mグリシン溶液と[N4Py−H]+[PF6]−とをpH2.5で合わせることによりその場で生成するFe(N4Py)触媒を、種々の濃度(0.3mMおよび1.0mM)で使用して行った。
無触媒酸化実験も同じ条件でコントロール実験として行った。15mMのFc−CH2NMe2を含む溶液100mLに酸素をバブリングし、UV視覚吸収プロフィールを記録するために、規則的な時間間隔(単位は分)でサンプルを取った。
Fe(MeN4Py)
Fe(N4Py)の代わりに1.0mMのFe(MeN4Py)を触媒として使用して、実施例8に記載する実験の比較実験を行った。
この実験のデーターを、図3および表1に示す。これは、Fe(MeN4Py)が、このメディエーターの触媒として効果があることを示す。
Co(N4Py)
Co(NO3)2をpH2.5の[N4Py−H]+[PF6]−の0.1Mグリシン溶液に添加することによって、Co(N4Py)の1.0mM溶液をその場で生成した。これをFc−CH2NMe2と組合せ、O2との反応を、UV視覚スペクトル観測によって、約65℃で経時的に検討した。データーを図3に示す。これは、Co(N4Py)がこの酸化の触媒として作用することを示す。
Fe(ピジエン)
代わりの5配座N−ドナーリガンドである1,9−ビス(2−ピリジル)−2,5,8−トリアザノナン(ピジエン)(下記)を鉄(II)に複合し、酸素還元触媒として試験した。
FeSO4・7H2OをpH2.5のピジエンの0,1Mグリシン溶液に添加することによって、Fe(ピジエン)の1.0mM溶液をその場で生成した。これをFc−CH2NMe2と組合せ、O2との反応を、UV視覚スペクトル観測によって、約55〜60℃で経時的に検討した。データーを図3および表1に示す。これは、Fe(ピジエン)がこの酸化の触媒として作用することを示す。
Fe(トリレン)
代わりの5配座N−ドナーリガンドであるN−メチル−N,N’,N’−トリス(2−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(トリレン)(下記)を鉄(II)に複合し、酸素還元触媒として試験した。
FeSO4・7H2OをpH2.5のトリレンの0.1Mグリシン溶液に添加することによって、1.0mMのFe(トリレン)触媒の溶液を生成した。これをFc−CH2NMe2と組合せ、O2との反応を、UV視覚スペクトル観測によって、約60℃で経時的に検討した。データーを図4および表1に示す。これは、Fe(トリレン)がこの酸化の触媒として作用することを示す。
Fe(トリレン−Cl3)
トリレンクロロ置換誘導体(トリレン−Cl3、下記)の鉄複合体を、(ジメチルアミノメチル)フェロセンの酸化のN−ドナー触媒として試験した。
FeSO4・7H2OをpH2.5のトリレン−Cl3の0.1Mグリシン溶液に添加することによって、1.0mMのFe(トリレン−Cl3)の溶液を生成した。これをFc−CH2NMe2と組合せ、O2との反応を、UV視覚スペクトル観測によって、約60〜65℃で経時的に検討した。データーを表1および図5に示す。これは、Fe(トリレン−Cl3)がこの酸化の触媒として作用することを示す。
Fe(ティーペン)
5配座N−ドナーリガンドであるN,N,N’,N’−テトラキス(2−ピリジルメチル)−エタン−1,2−ジアミン(ティーペン)(下記)を鉄(II)に複合し、酸素還元触媒として試験した。
FeSO4・7H2OをpH2.5のティーペンの0.1Mグリシン溶液に添加することによって、1.0mMのFe(ティーペン)の溶液を生成した。これをFc−CH2NMe2と組合せ、O2との反応を、UV視覚スペクトル観測によって、約60〜65℃で経時的に検討した。データーを表1に示す。これは、Fe(ティーペン)がこの酸化の触媒として作用することを示す。
表1
酸素による1,1’−ビス(メチルスルホン酸)フェロセンの酸化を引き起こすN−ドナー触媒Fe(トリレン)の能力をモニターする触媒実験を行った。1,1’−ビス(メチルスルホン酸)フェロセンは、我々の同時継続出願PCT/GB2007/******(英国特許第0614338.2号の優先権を主張)に記載する新規の物質であり、1,1’−ビス(クロロメチル)フェロセンから以下の反応スキームに従って合成した。
実験は、pH2.5に調整された、0.05MのNa2SO4および0.05MのNaHSO4を含む水溶液中、〜約65℃で行った。
1.0mMのFe(トリレン)触媒を含む溶液を、FeSO4・7H2O溶液およびトリレン溶液を組合わせることによりその場で生成した。
トリレン
無触媒酸化実験も同じ条件でコントロール実験として行った。約10mMの1,1’−ビス(メチルスルホン酸)フェロセンを含む溶液25mLに酸素をバブリングし、UV視覚吸収ピークによって酸化されたフェロセン種の生成をモニターするために、規則的な時間間隔(単位は分)でサンプルを取った。このデーターを表2にまとめる。これは、Fe(トリレン)が、1,1’−ビス(メチルスルホン酸)フェロセンの酸化で効果のある触媒として作用することを示す。
酸素による1,1’−ビス(メチルスルホナト)フェロセン2ナトリウム塩の酸化を起こす、N−ドナーリガンドであるN−メチル−N,N’,N’−トリス(2−(4−スルホナト)−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン三ナトリウム塩(Fe(トリレン−(SO3Na)3))の鉄複合体の能力をモニターするために、触媒反応を行った。
N−ドナーリガンドであるN−メチル−N,N’N’−トリス(2−(4−クロロ)−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(トリレン−Cl3)を、エタノール/水混合物中でNa2SO3と反応させ、N−ドナー種、N−メチル−N,N’N’−トリス(2−(4−スルホナト)−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン三ナトリウム塩(トリレン−(SO3Na)3)を生成した。還流で数日間加熱した後のNMRデーターは、スルホン化生成物と一致していた。
本発明のカソード溶液を調製し、レドックスカソードおよび水素アノードを使用して、その性能を評価した。市販のアノードを、E−TEK(デノラ社、ドイツ)からの白金ガス拡散層、およびイオンパワー社から入手される、0.125mmのナフィオン(登録商標)(デュポン)膜を使用する1/2MEAとともに使用した。網状ガラス質炭素(RVC)電極をカソード用に使用した。カソード溶液をこの電極にポンプで通過させ、その後カソード溶液を再循環させる貯蔵部に通した。総液体容積は、25cm3であった。
Claims (27)
- イオン選択性高分子電解質膜によって分離されたアノードおよびカソードと、電池のアノード領域に燃料を供給する手段と、電池のカソード領域に酸化剤を供給する手段と、アノードとカソードとの間に電気回路を提供する手段と、カソードと連通する流体に流れ込む不揮発性カソード液を少なくとも1種含むカソード溶液とを含むレドックス燃料電池であって、該カソード溶液は、電池の作動中、カソードで少なくとも部分的に還元され、カソードでの該還元の後、場合によっては間接的に、酸化剤との反応によって少なくとも部分的に再生されるレドックスメディエーターを含み、さらに該カソード溶液は、前記レドックスメディエーターおよび/またはレドックス触媒として、遷移金属中心に配位しうる窒素原子を複数個含む多座配位性N−ドナーリガンドであって、前記メディエーターの再生を触媒する前記多座配位性N−ドナーリガンドを含むレドックス燃料電池。
- カソード溶液が、前記レドックスメディエーターおよび前記レドックス触媒として、前記レドックスメディエーターおよび前記レドックス触媒として、前記多座配位性N−ドナーリガンドを含む請求項1に記載の燃料電池。
- カソード溶液が、レドックス触媒として、ドックス触媒として、レドックスメディエターおよび前記多座配位性N−ドナーリガンドを含む請求項1に記載の燃料電池。
- カソード溶液が、レドックスメディエーターとして前記多座配位性N−ドナーリガンドを含み、さらにレドックス触媒としての材料を含む請求項1に記載の燃料電池。
- その作動中、酸化剤が、レドックス触媒によってカソード溶液中で還元される請求項1〜4のいずれか1つに記載の燃料電池。
- 得られた酸化レドックス触媒が、少なくとも部分的にメディエーターを酸化するのに効果的であり、カソードでの還元の後、メディエーターを再生する請求項5に記載の燃料電池。
- カソード溶液が水溶液である請求項1〜6のいずれか1つに記載の燃料電池。
- 前記多座配位性N−ドナーリガンドが、多座配位性N−ドナーリガンドの遷移金属錯体を含む請求項1〜7のいずれか1つに記載の燃料電池。
- 多座配位性N−ドナーリガンドが、少なくとも1種のピリジン置換基を含む請求項8に記載の燃料電池。
- 多座配位性N−ドナーリガンドが、少なくとも2種のピリジン置換基を含む請求項9に記載の燃料電池。
- 多座配位性リガンドが、3〜6個の窒素原子を遷移金属中心に配位しうる請求項10記載の燃料電池。
- 前記窒素原子の1〜5個が、1個以上の場合によっては置換されている芳香族複素環に含まれている請求項11に記載の燃料電池。
- N−ドナーリガンドが、構造式:
(式中、R1〜R5は、それぞれ少なくとも1個のNドナー原子を含む2〜5個の有機基を含む)で表わされる請求項1〜12のいずれが1つに記載の燃料電池。 - 多座配位性N−ドナーリガンドが、構造式:
(式中、nは、1と10との間の整数でありえ、R1〜R4は、それぞれ少なくとも1個のNドナー原子を含む1〜4個の有機基を含む)で表わされる請求項1〜12のいずれか1つに記載の燃料電池。 - 多座配位性N−ドナーリガンドが、構造式:
(式中、nおよびmは同じまたは異なってもよく、1と10との間の任意の整数であり、R1〜R4は、それぞれ少なくとも1個のNドナー原子を含む1〜3個の有機基を含む)で表わされる請求項1〜12のいずれか1つに記載の燃料電池。 - 多座配位性N−ドナーリガンドが、N4Pyおよびその誘導体、ならびにピジエン(pydien)、トリレン(trilen)、ティーペン(tpen)およびそれらの誘導体から選択される請求項1〜12のいずれか1つに記載の燃料電池。
- 少なくとも1個のNドナー原子を含む前記有機基が、場合によっては置換された芳香族複素環である請求項12、13、14または15のいずれか1つに記載の燃料電池。
- 場合によっては置換された前記芳香族複素環が、ピリジンまたはピリジン誘導体を含む
請求項12、13、14または15のいずれか1つに記載の燃料電池。 - イオン選択性高分子電解質膜が、他のカチオンよりもプロトンを選択する傾向があるカチオン選択性膜である請求項1〜18のいずれか1つに記載の燃料電池。
- カソード液が酸性である請求項19に記載の燃料電池。
- イオン選択性高分子電解質膜が、アニオン選択性膜である請求項1〜18のいずれか1つに記載の燃料電池。
- カソード液が、アルカリ性である請求項21に記載の燃料電池。
- イオン選択性高分子電解質膜が、二重膜である請求項1〜18のいずれか1つに記載の燃料電池。
- レドックスメディエーターが、変性フェロセン種を含む請求項1〜23のいずれか1つに記載の燃料電池。
- 請求項1〜24のいずれか1つに記載の燃料電池において使用されるカソード液であって、レドックスメディエーターおよびレドックス触媒を含む、多座配位性N−ドナーリガンド複合体が、前記レドックスメディエーターおよび/または前記レドックス触媒としてカソード液中に提供されているカソード液。
- プロトン交換膜燃料電池を作動させる方法であって、
a)プロトン交換膜に隣接して位置するアノードで、H+イオンを形成するステップと;
b)請求項25に記載のカソード液を、酸化状態のそのレドックスメディエーターと、還元状態のそのレドックス触媒とともに、プロトン交換膜の反対側に隣接して位置するカソードに供給するステップと;
c)H+イオンが膜を通過すると同時にカソードと接触する時に、メディエーターが還元され始め、電荷のバランスを取るステップと;
を含む方法。 - 前記複合型多座配位性N−ドナーリガンドが、N−メチル−N,N’,N’−トリス(2−(4−クロロ)−ピリジルメチル)エタン−1,2−ジアミン(トリレン−Cl3)であることを特徴とする請求項1〜26のいずれか1つに記載の燃料電池。
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