JP5295655B2 - 固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体 - Google Patents
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Description
一般式(A)中、Zは直接結合、−O−及び−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l’−(l’は1〜10の整数である)及び−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R21は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)及びCR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を示す)からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Phは縮合芳香族環を示し、R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部又はすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基及びニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。
lは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各ユニットの組成比を示し、pは0から1の値のうち0以外の値をとり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
Pは下記一般式(4−1)〜(4−3)で表される構造から選ばれる少なくとも1種の構造であり、Phは下記一般式(5−1)で表される構造である。
qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各ユニットの組成比を示し、pは0から1の値のうち0以外の値をとり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレン系共重合体は、縮合芳香族環ユニットと、含窒素複素環基を有するユニットとを含む。
本発明の化合物は、下記一般式(1)で表されるユニットをモノマー単位(構造単位)として含む。かかるユニットを含むことにより、重合体に疎水部を付与することができる。また、縮合芳香族環を有するので、前記重合体の熱水耐性を向上させることができる。
Bは酸素原子又は硫黄原子を示し、酸素原子が好ましい。
Phは縮合芳香族環を示し、例えばナフタレン基、アントラセン基、テトラセン基、ペンタセン基等が挙げられ、なかでもナフタレンが好ましい。これらを含有することによって、一般式(1)で表される芳香族化合物をモノマーとした重合体に耐水性を付与することができる。
各構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)及びCR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を示す)−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Phは縮合芳香族環を示し、R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部又はすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基及びニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。
l、mは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各ユニットの組成比を示し、pは0から1の値のうち0以外の値をとり、n+p=1である。
Pは下記一般式(4−1)〜(4−3)で表される構造から選ばれる少なくとも1種の構造であり、Phは下記一般式(5−1)で表される構造である。
qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各ユニットの組成比を示し、pは0から1の値のうち0以外の値をとり、n+p=1である。
本発明の重合体は、主鎖がポリフェニレン構造であり、側鎖に含窒素複素環基を有するユニットを含む。
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l’−(l’は1〜10の整数である)及び−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、好ましくは−CO−である。
pは0〜4の整数を示し、好ましくは、0又は1である。
このような側鎖に含窒素複素環基を有するユニットは、下記一般式(B)で表される繰り返し構造単位が挙げられる。
含窒素複素環基を側鎖に含んでいると、プロトン伝導性を損なうことなく、高温下で高いスルホン酸の安定性を有するプロトン伝導膜を得ることができる。
本発明の共重合体は、側鎖に下記一般式(E)で表されるスルホン酸基を含む。
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基等が挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。芳香族基は前記した−SO3H又はO(CH2)hSO3H又はO(CF2)hSO3Hで表される置換基で、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上置換していることが好ましい。
m、nの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、
(1)m=0、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH2)4SO3Hを有するフェニル基である構造等を挙げることができる。
本発明で用いられる重合体は、前記一般式(1)及び、下記一般式(B)及び(F)で表される繰り返し単位を含む。
スルホン化ポリアリーレン系共重合体の製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法と同様に、下記一般式(F’)で表されるモノマー、下記一般式(B’)で表されるモノマー及び下記一般式(1’)で表されるモノマーを共重合させ、スルホン酸エステル基を有する重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
Y,Z,m,n、kは一般式(F)と同じであり、Rは炭素数4〜12のアルキル基を示す。
Ar’は−SO3R又はO(CH2)hSO3R又はO(CF2)hSO3Rで表される置換基(hは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
モノマー(1’)は、下記一般式(1’)で表される。
Xはフッ素を除くハロゲン原子、−SO2CH3及びSO2CF3から選ばれる原子又は基を示し、
Phはナフタレン基、アントラセン基、テトラセン基、ペンタセン基から選ばれる基が好ましくい。
一般式(1’)で表される化合物は、さらには、下記一般式(2’)で表される化合物が好ましい。
さらに、このような化合物として、下記一般式(3’)で表されるものが好ましい。
上記一般式(1’)で表される化合物は、例えば、次のような反応により合成することができる。
まず、下記一般式(1−1)及び(1−2)で表されるビスフェノール類をアルカリ金属塩とする。
一般式(1−1)で表されるビスフェノール類として、例えば、1,3−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン(Bis−M)、1,4−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン、1,3−(4−ヒドロキシベンゾイルベンゼン)、1,4−(4−ヒドロキシベンゾイルベンゼン)、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、4,4’−イソプロピリデンビフェノール(Bis−A)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(Bis−AF)、4,4’−ビスヒドロキシベンゾフェノン(4,4’−DHBP)、4,4’−ビスヒドロキシジフェニルスルホン(4,4’−DHDS)、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(4,4’−DHBP)、ビス(4―ヒドロキシフェニル)メタン、レゾルシノール(RES)、ヒドロキノン(HQ)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン(BPFL)、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)フルオレン(BCFL)、4,4’−イソプロピリデンビス(2−フェニルフェノール)、4,4’−シクロヘキシリデンビス(2−シクロヘキシルフェノール)等が挙げられる。なかでも1,3−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン(Bis−M)、1,4−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(Bis−AF)、レゾルシノール(RES)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン(BPFL)が好ましい。
得られた化合物はオリゴマーないしポリマーであるが、これらはポリマーの一般的な精製方法、例えば、溶解−沈殿の操作によって精製することができる。分子量の調整は、過剰の芳香族ジクロライドとビスフェノールとの反応モル比によって行う。芳香族ジクロライドが過剰にあるため、得られる化合物の分子末端は、芳香族クロライドになっている。
以下は、n=0であり、P、Phが1種類のものから構成される芳香族化合物の具体例を示す。
Y、Z、R21、p及びqは前記一般式(B)と同じである。
た化合物を挙げることができる。これらの化合物は、単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
X’はハロゲン原子を示し、具体的にはフッ素原子又は塩素原子であることが好ましく、フッ素原子がより好ましい。
活性水素を有する含窒素複素環化合物としては、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、2−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシピリジン、4−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシキノリン、8−ヒドロキシキノリン、2−ヒドロキシピリミジン、2−メルカプトピリジン、3−メルカプトピリジン、4−メルカプトピリジン、2−メルカプトピリミジン、2−メルカプトベンズチアゾール等を挙げることができる。
これらの化合物のうち、ピロール、イミダゾール、インドール、カルバゾール、ベンズオキサゾール、ベンズイミダゾールが好ましい。
生成物は再結晶等の方法で精製して用いることが好ましい。
本発明の重合体を得るためはまず上記モノマー(1’)、モノマー(B’)及びモノマー(F’)を共重合させ、前駆体を得る。
加水分解は、(1)少量の塩酸を含む過剰量の水又はアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有する重合体を投入し、5分間以上撹拌する方法、(2)トリフルオロ酢酸中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、(3)重合体中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドン等の溶液中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法等により行うことができる。
本発明において用いられるプロトン伝導膜は、上記スルホン酸基と上記含窒素複素環基を有するスルホン化ポリアリーレン系共重合体からなる。
製膜する際の溶液のポリマー濃度は、通常5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。ポリマー濃度が5質量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい傾向にある。一方、ポリマー濃度が40質量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。
本発明の方法により得られるプロトン伝導膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。
本発明の電極は、触媒金属粒子又は触媒金属粒子を導電性担体に担持してなる電極触媒、電極電解質からなり、必要に応じて炭素繊維、分散剤、撥水剤等の他の成分を含んでいてもよい。
得られたスルホン化重合体の15質量%溶液(溶媒はメタノール/NMP=50/50(容量比)の混合溶媒)からキャスト膜を調製した。これを大量の蒸留水に一晩浸漬し、膜中の残存NMPを希釈により取り除いた後、乾燥し、膜を得た(膜厚40μm)。
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
スルホン酸基を有しない重合体質量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(T
HF)を用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
交流抵抗は、5mm幅の短冊状膜試料の表面に、白金線(φ=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、85℃、相対湿度90%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスから、プロトン伝導率を算出した。
膜厚約40μmの各フィルムを、160℃オーブン中に24時間入れた。耐熱試験前後のサンプルを、上記のNMP系のGPC溶離液99.8質量部に対し、0.2質量部のプロトン伝導膜を浸漬、溶解後、不溶分を除去し、GPC測定を行った。耐熱試験前後のGPCの溶出面積の比から不溶分含量を求めた。
厚さ30μmのスルホン化ポリマーのフィルムを、縦3cm、横4cmに切断し重量(A)を測定した。プレッシャークッカー中で、カットしたサンプルを純水中に浸漬し120℃で24時間加熱した。加熱終了後放冷した後サンプルを取り出し、表面に付着した水滴をベンコットン(旭化成製)で取り除いた。水滴を取り除いた後の質量(B)を測定し、下記式に従い含水率を算出した。
(1)疎水ユニットの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean−Stark管、冷却管を取り付けた3Lセパラブル3口フラスコに2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 92.9g (540mmol)、炭酸カリウム 86.2g (624mol)をはかりとった。減圧下で真空乾燥を行った後、スルホラン 675mL、トルエン 270mLを加え、窒素雰囲気下、130℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean−Stark管から取り除いた。3時間後に水の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、180℃で7時間撹拌した後、2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 31.0g (180mmol)を加え、さらに3時間撹拌した。
撹拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた500mLの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル37.67g(93.9mmol)、2,5−ジクロロー4’―(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン 1.49g(4.7mmol、 実施例1−(1)で得られた疎水性ユニット(1−a )11.5g(1.4mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.62g(4.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、亜鉛15.69g(240mmol)をはかりとり、乾燥窒素で置換した。ここにN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)152mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間撹拌し続けた後、DMAc349mLを加えて希釈し、不溶物をろ過した。
実施例1の2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)を1,3−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン(Bis−M)99.8g (288mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(2−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(2−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)をレゾルシノール(Res)31.7g (288mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(3−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(3−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)を1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP) 30.8g (192mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(4−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(4−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)を1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP) 30.8g (192mmol)に、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)を1,3−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン(Bis−M)99.8g (288mmol)変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(5−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(5−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)を1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP) 30.8g (192mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(6−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(6−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)を1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP) 30.8g (192mmol)に、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)を1,3−ビス{1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル}ベンゼン(Bis−M)99.8g (288mmol)変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(7−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(7−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 92.9g (540mmol)を4,4’―ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DBP)135.6g(540mmol)に、また追加で添加する2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 31.0g (180mmol)を4,4’―ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DBP)45.2g(180mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(8−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(8−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)を1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP) 30.8g (192mmol)に、2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 92.9g (540mmol)を4,4’―ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DBP)135.6g(540mmol)に、また追加で添加する2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 31.0g (180mmol)を4,4’―ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DBP)45.2g(180mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(9−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(9−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)を1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP) 30.8g (192mmol)に、2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 92.9g (540mmol)を4,4’―ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DBP)135.6g(540mmol)に、また追加で添加する2,6−ジクロロベンゾニトリル (2、6−DBN) 31.0g (180mmol)を4,4’―ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DBP)45.2g(180mmol)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(10−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(10−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)と2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)を用いる代わりに、2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 23.1g (144mmol)、1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP) 23.1g (144mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 64.6g (192mmol)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(11−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(11−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例11の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 23.1g (144mmol)の代わりに、1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP) 23.1g (144mmol)用いた以外は、実施例11と同様の方法で疎水性ユニット(12−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(12−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1で合成した疎水ユニット(1−a)を用い、実施例1の、2,5−ジクロロー4’―(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン 1.49g(4.7mmol)の代わりに2,5―ジクロロー4’―(ピリジンー4−オキシ)ベンゾフェノン 1.62g(4.7mmol)を用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(13−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例4で合成した疎水ユニット(4−a)を用い、実施例1の、2,5−ジクロロー4’―(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン 1.49g(4.7mmol)の代わりに2,5―ジクロロー4’―(ピリジン−4−オキシ)ベンゾフェノン 1.62g(4.7mmol)を用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(13−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例6で合成した疎水ユニット(6−a)を用い、実施例1の、2,5−ジクロロー4’―(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン 1.49g(4.7mmol)の代わりに2,5―ジクロロー4’―(ピリジンー4−オキシ)ベンゾフェノン 1.62g(4.7mmol)を用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(15−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル37.65g(93.9mmol)、4−(2,5−ジクロロベンゾイル)ピリジン 1.18g(4.7mmol)、 実施例1−(1)で得られた疎水性ユニット(1−a )11.8g(1.5mmol)を原料に用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(16−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例4で合成した疎水ユニット(4−a)を用い、実施例16の、2,5−ジクロロー4’―(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン 1.49g(4.7mmol)の代わりに4−(2,5−ジクロロベンゾイル)ピリジン 1.18g(4.7mmol)を用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(17−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1に示す。
実施例6で合成した疎水ユニット(6−a)を用い、実施例16の、2,5−ジクロロー4’―(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン 1.49g(4.7mmol)の代わりに4−(2,5−ジクロロベンゾイル)ピリジン 1.18g(4.7mmol)を用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(18−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
実施例1の2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP) 30.8g (192mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 96.8g (288mmol)を用いる代わりに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン (Bis−AF) 161.4g (480mmol)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で疎水性ユニット(19−a)を合成し、得られた疎水性ユニットを用いて実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(19−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル39.46g(98.3mmol)、 実施例1−(1)で得られた疎水性ユニット(1−a )13.3g(1.7mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.62g(4.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、亜鉛15.69g(240mmol)を原料に用いる以外は、実施例1と同様の方法で合成を行い、一般式(20−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
比較例1で合成した疎水ユニット(19−a)を用る以外は、比較例2と同様の方法で合成を行い、一般式(21−b)のポリマーを得た。得られたポリマーを実施例1と同様の方法でNMP/メタノールから製膜することによって、膜厚30μmのフィルムを得た。得られた疎水ユニット、ポリマー、フィルムの物性を表1、表2に示す。
平均径50nmのカーボンブラック(ファーネスブラック)に白金粒子を、カーボンブラック:白金=1:1の重量比で担持させ、触媒粒子を作製した。次に、イオン伝導性バインダーとしてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(DuPont社製Nafion(商品名))溶液に、前期触媒粒子を、イオン伝導性バインダー:触媒粒子=8:5の重量比で均一に分散させ、触媒ペーストを調製した。
また、本実施例で得られた膜−電極構造体は、ガス拡散層の上にさらにガス通路を兼ねるセパレーターを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成することができる。
本発明の膜−電極構造体を用いて、温度70℃、燃料極側/酸素極側の相対湿度を50%/73%、電流密度を1A/cm2とした発電条件により、発電性能を評価した。燃料極側には純水素を、酸素極側には空気をそれぞれ供給した。さらに、発電耐久性の評価として、この膜−電極構造体を用い、温度120℃、燃料極側/酸素極側の相対湿度を50%/50%、OCVの条件下で発電耐久テストを実施し、クロスリークに至るまでの時間を計測した。クロスリークまでの時間が500時間以上だったものを良として「○」で表示し、500時間未満だったものを不良として「×」で表示した。
Claims (9)
- プロトン伝導膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を設けた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、
前記プロトン伝導膜は、一般式(1)で表される縮合芳香族環ユニットと、主鎖がポリフェニレン構造であり、側鎖として下記一般式(A)で表される含窒素複素環基を有するユニットとをモノマー単位として含むスルホン化ポリアリーレン系共重合体を含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
一般式(A)中、Zは直接結合、−O−及び−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l’−(l’は1〜10の整数である)及び−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R21は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。] - 前記一般式(1)中、Phはナフタレン基、アントラセン基、テトラセン基及びペンタセン基からなる群より選ばれる基であることを特徴とする、請求項1に記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
- 前記縮合芳香族環ユニットが、一般式(2)で表されるものであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)及びCR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を示す)からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Phは縮合芳香族環を示し、R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部又はすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基及びニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。
lは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各ユニットの組成比を示し、pは0から1の値のうち0以外の値をとり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。] - 前記縮合芳香族環ユニットが一般式(3)で表されるものであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
Pは下記一般式(4−1)〜(4−3)で表される構造から選ばれる少なくとも1種の構造であり、Phは下記一般式(5−1)で表される構造である。
qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各ユニットの組成比を示し、pは0から1の値のうち0以外の値をとり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
- 前記一般式(3)において、pが0.01〜1の範囲にあることを特徴とする請求項4に記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
- 前記含窒素複素環基がピロール基、チアゾール基、イソチアゾール基、オキサゾール基、イソオキサゾール基、ピリジン基、イミダゾール基、イミダゾリン基、ピラゾール基、1,3,5−トリアジン基、ピリミジン基、ピリタジン基、ピラジン基、インドール基、キノリン基、イソキノリン基、ブリン基、ベンズイミダゾール基、ベンズオキサゾール基、ベンズチアゾール基、テトラゾール基、テトラジン基、トリアゾール基、カルバゾール基、アクリジン基、キノキサリン基、キナゾリン基及びこれら含窒素複素環基の誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1種の基であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
- 前記スルホン化ポリアリーレン系共重合体がさらに、側鎖として一般式(E)で表されるスルホン酸基を有するユニットをモノマー単位として含むことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
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