JP5512488B2 - 固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体 - Google Patents
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Description
より詳しくは、特許文献10や特許文献5では、非フッ素系のプロトン伝導膜として、ホスホン酸基を含むグラフトポリスチレンを使用したプロトン伝導膜が開示されており、フェントン試験前後で重量保持率が改善されていることが示されている。また、ポリスチレン等のように主鎖がメチレン基等のアルキル鎖からなる炭化水素系プロトン伝導膜ではなく、主鎖に芳香族を含む炭化水素系プロトン伝導膜として、特許文献4に示されるポリエーテルスルホン、特許文献7に示されるポリフェニレンオキサイド、特許文献6に示されるポリフェニレン、及び、特許文献9に示されるポリアリーレン等が挙げられる。
特許文献5には、プロトン伝導性基が全てホスホン酸基であるグラフトポリスチレンからなるプロトン伝導膜が示されているが、伝導度は10−5(S/cm)程度である。
また、主鎖に芳香族を含む炭化水素系プロトン伝導膜で、側鎖にホスホン酸基を導入した例として特許文献6が挙げられるが、電子密度の高い芳香環のみにホスホン酸基を導入しており、伝導度が10−4(S/cm)程度である。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
本発明で用いられるポリアリーレン系共重合体は、ホスホン酸基を有する構造単位を有する。好ましくは、スルホン酸基を有する構造単位と、芳香族構造を有する構造単位と、をさらに有する。
なお、含窒素複素環としては、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェノチアジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、ベンゾチアジアゾールが挙げられ、これらのうち、イミダゾール、ピリジン、1,3,5−トリアジン、トリアゾールが好ましい。
eは0〜10の整数を示し、好ましくは0〜5の整数、より好ましくは0〜2の整数を示す。
fは1〜5の整数を示し、好ましくは1〜4の整数、より好ましくは1〜3の整数を示す。
gは0〜4の整数を示し、好ましくは0〜3の整数、より好ましくは0〜2の整数を示す。
hは0〜1の整数を示す。
なお、上記の構造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、隣り合う構造単位との接続を意味する(以下の構造単位においても同様である)。
また、本発明では、ホスホン酸エステル基ではなく、脱保護されたホスホン酸基を導入するため、プロトン伝導性の無いホスホン酸エステル基を導入した場合のように、プロトン伝導性が大幅に低下することがなく、高いプロトン伝導性を保持できる。
さらに、本発明のポリアリーレン系共重合体は、得られるプロトン伝導膜の機械的強度や熱水耐性の観点から、上記式(1)で表される構造単位が少なくとも2個連続していることが好ましく、少なくとも3個連続していることがより好ましく、少なくとも5個連続していることがさらに好ましい。
スルホン酸基を有する構造単位としては、例えば、下記一般式(3)で表される構造単位が挙げられる。本発明のポリアリーレン系共重合体は、スルホン酸基を有する構造単位を含むことで、プロトン伝導度をより高くすることができる。また、本発明のポリアリーレン系共重合体は、上述したホスホン酸基を有する構造単位とスルホン酸基を有することで、高いプロトン伝導度を保持しつつ、耐久性を向上させることができる。このことは、ホスホン酸基を有することで、スルホン酸基の脱離等が抑制されるためと推察される。
ただし、Ar21、Ar22、Ar23、及びAr24は、その水素原子の一部若しくは全部が、フッ素原子、ニトロ基、ニトリル基、アルキル基、アリル基、及びアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基で置換されていてもよい。また、アルキル基は、その水素原子の一部若しくは全部がフッ素置換されていてもよい。
s及びtは、それぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは0以上の整数を示す。
本発明のポリアリーレン系共重合体は、例えば下記に示すA1法、B1法、またはC1法の3通りの方法を用いて製造することができる。
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法により、ホスホン酸基を有する構造単位となるホスホン酸エステルと、スルホン酸基を有する構造単位となるスルホン酸エステルと、芳香族構造を有する構造単位となるモノマーまたはオリゴマーと、を共重合させ、スルホン酸エステル基及びホスホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を製造する。次いで、このスルホン酸エステル基及びホスホン酸エステル基を脱エステル化し、ホスホン酸エステル基をホスホン酸基に、スルホン酸エステル基をスルホン酸基にそれぞれ変換することにより合成することができる。
ただし、上述の(d)/{(d)+(e)}×100の値が100であるポリアリーレン系共重合体を合成する場合には、以上の合成方法において、スルホン酸基を有する構造単位となるスルホン酸エステルを使用せずに合成する。
ホスホン酸基を有する構造単位は、ポリアリーレン系共重合体の重合原料として、例えば、下記一般式(1−1)あるいは(1−2)で表される芳香族化合物を使用することにより製造することができる。
R31は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−、及び−(CF2)p−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す(pは1〜12の整数を示す)。
R32は、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基、金属イオン、オニウムイオン、及び水素原子からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
金属イオンとしては、アルカリ金属系のナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、アルカリ土類金属系のマグネシウム、カルシウム等が挙げられる。これらのうち、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオンが特に好ましい。
オニウムイオンとしては、アンモニウム、ホスホニウム、オキソニウム、スルホニウム等が挙げられる。
上記一般式(1−2)における、R33は、−(CR34R35)h1−(CR36R37)h2−(CR38R39)h3−(CR40R41)h4−で表される2価の基を示す。好ましくは、R33は、分岐していてもよいアルキレン基である。
R34〜R41は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、及びアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
上記化合物は、導入するホスホン酸エステル基の置換部位に予め臭素原子を導入した前駆体と、ホスホン酸エステルとを置換反応させることで調製可能である。ホスホン酸塩の場合には、ホスホン酸を導入した後、中和してもよい。
上述したように、本発明のポリアリーレン系共重合体は、スルホン酸基を有する構造単位を有していることが好ましい。スルホン酸基を有する構造単位は、ポリアリーレン系共重合体の重合原料として、例えば、下記一般式(3−3)または(3−4)で表されるスルホン酸エステル類を使用することにより、導入することができる。
nは0〜10の整数を示し、好ましくは0〜5の整数、より好ましくは0〜3の整数を示す。
kは1〜4の整数を示し、好ましくは1〜3の整数、より好ましくは1〜2の整数を示す。
(1)m=1、n=0であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(2)m=1、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(3)m=0、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(4)m=0、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Zが直接結合である構造、
(5)m=0、n=0、であり、Y=−CO−である構造、
(6)m=0、n=0、であり、Yが直接結合である構造。
ただし、Ar21、Ar22、Ar23、及びAr24は、その水素原子の一部若しくは全部が、フッ素原子、ニトロ基、ニトリル基、アルキル基、アリル基、及びアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基で置換されていてもよい。また、アルキル基は、その水素原子の一部若しくは全部がフッ素置換されていてもよい。
A及びDは、それぞれ独立に、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−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、Bは、それぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を示す。s及びtは、0〜4の整数を示し、rは0以上の整数を示す。
A及びDは、それぞれ独立に、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、及び−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR’2−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基等が挙げられる。
Bは、それぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
(1)s=1、t=1であり、Aが、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、またはフルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが、−CO−、または−SO2−であり、R1〜R16が、水素原子またはフッ素原子である構造、
(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが、−CO−、または−SO2−であり、R1〜R16が、水素原子またはフッ素原子である構造、
(3)s=0、t=1であり、Aが、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、またはフルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が、水素原子、フッ素原子、またはニトリル基である構造、
(4)s=1、t=1または2であり、Aが、−C(CF3)2−、または−C(CR’2)2−(R’は炭化水素基または環状炭化水素基)であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が、水素原子、またはフッ素原子である構造、
(5)s=0、t=1または2であり、Aが、−C(CF3)2−、または、−C(CR’2)2−(R’は炭化水素基または環状炭化水素基)であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が、水素原子、フッ素原子、またはニトリル基である構造、が挙げられる。
目的のポリアリーレン系共重合体を得るためは、まず、上記一般式(1)または(2)で表される構造単位となりうる上記一般式(1−1)または(1−2)で表されるモノマーと、上記一般式(3)、(3−1)または(3−2)で表される構造単位となりうる一般式(3−3)、(3−4)または(3−5)で表されるモノマーと、上記一般式(4)または(4−1)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマーの前駆体、すなわち一般式(4−2)または(4−3)とを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(i)遷移金属塩及び配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)と、(ii)還元剤と、を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、遷移金属塩以外の塩を添加してもよい。
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(1−1)または(1−2)で表されるホスホン酸エステルと、上記一般式(3−3)、(3−4)または(3−5)で表される骨格を有し、スルホン酸基及びスルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(4)または(4−1)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマー、すなわち一般式(4−2)または(4−3)とを共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
上記一般式(3)、(3−1)または(3−2)において、Arが、−O(CH2)pSO3H、または−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特願2003−295974号(特開2005−60625号公報)に記載の方法で、上記一般式(1−1)または(1−2)で表されるホスホン酸エステルと、上記一般式(3)、(3−1)または(3−2)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(4)または(4−1)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマーと、を共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
前駆体のホスホン酸エステル基及びスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法である。
前駆体のホスホン酸基またはホスホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法である。
前駆体のホスホン酸基またはホスホン酸エステル基を有するポリアリーレンに、特願2003−295974号(特開2005−60625号公報)に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法である。
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記ポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法、
(2)トリフルオロ酢酸中で上記ポリアリーレンを、80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、
(3)ポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SO3R)、ホスホン酸エステル基1モルに対して1〜9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、上記ポリアリーレンを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、等が挙げられる。
上記一般式(6)中、Lは、塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子を示し、Mは、水素原子またはアルカリ金属原子を示す。
概してスルホン酸基やホスホン酸基を含む構造単位が多くなるとイオン交換容量が増え、プロトン伝導性が高くなるが、耐水性が低下する傾向にある。一方、これらの構造単位が少なくなるとイオン交換容量が小さくなり、耐水性が高まるが、プロトン伝導性が低下する傾向にある。また、ホスホン酸基の量が多くなると、ラジカル耐性が高くなる傾向になる。
本発明で用いるポリアリーレン系共重合体は、上記共重合体からなるが、燃料電池用高分子固体電解質に用いる場合には、膜状態で用いられる(以下、膜状態のことをプロトン伝導膜という)。
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。
本発明で用いる電極は、触媒金属粒子また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。
なお、炭素繊維は、アノード側、カソード側の電極触媒層のいずれか一方または双方に含まれていてもよい。
本発明の膜−電極構造体は、アノードの触媒層、プロトン伝導膜、及びカソードの触媒層のみからなってもよいが、アノード、カソードともに触媒層の外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材からなるガス拡散層が配置されるとさらに好ましい。ガス拡散層は集電体としても機能するので、本明細書ではガス拡散層を有する場合は、ガス拡散層と触媒層とを合わせて電極というものとする。
触媒層をプロトン伝導膜上に直接形成しない場合は、触媒層とプロトン伝導膜とは、ホットプレス法、接着法(特開平7−220741参照)等により接合することが好ましい。
後述の各実施例及び比較例で得られた共重合体を、N−メチルピロリドン/メタノール溶液に溶解させた後、アプリケーターを用いてPET基板上にキャスティングし、オーブンを用いて60℃×30分、80℃×40分、120℃×60分乾燥させた。乾燥して得られた膜を脱イオン水に浸漬した。浸漬後、50℃×45分乾燥させることにより、評価用のプロトン伝導膜を得た。
各実施例及び比較例で得られた共重合体を、N−メチルピロリドン緩衝溶液(以下、NMP緩衝溶液という。)に溶解し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって、ポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を求めた。NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調製した。
ポリアリーレン系共重合体の重合反応に使用した原料全体の中に存在するホスホン酸基の量と、スルホン酸基の量の比率を求めた。
得られたポリアリーレン系共重合体の水洗水がpH4〜6になるまで洗浄し、フリーの残存している酸を除去した。その後、十分に洗浄して乾燥した後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解させた。次いで、フェノールフタレインを指示薬として、NaOHの標準液にて滴定を行い、中和点からイオン交換容量を求めた。
交流抵抗は、5mm幅の短冊状の試料膜の表面に、白金線(f=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、株式会社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、株式会社ヤマト科学製の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。下記数式(1)に従って、線間距離と抵抗の勾配から膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数からプロトン伝導度を算出した。
3質量%の過酸化水素に、硫酸鉄七水和物を鉄イオンの濃度が5ppmになるように添加し、フェントン試薬を調製した。50mlのガラス製サンプル管に50gのフェントン試薬を採取し、2cm×3cmに切削したプロトン伝導膜を投入後、密栓後、45℃の恒温水槽に浸漬させ、24時間のフェントン試験を行った。フェントン試験後、フィルムを取り出し、イオン交換水にて水洗後、25℃・相対湿度50%で12時間放置し、各種物性測定を行った。
フェントン試験における質量保持率は、下記数式(2)により算出した。質量保持率が95%以上のものを「○」、50%を超え95%未満のものを「△」、50%以下のものを「×」で表示した。
フィルムを2.0cm×3.0cmにカットして秤量し、試験用のテストピースとした。24℃、相対湿度(RH)50%条件下で状態調整した後、このフィルムを、ポリカーボネート製の250ml瓶に入れ、そこに約100mlの蒸留水を加え、プレッシャークッカー試験機(HIRAYAMA MFS CORP製、PC−242HS)を用いて、120℃で24時間加温した。試験終了後、各フィルムを熱水中から取り出し、軽く表面の水をキムワイプで拭き取った後、寸法を測定し、下記数式(4)により膨潤率を算出した。この膜を24℃、RH50%条件下で状態調整した後、水を留去して熱水試験後の膜の寸法を測定し、下記数式(5)により収縮率を算出した。面内寸法変化率は、下記数式(6)により算出した。
得られた膜−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100%/100%、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100℃、相対湿度70/70%RHの条件下でOCV耐久テストを100時間実施し、耐久後のプロトン伝導膜の分子量を測定した。初期の分子量に対する耐久後の分子量の保持率が90%以上のものを「◎」、80%を超え90%未満のものを「○」、80%以下のものを「×」で表示した。
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの3口フラスコに、1,4−ジクロロベンゼン134.0g(0.91mol)、3−ブロモベンゾイルクロライド100.0g(0.46mol)、塩化アルミニウム121.5g(0.91mol)を取り、135℃で4時間撹拌した。反応終了後、氷水に滴下し、トルエンから抽出を行った。1%炭酸水素ナトリウム水溶液により中和した後、飽和食塩水で洗浄し、濃縮を行った。ヘキサンから再結晶を行うことにより、下記式(30−1)で表される化合物を得た。収量は96.1gであった。
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた1Lの3口フラスコに、式(30−1)で表される化合物33.0g(0.1mol)、2−ヒドロキシ−1,3,2−ジオキサフォスフォリナン13.43g(0.11mol)、テトラキス(トリフェニルホスフィノ)パラジウム5.78g(5mmol)、トリエチルアミン11.13g(0.11mol)を取り、80℃で3時間撹拌した。反応終了後、析出した塩をろ過で取除き、溶媒を濃縮した。トルエンから再結晶で精製を行い、下記式(30−3)で表される化合物を得た。収量は20.4gであった。
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた1Lの4口フラスコに、3,5−ジクロロアニリン32.4g(0.2mol)を取り、濃塩酸125mL、水125mLに分散させ、−10℃に冷却した。亜硝酸ナトリウム13.8g(0.2mol)を水80mLに溶解させた水溶液を、−5℃以下を保ちながら滴下した。滴下終了後、−5℃以下で30分間撹拌を続け、ヨウ化ナトリウム60g(0.4mol)を水100mLに溶解させた水溶液に0℃で滴下した。気体の発生が止まった後、反応溶液に水を加えて希釈した。亜硫酸ナトリウムを遊離ヨウ素による濃い着色が消えるまで加えた。水蒸気蒸留、エタノールから再結晶で精製を行い、目的物である1−ヨード−3,5−ジクロロベンゼンの無色結晶29.5gを得た。
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた500mLの3口フラスコに、1−ブロモ−2,5−ジクロロベンゼン22.59g(0.10mol)、2−ヒドロキシ−1,3,2−ジオキサフォスフォリナン13.43g(0.11mol)、テトラキス(トリフェニルホスフィノ)パラジウム5.78g(5mmol)、トリエチルアミン11.13g(0.11mol)、トルエン150mLを取り、80℃で5時間撹拌した。反応終了後、析出した塩をろ過で取除き溶媒を濃縮した。トルエンから再結晶で精製を行い、目的物である下記式(30−13)で表される化合物を得た。収量は19.2gであった。
撹拌機、冷却管を備えた3Lの三口フラスコに、クロロスルホン酸(233.0g、2mol)を加え、続いて下記式(30−4)で表される2,5−ジクロロベンゾフェノン(100.4g、400mmol)を加え、100℃のオイルバスで8時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷(1000g)にゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、下記式(30−5)で表される淡黄色の粗結晶(3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロリド)を得た。粗結晶は精製することなく、そのまま次工程に用いた。
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、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67.3g(0.20mol)、4,4’−ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DCBP)60.3g(0.24mol)、炭酸カリウム71.9g(0.52mol)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)300mL、トルエン150mLをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し、撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150℃で10時間反応を続けた後、4,4’−DCBP10.0g(0.040mol)を加え、さらに5時間反応した。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン300mLに溶解した。これをメタノール4Lに再沈殿し、目的の化合物95g(収率85%)を得た。
得られた共重合体のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算のMnは、11,200であった。得られた化合物は、下記式(30−7)で表されるオリゴマーであった。
撹拌機、温度計、Dean−stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル154.8g(0.9mol)、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269.0g(0.8mol)、炭酸カリウム143.7g(1.04mol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン1020mL、トルエン510mLを加えて撹拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間撹拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル51.6g(0.3mol)を加え、さらに5時間反応させた。
上記式(30−2)で表される化合物6.13g(16mmol)、上記式(30−6)で表される化合物31.75g(79mmol)、上記式(30−7)で表される疎水性ユニット12.32g(1mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.96g(3.0mmol)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、及び亜鉛15.69g(240mmol)の混合物中に、乾燥したDMAc166mLを窒素下で加えた。
上記式(30−2)で表される化合物6.10g(15.8mmol)、上記式(30−6)で表される化合物31.62g(78.8mmol)、上記式(30−8)で表される疎水性ユニット12.3g(1.5mmol)、及び臭化リチウム41.9g(482.1mmol)を用いる以外は、実施例1と同様に行った。
上記式(30−3)で表される化合物2.92g(7.86mmol)、上記式(30−6)で表される化合物36.34g(90.6mmol)、上記式(30−8)で表される疎水性ユニット12.8g(1.56mmol)、DMAC172ml、及び臭化リチウム83.10g(956.8mmol)を用いる以外は、実施例2と同様に行った。
得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは77,000、Mwは274,000であった。イオン交換容量は2.45meq/gであった。
上記式(30−3)で表される化合物を2.19g(5.91mmol)、上記式(30−6)で表される化合物を37.13g(92.5mmol)、及び臭化リチウムを81.56g(939.1mmol)とした以外は、実施例3と同様に行った。
得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは99,000、Mwは310,000であった。イオン交換容量は2.45meq/gであった。
上記式(30−3)で表される化合物を1.46g(3.94mmol)、上記式(30−6)で表される化合物を37.92g(94.5mmol)、及び臭化リチウムを80.02g(921.4mmol)とした以外は、実施例3と同様に行った。
得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは82,000、Mwは241,000であった。イオン交換容量は2.51meq/gであった。
上記式(30−3)で表される化合物を0.73g(1.97mmol)、上記式(30−6)で表される化合物を38.71g(96.5mmol)、及び臭化リチウムを78.48g(903.7mmol)とした以外は、実施例3と同様に行った。
得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは84,000、Mwは229,000であった。イオン交換容量は2.54meq/gであった。
上記(30−13)で表される化合物37.50g(93.45mmol)と、上記(30−6)で表される化合物1.31g(4.92mmol)、上記(30−8)で表される化合物12.23g(1.63mmol)、臭化リチウム40.37g(465mmol)へ変更した以外は、実施例1と同様にして下記式(30−14)で表されるポリマーを得た。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは47,000、Mwは172,000であった。イオン交換容量は2.47meq/gであった。
上記(30−12)で表される化合物37.50g(93.45mmol)と、上記(30−6)で表される化合物1.31g(4.92mmol)、上記(30−8)で表される化合物12.23g(1.63mmol)、臭化リチウム40.37g(465mmol)へ変更した以外は、実施例1と同様にして下記式(30−15)で表されるポリマーを得た。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは56,000、Mwは186,000であった。イオン交換容量は2.49meq/gであった。
上記式(30−6)で表される化合物39.57g(98.6mmol)、上記式(30−7)で表される疎水性ユニット15.68g(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)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、及び亜鉛15.69g(240mmol)の混合物中に、乾燥したDMAc182mLを窒素下で加えた。
濾液に臭化リチウム25.69g(295.8mmol)を加え、内温110℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水3.5Lに注ぎ、凝固させた。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸740gで撹拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは75,000、Mwは186,000であった。イオン交換容量は2.26meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−1)で表されるポリマーであった。
上記式(30−6)で表される化合物39.37g(98.1mmol)、上記式(30−8)で表される疎水性ユニット15.58g(1.9mmol)、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)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、及び亜鉛15.69g(240mmol)の混合物中に、乾燥したDMAc181mLを窒素下で加えた。
濾液に臭化リチウム25.56g(294.3mmol)を加え、内温110℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水3.5Lに注ぎ、凝固させた。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸740gで撹拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは68,000、Mwは175,000であった。イオン交換容量は2.25meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−2)で表されるポリマーであった。
上記式(30−6)で表される化合物39.53g(98.5mmol)、及び上記式(30−8)で表される疎水性ユニット12.3g(1.5mmol)を用いる以外は、比較例2と同様に行った。
得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは71,000、Mwは196,000であった。イオン交換容量は2.51meq/gであった。
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の質量比で担持させ、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、前記触媒粒子を、イオン伝導性バインダー:触媒粒子=8:5の質量比で均一に分散させ、触媒ペーストを調製した。
実施例1〜9及び比較例1〜4でそれぞれ得られたポリマーの膜の特性、及び、得られた膜を用いて膜−電極構造体を作製し、発電特性を評価した。結果を表1に示す。
上記式(30−6)で表される化合物に替えて、上記式(30−3)で表される化合物36.54g(98.44mmol)、及び臭化リチウム153.9g(1.77mol)を用いる以外は、実施例3と同様に行った。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは70,000、Mwは205,000であった。イオン交換容量は2.35meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(30−11)で表されるポリマーであった。
上記式(30−6)で表される化合物に替えて、上記式(40−5)で表される化合物45.86g(99mmol)、上記式(30−8)で表される疎水性ユニット8.2g(1.0mmol)、及び臭化リチウム154.8g(1.78mol)を用いる以外は、実施例9と同様に行った。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは65,000、Mwは198,000であった。イオン交換容量は2.31meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−7)で表されるポリマーであった。
その結果、実施例10のように電子密度が低い芳香環、すなわちケトン結合のような電子吸引性の結合を有する芳香環にホスホン酸基を導入することにより、実施例11のように電子密度が高い芳香環、すなわちエーテル結合のような電子供与性の結合を有する芳香環にホスホン酸基を導入した場合よりも、膜−電極構造体のプロトン伝導度を向上できることが判った。
Claims (6)
- 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、下記一般式(1)で表される構造単位と、下記一般式(3−2)で表されるスルホン酸基を有する構造単位と、を有する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。
- 前記一般式(1)で表される構造単位は、下記一般式(2)で表される構造単位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。
- 前記ポリアリーレン系共重合体は、下記一般式(4−1)で表される芳香族構造を有する構造単位をさらに有す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。
- 前記ポリアリーレン系共重合体1モルが有するホスホン酸基のモル数を(d)、スルホン酸基のモル数を(e)とするとき、(d)/{(d)+(e)}×100の値が、0.01〜100であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
- 前記(d)/{(d)+(e)}×100の値が、0.1以上7未満で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。
- 前記ポリアリーレン系共重合体のイオン交換容量が、0.3〜5meq/gであることを特徴とする請求項5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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