JP6942322B2 - プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体、この複合体を含むプロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の合成方法、固体高分子電解質形燃料電池及び固体高分子電解質形水電解システム - Google Patents
プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体、この複合体を含むプロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の合成方法、固体高分子電解質形燃料電池及び固体高分子電解質形水電解システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP6942322B2 JP6942322B2 JP2019541952A JP2019541952A JP6942322B2 JP 6942322 B2 JP6942322 B2 JP 6942322B2 JP 2019541952 A JP2019541952 A JP 2019541952A JP 2019541952 A JP2019541952 A JP 2019541952A JP 6942322 B2 JP6942322 B2 JP 6942322B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- synthetic resin
- proton conductive
- polymer
- proton
- electrolyte membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims description 78
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 title claims description 67
- 239000000057 synthetic resin Substances 0.000 title claims description 67
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims description 55
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 21
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 19
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 title claims description 16
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 12
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 12
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 title description 4
- 229920002978 Vinylon Polymers 0.000 claims description 39
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 34
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 32
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 32
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 13
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 10
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 claims description 9
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical group OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229920000867 polyelectrolyte Polymers 0.000 claims description 9
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 3
- 125000000472 sulfonyl group Chemical group *S(*)(=O)=O 0.000 claims 4
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 claims 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 13
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 13
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 5
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 description 5
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 description 5
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 4
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 4
- 229920000491 Polyphenylsulfone Polymers 0.000 description 4
- 229920001807 Urea-formaldehyde Polymers 0.000 description 4
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 4
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 4
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 4
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 4
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- -1 perfluoro side chain Chemical group 0.000 description 3
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003480 eluent Substances 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000005227 gel permeation chromatography Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 230000005588 protonation Effects 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-M sulfonate Chemical compound [O-]S(=O)=O BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 2
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- TUFKHKZLBZWCAW-UHFFFAOYSA-N 2-(1-ethenoxypropan-2-yloxy)ethanesulfonyl fluoride Chemical compound C=COCC(C)OCCS(F)(=O)=O TUFKHKZLBZWCAW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003934 Aciplex® Polymers 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Oc1ccccc1 Chemical compound Oc1ccccc1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- GZCGUPFRVQAUEE-SLPGGIOYSA-N aldehydo-D-glucose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C=O GZCGUPFRVQAUEE-SLPGGIOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- IVJISJACKSSFGE-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;1,3,5-triazine-2,4,6-triamine Chemical compound O=C.NC1=NC(N)=NC(N)=N1 IVJISJACKSSFGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;phenol Chemical compound O=C.OC1=CC=CC=C1 SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 125000001183 hydrocarbyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007127 saponification reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006277 sulfonation reaction Methods 0.000 description 1
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
- C08L101/12—Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L81/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing sulfur with or without nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of polysulfones; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L81/06—Polysulfones; Polyethersulfones
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
- C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
- C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1027—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having carbon, oxygen and other atoms, e.g. sulfonated polyethersulfones [S-PES]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/103—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having nitrogen, e.g. sulfonated polybenzimidazoles [S-PBI], polybenzimidazoles with phosphoric acid, sulfonated polyamides [S-PA] or sulfonated polyphosphazenes [S-PPh]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1044—Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Description
[1].
プロトン伝導性高分子と合成樹脂とを複合化した、プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[2].
前記プロトン伝導性高分子がフッ素系高分子または炭化水素系高分子からなる群から選択される少なくとも一である、上記[1]項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[3].
前記フッ素系高分子がパーフルオロスルホン酸ポリマーである、上記[2]項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[4].
前記炭化水素系高分子が、
及び
からなる群から選択される少なくとも一である、上記[2]項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[5].
前記プロトン伝導性高分子が炭化水素系高分子であり、
前記炭化水素系高分子と前記合成樹脂とは少なくともその一部が架橋している、
上記[1]、[2]または[4]項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[6].
前記合成樹脂が熱架橋型機能性合成樹脂である、上記[1]〜[5]項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[7].
前記合成樹脂がビニロン、ポリイミド、フェノールホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、尿素樹脂、ナイロン、ポリウレタンからなる群から選択される少なくとも一である、上記[1]〜[6]項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体。
[8].
上記[1]〜[7]項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体を含むプロトン伝導性電解質膜。
[9].
前記プロトン伝導性高分子及び前記合成樹脂を含む溶液を室温または室温よりも高温に保持することによって複合化を行うステップを含む、上記[1]〜[8]項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の製造方法。
[10].
前記保持する温度は室温から300℃の範囲である、上記[9]項に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の製造方法。
[11].
上記[8]項に記載のプロトン伝導性電解質膜を備える、固体高分子電解質形燃料電池。
[12].
上記[8]項に記載のプロトン伝導性電解質膜を備える、固体高分子電解質形水電解システム。
また、ビニロンには−OH基が多く含まれていることから、高温低湿度下におけるプロトン伝導度の低下を抑制し、あるいはプロトン伝導度をさらに向上させることができる。
また、例えばポリイミド、ナイロン、ポリウレタン等を使用した場合には薄膜化と機械的特性向上を実現できる。あるいは、フェノールホルムアルデヒド合成樹脂、メラミンホルムアルデヒド合成樹脂等を使用した場合にはプロトン伝導度と機械的特性の向上を実現できるとともに、薄膜化も可能である。
その他、合成樹脂を適宜選択することによって所望の各種の特性を実現できる。
合成樹脂は、合成により得られたポリマーである限りは特に限定されるものではなく、いかなる公知の種類も用いることができる。合成樹脂は、例えば、熱可塑性樹脂であってもよいし、熱硬化性樹脂であってもよい。合成樹脂の非限定的な例としては、ビニロン、ポリイミド、フェノールホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、尿素樹脂、ナイロン、ポリウレタンからなる群から選択される一種または複数種が挙げられる。合成樹脂の典型的な例には、ビニロン等の熱架橋型の機能性合成樹脂が挙げられる。
また、上述したプロトン伝導性高分子と合成樹脂との複合体とは、プロトン伝導性高分子と合成樹脂とを架橋させた物質であるか、あるいは、プロトン伝導性高分子としてフッ素系の物質を使用した場合のようにこれらの分子が架橋などにより明確に化学結合しない場合には、これらを溶媒中で昇温した状態で所定時間保持する熱処理を経た、一種の組成物である。当該熱処理における具体的な温度範囲は60℃以上、200℃以下が好ましく、またこの温度範囲に保持する時間としては6時間以上が好ましい。なお、1週間程度昇温させたままにしておいても特性の劣化などはほぼないと考えられる。しかし、例えばフッ素系のプロトン伝導性高分子はガラス転移温度が高くても150℃程度であるので、過度に長期間この状態で保持することによる当該高分子の変質を回避することが望まれる。現実的には昇温時間は24時間程度を上限とするのが合理的である。
本複合体やその膜はその構成要素であるプロトン伝導性高分子の高いプロトン伝導度を維持しながら、あるいは更に向上させながら、使用する合成樹脂の有利な特徴をこの膜に持たせることができる。例えば、合成樹脂としてビニロンを使用した場合にはその高い機械的強度を利用して機械的特性を向上させることができる。
以下では合成樹脂として主にビニロンを取り上げて説明するが、膜に要求される特性に応じて他の合成樹脂を適宜選択できることに注意されたい。
本願では、疎水性のパーフルオロカーボン骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖とから構成されるパーフルオロカーボン材料(例えば、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ[2−(フルオロスルホニルエトキシ)プロピルビニルエーテル]との共重合体)を、「パーフルオロスルホン酸(perfluorosulfonic acid:PFSA)ポリマー」と称する。
パーフルオロスルホン酸ポリマーの一般的な構造、及び具体例を下式に示す。
あるいは、パーフルオロスルホン酸ポリマーの替わりに、炭化水素系高分子電解質、例えば下式に示すスルホン化ポリフェニルスルホン(sulfonated polyphenylenesulfone、SPPSU)(下式はスルホン化度2のSPPSU)を用いて複合化を行うこともできる。
なお、本明細書における用語「スルホン化」は、スルホン基(−SO3H)を有する場合のみならず、そのアルカリ金属(例えばNa)塩又はアルカリ土類金属塩である基を有する場合も包含する。
特に限定されるものではないが、具体的な一例としては、以下のようにビニロン化を行うことができる。室温にて水の中に硫酸と硫酸ナトリウムを投入して溶解させた後、そこにホルマリン溶液を投入した。この溶液を約60℃に昇温し、そこに複合体電解質膜を投入して約60℃で2時間程度ホルマール化反応を行い、その後、純水で洗うことでビニロン化された複合体電解質膜を得ることができる。
プロトン伝導性の高分子と樹脂との架橋は必須ではない。これらを必要に応じて架橋させてもよいし、また架橋が起こらないようにしてもよい。
これらの式中のn(繰り返し単位の数)は、特に限定されるものではないが、例えば、ゲル透過クロマトグラフィー法(溶離液THF)により測定される場合に、当該化合物の重量平均分子量MWが5,000〜500,000の範囲内になるようなnであってよく、または、当該化合物の数平均分子量Mnが4,000〜400,000の範囲内になるようなnであってよい。
フッ素系のプロトン伝導性高分子としてナフィオンを使用し、これとPVAとから複合体電解質膜を合成し、PVAをビニロン化することで複合体電解質の膜を合成した。
本複合体電解質およびその膜の出発原料として、5質量%ナフィオン溶液(和光純薬の1−プロパノール/2−プロパノール/H20、DE520)及びポリビニルアセテート(シグマアルドリッチのポリビニルアセテート(PVAc)、Mw=10,000g)を使用した。
200cc三角フラスコにPVAc1gを投入した。次にメタノール50mlを投入し、室温で撹拌しながら溶解した。その後、鹸化反応を行い、メタノールで洗浄しながらろ過し、80℃で乾燥させ、PVA0.56gを得た。
この合成過程を図1に示す。先ず5質量%ナフィオン溶液に1、5及び10質量%のPVAを水に溶かした溶液を合わせて混合溶液とし、ガラスシャーレに入れ、60℃で1日乾燥後、さらに130℃で1日の処理を行った。その後、PVAのビニロン化のために、H2SO4、Na2SO4及びHCHOを用いてホルマール化反応を行い、ナフィオン−ビニロン複合体膜を得た。その後、沸騰水で2時間、80℃の1M H2O2で2時間、80℃の1M H2SO4で2時間、次いで沸騰水で2時間の活性化を行った。
炭化水素系のプロトン伝導性高分子としてSPPSUを使用し、これとPVAとから複合体電解質膜を合成し、PVAをビニロン化することで架橋化複合体電解質の膜を合成した。
SPPSUは、SolvayからRadel R−5000の名称で供給されているPPSUの粉末を原料として合成した。PVAの原料は、上で説明したナフィオン−ビニロン複合体電解質膜の合成の際に使用したものと同じである。
ナフィオン−ビニロン複合体電解質膜の場合と同じ方法でPVAを合成した。
PPSU粉末を98質量%の濃硫酸に1g:50mlの比率で混合し、60℃で2日間スルホン化を行うことで、SPPSUを得た。
1、5及び10質量%のPVAをDMSOに溶解し、SPPSU/DMSO溶液と混合して30分間撹拌した。この溶液をシャーレに入れ、80℃、120℃、160℃、180℃でそれぞれ1日熱処理を行うことで、SPPSU同士の架橋化及びSPPSUとPVAとの架橋化を行った。その後、PVAのビニロン化のためにH2SO4、Na2SO4及びHCHOを用いてホルマール化反応を行い、架橋化SPPSU−ビニロン複合体電解質膜を得た。その後、沸騰水で2時間、80℃の1M NaOHで2時間、沸騰水で2時間、80℃の1M H2SO4で2時間、次いで沸騰水で2時間の活性化を行った。この過程を図2に示す。
上述のようにして合成されたこれらの電解質膜のプロトン伝導度の相対湿度(RH)への依存性を測定した。
なお、ここでのプロトン伝導度は、膜抵抗測定システムMTS740(株式会社東陽テクニカ製)を用い、セル温度80℃にて相対湿度(RH)20%〜90%で測定した。インピーダンス測定では、1Hz〜1MHzの周波数範囲及び10mVのピークーピーク電圧を使用した。
WU(%)=[(湿潤時の重量−乾燥時の重量)×100]/乾燥時の重量
IEC(meq/g)=(pH7、ml×NaOH濃度)/試料重量(g)
λ=[(湿潤時の重量−乾燥時の重量)×1000]/[18(H2Oの重量平均分子量(Mw))×IEC×乾燥時の重量]
である。
図5はナフィオン−ビニロン複合体電解質膜の動的粘弾性特性を示す。この図は、PVA添加量の増加とともに粘弾性特性が増加し、かつガラス転移温度も増加したことを示している。
また、図6はSPPSU−ビニロン複合体電解質膜の動的粘弾性特性を示す。図6からは、SPPSU−ビニロン複合体電解質膜に対する比較対象としてのSPPSU膜との間には機械的特性の相違はほとんどないように見え、またガラス転移温度は200℃以上と考えられる。
Claims (10)
- 請求項1に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体を含むプロトン伝導性電解質膜。
- 請求項1又は2に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の製造方法であって、
前記プロトン伝導性高分子とポリビニルアルコールと溶媒とを混合して混合液を得ることと、
前記混合液を熱処理し、前記プロトン伝導性高分子同士、並びに、前記プロトン伝導性高分子、及び、ポリビニルアルコールをスルホニル基(−SO 2 −)を介して架橋させることと、
ホルマール化反応を行い前記ポリビニルアルコールをビニロン化することと、を含む、プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の製造方法。 - 請求項2に記載のプロトン伝導性電解質膜を備える、固体高分子電解質形燃料電池。
- 請求項2に記載のプロトン伝導性電解質膜を備える、固体高分子電解質形水電解システム。
- プロトン伝導性高分子と合成樹脂とを含む、プロトン伝導性高分子−合成樹脂組成物であって、
前記プロトン伝導性高分子が、フッ素系高分子であり、
前記フッ素系高分子がパーフルオロスルホン酸ポリマーであり、
前記合成樹脂がビニロンである、プロトン伝導性高分子−合成樹脂組成物。 - 請求項6に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂組成物を含むプロトン伝導性電解質膜。
- 請求項6に記載のプロトン伝導性高分子−合成樹脂組成物の製造方法であって、
前記プロトン伝導性高分子と前記合成樹脂と溶媒とを混合して混合液を得ることと、
前記混合液を60℃以上、200℃以下の温度で熱処理して、前記プロトン伝導性高分子−合成樹脂組成物を得ることと、を含む、プロトン伝導性高分子−合成樹脂組成物の製造方法。 - 請求項7に記載のプロトン伝導性電解質膜を備える、固体高分子電解質形燃料電池。
- 請求項7に記載のプロトン伝導性電解質膜を備える、固体高分子電解質形水電解システム。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017174447 | 2017-09-12 | ||
JP2017174447 | 2017-09-12 | ||
PCT/JP2018/029748 WO2019054098A1 (ja) | 2017-09-12 | 2018-08-08 | プロトン伝導性高分子-合成樹脂複合体、この複合体を含むプロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性高分子-合成樹脂複合体の合成方法、固体高分子電解質形燃料電池及び固体高分子電解質形水電解システム |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2019054098A1 JPWO2019054098A1 (ja) | 2020-03-26 |
JP6942322B2 true JP6942322B2 (ja) | 2021-09-29 |
Family
ID=65723649
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019541952A Active JP6942322B2 (ja) | 2017-09-12 | 2018-08-08 | プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体、この複合体を含むプロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の合成方法、固体高分子電解質形燃料電池及び固体高分子電解質形水電解システム |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6942322B2 (ja) |
WO (1) | WO2019054098A1 (ja) |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4419396B2 (ja) * | 2003-01-31 | 2010-02-24 | 東レ株式会社 | 高分子固体電解質およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
JP2005154710A (ja) * | 2003-03-10 | 2005-06-16 | Toray Ind Inc | 高分子固体電解質とその製造方法、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
JP2006031970A (ja) * | 2004-07-12 | 2006-02-02 | Hitachi Chem Co Ltd | プロトン伝導性高分子電解質膜、高分子電解質膜−電極接合体、それらの製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
JP4452802B2 (ja) * | 2004-11-26 | 2010-04-21 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | ブレンド架橋型高分子電解質膜 |
JP2007327148A (ja) * | 2006-06-06 | 2007-12-20 | Tokyo Institute Of Technology | 高分子電解質繊維およびその製造方法 |
WO2008018171A1 (fr) * | 2006-08-08 | 2008-02-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Membrane d'électrolyte composite et pile à combustible |
KR20100084618A (ko) * | 2007-08-29 | 2010-07-27 | 카운실 오브 사이언티픽 엔드 인더스트리얼 리서치 | 고분자 전해질형 연료전지에 유용한 양성자 전도성 고분자 전해질막 |
EP2276095B1 (en) * | 2008-05-08 | 2014-02-12 | Nitto Denko Corporation | Electrolyte film for a solid polymer type fuel cell and method for producing same |
JP5486754B2 (ja) * | 2009-12-21 | 2014-05-07 | 国立大学法人東京工業大学 | 電界紡糸方法および電界紡糸装置 |
WO2016064440A1 (en) * | 2014-10-21 | 2016-04-28 | Dioxide Materials | Electrolyzer and membranes |
JP2019537498A (ja) * | 2016-09-07 | 2019-12-26 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 光駆動イオンポンピング膜システム |
-
2018
- 2018-08-08 JP JP2019541952A patent/JP6942322B2/ja active Active
- 2018-08-08 WO PCT/JP2018/029748 patent/WO2019054098A1/ja active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2019054098A1 (ja) | 2019-03-21 |
JPWO2019054098A1 (ja) | 2020-03-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Park et al. | Chemically durable polymer electrolytes for solid-state alkaline water electrolysis | |
Iulianelli et al. | Sulfonated PEEK-based polymers in PEMFC and DMFC applications: A review | |
Meenakshi et al. | Chitosan‐polyvinyl alcohol‐sulfonated polyethersulfone mixed‐matrix membranes as methanol‐barrier electrolytes for DMFCs | |
EP3228644B1 (en) | Polymer electrolyte membrane | |
EP3229302B1 (en) | Polymer electrolyte membrane | |
KR100914340B1 (ko) | 고 수소 이온 전도성 연료전지용 비닐술폰산 가교 고분자전해질 복합막의 제조방법 및 이를 이용한 연료전지 | |
JP2005154710A (ja) | 高分子固体電解質とその製造方法、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 | |
JP5557430B2 (ja) | プロトン伝導性高分子電解質膜およびその製造方法ならびにそれを用いた膜−電極接合体および高分子電解質型燃料電池 | |
US10862151B2 (en) | Polyphenylsulfone-based proton conducting polymer electrolyte, proton conducting solid polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer for solid polymer fuel cells, method for producing electrode catalyst layer for slid polymer fuel cells, and fuel cell | |
EP2583747B1 (en) | Fluorine containing ionomer composite with ion exchange function, preparation method and use thereof | |
Moorthy et al. | Neoteric advancements in polybenzimidazole based polymer electrolytes for high-temperature proton exchange membrane fuel cells-A versatile review | |
Li et al. | Alkyl-substituted poly (arylene piperidinium) membranes enhancing the performance of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells | |
JP6942322B2 (ja) | プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体、この複合体を含むプロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性高分子−合成樹脂複合体の合成方法、固体高分子電解質形燃料電池及び固体高分子電解質形水電解システム | |
EP3228613A1 (en) | Halogenated compound, polymer comprising same, and polymer electrolyte membrane comprising same | |
Üçtuğ et al. | Effect of polymer sulfonation on the proton conductivity and fuel cell performance of polyvinylalcohol‐mordenite direct methanol fuel cell membranes | |
Yang et al. | Synthesis of sulfonated (ether ether ketone) based membranes containing poly (4-styrenesulfonic acid) and its excellent performance for direct methanol fuel cells | |
JP2010218742A (ja) | 固体高分子電解質膜及び燃料電池 | |
Qiao et al. | Life test of DMFC using poly (ethylene glycol) bis (carboxymethyl) ether plasticized PVA/PAMPS proton-conducting semi-IPNs | |
Iulianelli et al. | Proton conducting membranes based on sulfonated PEEK-WC polymer for PEMFCs | |
JP6415807B2 (ja) | パーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜及びその製造方法、並びに固体高分子型燃料電池 | |
KR102463011B1 (ko) | 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 | |
JP6567359B2 (ja) | 電解質膜の製造方法 | |
Hammi et al. | Production of green hydrogen employing proton exchange membrane water electrolyzer: Characterization of electrolyte membrane. A critical review | |
JP7430559B2 (ja) | アイオノマー | |
JP2008027767A (ja) | 固体高分子電解質膜及び燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191118 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20191125 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201201 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210107 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210615 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210618 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210831 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210831 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6942322 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |