JPH11116679A - 高分子電解質、高分子電解質膜、及び燃料電池 - Google Patents
高分子電解質、高分子電解質膜、及び燃料電池Info
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- JPH11116679A JPH11116679A JP9283875A JP28387597A JPH11116679A JP H11116679 A JPH11116679 A JP H11116679A JP 9283875 A JP9283875 A JP 9283875A JP 28387597 A JP28387597 A JP 28387597A JP H11116679 A JPH11116679 A JP H11116679A
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
るために成形加工が容易であり、かつ耐水性が高く、高
性能な、燃料電池用高分子電解質膜として用いるに好適
な高分子電解質を提供すること。さらには、該高分子電
解質を用いてなる高分子電解質膜、及び該高分子電解質
膜を用いてなる燃料電池を提供すること。 【解決手段】 下記構造式(1)で表わされる繰り返し
構造単位を含有する、1w/v%DMF溶液中25℃で
の還元粘度が0.6〜1.5dL/gである前駆体ポリ
マーを、スルホン化して得られるスルホン化ポリマーを
用いてなる高分子電解質、該高分子電解質を膜に転化し
てなる高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を使
用してなる燃料電池にかかるものである。
Description
な高分子電解質、高分子電解質膜、及び燃料電池に関す
る。
に新エネルギー技術が社会の脚光を浴びるようになって
きた。燃料電池技術は、これら新エネルギー技術の柱の
一つとして数えられており、将来、最も重要なテクノロ
ジーの一つとなるものと期待されている。なかでも電解
質にプロトン伝導性の高分子を用いた高分子型燃料電池
は、低温における作動性が良好であり、小型軽量化が可
能等の特徴から特に注目されている。
は、例えば超強酸基含有フッ素系高分子であるナフィオ
ン(Nafion、デュポン社の登録商標。以下同様)
が知られている。しかし、ナフィオンはフッ素系のポリ
マーであるため非常に高価であると同時に、燃料電池と
して使用する際には低保水性のために水分管理を十分に
する必要がある。また、含フッ素化合物は、合成時およ
び廃棄時に環境への配慮も必要となってくる。そこで、
非フッ素系のプロトン伝導性高分子電解質が市場から望
まれていた。
プロトン伝導体についても既にいくつかの取り組みがな
されている。1950年代には、スチレン系の陽イオン
交換樹脂が検討された。しかし、ポリスチレン主鎖が燃
料電池の動作環境下において十分な安定性がないため
か、十分な電池寿命を得るには至らなかった。
トンを電解質に用いた燃料電池の検討もなされている。
スルホン化芳香族ポリエーテルエーテルケトンの合成お
よび特性に関する詳細な報告が、Polymer, vol. 28, 10
09(1987).にある。この中で、有機溶媒に難溶性の芳
香族ポリエーテルエーテルケトン(以下、PEEKと略
称することがある。)が、高度にスルホン化することに
より有機溶媒に可溶となり製膜が容易になることが紹介
されている。しかし、これらのスルホン化PEEKは、
同時に親水性も向上し、水溶性となったりあるいは吸水
時の強度低下などを引き起こす。燃料電池が通常燃料と
酸素との反応により水を副生することから、特に、かか
るスルホン化PEEKが水溶性となる場合にはそのまま
燃料電池用電解質へ利用するには適さない。スルホン化
PEEKの電解質に関する特開平6−93114号公報
には、ポリマー合成時に架橋を起こし得る官能基を導入
し、製膜後にこの官能基を架橋するプロセスを入れるこ
とにより、強度的にも優れた電解質が得られることが記
載されているが、架橋プロセスが必要である。
ering, 68, 122-123 (1993).および米国特許第527
1813号明細書には、芳香族ポリエーテルスルホンの
スルホン化物が水の電気分解装置の電解質として利用で
きることが記載されている(ここでポリエーテルスルホ
ンとして用いられているUDEL P−1700は、通
常、ポリスルホン(以降、PSFと略称することがあ
る。)に分類されるポリマーである。)。しかし、これ
らのポリマーのスルホン化物の一次構造やイオン交換基
当量重量などの諸物性に関する記載はまったく無い。P
SFは、その分子の繰り返し構造単位に非常にスルホン
化されやすいジフェニルプロパン単位を有するため、得
られたスルホン化PSFはスルホン化度が高くて吸水率
が高く、水に溶解しないようにするのは困難であった。
20 (1993). にはPSF(UDELP−1700)やP
ESのスルホン化物について記載されている。それに
は、スルホン化PSFは完全に水溶性となってしまい、
電解質としての評価ができないとされている。また、ス
ルホン化PESについては水溶性とならないけれども、
高吸水率の問題から架橋構造の導入を提案している。
いては、得られる電解質が高価であったり、製造や成形
加工が困難もしくは煩雑であったり、耐水性が不足して
強度が不十分である等の問題点があった。本発明の目的
は、安価であり、有機溶媒可溶性・熱可塑性であるため
に成形加工が容易であり、かつ耐水性が高く、高性能
な、燃料電池用高分子電解質膜として用いるに好適な高
分子電解質を提供することにある。さらには、該高分子
電解質を用いてなる高分子電解質膜、及び該高分子電解
質膜を用いてなる燃料電池を提供することにある。
本発明者らは鋭意研究の結果、スルホン化ポリマーの原
料ポリマーとして高分子量のポリマーを用いることによ
り、スルホン化後に得られるポリマーの耐水性が向上す
ることを見出し、本発明を完成させるに至った。即ち本
発明は、下記構造式(1)で表わされる繰り返し構造単
位を含有する、1w/v%DMF溶液中25℃での還元
粘度が0.6〜1.5dL/gである前駆体ポリマー
を、スルホン化して得られるスルホン化ポリマーを用い
てなる高分子電解質、該高分子電解質を膜に転化してな
る高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を使用し
てなる燃料電池にかかるものである。
する。本発明で使用する前駆体ポリマーは分子量の高い
ものであり、1w/v%DMF(N,N−ジメチルホル
ムアミド)溶液中25℃での還元粘度が、0.6〜1.
5dL/g、好ましくは0.6〜1.2dL/g、さら
に好ましくは0.7〜1.0dL/gである。該還元粘
度が0.6dL/gより低いとスルホン化後に得られる
ポリマーの耐水性が不十分となることがあり、また該還
元粘度が1.5dL/gより高いと成形加工が困難とな
ることがあり、それぞれ好ましくない。
の構造式(1)で表される繰り返し構造単位を含有する
ポリマーであり、好ましくは、下記構造式(2)で表わ
される繰り返し構造からなる重合体(以後、PESホモ
ポリマーと称することがある。)、または、下記構造式
(2)で表される構造単位および下記構造式(3)で表
される構造単位を共に有する共重合体(以後、共重合P
ESと称することがある。)である。
法、すなわちスルホン酸基(-SO3H)を導入する方法と
しては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは
特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知で
ある。具体的には、例えば、PESホモポリマーを濃硫
酸中にて、クロロ硫酸あるいは発煙硫酸といったスルホ
ン化剤と反応させることによりスルホン化する。スルホ
ン化剤にはPESホモポリマーをスルホン化するもので
あれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使
用することができる。スルホン化の度合いは、スルホン
化剤の使用量、反応温度および反応時間により、制御で
きる。
は、イオン交換基当量重量が500〜5000g/mo
lであることが好ましい。より好ましくは800〜15
00g/molであり、さらに好ましくは1000〜1
500g/molである。イオン交換基当量重量が、5
00g/molより低いと、燃料電池用電解質膜として
使用する際に、十分な該スルホン化ポリマーの耐水性お
よび含水時の機械的強度が得られず、5000g/mo
lより高いと出力性能が低下することがあるのでそれぞ
れ好ましくない。ここで、イオン交換基当量重量とは導
入されたスルホン酸基単位モルあたりのスルホン化ポリ
マーの重量である。スルホン化されたPESホモポリマ
ーのイオン交換基当量重量は、1H-NMRスペクトロスコピ
ー、元素分析、非水滴定(規定液:カリウムメトキシド
のベンゼン・メタノール溶液)等により測定が可能であ
る。試料の純度によらずイオン交換基当量重量の測定が
可能であることから、1H-NMRスペクトロスコピーが好ま
しい方法である。
される構造単位において、Arは上記の2価の芳香族基
であり、好ましくは下記の構造のものである。
ば特公昭62−28169号公報記載の方法等が公知で
ある。
上記構造式(2)で表される構造単位および上記構造式
(3)で表される構造単位の内、実質的に構造式(3)
で表される構造単位のみをスルホン化することが容易で
あり、好ましい。
ては、たとえば特公昭61−36781号公報、特公平
2−17571号公報や特公平1−54323号公報に
記載の方法が公知である。特公昭61−36781号公
報においては、上記構造式(2)で表される構造単位及
び下記構造式(4)で表される構造単位を有する共重合
体を濃硫酸によりスルホン化する方法が記載されてい
る。具体的には、該共重合体を濃硫酸に溶解し、室温に
て数時間撹拌することで、下記構造式(4)で表される
構造単位のみが選択的にスルホン化できることが記載さ
れている。
るスルホン化剤には、特に制限はないが、上記構造式
(3)で表される構造単位のみを選択的かつ定量的にス
ルホン化し得る濃硫酸を用いるのが好ましい。
イオン交換基当量重量が500〜2,500g/mol
であり、さらに好ましくは550〜1,500g/mo
lである。イオン交換基当量重量が、500g/mol
より低いと、燃料電池用電解質膜として使用する際に、
十分な該スルホン化ポリマーの耐水性および含水時の機
械的強度が得られず、2,500g/molより高いと
燃料電池とした際の出力性能が低下することがあるので
それぞれ好ましくない。
重量は、たとえば特公平1−52866号公報に記載の
酸塩基滴定法等により測定が可能である。具体的には、
測定しようとするスルホン化ポリマーを密閉できるガラ
ス容器中に精秤(a(グラム))し、そこに過剰量の塩
化カルシウム水溶液を添加して一晩攪拌する。系内に発
生した塩化水素を0.1Nの水酸化ナトリウム標準水溶
液(力価f)にて、指示薬にフェノールフタレインを用
いて滴定(b(ml))する。以上の測定値からイオン
交換基当量重量(g/mol)は下式より求められる。 イオン交換基当量重量=(1000×a)÷(0.1×
b×f)
500〜2,500g/molに制御してスルホン化す
る方法としては、該共重合PESの上記構造式(2)と
上記構造式(3)で表される構造単位の共重合比を制御
する方法を用いることができる。
通常、上記構造式(3)で表される構造単位の中でもス
ルホン基(-SO2-)と隣接しない芳香環、即ち構造式
(3)中のArで表されるユニットにのみ実質的にスル
ホン酸基(-SO3H)が導入される。導入されるスルホン
酸基の個数は、該芳香環のポリマー主鎖中での結合位置
がオルト位またはパラ位の場合は該芳香環1個につき最
高1個、該芳香環がメタ位にてポリマー主鎖中に結合し
ている場合は該芳香環1個につき最高2個である。よっ
て、該芳香環のポリマー主鎖中での結合位置により、同
じ分子量のポリマーでもスルホン化度(イオン交換基当
量重量)の異なるスルホン化ポリマーを得ることができ
る。即ち本発明においては、目的とするスルホン化ポリ
マーのイオン交換基当量重量が決定されれば、それに見
合った共重合比および、それに見合ったArユニットの
結合位置の共重合PESを選択あるいは合成し、定量的
にスルホン化することで、目的とするスルホン化ポリマ
ーを得ることができる。
際には、通常、膜に転化して使用される。スルホン化ポ
リマーを膜へ転化する方法に特に制限はないが、溶液状
態より製膜する方法(溶液キャスト法)あるいは溶融状
態より製膜する方法(溶融プレス法あるいは溶融押し出
し法など)等が可能である。具体的には前者について
は、たとえばポリマーをN,N−ジメチルホルムアミド
溶液よりガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去すること
により製膜することができる。製膜に用いる溶媒は、ス
ルホン化ポリマーを溶解し、その後に除去し得るもので
あるならば特に制限はなく、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、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性
極性溶媒、あるいはエチレングリコールモノメチルエー
テル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピ
レングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコ
ールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノ
アルキルエーテルなどが好適に用いられる。
0μmが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには1
0μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電
性能の向上のためには200μmより薄い方が好まし
い。膜厚は、溶液キャスト法では溶液濃度あるいは基板
上への塗布厚により制御でき、溶融プレス法あるいは溶
融押し出し法ではスペーサー厚、ダイギャップ、引き取
り速度などにより制御できる。
常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、等の
添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。
は、特に制限はなく、高分子電解質型燃料電池用の活物
質として公知のものを使用できる。たとえば白金触媒、
白金−ルテニウム触媒あるいはそれらの担持体などが挙
げられる。電解質と電極の接合法についても特に制限は
なく、公知の方法(例えば、電気化学,53, 269(198
5).記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Elec
trochemical Science and Technology, 135(9), 2209
(1988). 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)
を適用することが可能である。
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。な
お、各物性の測定条件は次の通りである。
化したPESホモポリマーの1H-NMRによる測定法) スルホン化したPESホモポリマーを精製、乾燥した
後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、200 MHz
1H-NMRスペクトロスコピー{ブルカー(Bruker)社製AC
200P }により測定した。1H-NMRスペクトルより、下記
の構造式中Haに起因する 8.2〜8.5 ppm のシグナルの
面積(s)と他の芳香族領域のプロトン(Hb、Hc、
Hd、He)に起因する 6.8〜8.2 ppm のシグナルの面
積(S)より、下式(1)よりベンゼン環1個あたりの
スルホン酸基の導入量(x)を算出した。イオン交換基
当量重量は下式(2)より求められる。
出力性能を評価した。反応ガスには、水素/酸素を用
い、共に1気圧の圧力にて、23℃の水バブラーを通し
て加湿した後、評価セルに供給した。ガス流量は、水素
60ml/min.、酸素40ml/min.、セル温
度は、23℃とした。電池出力性能は、H201B充放
電装置(北斗電工社製)により評価した。
/v%DMF溶液の25℃における還元粘度:0.74
dl/g)を、100 ℃にて一晩減圧乾燥した。温度計、
窒素導入管、滴下ロートおよび撹拌機を備えた500m
l丸底フラスコに、25gのPESホモポリマーと濃硫
酸125mlを仕込み、窒素気流下、室温にて一晩攪拌
して均一な溶液とした。この溶液に、窒素気流下、攪拌
しながら、滴下ロートより47.5mlのクロロ硫酸を
添加した。滴下開始後しばらくはクロロ硫酸が濃硫酸中
の水分と激しく反応して発泡するためゆっくりと滴下
し、発泡が穏やかになった後は5分以内に滴下を完了さ
せた。滴下完了後の反応溶液を、25℃にて3.5時間
攪拌してスルホン化を実施した。反応溶液を15リット
ルの脱イオン水にゆっくりと滴下することでスルホン化
ポリエーテルスルホンを析出させ、ろ過回収した。析出
した沈殿は、ミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引ろ過
による回収操作を、洗液が中性になるまで繰り返した
後、80℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホン化
ポリマーのイオン交換基当量重量は960g/molで
あった。
よりガラス基板上に流延塗布し、80℃にて徐々に減圧
度を上げながら一晩減圧乾燥後、さらに150℃に昇温
して3時間減圧乾燥し、完全に溶媒を除去した。得られ
た膜は、淡褐色透明の柔軟な膜であり、厚みは60μm
であった。該膜を直径30mmφに打ち抜いた後、ガス
拡散電極を熱プレス接合し、燃料電池評価に用いた。ガ
ス拡散電極には、0.38mg/cm2の白金を担侍さ
せた米国E−TEK Inc.製電極を使用した。20
mmφに打ち抜いたガス拡散電極に、接合剤として5w
t%ナフィオン溶液(米国アルドリッチ社、低級アルコ
ール/水混合溶媒)0.1mlを均一に含浸させ、80
℃にて2時間減圧乾燥して溶媒を除去した。該電極は、
沸騰した脱イオン水中に2時間浸漬することで、接合剤
部分に吸水させた。同様にして電解質膜も吸水させた。
電極および電解質膜は、水中より取り出し、表面に付着
した水分を除いた後、電極2枚で電解質膜を電極の触媒
面が電解質側に向くようにして挟み、80℃、80kg
f/cm2にて90秒間プレスし、電極接合体とした。
得られた電極接合体を評価セルに組み込み、燃料電池出
力性能を評価した。得られた電流密度−電圧プロットを
図1に示す。図1より、燃料電池として動作することが
確かめられた。
/v%DMF溶液の25℃における還元粘度:0.52
dl/g)を用い、表1に示した条件以外は実施例1と
同様にしてスルホン化した。得られたスルホン化ポリマ
ーのイオン交換基当量重量および溶媒キャスト製膜にて
得られた膜の厚みを表1にまとめた。このスルホン化ポ
リマーは沸騰水に溶解した。
て、安価で合成が容易であり、耐水性が高く、かつ出力
性能が高い燃料電池用高分子電解質、その製造方法、及
び該高分子電解質を用いる燃料電池を提供することがで
きる。
密度−電圧プロットである。
Claims (13)
- 【請求項1】下記構造式(1)で表わされる繰り返し構
造単位を含有する、1w/v%DMF溶液中25℃での
還元粘度が0.6〜1.5dL/gである前駆体ポリマ
ーを、スルホン化して得られるスルホン化ポリマーより
なることを特徴とする高分子電解質。 - 【請求項2】還元粘度が、0.6〜1.2dL/gであ
ることを特徴とする請求項1記載の高分子電解質。 - 【請求項3】前駆体ポリマーが、下記構造式(2)で表
される繰り返し構造単位からなる重合体であることを特
徴とする請求項1または2記載の高分子電解質。 - 【請求項4】スルホン化ポリマーのイオン交換基当量重
量が、500〜5,000g/molであることを特徴
とする請求項3記載の高分子電解質。 - 【請求項5】イオン交換基当量重量が、800〜1,5
00g/molであることを特徴とする請求項4記載の
高分子電解質。 - 【請求項6】前駆体ポリマーが、下記構造式(2)で表
される構造単位及び下記構造式(3)で表される構造単
位を共に有する共重合体であることを特徴とする請求項
1または2記載の高分子電解質。 (式中、Arは下記の構造のうち少なくとも一つであ
る。) - 【請求項7】スルホン化ポリマーが、前駆体ポリマーの
実質的に前記構造式(3)で表される構造単位のみをス
ルホン化して得られるスルホン化ポリマーであることを
特徴とする請求項6記載の高分子電解質。 - 【請求項8】スルホン化ポリマーのイオン交換基当量重
量が、500〜2,500g/molであることを特徴
とする請求項6または7記載の高分子電解質。 - 【請求項9】イオン交換基当量重量が、550〜1,5
00g/molであることを特徴とする請求項8記載の
高分子電解質。 - 【請求項10】Arが、下記の構造であることを特徴と
する請求項6〜9のいずれかに記載の高分子電解質。 - 【請求項11】請求項1〜10のいずれかに記載の高分
子電解質を、膜に転化してなることを特徴とする高分子
電解質膜。 - 【請求項12】請求項1〜10のいずれかに記載の高分
子電解質を、溶液キャスト法、溶融プレス法または溶融
押し出し法により製膜して得られることを特徴とする高
分子電解質膜。 - 【請求項13】請求項11または12記載の燃料電池用
高分子電解質膜を使用してなることを特徴とする燃料電
池。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP28387597A JP4051736B2 (ja) | 1997-10-16 | 1997-10-16 | 高分子電解質、高分子電解質膜、及び燃料電池 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH11116679A true JPH11116679A (ja) | 1999-04-27 |
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