JPWO2005099010A1 - 固体高分子電解質膜,その製造方法及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
空気極:2H++(1/2)O2+2e− →H2O
<高分岐ポリマーの単量体合成>
マグネティックスターラー,ジムロートを装備した300mlナスフラスコにMethyl 3,5−dihydroxybenzoate(1)(8.41g,50.0mmol),triethylene glycol monochlorohydrin(2)(18.5g,110mmol),K2CO3(49.8g,361mmol),18−Crown−6(0.30g,1.15mmol),アセトニトリル200mlを秤り取り,フラスコ内を窒素雰囲気にし,50時間還流した。析出した白色固体を吸引ろ過により取り除き,エバポレーターにより,ろ液から溶媒を留去しオイル状の生成物を得た。ジクロロメタンを用いて充填したシリカゲルカラムに得られたオイルを通し,未反応物を含む第1,2バンドを酢酸エチルにより取り除き,溶離液をメタノールに変えて第3バンドを集め,溶媒を減圧留去することにより,15.30g(71%)のMethyl 3,5−bis[(8´−hydroxy−3´,6´−dioxaoctyl)oxy]benzoate(3)を淡黄色透明オイルとして得た(下記反応式1参照)。
マグネティックスターラーを装備した30mlナスフラスコにMethyl 3,5−bis[(8´−hydroxy−3´,6´−dioxaoctyl)oxy]benzoate(3)(4.01g,9.28mmol)を秤り取り,触媒としてtributyltin chloride(4価)(0.05g,0.15mmol)を加えた後,フラスコ内を窒素雰囲気にし,210℃に加熱して2時間重合反応を行った。得られたゴム状固体を少量のテトラヒドロフラン(THF)に溶解し,ヘキサンに沈殿させ,遠心分離により沈殿物を回収した。再度少量のTHFに溶解し,メタノールに沈殿させ,遠心分離により上澄み液として低分子量のポリマーを取り除き,減圧下で乾燥させることにより,1.77g(45%)の高分子量poly[bis(triethylene glycol)benzoate](4)(分子量:Mn=14,000)をゴム状固体として得た(下記反応式2参照)。
マグネティックスターラーを装備した100mlの2口ナスフラスコにpoly[bis(triethylene glycol)benzoate](4)(1.11g,2.78mmol),4−sulfobenzoic acid monopotassium salt(5)(3.33g,13.8mmol),dimethylaminopyridine(DAMP,6)(1.70g,13.8mmol),N,N´−dicyclohexylcarbodiimide(DCC,7)(5.73g,27.8mmol),N,N´−ジメチルホルムアミド(DMF)40mlを秤り取り,フラスコ内を窒素雰囲気にし,24時間攪拌した。吸引ろ過により不溶部を取り除き,ろ液を酢酸エチルに沈殿させた。遠心分離により上澄みを取り除いた後,沈殿物にエタノールを加え攪拌することで洗浄した。次いで,遠心分離により上澄み液として原料を取り除き,沈殿物を減圧で乾燥させることにより1.57g(89%)の末端カリウム塩型高分岐ポリマー(8)を白色粉末固体として得た(下記反応式3参照)。末端カリウム塩型高分岐ポリマー(8)は吸湿性が非常に高く,H2O,DMF,DMSOに可溶であるが,THF,イソプロピルエーテル(IPE),CHCl3には不溶である。
マグネティックスターラーを装備した100mlナスフラスコに,末端カリウム塩型高分岐ポリマー(8)1.57g(2.47mmol)を秤り取り,30mlのH2Oを加え溶解させた後,1NのHCl 60mlを滴下し沈殿物を得た。遠心分離により沈殿物を回収し,減圧で乾燥させた。再度エタノールに溶解させ,ろ過することで不純物を取り除き,ろ液の溶媒をエバポレーターにて留去し,1.36g(96%)の末端スルホン酸型高分岐ポリマー(9)を淡黄色ゴム状固体として得た(下記反応式4参照)。なお,末端スルホン酸型高分岐ポリマー(9)は,H2O,MeOH,EtOHに可溶,CHCl3に微溶である。
側鎖の末端に酸性官能基を導入する前の樹木状高分岐ポリマーの合成方法は実施例1と同様であり,末端エステル化において,ホスホン酸を導入するため異なる合成方法を用いた。
マグネティックスターラーを装備した200mlの2口ナスフラスコにpoly[bis(triethylene glycol)benzoate](4)(2.9g,7.24mmol),4−(diethoxyphosphorylmethyl)benzoic acid(10)(4.0g,14.6mmol),dimethylaminopyridine(DAMP)(1.8g,14.5mmol),N,N´−dicyclohexylcarbodiimide(DCC)(3.0g,14.5mmol),塩化メチレン100mlを秤り取り,フラスコ内を窒素雰囲気にし,15時間攪拌した。吸引ろ過により不溶部を取り除き,ろ液から溶媒を減圧留去した。得られた粘性固体を再沈精製した後,減圧下で乾燥させることにより3.6g(76%)の末端ホスホン酸エステル高分岐ポリマー(11)を淡黄色粘性固体として得た(下記反応式5参照)。得られた淡黄色粘性固体をメタノール中で加水分解することによって,分子末端にホスホン酸基を有する高分岐ポリマー(12)3.3gを得た。
実施例1で得られる末端スルホン酸型高分岐ポリマー(9)0.8gを50mlのナスフラスコに秤り取り,N−メチルピロリドン1.6gを加えて溶解した。さらに,この溶液に0.2gのポリエチレングリコールジアクリレート(Mw=700)を加えて,30分間攪拌した。得られた溶液をガラス板上にキャストし,80℃にて溶媒を除去後,120℃真空下,12時間加熱することにより,末端に酸性官能基を有する高分岐ポリマーと網目構造を有する架橋型ポリマーとから形成される固体高分子電解質膜を得た。
<イオン導電率の測定>
上記の方法によって得られた実施例1及び2の高分岐ポリマーから形成された固体高分子電解質膜のフィルムは高温で軟化に伴う形状変化が起こることから,フィルムの厚さを一定に保つためテトラフルオロエチレン製Oリング(内径8mm,厚み100μm)に挟んだ。次いで,該Oリング付フィルムの両面を白金製薄板(直径13mm,厚み500μm)で挟み,さらにその外側にステンレス製電極で挟み込んだものをテトラフルオロエチレン製の測定用セルに入れた。また,実施例3のプロトン伝導性固体高分子型電解質膜のフィルムは,予備試験にて高温でも軟化に伴う形状変化が起こらないことを確認し,機械的強度が十分であることから,テトラフルオロエチレン製Oリングを用いずに該測定用セルを作製した。サンプルは,60℃雰囲気に半日放置した後,150℃まで昇温して半日放置した。その後,10℃毎の降温条件で,複素交流インピーダンス測定装置により,ブロッキング電極で交流2端子法(1MHz〜1Hz)10mmVの振幅で,抵抗を測定した。そして,測定した抵抗値から各温度におけるイオン伝導率を求めた。
<固体高分子燃料電池の作製と評価>
実施例3に記載されたプロトン伝導性固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池を作製すべく,正極および負極を以下のように作製した。まず,触媒である白金を20質量%担持したカーボンを1.0g秤量し,N−メチルピロリドン2.5gに分散させた。次いで,実施例1の固体高分子電解質を0.2g溶解させて約30分攪拌した後,カーボンペーパー上にドクターブレードを用いて塗布した。さらに,塗布した実施例1の固体高分子電解質膜を,80℃,常圧下にて1時間乾燥させた後,80℃で1時間真空乾燥を行った。その結果,1.2mg/cm2の触媒層が形成された。切り出した3cm角の正極および負極がそれぞれ電解質層を挟んで中央に配置されるように5cm角の実施例3記載のプロトン伝導性固体高分子電解質膜を挟み込み,膜電極接合体を形成した。また,作製した膜電極接合体の電解質部からガスリークを避けるため,フッ素ゴムのガスケットを配した上,ガス流路となる溝を形成した2枚のカーボンセパレータで挟み,更にカーボンセパレータの上からエンドプレートを配置してトルクレンチを用いて5kgf/cmで締め付けて固体高分子型燃料電池を作製した。そして,この固体高分子型燃料電池を用い,アノードガスに水素,カソードガスに空気を使用して発電試験を行った。電池温度を130℃とし,水素及び酸素の供給量はそれぞれ,100,300ml/分とし,供給ガスの加湿は行わなかった。固体高分子燃料電池の評価は,ソーラートロン社エレクトロケミカルインターフェース1255を用いて,電流走査を行うことによって,変化する電圧を調べた。図4に,本実施例の燃料電池の電圧(CCV)と電流密度との関係を示した。
Claims (8)
- 側鎖の末端に酸性官能基を有する高分岐ポリマーを主成分とすることを特徴とする,固体高分子電解質膜。
- 前記ポリ〔ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート〕が,(CH2CH2O)m(m=1〜6)で表されるオリゴエチレンオキシド鎖と,ジオキシベンゾエートとから合成したA2B型モノマーを重合して得られる樹木状構造を有するポリマー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電解質膜。
- 側鎖の末端に酸性官能基を有する高分岐ポリマーと,網目構造を有する架橋型ポリマーとの混合物を主成分とすることを特徴とする,固体高分子電解質膜。
- (CH2CH2O)m(m=1〜6)で表されるオリゴエチレンオキシド鎖と,ジオキシベンゾエートを原料として合成したA2B型モノマーを重合させて,ポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]を合成する第1工程と;
ポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]の側鎖の末端に酸性官能基を導入する第2工程と;
を含むことを特徴とする,固体高分子電解質膜の製造方法。 - 前記第2工程において,前記側鎖の末端への酸性官能基の導入が,o−,m−又はp−スルホ安息香酸またはジスルホ安息香酸のアルカリ金属塩により前記側鎖の末端をエステル化した後,スルホン酸に変換することを特徴とする,請求項5に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。
- 前記第2工程において,前記側鎖の末端への酸性官能基の導入が,リン酸またはホスホン酸エステルを官能基として有する安息香酸化合物により前記側鎖の末端をエステル化した後,得られたリン酸エステルまたはホスホン酸エステルの加水分解により前記側鎖の末端を酸性官能基に変換することを特徴とする,請求項5に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体高分子電解質膜を備える,固体高分子型燃料電池。
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