JPWO2016104380A1 - 電解質材料、液状組成物および固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 - Google Patents
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Abstract
Description
2つの前駆体基(−SO2F基)を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位(A)と、5員環を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位(B)とを有するポリマー(F)の有する前駆体基をイオン交換基(−SO3 −H+)に変換したポリマー(H)からなり、該ポリマー(H)のイオン交換容量が1.3〜2.3ミリ当量/g乾燥樹脂である電解質材料(特許文献1)。
しかし、特許文献1の電解質材料は、イオン交換容量が高いため、含水率が高い。そのため、該電解質材料を含む触媒層においては、低温、高湿条件下においてフラッディング現象(水詰まり現象)が起こりやすく、膜電極接合体の発電特性が低下しやすい。
[1]下記ポリマー(F)の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマー(H)からなる、電解質材料。
ポリマー(F):下式(g1)で表される前駆体基を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位(A)と、下式(u2)で表される構成単位(B)と、テトラフルオロエチレンに基づく構成単位(C)とを有し、全構成単位の100モル%のうち、前記構成単位(A)の割合が8〜19モル%であり、前記構成単位(B)の割合が65〜80モル%であり、前記構成単位(C)の割合が1〜27モル%であるポリマー。
[3]前記ポリマー(F)の下記TQ値が、250〜330℃である、[1]または[2]の電解質材料。
TQ値:長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマー(F)の溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。
[4]前記ポリマー(H)のイオン交換容量は、0.7〜1.29ミリ当量/g乾燥樹脂である、[1]〜[3]に記載の電解質材料。
[5]前記構成単位(A)の前駆体基をイオン交換基に変換した構成単位(A’)の少なくとも一種が、下式(u’1)で表わされる構成単位である、[1]〜[4]のいずれかの電解質材料。
[7]Q1およびQ2の少なくとも一方が、エーテル結合性酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基である、[6]の電解質材料。
[8]前記構成単位(B)の少なくとも一種が、下式(u2−1)で表わされる構成単位である、[1]〜[7]のいずれかの電解質材料。
[10][1]〜[8]のいずれかの電解質材料を1〜50質量%含む[9]に記載の液状組成物。
[11]固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の電極の有する触媒層であり、[1]〜[8]のいずれか一項に記載の電解質材料からなるプロトン伝導性ポリマーを含む触媒層。
[12]プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するアノードと、プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方の触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーが、[1]〜[8]のいずれかの電解質材料であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
一方、ポリマー(F)における構成単位(A)の割合を下げてポリマー(H)のイオン交換容量を低くして低温、高湿条件下での発電特性を改善した場合、通常では、高温、低湿条件下での発電特性が低下する。しかし、本発明では、5員環を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位として、構成単位(u2)を選択し、かつ各構成単位の割合を特定の範囲とすることによって、高温、低湿条件下での発電特性の低下を抑えることができたものと推定される。
「含フッ素ポリマー」とは、炭素原子に結合する水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換されたポリマーを意味する。
「構成単位」とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。構成単位は、モノマーの重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
「ペルフルオロモノマー」とは、炭素原子に結合する水素原子の全部がフッ素原子に置換されたモノマーを意味する。
「イオン交換基」とは、H+、一価の金属カチオン、アンモニウムイオン等を有する基である。イオン交換基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンメチド基等が挙げられる。
「前駆体基」とは、加水分解処理、酸型化処理等の公知の処理によってイオン交換基に変換できる基を意味する。前駆体基としては、−SO2F基等が挙げられる。
本発明の電解質材料は、ポリマー(F)の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマー(H)からなる。
ポリマー(F)は、特定の構成単位(A)と、特定の構成単位(B)と、特定の構成単位(C)と、必要に応じて他の構成単位(D)とを有するポリマーである。
構成単位(A)は、イオン交換基の前駆体基である基(g1)を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位である。
Q2は、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基である。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、原料のモノマー(a)の沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、ポリマー(H)のイオン交換容量の低下が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
Q1、Q2の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基を有するモノマー(a)は、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
構成単位(B)は、構成単位(u2)である。
R13およびR14は、それぞれ独立にフッ素原子、炭素数1〜5のペルフルオロアルキル基、または炭素数1〜5のペルフルオロアルコキシ基である。R13およびR14は、後述するモノマー(m2)の重合反応性が高い点から、少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、両方がフッ素原子であることがより好ましい。
ペルフルオロアルキル基およびペルフルオロアルコキシ基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
他の構成単位(D)は、後述する他のモノマー(d)に基づく構成単位である。
ポリマー(F)のTQ値は、250〜330℃が好ましく、255〜300℃がより好ましく、260〜290℃がさらに好ましい。ポリマー(F)のTQ値が前記下限値以上であれば、ポリマー(H)が充分な分子量を有し、機械的強度にも優れる。ポリマー(F)のTQ値が前記上限値以下であれば、ポリマー(H)の溶解性または分散性がよくなり、後述する液状組成物を調製しやすい。
TQ値は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマー(F)の溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。
ポリマー(F)は、特定のモノマー(a)、特定のモノマー(b)、特定のモノマー(c)、および必要に応じて他のモノマー(d)を重合することによって製造される。
モノマー(a)は、基(g1)を有するペルフルオロモノマーである。
モノマー(a)としては、膜電極接合体が低温、高湿条件下でも、高温、低湿条件下でもより優れた発電特性を発現できる点から、モノマー(m1)が好ましい。
モノマー(m1)としては、ポリマー(H)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、モノマー(m1−1)〜(m1−3)が好ましく、モノマー(m1−1)が特に好ましい。
モノマー(m2)としては、たとえば、モノマー(m2−1)〜(m2−8)が挙げられ、膜電極接合体が低温、高湿条件下でも、高温、低湿条件下でもより優れた発電特性を発現できる点から、モノマー(m2−1)が特に好ましい。
他のモノマー(d)としては、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレン、ペルフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、ペルフルオロ(アリルビニルエーテル)、ペルフルオロα−オレフィン類(ヘキサフルオロプロピレン等)、(ペルフルオロアルキル)エチレン類((ペルフルオロブチル)エチレン等)、(ペルフルオロアルキル)プロペン類(3−ペルフルオロオクチル−1−プロペン等)、ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)類、下記のモノマー(m3)、特許文献1に記載された5員環を有するペルフルオロモノマー(ただし、モノマー(m2)を除く。)、特許文献1に記載された環化重合により5員環を形成し得るペルフルオロモノマー等が挙げられる。
重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。また、液体または超臨界の二酸化炭素中にて重合を行ってもよい。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、ラジカル開始剤を添加する方法等が挙げられる。重合温度は、通常、10〜150℃である。
非イオン性のラジカル開始剤としては、ビス(フルオロアシル)ペルオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)ペルオキシド類、ジアルキルペルオキシジカーボネート類、ジアシルペルオキシド類、ペルオキシエステル類、ジアルキルペルオキシド類、ビス(フルオロアルキル)ペルオキシド類、アゾ化合物類等が挙げられる。
分散媒には、助剤として前記溶媒;懸濁粒子の凝集を防ぐ分散安定剤として界面活性剤;分子量調整剤として炭化水素系化合物(ヘキサン、メタノール等)等を添加してもよい。
ポリマー(H)は、ポリマー(F)の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマーであり、特定の構成単位(A’)と、特定の構成単位(B)と、特定の構成単位(C)と、必要に応じて他の構成単位(D)とを有するポリマーである。
構成単位(A’)は、構成単位(A)の前駆体基をイオン交換基に変換した構成単位である。イオン交換基は、基(g’1)であることが好ましい。
Rfは、エーテル結合性酸素原子を有してもよい直鎖または分岐のペルフルオロアルキル基である。ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜8が好ましく、1〜6がより好ましい。基(g’1)が2個以上のRfを有する場合、Rfは、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
基(g’1)における−SO2X(SO2Rf)a −H+としては、スルホン酸基(−SO3 −H+基)、スルホンイミド基(−SO2N(SO2Rf)−H+基)、またはスルホンメチド基(−SO2C(SO2Rf)2)−H+基)が挙げられる。
構成単位(u’1)としては、ポリマー(H)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、構成単位(u’1−1)〜(u’1−3)が好ましく、構成単位(u’1−1)が特に好ましい。
構成単位(C)は、ポリマー(F)において説明した通りである。
他の構成単位(D)は、ポリマー(F)において説明した通りである。ただし、ポリマー(F)がモノマー(m3)に基づく構成単位を有する場合、該構成単位の前駆体基は、ポリマー(H)を製造する際にイオン交換基に変換される。
ポリマー(H)のイオン交換容量は、0.7〜1.29ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、0.93〜1.23ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましく、1.03〜1.23ミリ当量/g乾燥樹脂がさらに好ましい。イオン交換容量が前記下限値以上であれば、ポリマー(H)の導電性が高くなるため、固体高分子形燃料電池の触媒層の電解質材料として用いた場合、充分な出力電圧を得ることできる。イオン交換容量が前記上限値以下であれば、触媒層におけるフラッディング現象がさらに抑えられ、膜電極接合体が低温、高湿条件下でもさらに優れた発電特性を発現できる。
ポリマー(H)は、ポリマー(F)の前駆体基をイオン交換基に変換することによって製造される。
(i)ポリマー(F)の−SO2F基を加水分解してスルホン酸塩とし、スルホン酸塩を酸型化してスルホン酸基に変換する方法。
(ii)ポリマー(F)の−SO2F基をイミド化して塩型のスルホンイミド基とし、さらに酸型化して酸型のスルホンイミド基に変換する方法。
加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマー(F)と塩基性化合物とを接触させて行う。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類(メタノール、エタノール等)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
酸型化は、たとえば、スルホン酸塩を有するポリマーを、塩酸、硫酸等の水溶液に接触させて行う。加水分解および酸型化は、通常、0〜120℃にて行う。
イミド化としては、下記の方法が挙げられる。
(ii−1)−SO2F基と、RfSO2NHMとを反応させる方法。
(ii−2)アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、MF、アンモニアまたは1〜3級アミンの存在下で、−SO2F基と、RfSO2NH2とを反応させる方法。
(ii−3)−SO2F基と、RfSO2NMSi(CH3)3とを反応させる方法。
ただし、Mは、アルカリ金属または1〜4級のアンモニウムである。
酸型化は、塩型のスルホンイミド基を有するポリマーを、酸(硫酸、硝酸、塩酸等)で処理することにより行う。
本発明の液状組成物は、分散媒と、該分散媒に分散された本発明の電解質材料とを含む組成物である。
水酸基を有する有機溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、2,2,3,3−テトラフルオロ−1−プロパノール、4,4,5,5,5−ペンタフルオロ−1−ペンタノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、3,3,3−トリフルオロ−1−プロパノール、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロ−1−ヘキサノール、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロ−1−オクタノール等が挙げられる。
水酸基を有する有機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
水の割合は、分散媒(100質量%)のうち、10〜99質量%が好ましく、40〜99質量%がより好ましい。水の割合を増やすことにより、分散媒に対する電解質材料の分散性を向上できる。
水酸基を有する有機溶媒の割合は、分散媒(100質量%)のうち、1〜90質量%が好ましく、1〜60質量%がより好ましい。
電解質材料の割合は、液状組成物(100質量%)のうち、1〜50質量%が好ましく、3〜30質量%がより好ましい。
具体的な液状組成物の調製方法としては、大気圧下、またはオートクレーブ等で密閉した状態下において、分散媒中の電解質材料に撹拌等のせん断を加える方法が挙げられる。
調製温度は、0〜250℃が好ましく、20〜150℃がより好ましい。必要に応じて、超音波等のせん断を付与してもよい。
本発明の液状組成物は後述の膜電極接合体における触媒層の形成に好適に用いられる。
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例の模式断面図である。膜電極接合体10は、触媒層11およびガス拡散層12を有するアノード13と、触媒層11およびガス拡散層12を有するカソード14と、アノード13とカソード14との間に、触媒層11に接した状態で配置される固体高分子電解質膜15とを具備する。
触媒層11は、触媒と、プロトン伝導性ポリマーとを含む層である。
触媒としては、カーボン担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。カーボン担体としては、カーボンブラック粉末が挙げられる。
(i)触媒層形成用液を、固体高分子電解質膜15、ガス拡散層12、またはカーボン層16上に塗布し、乾燥させる方法。
(ii)触媒層形成用液を基材フィルム上に塗布し、乾燥させ触媒層11を形成し、該触媒層11を固体高分子電解質膜15上に転写する方法。
ガス拡散層12は、触媒層11に均一にガスを拡散させる機能および集電体としての機能を有する。ガス拡散層12としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。ガス拡散層12は、ポリテトラフルオロエチレン等によって撥水化処理されていることが好ましい。
膜電極接合体10は、図2に示すように、触媒層11とガス拡散層12との間にカーボン層16を有してもよい。カーボン層16を配置することにより、触媒層11の表面のガス拡散性が向上し、膜電極接合体10の発電特性が大きく向上する。
カーボンとしては、繊維径1〜1000nm、繊維長1000μm以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
非イオン性含フッ素ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。
固体高分子電解質膜15は、プロトン伝導性ポリマーを含む膜である。
プロトン伝導性ポリマーとしては、本発明の電解質材料、または公知の電解質材料が挙げられる。公知の電解質材料としては、モノマー(m3)に基づく構成単位とTFEに基づく構成単位とを有するポリマーの−SO2F基をスルホン酸基に変換したポリマー;モノマー(m1)に基づく構成単位とTFEに基づく構成単位とを有するポリマーの−SO2F基をスルホン酸基に変換したポリマー等が挙げられる。
液状組成物は、水酸基を有する有機溶媒および水を含む分散媒に、電解質材料を分散させた分散液である。
固体高分子電解質膜15は、必要に応じて過酸化水素水で処理してもよい。
固体高分子電解質膜15は、乾燥を防ぐための保水剤として、シリカ、またはヘテロポリ酸(リン酸ジルコニウム、リンモリブデン酸、リンタングステン酸等)を含んでいてもよい。
膜電極接合体10は、たとえば、下記の方法にて製造される。
(i)固体高分子電解質膜15上に触媒層11を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層12で挟み込む方法。
(ii)ガス拡散層12上に触媒層11を形成して電極(アノード13、カソード14)とし、固体高分子電解質膜15を該電極で挟み込む方法。
本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に用いられる。固体高分子形燃料電池は、たとえば、2枚のセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックすることにより製造される。
固体高分子形燃料電池の種類としては、水素/酸素型燃料電池、直接メタノール型燃料電池(DMFC)等が挙げられる。DMFCの燃料に用いるメタノールまたはメタノール水溶液は、液フィードであってもよく、ガスフィードであってもよい。
ポリマー(F)における各構成単位の割合については、ポリマー(F)についての19F−NMRの測定結果から求めた。
長さ1mm、内径1mmのノズルを備えたフローテスタCFT−500A(島津製作所製)を用い、2.94MPaの押出し圧力の条件で温度を変えてポリマー(F)の押出し量を測定し、押出し量が100mm3/秒となる温度(TQ値)を求めた。
ポリマー(H)をグローブボックス中に入れ、乾燥窒素を流した雰囲気中に室温で24時間放置し、乾燥させた。グローブボックス中でポリマー(H)の乾燥質量を測定した。
ポリマー(H)を2モル/Lの塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、60℃で1時間放置した後、室温まで冷却した。ポリマー(H)を浸漬していた塩化ナトリウム水溶液を、0.5モル/Lの水酸化ナトリウム水溶液で滴定することにより、ポリマー(H)のイオン交換容量を求めた。
膜電極接合体の温度を60℃に維持し、アノードに水素(利用率50%)、カソードに空気(利用率50%)を、それぞれ175kPa(絶対圧力)に加圧して供給した。水素および空気ともに相対湿度100%RHで供給し、電流密度が1.5A/cm2のときのセル電圧を記録し、下記基準にて評価した。
○(優):セル電圧が0.5V以上。
△(良):セル電圧が0.4V以上0.5V未満。
×(不良):セル電圧が0.4V未満。
膜電極接合体の温度を80℃に維持し、アノードに水素(利用率50%)、カソードに空気(利用率50%)を、それぞれ175kPa(絶対圧力)に加圧して供給した。水素および空気ともに加湿をせずに供給し、電流密度が1.0A/cm2のときのセル電圧を記録し、下記基準にて評価した。
○(優):セル電圧が0.6V以上。
△(良):セル電圧が0.5V以上 0.6V未満。
×(不良):セル電圧が0.5V未満。
BSVE−2E:モノマー(m1−1)、 PDD:モノマー(m2−1)、
TFE:テトラフルオロエチレン、 PSVE:モノマー(m3−1)、
MMD:モノマー(m4−1)。
C6H:C6F13H、 225cb:CClF2CF2CHClF。
内容積2575mLのステンレス製オートクレーブに、氷水で冷却しながら減圧下でBSVE−2Eの1076gを仕込み脱気した。PDDの328gを仕込んだ。24℃に昇温した後、窒素ガスを0.1MPa導入した。圧力が変化しないことを確認した後、TFEの54.0gを仕込んだ。C6Hに溶解したPFBの3.1質量%溶液の13.64gを窒素ガスで加圧添加した後、C6Hの4gで添加ラインを洗浄した。重合開始から24時間後、オートクレーブを冷却して重合反応を停止し、系内のガスをパージしてポリマー(F−1)の溶液を得た。
内容積230mLのステンレス製オートクレーブに、BSVE−2Eの94.26g、PDDの35.48gを仕込んで、液体窒素で十分に凍結脱気を行った。TFEの3.90gを仕込み、28℃に昇温した。圧力が変化しないことを確認した後、窒素ガスを0.1MPa導入した。C6Hに溶解したPFBの3.1質量%溶液の1.26gを窒素ガスで加圧添加した後、C6Hの2gで添加ラインを洗浄した。重合開始から24時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止し、系内のガスをパージしてポリマー(F−2)の溶液を得た。
例1と同様にして、ポリマー(H−2)から液状組成物(L−2)を得た。
仕込み量、温度を表1に記載のように変えた以外は、例2と同様にしてポリマー(F−3)、(F−4)、(F−5)を得る。ポリマー(F−3)、(F−4)、(F−5)の収量を表1に示す。ポリマー(F−3)、(F−4)、(F−5)の各構成単位の割合、TQ値を表2に示す。
例1と同様にして、ポリマー(H−3)、(H−4)、(H−5)から液状組成物(L−3)、(L−4)(L−5)を得る。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、PDDの11.71g、BSVE−2Eの95.15gおよびIPPの33mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。TFEの0.6gを仕込み、40℃に昇温して、18時間撹拌する。オートクレーブを冷却して反応を停止し、ポリマー(F−6)の溶液を得る。
例1と同様にして、ポリマー(H−6)から液状組成物(L−6)を得る。
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、PDDの24.0g、BSVE−2Eの79.0g、225cbの18g、IPPの54.0mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。TFEの5.8gを系内に導入し、40℃に昇温する。40℃で21時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを室温に戻し、ポリマー(F−7)の溶液を得る。
例1と同様にして、ポリマー(H−7)から液状組成物(L−7)を得る。
仕込み量、温度を表1に記載のように変えた以外は、例7と同様にしてポリマー(F−8)を得る。ポリマー(F−8)の収量を表1に示す。ポリマー(F−8)の各構成単位の割合、TQ値を表2に示す。
仕込み量、温度を表1に記載のように変えた以外は、例7と同様にしてポリマー(F−9)を得る。ポリマー(F−9)の収量を表1に示す。ポリマー(F−9)の各構成単位の割合、TQ値を表2に示す。
例7と同様にして、液状組成物を得ようとしたが、ポリマー(H−9)が分散媒に分散せず固形として残り、液状組成物が得られない。
PDDをMMDに変更し、仕込み量および温度を表1に記載のように変えた以外は、例7と同様にしてポリマー(F−10)を得る。ポリマー(F−10)の収量を表1に示す。ポリマー(F−10)の各構成単位の割合、TQ値を表2に示す。
例7と同様にして、ポリマー(H−10)から液状組成物(L−10)を得る。
国際公開第2008/090990号の第29頁の例5に記載された方法と同様にBSVE−EとPSVEとTFEとを重合して、ポリマー(F’)を得た。
例1と同様にして、ポリマー(F’)の−SO2F基をスルホン酸基に変換してポリマー(H’)を得た。ポリマー(H’)のイオン交換容量は、1.5ミリ当量/g乾燥樹脂であった。
カーボン粉末に白金を50質量%担持した担持触媒の10gに水の39gを加え、10分間超音波を照射し、触媒の分散液を得た。触媒の分散液に、液状組成物(L−1)の60gを加え、さらにエタノールの64gを加えて固形分濃度を8質量%とし、触媒層形成用液を得た。該液を別途用意したETFEシートの表面に塗布し、80℃で30分乾燥し、さらに160℃で30分の熱処理を施し、白金量が0.2mg/cm2の触媒層を形成した。
カーボンペーパーからなるガス拡散層の表面に、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとからなるカーボン層を形成した。かかるカーボン層と上記触媒層とが接するように、膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み、膜電極接合体を得た。この膜電極接合体を発電用セルに組み込み、発電特性の評価を実施した。結果を表2に示す。
触媒層を形成するのに用いた液状組成物(L−1)を、それぞれ液状組成物(L−2)〜(L−18)、または(L−20)に変更した以外は、例16と同様の方法で膜電極接合体を作製し、発電特性の評価を実施する。結果を表2に示す。
例9は、ポリマー(F)における特定の構成単位(A)の割合が低いため、ポリマー(H)の分散媒への分散性が悪く、液状組成物が得られない。
例16は、ポリマー(F)における特定の構成単位(A)の割合が高いため、低温、高湿条件下における発電特性が不充分である。
例17は、ポリマー(F)における特定の構成単位(B)の割合が低いため、高温、低湿条件下における発電特性が不充分である。
例18は、ポリマー(F)における特定の構成単位(B)の割合が高く、ガラス転移点が高くなりすぎるため、低温、高湿条件下における発電特性が不充分である。
例20は、ポリマー(F)における特定の構成単位(B)の代わりに、他の5員環を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位を採用したため、高温、低湿条件下における発電特性が不充分である。
Claims (12)
- 下記ポリマー(F)の有する前駆体基をイオン交換基に変換したポリマー(H)からなる、電解質材料。
ポリマー(F):下式(g1)で表される前駆体基を有するペルフルオロモノマーに基づく構成単位(A)と、下式(u2)で表される構成単位(B)と、テトラフルオロエチレンに基づく構成単位(C)とを有し、全構成単位の100モル%のうち、前記構成単位(A)の割合が8〜19モル%であり、前記構成単位(B)の割合が65〜80モル%であり、前記構成単位(C)の割合が1〜27モル%であるポリマー。
- 前記ポリマー(F)を構成する全構成単位の100モル%のうち、前記構成単位(A)の割合が13〜18モル%であり、前記構成単位(B)の割合が67〜78モル%であり、前記構成単位(C)の割合が4〜20モル%である、請求項1に記載の電解質材料。
- 前記ポリマー(F)の下記TQ値が、250〜330℃である、請求項1または2に記載の電解質材料。
TQ値:長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマー(F)の溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。 - 前記ポリマー(H)のイオン交換容量は、0.7〜1.29ミリ当量/g乾燥樹脂である、請求項1〜3に記載の電解質材料。
- Q1およびQ2が、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解質材料。
- Q1およびQ2の少なくとも一方が、エーテル結合性酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基である、請求項6に記載の電解質材料。
- 分散媒と、該分散媒に分散された請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解質材料とを含み、前記分散媒が、水酸基を有する有機溶媒を含む、液状組成物。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解質材料を1〜50質量%含む請求項9に記載の液状組成物。
- 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の電極の有する触媒層であり、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解質材料からなるプロトン伝導性ポリマーを含む触媒層。
- プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するアノードと、
プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜と
を備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、
前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方の触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーが、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解質材料であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
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