WO2007024003A1 - イオン伝導性材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池 - Google Patents

イオン伝導性材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
WO2007024003A1
WO2007024003A1 PCT/JP2006/317023 JP2006317023W WO2007024003A1 WO 2007024003 A1 WO2007024003 A1 WO 2007024003A1 JP 2006317023 W JP2006317023 W JP 2006317023W WO 2007024003 A1 WO2007024003 A1 WO 2007024003A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
polymer
ion
main component
conductive material
conductivity
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/317023
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Akira Tsujiko
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha filed Critical Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority to EP06797000A priority Critical patent/EP1918330A4/en
Priority to US11/990,854 priority patent/US20090110997A1/en
Priority to CA002619991A priority patent/CA2619991A1/en
Publication of WO2007024003A1 publication Critical patent/WO2007024003A1/ja

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C08L101/12Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/12Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08L27/18Homopolymers or copolymers or tetrafluoroethene
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/122Ionic conductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1081Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes starting from solutions, dispersions or slurries exclusively of polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L71/00Compositions of polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L71/02Polyalkylene oxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an ion conductive material with improved ion conductivity, a method for producing the material, a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel cell using these.
  • a solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in a polymer chain, and is firmly bonded to a specific ion or selectively permeates a cation or an anion. Because of its properties, it is formed into particles, fibers, or membranes and used in various applications such as electrodialysis, diffusion dialysis, and battery membranes.
  • fuel such as hydrogen and methanol is electrochemically oxidized in the battery, and the chemical energy of the fuel is directly converted into electric energy and extracted. It is attracting attention as a new source of electrical energy.
  • polymer electrolyte fuel cells using a proton exchange membrane as an electrolyte are expected to be used as power sources for electric vehicles because of their high power density and low temperature operation.
  • Solid polymer electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells are required to have high ionic conductivity, with perfluoroalkylene as the main skeleton and partially at the end of the perfluorovinyl ether side chain.
  • Fluorine membranes having ion exchange groups such as phonic acid groups and carboxylic acid groups are mainly used.
  • Fluoro-based electrolyte membranes represented by perfluorosulfonic acid membranes are used as electrolyte membranes used under severe conditions because of their extremely high chemical stability.
  • Nafionk registered trademark, Du Pont
  • Dow membrane Dow Chemical
  • a cip 1 ex membrane registered trademark, Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.
  • F lemion membrane registered trademark, Asahi Glass Co., Ltd.
  • hydrocarbon electrolyte membranes containing hydrocarbon as a constituent are also known.
  • the role of the fuel cell electrolyte is proton conduction.
  • the proton conductivity increases, the resistance due to the proton conduction decreases and the fuel cell performance improves.
  • Various materials have been proposed to improve proton conduction, but no significant improvement in proton conduction has been reported, and the main focus is on improving durability. ing. Also, Even in the study of the film forming process disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, no significant improvement in the proton conductivity has been observed.
  • an object of the present invention is to improve the ionic conductivity of a conventional solid polymer electrolyte from the viewpoint of molecular motion.
  • the inventor of the present invention has reached the present invention by paying attention to the fact that the ion transport ability is improved by promoting the molecular motion of the polymer material.
  • the present invention is an invention of an ion conductive material, and a polymer having a glass transition temperature (T g) lower than that of the main component polymer relative to the main component polymer having ion conductivity. It is characterized in that is added.
  • T g glass transition temperature
  • the Tg of the added polymer (B) is preferably as low as possible from the viewpoint of improving ionic conductivity, but it is determined from time to time depending on other factors such as mechanical strength. Therefore, the glass transition temperature (T g) of the additive polymer is preferably 50 ° C. or more lower than the main component polymer, and more preferably 70 ° C. or more lower.
  • the additive polymer is preferably a water-soluble polymer in order to increase the miscibility with the main component polymer that is an electrolyte.
  • the addition amount of the additive polymer can be selected from a wide range. However, if the addition amount is small, the effect of improving the ion transport property due to thermal motion is small. It is not preferable because various physical properties such as properties are deteriorated. Therefore, the weight ratio of the main component polymer to the added polymer is 9 9: 1 to 8 0:20 is preferable, and 95: 5 to 80:20 is more preferable.
  • the main component polymer various conventionally known ion conductive polymers can be widely used.
  • the polymer added to the main component polymer can be widely used as long as it has a glass transition temperature (T g) lower than that of the main component polymer.
  • the main component polymer is a perfluoroleosulfonic acid polymer
  • the additive polymer has a polyethylene glycol (number average molecular weight of less than 300, preferably less than 200,000).
  • a combination that is PEG) is preferably exemplified.
  • the present invention is a solid polymer electrolyte membrane comprising one or more of the above ion conductive materials.
  • the polymer electrolyte membrane of the present invention has a significantly improved proton conductivity compared to the case where the main component polymer alone is used.
  • the film forming method of the ion conductive material is not limited at all.
  • the ion conductive material powder of the present invention can be mixed with an appropriate binder to form a film. General methods such as a casting method in which a solution is cast on a flat plate, a method in which a solution is applied on a flat plate by a die coater, a comma coater, or a method in which a molten ion conductive material is stretched can also be employed.
  • the present invention is a fuel cell using one or more of the above ion conductive materials.
  • a gas diffusion electrode mainly comprising a polymer solid electrolyte membrane (a), and an electrocatalyst that is bonded to the electrolyte membrane and carries a catalyst metal and a platinum exchange material.
  • B In a polymer electrolyte fuel cell having a membrane-electrode assembly (MEA) constituted by the polymer solid electrolyte membrane and Z or the proton exchange material, the ion conductive material or the ion exchange material It consists of a solid polymer electrolyte membrane.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the present invention is an invention of a method for improving ion conductivity of a polymer having ion conductivity, and is a main component polymer having ion conductivity.
  • a polymer having a glass transition temperature (T g) lower than that of the main component polymer is added to the polymer.
  • the glass transition temperature (T g) of the additive polymer is preferably 50 ° C. or more lower than the main component polymer, and 70 ° C. or more lower. More preferably, the additive polymer is preferably a water-soluble polymer, and the weight ratio of the main component polymer to the additive polymer is 99: 1 to 80: 20 is preferable, and 95: 5 to 80:20 is more preferable, and the perfluorinated sulfonic acid polymer and the number average component are used as a combination of the main component polymer and the added polymer. As described above, a combination of polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of less than 300, preferably 200 or less is preferably exemplified.
  • PEG polyethylene glycol
  • the present invention has made it possible to improve the ionic conductivity of a conventional solid polymer electrolyte from the viewpoint of molecular motion.
  • Figure 1 shows the Tg of the added polymer and the proton conductivity of the mixed material for a sample with a naphthion: added polymer weight ratio of 95: 5.
  • Figure 2 shows the Tg of the added polymer and the proton conductivity of the mixed material for a sample with a naphthion: added polymer weight ratio of 80:20. Indicates. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Additive polymers with different Tg were mixed with Nafion (trade name), and the proton conductivity was measured in the atmosphere.
  • Figure 1 shows the Tg of the added polymer and the proton conductivity of the mixed material.
  • Polyethylene glycol PEG: number average molecular weight 3 80-4 20, T g 1 9. C, made by Merck
  • PVA number average molecular weight 4 5 0-5 5 0, T g 2
  • the weight ratio of naphthion: added polymer is 80:
  • FIG. 1 shows the Tg of the added polymer and the open-pore conductivity of the mixed material.
  • the ionic conductivity of a conventional solid polymer electrolyte can be achieved. It has become possible to improve the properties from the viewpoint of molecular motion. As a result, it can be widely used for fuel cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors, etc. using various solid polymer electrolyte membranes. In particular, use in fuel cells improves power generation performance and contributes to the practical application and spread of fuel cells.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

イオン伝導性を有する主成分ポリマーに対して、該主成分ポリマーよりもガラス転移温度(Tg)が低いポリマーが添加されていることを特徴とするイオン伝導性材料、及び該イオン伝導性材料を用いた固体高分子型燃料電池。これにより、固体高分子電解質のイオン伝導性を分子運動の観点から向上させる。

Description

明 細 書 イオン伝導性材料、 固体高分子電解質膜、 及び燃料電池 技術分野
本発明は、 イ オン伝導性を向上させたイ オン伝導性材料、 その 製造方法、 固体高分子電解膜及びこれらを用いた燃料電池に関す る。 背景技術
固体高分子電解質は、 高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基 を有する固体高分子材料であり、 特定のイオンと強固に結合した り 、 陽イ オン又は陰イ オンを選択的に透過する性質を有している ことから、 粒子、 繊維、 あるいは膜状に成形し、 電気透析、 拡散 透析、 電池隔膜等、 各種の用途に利用されている。
例えば、 燃料電池は、 電池内で水素やメタノール等の燃料を電 気化学的に酸化することによ り、 燃料の化学エネルギーを直接電 気エネルギーに変換して取り出すものであり、 近年、 ク リーンな 電気エネルギー供給源と して注目 されている。 特にプロ ト ン交換 膜を電解質と して用いる固体高分子型燃料電池は、 高出力密度が 得られ、 低温作動が可能なことから電気自動車用電源と して期待 されている。
固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、 高 いイオン伝導度が要求されており、 パーフルォロアルキ レンを主 骨格と し、 一部にパーフルォロ ビニルエーテル側鎖の末端にスル ホン酸基、 カルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系膜が 主と して用いられている。 パーフルォロスルホン酸膜に代表され るフッ素系電解質膜は、 化学的安定性が非常に高いこ とから、 過 酷な条件下で使用される電解質膜と して賞用されている。 この様 なフッ素系電解質膜と しては、 N a f i o n k (登録商標、 D u P o n t社) 、 D o w膜 (D o w C h e m i c a l社) 、 A c i p 1 e x膜 (登録商標、 旭化成工業 (株) 社) 、 F l e m i o n 膜 (登録商標、 旭硝子 (株) 社) 等が知られている。
ナフイオン膜に代表されるフッ素高分子系電解質の他、 炭化水 素を構成成分と して含む炭化水素系電解質膜も知られている。
従来技術のイオン伝導性膜は一定のイオン伝導度を有するもの の、 燃料電池には、 さらに高性能のイオン伝導性膜が求められて レ、る。
このよ う に、 従来の高分子系電解質と しては、 F系、 H C系、 H Cェンプラ系などの種々の新材料の提案が行なわれる一方、 特 開 2 0 0 3 - 3 4 9 2 4 5号公報には、 製膜プロセスの検討が行 なわれている。
他方、 特開 2 0 0 2 — 0 0 8 4 4 0号公報には、 プロ トン伝導 性を損なう こ となく 、 スルホン化ポリ アリーレン膜の延性を改善 するこ とを目的と して、 スルホン化ポリ アリ ー レンに高分子量の ポリエチレンダリ コールを添加することが開示されている。 しか し、 添加されるポリ エチレングリ.コールはあく までスルホン化ポ リ ァリ一レン膜の延性を改善することにあり、 スルホン化ポリ ァ リーレンの熱的及ぴ電気的物性を改善しよ う とする意図は全く示 されていない。 実施例中で、 用いられているポリ エチレングリ コ 一ルも数平均分子量が 2 0 0 0 という高分子量のものである。 発明の開示
燃料電池用電解質の役割はプロ トン伝導であり、 プロ トン伝導 度が向上するとプロ ト ン伝導による抵抗が減少し、 燃料電池性能 が向上する。 プロ トン伝導向上への取り組みと して、 様々な材料 の提案が行われているが、 プロ ト ン伝導の大幅な向上は報告され ておらず、 また、 耐久性の向上などに主眼が置かれている。 また、 上記特許文献 1 に開示された製膜プロセスの検討においても、 プ 口 トン伝導度の大幅な向上は見られていない。
これは、 従来技術は、 材料やプロセスの最適化に終始した開発 であり、 プロ トン伝'導現象の原理である分子運動にまで踏み込ん だ観点から議論がなされていないためである。
そこで、 本発明は従来の固体高分子電解質のイオン伝導性を分 子運動の観点から向上させることを目的とする。
本発明者は、 高分子材料の分子運動が促進されることによ りィ オン輸送能が向上することに着目 し、 本発明に到達した。
即ち、 第 1 に、 本発明は、 イオン伝導性材料の発明であり、 ィ オン伝導性を有する主成分ポリマーに対して、 該主成分ポリ マー よ り もガラス転移温度 (T g ) が低いポリマーが添加されている こ と を特徴とする。 イ オン伝導性を有する電解質 ( A ) に、 ( A ) よ り も T g の低いポリ マー ( B ) を少量添加するこ とで ( A ) 中の ( B ) の熱運動によ り イオンの輸送が促進され、 ( A ) 単体に比べて (A ) + ( B ) 材料は飛躍的に高いイオン伝 導度を示す。
添加ポリマー (B ) の T gはイオン伝導度向上の観点からは低 ければ低いほうが良いが、 機械的強度など、 使用上の他の要因に よ り随時規定される。 そこで、 前記主成分ポリマーに対して、 前 記添加ポリ マーのガラス転移温度 (T g ) が 5 0 °C以上低いこと が好ま しく 、 7 0 °C以上低いことがよ り好ま しい。 また、 前記添 加ポリマーと しては、 電解質である主成分ポリマーとの混合性を 高くするために、 水溶性ポリマーであることが好ましい。
前記添加ポリマーの添加量は広い範囲から選択できるが、 添加 量が少ないと熱運動によるイオン輸送性の向上効果が少なく 、 添 加量が多いと主成分ポリマ二が有するィオン伝導性の他、 耐熱性 などの種々の物性が低下するため好ましく ない。 そのため、 前記 主成分ポリ マーと前記添加ポリ マーの重量比が、 9 9 : 1 〜 8 0 : 2 0であることが好ましく 、 9 5 : 5 〜 8 0 : 2 0であるこ とがよ り好ましい。
前記主成分ポリマーと しては、 従来よ り公知の各種イオン伝導 性ポリ マーを広く用いることができる。 また、 該主成分ポリマー に添加されるポリマーも該主成分ポリマーよ り もガラス転移温度 ( T g ) が低いポリマーであれば広く用いることができる。 これ らの中で、 主成分ポリ マーがパ一フノレオロスルホン酸ポリマーで あり、 前記添加ポリマーが数平均分子量が 3 0 0 0未満、 好まし く は 2 0 0 0以下のポリエチレングリ コール ( P E G ) である組 合せが好ましく例示される。
第 2に、 本発明は、 上記のイオン伝導性材料の 1種以上からな る固体高分子電解質膜である。 本発明の高分子電解質膜は、 主成 分ポリマー単独の場合と比べて、 格段にプ口 トン伝導性が向上す る。 ここで、 該イオン伝導性材料の成膜方法は何ら制限されない。 本発明のイオン伝導性材料粉末を適当なバインダ一と混合し、 製 膜することができる。 溶液を平板上にキャス 卜するキャス ト法、 ダイコータ、 コンマコータ等によ り平板上に溶液を塗布する方法、 溶融したイオン伝導性材料を延伸等する方法等の一般的な方法も 採用できる。
第 3に、 本発明は、 上記のイオン伝導性材料の 1種以上を用い た燃料電池である。 具体的には、 高分子固体電解質膜 ( a ) と、 この電解質膜に接合される、 触媒金属を担持した導電性担体とプ 口 トン交換材料からなる電極触媒を主要構成材料とするガス拡散 電極 ( b ) とで構成される膜一電極接合体 (M E A ) を有する固 体高分子型燃料電池において、 該高分子固体電解質膜及び Z又は 該プロ トン交換材料が上記のィオン伝導性材料又は上記の固体高 分子電解質膜からなる。
第 4に、 本発明は、 イオン伝導性を有するポリ マーのイオン伝 導性の向上方法の発明であり、 イオン伝導性を有する主成分ポリ マーに対して、 該主成分ポリマーよ り もガラス転移温度 ( T g ) が低いポリマーを添加することを特徴とする。
本発明のイオン伝導性の向上方法において、 前記主成分ポリマ 一に対して、 前記添加ポリ マーのガラス転移温度 ( T g ) が 5 0 °C以上低いことが好ましく 、 7 0 °C以上低いことがよ り好ま し いこと、 前記添加ポリマーと しては水溶性ポリマーであることが 好ま しいこ と、 前記主成分ポリマーと前記添加ポリマーの重量比 と して、 9 9 : 1 〜 8 0 : 2 0が好ましく 9 5 : 5〜 8 0 : 2 0 がよ り好ま しいこと、 及び前記主成分ポリマーと前記添加ポリマ 一の糸且合せと して、 パーフルォロスルホン酸ポリマーと数平均分 子量が 3 0 0 0未満、 好ましく は 2 0 0 0以下のポリエチレング リ コール ( P E G ) の組合せが好ま しく例示されることは上記の 通りである。
従来のパーフルォロスルホン酸系等の固体電解質膜は、 スルホ ン酸基などのイオン交換基による化学的反応によるイオン伝導の みであったのに対して、 本発明では、 イオン伝導性を有する主成 分ポリマーに、 該主成分ポリマーよ り もガラス転移温度 (T g ) が低いポリマ一を添加することによ り、 ィオン伝導性を有する主 成分ポリマー中の添加ポリマーの熱運動によ りイオンの輸送が促 進され、 飛躍的に高いイオン伝導度を示すものである。
こ のよ う に、 本発明は従来の固体高分子電解質のイオン伝導性 を分子運動の観点から向上させることが可能となった。 図面の簡単な説明
図 1 は、 ナフイオン : 添加ポリマーの重量比が 9 5 : 5である サンプルの、 添加ポリマーの T g と混合材料のプロ ト ン伝導度を 示す。
図 2は、 ナフイオン : 添加ポリマーの重量比が 8 0 : 2 0であ るサンプルの、 添加ポリ マーの T g と混合材料のプロ ト ン伝導度 を示す。 発明を実施するための最良の形態
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明する。
ナフイオン (商標名) に T gの異なる添加ポリマーを混合し、 大気雰囲気でプロ トン伝導度を測定した。
[プロ トン伝導度の測定]
1 0 0 °cに制御した恒温炉内にサンプルを白金電極に挟んで設 置し、 周波数特性分析装置(N F E L E C T R O N I C I N S T R UME N T S社製)を用いて、 周波数 0. 1 — 1 0 0 0 k H z 、 印加電圧 1 0 πι Vでプロ トン伝導度を測定した。 . [ガラス転移温度 (T g ) の測定]
市販のセイ コーイ ンスツルメ ン ト製^差走査熱量計 (D S C) を用いて測定した。
[サンプル作製]
添加ポリマーは市販品のポリエチレング y コール ( P E G : 数 平均分子量 3 8 0 - 4 2 0ヽ T g = - 9 。C メノレク製 ) 、 ポリエ チレングリ コール ( P E G 数平均分子量 9 5 0 - 1 0 5 0、 T g = 4 0 °C、 メルク製) 、 ポ リ ビエルァルコール ( P V A : 数平 均分子量 4 5 0— 5 5 0、 T g = 2 0 0 °cヽ メルク製 ) 、 ポリ ア ク リルァミ ド (数平均分子量約 1 5 0 0 、 T g = 1 5 0 °C、 A L d r i c h製) 、 ポリ アク Vル酸 ( T g 1 0 6。C) を純水に溶 解、 攪拌によ り重量分率 2 0 w t %の均 ―な溶液を得た。 こ こで ポリ ビュルアルコール ( p V A ) とポリ ァク リルアミ ドは、 本発 明の比較例である。
これらの溶液と市販のナフイオン 2 0 w t %溶液 (EW= 1 0 0 0 、 A 1 d r i c h製) とを下記の割合で混合し、 2時間攪拌 を行う ことで均一な混合溶液を得た。 得られた溶液をテフ ロ ンシ — ト上に塗布し、 蓋をしたシャーレの中で一週間乾燥させること でフィルムを得た。 得られたフオルムの膜厚はマィ ク 口メーター で測定し、 プ口 ト ン伝導度評価を行った。
[実施例 1 ]
上記手順に従い、 ナフイ オン : 添加ポリマーの重 _曰"比力 S 9 5 :
5 となるよ うサンプルを調整した。 添加ポリ マ一の T g と混合材 料のプロ ト ン伝導度を図 1 に示す。 図 1 中、 ポリ 工チレングリ コ ール ( P E G : 数平均分子量 3 8 0 - 4 2 0 、 T g 一 9。C、 メ ルク製) を B 1 、 ポリ エチ レンダリ コール ( P E G 数平均分子 量 9 5 0 — 1 0 5 0 、 T g = 4 0 °C メルク製 ) を B 2 、 ポリ ビ ニルアルコ ール ( P V A : 数平均分子量 4 5 0 ― 5 5 0 、 T g 二
2 0 0 °C、 メルク製) を B 3 、 ポリ アク リ ルァ へ ド、 (数平均分子 量約 1 5 0 0 、 T g = 1 5 0。C、 A L d r i c h製 ) を B 4、 ポ リアク リル酸 ( T g = 1 0 6 °C ) を B 5で示す。
[実施例 2 ]
上記手順に従い、 ナフ イ オン : 添加ポリマーの重 比が 8 0 :
2 0 となるよ うサンプルを調整した。 添加ポリマ の T g と混合 材料のプ口 ト ン伝導度を図 2 に示す。 図 1 と同様に ポリエチレ ング リ コール ( P E G : 数平均分子量 3 8 0 — 4 2 0 、 T g =—
9 °C、 メ ルク製) を B l 、 ポ リ エチ レング リ コ ル ( P E G : 数 平均分子量 9 5 0 — 1 0 5 0 、 T g = 4 0。C、 メルク製) を B 2 ポリ ビニルァルコール ( p V A : 数平均分子量 4 5 0 - 5 5 0 ,
T g = 2 0 0 。じ、 メルク製) を B 3、 ポリ アク ジルァ ミ ド (数平 均分子量約 1 5 0 0 、 T g = 1 5 0 °C、 A L d r 1 c h製) を B
4、 ポリ アク リル酸 (T g = 1 0 6 °C) を B 5で示す。
図 1 及び図 2の結果よ り 、 添加ポリ マーの T g と混合材料のプ 口 トン伝導度には強い相関関係があるこ とが分かる。 即ち、 ナフ イオンの T g よ り 添加ポリ マーの T gが大きい場合には、 分子運 動が小さ く なるこ とによ り 、 プロ トン伝導性が低下するのに対し て、 ナフイ オンの T g よ り 添加ポリ マーの T gが小さい場合には、 分子運動が大きく なることによ り、 プロ トン伝導性が向上するこ とが分かる。 産業上の利用可能性
イオン伝導性を有する主成分ポリマーに、 該主成分ポリマーよ り もガラス転移温度 (T g ) が低いポリマーを添加するという比 較的容易な操作によ り、 従来の固体高分子電解質のイオン伝導性 を分子運動の観点から向上させることが可能となった。 これによ り、 種々の固体高分子電解質膜を用いる、 燃料電池、 水電解、 ハ ロゲン化水素酸電解、 食塩電解、 酸素濃縮器、 湿度センサ、 ガス センサ等に広く用いることが出来る。 特に、 燃料電池に用いるこ とによ り、 発電性能を向上させ、 燃料電池の実用化と普及に貢献 する。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .
イオン伝導性を有する主成分ポリマーに対して、 該主成分ポリ マーよ り もガラス転移温度 (T g ) が低いポリマーが添加されて いるこ とを特徴とするイオン伝導性材料。
2 .
前記主成分ポリ マーに対して、 前記添加ポリマーのガラス転移 温度 (T g ) が 5 0 °C以上低いことを特徴とする請求の範囲第 1 項に記載のイオン伝導性材料。
3 .
前記添加ポリマーが水溶性ポリマーであることを特徴とする請 求の範囲第 1または 2項に記載のイオン伝導性材料。
4 .
前記主成分ポリマーと前記添加ポリマーの重量比が、 9 9 : 1 〜 8 0 : 2 0であることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 3項の いずれかに記載のィオン伝導性材料。
5 .
前記主成分ポリ マーがパーフルォロスルホン酸ポリ マーであり 、 前記添加ポリマーが数平均分子量が 3 0 0 0未満のポリエチレン グリ コール (P E G ) であることを特徴とする請求の範囲第 1乃 至 4項のいずれかに記载のィオン伝導性材料。
6 .
請求の範囲第 1乃至 5項のいずれかに記載のイオン伝導性材料 の 1種以上からなる固体高分子電解質膜。
7 .
請求の範囲第 1乃至 5項のいずれかに記載のィオン伝導性材料 の 1種以上を用いた燃料電池。
8 . イオン伝導性を有する主成分ポリ マーに対して、 該主成分ポリ マーよ り もガラス転移温度 ( T g ) が低いポリマーを添加するこ とを特徴とするイオン伝導性の向上方法。
9 .
前記主成分ポリマーに対して、 前記添加ポリマーのガラス転移 温度 ( T g ) が 5 0 °C以上低いことを特徴とする請求の範囲第 8 項に記載のイオン伝導性の向上方法。
1 0 .
前記添加ポリマーが水溶性ポリマーであることを特徴とする請 求の範囲第 8または 9項に記載のィオン伝導性の向上方法。
1 1 .
前記主成分ポリマーと前記添加ポリマーの重量比が、 9 9 : 1 〜 8 0 : 2 0であることを特徴とする請求の範囲第 8乃至 1 0項 のいずれかに記載のイオン伝導性の向上方法。
1 2 .
前記主成分ポリマーがパーフルォロ スルホン酸ポリマーであり、 前記添加ポリマーが数平均分子量が 3 0 0 0未満のポリエチ レン グリ コール ( P E G ) であることを特徴とする請求の範囲第 8乃 至 1 1項のいずれかに記載のィオン伝導性の向上方法。
PCT/JP2006/317023 2005-08-25 2006-08-23 イオン伝導性材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池 WO2007024003A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP06797000A EP1918330A4 (en) 2005-08-25 2006-08-23 ION CONDUCTING MATERIAL, SOLID POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND FUEL CELL BATTERY
US11/990,854 US20090110997A1 (en) 2005-08-25 2006-08-23 Ion-conductive material, solid polymer electrolyte membrane and fuel cell
CA002619991A CA2619991A1 (en) 2005-08-25 2006-08-23 Ion-conductive material, solid polymer electrolyte membrane, and fuel cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005244184A JP2007056155A (ja) 2005-08-25 2005-08-25 イオン伝導性材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池
JP2005-244184 2005-08-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007024003A1 true WO2007024003A1 (ja) 2007-03-01

Family

ID=37771733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2006/317023 WO2007024003A1 (ja) 2005-08-25 2006-08-23 イオン伝導性材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20090110997A1 (ja)
EP (1) EP1918330A4 (ja)
JP (1) JP2007056155A (ja)
CN (1) CN101297001A (ja)
CA (1) CA2619991A1 (ja)
WO (1) WO2007024003A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101366079B1 (ko) 2007-12-31 2014-02-20 삼성전자주식회사 고체상 프로톤 전도체 및 이를 이용한 연료전지
JP5210078B2 (ja) * 2008-07-31 2013-06-12 ビッグテクノス株式会社 電気剥離性粘着剤組成物、電気剥離性粘着製品及びその剥離方法
FR2954766B1 (fr) * 2009-12-24 2015-04-24 Saint Gobain Ct Recherches Poudre de granules de ceramique
JP2011258349A (ja) * 2010-06-07 2011-12-22 Daido Gakuen 膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池
JP7103912B2 (ja) * 2018-10-24 2022-07-20 トヨタ自動車株式会社 橋架け構造を有するプロトン伝導膜及び燃料電池

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01282237A (ja) * 1988-05-07 1989-11-14 Matsushita Electric Works Ltd イオン導伝体
JPH0987510A (ja) * 1995-09-22 1997-03-31 Japan Synthetic Rubber Co Ltd プロトン伝導性高分子固体電解質
JP2000082329A (ja) * 1998-09-03 2000-03-21 Nec Corp シングルイオンおよびプロトン伝導性高分子体
JP2004335270A (ja) * 2003-05-08 2004-11-25 Hitachi Ltd 固体高分子型燃料電池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02198642A (ja) * 1989-01-26 1990-08-07 Matsushita Electric Works Ltd イオン導伝体
JP4042285B2 (ja) * 2000-02-23 2008-02-06 トヨタ自動車株式会社 固体高分子電解質膜およびその製造方法
AU2002227519A1 (en) * 2000-07-27 2002-02-13 City Technology Limited Gas sensors
US20040241518A1 (en) * 2001-10-15 2004-12-02 Zhen-Yu Yang Solid polymer membrane for fuel cell prepared by in situ polymerization
US7396880B2 (en) * 2005-05-24 2008-07-08 Arkema Inc. Blend of ionic (co)polymer resins and matrix (co)polymers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01282237A (ja) * 1988-05-07 1989-11-14 Matsushita Electric Works Ltd イオン導伝体
JPH0987510A (ja) * 1995-09-22 1997-03-31 Japan Synthetic Rubber Co Ltd プロトン伝導性高分子固体電解質
JP2000082329A (ja) * 1998-09-03 2000-03-21 Nec Corp シングルイオンおよびプロトン伝導性高分子体
JP2004335270A (ja) * 2003-05-08 2004-11-25 Hitachi Ltd 固体高分子型燃料電池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1918330A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20090110997A1 (en) 2009-04-30
EP1918330A4 (en) 2009-08-05
JP2007056155A (ja) 2007-03-08
CA2619991A1 (en) 2007-03-01
CN101297001A (zh) 2008-10-29
EP1918330A1 (en) 2008-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ogungbemi et al. Fuel cell membranes–Pros and cons
EP2110875B1 (en) Polymer electrolyte membrane, method for producing the same, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell
US6670065B2 (en) Solid polymer electrolyte, a membrane using thereof, a solution for coating electrode catalyst, a membrane/electrode assembly, and a fuel cell
US20080118808A1 (en) Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, process for its production and membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
EP1683224B1 (en) Polymer electrolyte membrane and method of making
KR100914340B1 (ko) 고 수소 이온 전도성 연료전지용 비닐술폰산 가교 고분자전해질 복합막의 제조방법 및 이를 이용한 연료전지
US20080026276A1 (en) Proton-Conducting Material, Solid Polymer Electrolyte Membrane, and Fuel Cell
US20070065700A1 (en) High temperature polymer electrolyte membranes
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
JP2007112907A (ja) 芳香族炭化水素系樹脂を含有する高分子電解質組成物
JP2007513472A (ja) イオン伝導性ランダムコポリマー
WO2007024003A1 (ja) イオン伝導性材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池
Ma et al. The research status of Nafion ternary composite membrane
JP2013149462A (ja) 膜−電極接合体
KR20020076825A (ko) 직접메탄올 연료전지용 이온교환막
JPH06231778A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP2003031231A (ja) 燃料電池用イオン伝導性高分子膜およびそれを用いた燃料電池
JP4931540B2 (ja) プロトン交換膜
Segarceanu et al. Comparative Study of Polysulfone Matrix Based Composite Membranes Designed for Fuel Cells
JP4543704B2 (ja) 高分子固体電解質膜およびその製造方法
JP3675473B2 (ja) 固体高分子電解質型燃料電池の製造方法
JP2003109624A (ja) 燃料電池用イオン伝導性高分子膜とそれを用いた燃料電池
Frey et al. Fuel cell membrane electrode assembly
JP2008066113A (ja) プロトン伝導材料、固体高分子電解質膜、及び燃料電池
Garnica Rodriguez et al. Nanocomposite Polymer Electrolyte Membranes: Methanol Crossover and Conductivity

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200680039682.0

Country of ref document: CN

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2619991

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11990854

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006797000

Country of ref document: EP