JP6415807B2 - 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 - Google Patents
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Description
また、PEEK(polyetheretherketone)、PES(polyphenylenesulfide)、PPSU(polyphenyl sulfone)を用いてポリマーの繰り返し単位にスルホン基を高濃度で付加した後、有機溶媒であるDMSO(dimethyl sulfoxide)を用いて膜化し、これらを熱処理することで熱的に安定な電解質膜を開発した報告もある(非特許文献32〜34)。しかし、これらの報告は炭化水素系ポリマーをスルホン化したものについてのものであり、パーフルオロスルホン酸ポリマーへの適用可能性については検討されていなかった。更には、これらの報告では有機溶媒はこの反応過程に必須な物資であるとされている。しかし、有機溶媒は人体に有害であるため、これを用いることは作業者の安全管理や環境汚染の面で問題を引き起こす可能性があり、また法的規制がかけられているため、産業上の応用の面からは好ましくない。
ここで、前記熱処理は1時間から12時間の範囲で行ってよい。
また、前記混合液の反応は室温から200℃の範囲で行ってよい。
また、前記混合液の反応は3時間から24時間の範囲で行ってよい。
また、前記膜の形成は反応後の前記混合溶液を乾燥することによって行ってよい。
また、前記混合溶液は更にアルコール及び水を含んでよい。
また、前記アルコールは1−及び2−プロパノールであってよい。
また、前記アゾールはピロール、テトラゾール、及びペンタゾールからなる群から選択されてよい。
あるいは、前記アゾールは1,2,3−トリアゾール、ベンズイミダゾール、ピラゾール、イミダゾール及び1,2,4−トリアゾールからなる群から選択されてよい。
また、前記パーフルオロスルホン酸ポリマーはナフィオン、フレミオン及びアシプレックスからなる群から選択されてよい。
本発明の他の側面によれば、上記何れかの方法によって製造されたパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、上記パーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜を電解質膜として使用した固体高分子燃料電池が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、上記パーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜を電解質膜として使用した直接メタノール型燃料電池が与えられる。
先ず、市販のナフィオン5%溶液(Electrochem製。ナフィオンを5重量%、H2Oを10〜20重量%、1−及び2−プロパノールを75〜85重量%含有)6gと1,2,3−トリアゾール(Aldrich製、純度97%)5%(0.016g)とを混合し、25℃で1時間攪拌した。その後、オートクレーブ中で180℃において6時間処理し、ガラス板に流し出して60℃で24時間乾燥させた。その後、180℃の大気中で3時間アニール(熱処理)してから、水を用いてガラス板から剥がし、80℃の1M H2SO4中で2時間活性化処理を行った。活性化処理後の膜を80℃の脱イオン水にて2時間洗浄して水中に保管した。
比較例としての熱処理なし膜を以下のように作製した。なお、使用した薬品は明記しない限り、上記実施例と同じものであった。
先ず、上と同じ市販のナフィオン溶液6gと1,2,3−トリアゾール5%(0.016g)とを混合し、25℃で1時間攪拌した。その後、オートクレーブ中で180℃で6時間処理し、ガラス板に流し出して60℃で24時間乾燥させた。このようにして形成された膜を水を用いてガラス板から剥がし、80℃の1モルH2SO4中で2時間活性化処理を行った。活性化処理後の膜を80℃の脱イオン水にて2時間洗浄して、水中に保管した。
・1−プロピル基、2−プロピル基によるCH3(2988cm−1)及びCH2(2946,1467,727cm−1)の吸収スペクトル
・1,2,3−トリアゾールによるN−H(3135,790cm−1)及びCH(3016,2876cm−1)の吸収スペクトル
熱処理なし膜と熱処理済み膜、更に参考としてナフィオン115膜の各種溶媒(水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、DMSO)に対する安定性を評価した結果を表1に示す。
・IPA:イソプロパノール
・膨潤率(%)=[(Wwet−Wdry)/Wdry]×100%
・Wwet:膨潤時の膜の重量
・Wdry:100℃で乾燥させたときの膜の重量
注1:熱処理なし膜とメタノールとの組み合わせでは、膜は溶解しなかったが、膨潤が極めて大きいために膨潤率を測定できなかった。
注2:ナフィオン115膜と水との組み合わせでは、膨潤することは確認したが膨潤率の正確な値は未測定であった。
熱処理なし膜及び熱処理済み膜をオートクレーブ中で80℃、100℃、120℃、及び140℃で13日間処理した後のそれぞれの膜の含水率及びλ(スルホン酸1個当たりの水分子の個数)を調べた。その結果を以下の表2に示す。
WU(%)=[(Wwet−Wdry)×100]/Wdry
IEC(イオン交換容量)(meq/g)=(pH7での量(ml)× NaOH濃度)/試料重量(g)
(「pH7での量 (ml)」、「 NaOH濃度」とは、ここではNaOH溶液を用いた滴定法によってIECを測定したのだが、その際にpHが7になった(中和した)時のNaOH溶液の量及び使用したNaOH溶液の濃度をそれぞれ表す)
λ=[(Wwet−Wdry)×1000]/[18×(H2Oの分子量)×IEC×Wdry]
=(含水率(%)×10)/[H2Oの分子量×IEC]
熱処理なし膜、熱処理済み膜、更に参考としてナフィオンNR212膜も加えて、これらの電気伝導度を比較した。測定には米国Scribner社のMTS740型膜抵抗測定システムを使用し、膜温度120℃においてRH(相対湿度)40%、60%、80%、及び95%で測定を行った。その結果のグラフを図3に示す。
実施例の熱処理済み膜、比較例の熱処理なし膜、及びナフィオン212膜を使用して固体高分子型燃料電池を構成し、これらの電池特性を比較した。
以下の条件で膜・電極接合体(MEA)を作製した。
・ホットプレス条件
温度:155℃
圧力:0.8MPa
時間:10分間
・使用した膜:ナフィオン212膜、熱処理なし膜、及び熱処理済み膜(厚さ=70μm)
・電極サイズ:2.2×2.2cm
・試験温度・湿度:70℃(RH100%)、100℃(RH30%)、130℃(RH11%)
・ガス流量:H2 60ccm(アノード側)、O2 100ccm(カソード側)
・加湿器温度:アノード側、カソード側とも70℃
上で説明したようにして作製・試験した電池セルの特性測定結果を図4に示す。電池セル特性を測定するに当たって、先ず3日間活性化を行い、4日目に図4に示すデータを取った。ここで、「3日間の活性化」は具体的には以下のようにして行った。1日目は70℃において電圧をOCV(open circuit voltage)から0.3Vまで掃引した後、0.7Vで3時間動作させた。2日目と3日目は温度を70℃、100℃、130℃の順で循環的に変化させながら電圧をOCVから0.3Vまで往復で掃引した。熱処理済み膜を使用した電池では、測定した全ての条件で0.9V以上の開路電圧(open circuit voltage;OCV)が得られた。しかし、電池セルの電流密度及び電力密度性能についてはナフィオン212膜及び熱処理なし膜よりも低かった。また、高温・低加湿下では性能が低下した。しかし、熱処理済み膜は温度が上がってもOCVが高い値に維持されることから、膜の高温安定性は他の膜よりも良好であることがわかった。
熱処理なし膜及び熱処理済み膜を使用した電池の耐久性を評価した。先ず4日間電池を動作させた後でこの耐久性評価試験を行った。この試験に当たっては、熱処理なし膜を使用した電池ではセル温度70℃、RH100%、出力電圧0.65Vで動作させた。一方、熱処理済み膜を使用した電池では出力電圧を0.7Vとし、温度・湿度条件を変えた以下の3種類の試験を順番に行った:1回目はセル温度70℃、RH100%で約140時間、2回目はセル温度100℃、RH30%で約140時間、3回目は1回目と同じセル温度70℃、RH100%で約160時間。
Claims (11)
- パーフルオロスルホン酸ポリマー並びにピロール、テトラゾール、ペンタゾール、1,2,3−トリアゾール、ピラゾール及び1,2,4−トリアゾールからなる群から選択されるアゾールを含む混合溶液を反応させ、
反応後の溶液から膜を形成し、
前記形成された膜を130℃から200℃の範囲で熱処理することによる、固体高分子型燃料電池の電解質膜用パーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。 - 前記熱処理は1時間から12時間の範囲で行う、請求項1に記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。
- 前記混合溶液の反応は25℃から200℃の範囲で行う、請求項1または2に記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。
- 前記混合溶液の反応は3時間から24時間の範囲で行う、請求項1から3の何れかに記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。
- 前記膜の形成は反応後の前記混合溶液を乾燥することによって行われる、請求項1から4のいずれかに記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。
- 前記混合溶液は更にアルコール及び水を含む、請求項1から5のいずれかに記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。
- 前記アルコールは1−及び2−プロパノールである、請求項6に記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜の製造方法。
- 前記パーフルオロスルホン酸ポリマーは以下の化学構造式
- 請求項1から8のいずれかに記載の方法によって製造されたパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜。
- 請求項9に記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜を電解質膜として使用した固体高分子燃料電池。
- 請求項9に記載のパーフルオロスルホン酸ポリマー−アゾールブレンド膜を電解質膜として使用した直接メタノール型燃料電池。
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