JP5168903B2 - 燃料電池用電解質ポリマー、その製造方法、電解質膜、及び膜・電極接合体 - Google Patents
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テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン系共重合体(以下、TFE/HFP共重合体という)について、高温で水熱処理して−COOH基を−CF2H基に変換する方法(特許文献1参照)。
低分子量のフッ素系ポリエーテルを、液体状態で又はイナートな溶媒に溶解した状態でフッ素ガスにより脱炭酸フッ素化することにより末端基を安定化する方法(特許文献2参照)。
テトラフルオロエチレン/パーフルオロアルキルビニルエーテル系共重合体(以下、TFE/PFVE共重合体という)について、ペレット状でフッ素ガスと接触させて処理する方法(特許文献4参照)。
TFE/PFVE系共重合体について、グラニュール状でフッ素ガスと接触させて処理する方法(特許文献5参照)。
TFE/PSVE系共重合体について、溶液重合又は懸濁重合の重合上がりを水中撹拌し、得られる平均粒径が1〜5mmの球状造粒物をフッ素ガスに接触させて処理する方法(特許文献7参照)。
TFE/HFP系共重合体又はTFE/PFVE系共重合体について、酸素存在下に溶融混練し、水存在下に溶融混練する処理を1つの混練機内で実施する方法(特許文献9参照)等。
そこで、本発明は、さらに、イオン交換基の前駆体基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)に対し、加水分解、酸型化処理、水洗処理をして前記前駆体基をイオン交換基に変換する工程と前記パーフルオロカーボン重合体を製膜する工程とを経て製造する電解質膜の製造方法であって、前記製膜する工程の後であってかつ前記加水分解、前記酸型化処理及び前記水洗処理のいずれかの工程の後に、前記パーフルオロカーボン重合体を過酸化水素ガスと接触させる工程を行い、当該過酸化水素ガスと接触させる工程の後に前記パーフルオロカーボン重合体を水と接触させる工程を行う場合においては、当該水としてTOC(全有機炭素成分)が500ppb以下である水を使用することを特徴とする燃料電池用電解質膜の製造方法を提供する。
2、6:容器
4:チャンバー
10:水
11:電解質膜又はその前駆体膜
12:水
赤外分光法の測定装置としては、一般的な赤外吸収分光装置が用いられる。微量なC−H結合量を定量するためには、SN比を上げることがきるフーリエ変換機能がついた装置が好ましい。
(1)イオン交換基の前駆体基を有するポリマー(以下、前駆体ポリマーという)の重合工程。
(2)イオン交換基の前駆体基をイオン交換基に変換する処理工程。
A.電解質ポリマー重合時の、連鎖移動剤、重合開始剤からの混入。
B.イオン交換基の前駆体基をイオン交換基に変換する処理工程で使用する有機溶剤、及び水中の有機物の混入。
パーフルオロトリブチルアミン、パーフルオロトリプロピルアミン等のポリフルオロトリアルキルアミン化合物。
パーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)等のポリフルオロ環状エーテル化合物。
これらは、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
上述の溶媒の中で水素原子を含有する溶媒は、フッ素ガスと反応するので、水素原子を含有しない溶媒を用いるほうが好ましい。
混合溶媒を用いる場合、最初から本ポリマーを混合溶媒中に溶解又は分散させてもよいが、−OH基を有する有機溶媒に溶解又は分散した後、他の溶媒を混合してもよい。
また、水よりも沸点の低いアルコール溶媒に本ポリマーを溶解又は分散した後、水を添加してアルコールを留去することにより、実質的に有機溶媒を含有しない水分散液を調製することもできる。
ポリエチレンテレフタレート(以下、PETという。)、ポリエチレン、ポリプロピレン(以下、PPという。)、ポリイミド等の非フッ素系ポリマー。ポリテトラフルオロエチレン、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー。
(1)イオン交換基の前駆体基を有する前駆体ポリマーの2軸押出し成形による混練、ペレット化。
(2)上記ペレットを用いて1軸押出し成形によるフィルム化。
(3)加水分解処理、酸型化処理、水洗処理、乾燥処理工程。
まず、前駆体ポリマー粉末を2軸押出し成形してペレット化する。次いで得られたペレットは、(2)の工程で、好ましくは加熱下で1軸押出し成形されフィルム化される。また、(1)のペレット化する工程を経ずに、上記混合物を直接1軸押出し成形し、この1軸押出し成形の工程でフィルム化してもよい。加熱下で1軸押出し成形する場合は、フィルムの温度が200〜270℃程度となるように成形することが好ましい。フィルム温度が200℃未満の場合は、吐出圧力が高くなりすぎ、生産性が低下するおそれがある。フィルム温度が270℃を超えると得られる膜の表面が荒れて膜の厚さが不均一になるので好ましくない。次いで、前述した同様の方法で、(3)加水分解処理、酸型化処理、水洗処理、乾燥処理を行いイオン交換基に変換させる。
また、本膜電極接合体は、ダイレクトメタノール型燃料電池にも適用できる。
なお、以下の例において、下記の略号を用いる。
PSVE:CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F、
TFE:CF2=CF2
AIBN:(CH3)2C(CN)N=N(CN)C(CH3)2
パーフルオロ開始剤X:(C3F7OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COO)2
PFB:CF3CF2CF2COO−OOCCF2CF2CF3
HCFC141b:CH3CCl2F、
HCFC225cb:CClF2CF2CHClF。
[TFE/PSVE共重合体Aの重合]
内容積200mlのオートクレーブに、100gのPSVE、及び70mgのAIBNを入れ、脱気後、TFEで1.1MPaまで充填し、70℃に加熱、撹拌することで重合を開始した。重合中は1.1MPaを保持するように、TFEをフィードし続けた。10時間後、冷却、パージして重合を止め、HCFC225cbで希釈後、HFC141bを投入することで沈殿させ、さらにHCFC141bで1回洗浄した。ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、29.5gの白色のポリマーを得た。元素分析で硫黄の含有量を求め、イオン交換容量を求めたところ、1.00ミリ当量/g乾燥樹脂であった。以下、このポリマーを共重合体Aという。
共重合体A2800gをPFA製シート上に均一に分散させ、減圧オーブンで圧力10Pa、250℃にて4時間熱処理を行った。熱処理後の共重合体Aからなるシートの厚みは2mmであった。減圧熱処理前後の赤外吸収スペクトルを比較すると、減圧熱処理により、1780cm−1と1810cm−1の−COOH基に帰属される吸収と1800cm−1の−CF=CF2に帰属される吸収が減少しており、1880cm−1の−COF基に帰属される吸収が増大していた。
共重合体Aを、メタノールを20%及び水酸化カリウムを10%含有する水溶液中で加水分解処理し、硫酸で洗浄して酸型化処理を行い、さらに水洗浄することにより、−SO2F基をスルホン酸基に変換して酸型化ポリマーAを得た。これらの処理工程で用いた水の水質は、比抵抗が18MΩ・cm、TOCは50ppbであった。
酸型化ポリマーAを1N−KOH溶液に浸漬してK型に変換し、さらに水洗した。本工程で用いた水は、比抵抗が18MΩ・cm、TOCは10ppbであった。次に、これを110℃オーブン中で1時間乾燥させ、赤外吸収スペクトル測定装置(サーモエレクトロン社製、FT−IR Nicolet Avatar 370)で測定を行った。得られたスペクトルの3100cm−1から2800cm−1の範囲の主にC−H結合に由来する吸収面積SCHを2700cm−1から2000cm−1の範囲の主にC−F結合に由来する吸収面積SCFで除し、規格化CH結合量を求めた。結果を表1に示す。
規格化CH結合量=SCH/SCF。
酸型化ポリマーAを内面がハステロイC合金で作られた耐圧オートクレーブを用いてエタノールに分散させ、10%エタノール溶液を得た。これを電解質液Aとする。
電解質液Aをエチレンテトラフルオロエチレン共重合体からなる基材(以下、「ETFE基材」という)上にキャスト後乾燥して厚みが50μmのキャスト膜を得た。得られた膜を120℃で0.5時間熱処理を行い、これを電解質膜Aとした。この電解質膜Aについても、酸型化ポリマーA同様の方法でK型に変換してから規格化CH結合量を定量した。結果を表1に示す。
カーボンブラック粉末に白金を50%担持した触媒20gに水126gを添加し超音波を10分かけて均一に分散させた。これに上記、電解質液Aを80g添加し、さらに54gのエタノールを添加して固形分濃度を10%とし、これをカソード触媒層作製用塗工液とした。この塗工液をETFE基材フィルム上に塗布乾燥し、白金量が0.5mg/cm2のカソード触媒層を作製した。
膜・電極接合体Aを発電用セルに組み込み、常圧にて、アノードに水素、カソードに空気をそれぞれ、流量を50ml/minとし、露点が73℃の加湿したガスとしてセル内に供給した。セル温度を120℃、電流密度を0A/cm2、すなわち開回路の状態で保ち、開回路電圧を記録した。開回路電圧が0.7Vを下回った段階で、試験を終了し、膜・電極接合体の重量減少率(触媒成分を除いた、電解質膜+電極用電解質ポリマー重量に換算)を計測した。そして、重量減少速度を以下の式で算出し、膜・電極接合体の耐久性能を評価した。結果を表2に示す。
重量減少速度(%/h)=重量減少率(%)/試験時間(h)。
例1における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において使用する水の水質を、比抵抗が18MΩ・cm、TOCが10ppbのものに変える以外は例1と同様の方法で、酸型化ポリマーB、電解質膜B、膜・電極接合体Bを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例2における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において、使用する加水分解液を水酸化カリウム30%の溶液に変える以外は例2と同様の方法で酸型化ポリマーC、電解質膜C、膜・電極接合体Cを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例3における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程の後に、過酸化水素水による処理を行う以外は例3と同様の方法で酸型化ポリマーD、電解質膜D、膜・電極接合体Dを得る。規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。過酸化水素水による処理では、酸型化ポリマーを5%過酸化水素水に80℃で24時間浸漬した後、硫酸で洗浄して酸型化処理を行い、さらに水洗浄を行う。過酸化水素水処理、その後の酸型化処理及び水洗浄に使用した水は、比抵抗が18MΩ・cm、TOCが10ppbであった。
例2におけるフッ素化処理工程を実施しなかった以外は例2と同様の方法で酸型化ポリマーE、電解質膜E、膜・電極接合体Eを得た。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例2における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において、使用する水の水質を比抵抗が10MΩ・cm、TOCが1300ppbのものに変える以外は例2と同様の方法で酸型化ポリマーF、電解質膜F、膜・電極接合体Fを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例1で得られた共重合体Aを2軸押出機で混練ペレット化後、1軸押出機を用いてシート状に押出成形し、厚さ50μmの前駆体膜を得た。例2において、アルカリ水溶液組成をジメチルスルホキシド30重量%、水酸化カリウム15重量%を含む水溶液にかえた以外は例2と同様の方法で電解質膜Gを得た。そして、電解質膜Gを用いて、例2と同様な方法で膜・電極接合体Gを得た。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例7における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において、使用する加水分解液を水酸化カリウム30%の溶液に変えた以外は例7と同様の方法で電解質膜H、膜・電極接合体Hを得た。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例8における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程の後に、過酸化水素水による処理を行った以外は例8と同様の方法で電解質膜I、膜・電極接合体Iを得た。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。過酸化水素水による処理では、電解質膜を5%過酸化水素水に80℃で24時間浸漬した後、塩酸で洗浄して酸型化処理を行い、さらに水洗浄を行った。過酸化水素水処理、その後の酸型化処理及び水洗浄に使用した水は、比抵抗が18MΩ・cm、TOCが10ppbであった。
例7においてフッ素化処理工程を実施しなかった以外は例7と同様の方法で電解質膜J、膜・電極接合体Jを得た。例1と同様に評価したときの例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例10における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において使用する水の水質を、比抵抗が10MΩ・cm、TOCが1300ppbのものに変えた以外は例10と同様の方法で電解質膜K、膜・電極接合体Kを得た。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例7における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において使用する水の水質を、比抵抗が10MΩ・cm、TOCが1300ppbのものに変える以外は例7と同様の方法で電解質膜L、膜・電極接合体Lを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
[TFE/PSVE共重合体Mの重合]
内容積1000mlのオートクレーブに、746gのPSVE、パーフルオロ開始剤Xを1.4g入れ、脱気後、TFEで0.3MPaまで充填し、10℃に保ち撹拌することで重合を開始した。重合中は0.3MPaを保持するように、TFEをフィードし続けた。8時間後、パージして重合を止め、HCFC225cbで希釈後、HFC141bを投入することで沈殿させ、さらにHCFC141bで1回洗浄した。ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、70.0gの白色のポリマーを得た。元素分析で硫黄の含有量を求め、イオン交換容量を求めたところ、1.18ミリ当量/g乾燥樹脂であった。以下、得られたポリマーを共重合体Mという。
例13における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において、加水分解に使用する液を水酸化カリウム30%の溶液に変える以外は例13と同様の方法で酸型化ポリマーN、電解質膜N、膜・電極接合体Nを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例13における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において使用する水の水質を、比抵抗が10MΩ・cm、TOCが1300ppbのものに変えた以外は例13と同様の方法で酸型化ポリマーO、電解質膜O、膜・電極接合体Oを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例13で得られた共重合体Mに対し、例10と同様の方法で処理を行い、電解質膜P、膜・電極接合体Pを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例16における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において、加水分解に使用する液を水酸化カリウム30%の水溶液に変えた以外は例16と同様の方法で電解質膜Q、膜・電極接合体Qを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例16における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程において使用する水の水質を、比抵抗が10MΩ・cm、TOCが1300ppbのものに変えた以外は例16と同様の方法で電解質膜R、膜・電極接合体Rを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。
例8における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程の後に、過酸化水素ガスによる処理を行った以外は例8と同様の方法で電解質膜I、膜・電極接合体Sを得た。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。なお、過酸化水素ガスによる処理は、図2に示す方法で、以下の条件で行った。すなわち、過酸化水素水10としては、60℃に加温された30重量%の過酸化水素水10を用い、配管1からは窒素ガスを50ml/minで流した。また、チャンバー4は80℃に加温した状態で電解質膜11を置き、当該電解質膜11を過酸化水素ガスと2時間接触させた。配管3は80℃に加温して配管3内での結露を防ぎ、また、チャンバー4から出たガスは水12中にバブリングして過酸化水素ガスをトラップした。
例11における−SO2F基をスルホン酸基に変換する処理工程の後に、過酸化水素ガスによる処理を行う以外は、例8と同様の方法で電解質膜I、膜・電極接合体Tを得る。例1と同様に評価したときの規格化CH結合量を表1、膜・電極接合体の耐久性能の結果を表2に示す。なお、過酸化水素ガスによる処理は、処理時間を5時間に変更した以外は例19と同様の方法で行う。
なお、2004年8月18日に出願された日本特許出願2004−238460号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (14)
- イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)からなる燃料電池用電解質材料であって、赤外分光法により3100cm−1から2800cm−1までの範囲で計測される主にC−H結合に由来する吸収面積SCHを、2700cm−1から2000cm−1までの範囲で計測される主にC−F結合に由来するピークの吸収面積SCFで除した値が、0.005未満であることを特徴とする電解質材料。
- スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)からなる陽イオン交換樹脂である請求項1に記載の電解質材料。
- CF2=CF2に基づく重合単位とCF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hに基づく重合単位(ただし、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数、nは0〜12の整数、pは0又は1であり、n=0の場合はp=0である。)とを含む共重合体である請求項2に記載の電解質材料。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解質材料とOH基を有する有機溶媒とを含むことを特徴とする液状組成物。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解質材料からなることを特徴とする電解質膜。
- 触媒と電解質材料とを含む触媒層を有するアノード及びカソードと、それらの間に配置される電解質膜とからなる燃料電池用膜・電極接合体において、前記電解質膜を構成する電解質材料、前記アノードの触媒層に含まれる電解質材料及び前記カソードの触媒層に含まれる電解質材料の少なくとも1つの電解質材料は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解質材料からなることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
- イオン交換基の前駆体基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)に対し、フッ素ガスと接触させ、さらに加水分解、酸型化処理、水洗処理をして前記前駆体基をイオン交換基に変換する工程を経て製造する電解質材料の製造方法であって、前記加水分解、前記酸型化処理及び水洗処理の工程で使用する水のTOC(全有機炭素成分)が500ppb以下であることを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
- イオン交換基の前駆体基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)に対し、フッ素ガスと接触させ、さらに加水分解、酸型化処理、水洗処理をして前記前駆体基をイオン交換基に変換する工程を経て製造する電解質材料の製造方法であって、前記加水分解、前記酸型化処理及び前記水洗処理のいずれかの工程の後に、前記パーフルオロカーボン重合体を過酸化水素水と接触させる工程を行い、当該過酸化水素水と接触させる工程の後に前記パーフルオロカーボン重合体を水と接触させる工程においては、当該水としてTOC(全有機炭素成分)が500ppb以下である水を使用することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
- イオン交換基の前駆体基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)に対し、加水分解、酸型化処理、水洗処理をして前記前駆体基をイオン交換基に変換する工程を経て製造する電解質材料の製造方法であって、前記加水分解、前記酸型化処理及び前記水洗処理のいずれかの工程の後に、前記パーフルオロカーボン重合体を過酸化水素ガスと接触させる工程を行い、当該過酸化水素ガスと接触させる工程の後に前記パーフルオロカーボン重合体を水と接触させる工程を行う場合においては、当該水としてTOC(全有機炭素成分)が500ppb以下である水を使用することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
- 前記加水分解をする工程の前に、前記パーフルオロカーボン重合体をフッ素ガスと接触させる請求項9に記載の燃料電池用電解質材料の製造方法。
- 前記前駆体基がイオン交換基に変換され全工程を経て得られる電解質材料は、赤外分光法により3100cm−1から2800cm−1までの範囲で計測される主にC−H結合に由来する吸収面積SCHを、2700cm−1から2000cm−1までの範囲で計測される主にC−F結合に由来するピークの吸収面積SCFで除した値が0.005未満とされる請求項7〜10のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質材料の製造方法。
- イオン交換基の前駆体基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい)に対し、加水分解、酸型化処理、水洗処理をして前記前駆体基をイオン交換基に変換する工程と前記パーフルオロカーボン重合体を製膜する工程とを経て製造する電解質膜の製造方法であって、前記製膜する工程の後であってかつ前記加水分解、前記酸型化処理及び前記水洗処理のいずれかの工程の後に、前記パーフルオロカーボン重合体を過酸化水素ガスと接触させる工程を行い、当該過酸化水素ガスと接触させる工程の後に前記パーフルオロカーボン重合体を水と接触させる工程を行う場合においては、当該水としてTOC(全有機炭素成分)が500ppb以下である水を使用することを特徴とする燃料電池用電解質膜の製造方法。
- 前記加水分解をする工程の前に、前記パーフルオロカーボン重合体をフッ素ガスと接触させる請求項12に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法。
- 前記前駆体基がイオン交換基に変換され全工程を経て得られる電解質材料は、赤外分光法により3100cm−1から2800cm−1までの範囲で計測される主にC−H結合に由来する吸収面積SCHを、2700cm−1から2000cm−1までの範囲で計測される主にC−F結合に由来するピークの吸収面積SCFで除した値が0.005未満とされる請求項12又は13に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法。
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