説明

高分子電解質合成方法、高分子電解質膜、及び固体高分子型燃料電池

【課題】高酸密度電解質の製造に適用可能で、従来法に比べ均一なゲル化により、均一な架橋点を有することで、イオン伝導率を向上させる高分子電解質の合成方法の提供。
【解決手段】(A)カルボニルハライド基、スルホニルハライド基及びホスホハライド基から選択される1種以上の官能基を有するポリマーと、(B)カルボニルアミド基、スルホニルアミド基及びホスホアミド基から選択される1種以上の官能基を有する架橋剤と、(C)PH≧10である塩基発生剤と、(D)これらポリマー、架橋剤及び塩基発生剤を溶解又は分散する溶媒とからなる溶液又は分散体にエネルギー線を照射して及び/又は加熱して、発生する塩基によって、該ポリマーを架橋させる高分子電解質合成方法であって、該塩基発生剤は、エネルギー線及び/又は熱により該グループ(A)と、該グループ(B)との反応中間体に対して選択的に攻撃する塩基を発生する化合物である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、架橋が均一でプロトン伝導性に優れた高分子電解質の合成方法、該高分子電解質からなる高分子電解質膜、及び固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
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ものである。
【0003】
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。
【0004】
ところで、パーフルオロスルホン酸膜に代表されるフッ素系電解質は、C−F結合を有しているために化学的安定性が非常に高く、上述した燃料電池用、水電解用、あるいは食塩電解用の固体高分子電解質膜の他、ハロゲン化水素酸電解用の固体高分子電解質膜としても用いられ、更にはプロトン伝導性を利用して、湿度センサ、ガスセンサ、酸素濃縮器等にも広く応用されているものである。
【0005】
燃料電池の電解質膜としては、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、一部にパーフルオ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。パーフルオ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、Nafion膜(登録商標、Du Pont社)、Dow膜(Dow Chemical社)、Aciplex膜(登録商標、旭化成工業(株)社)、Flemion膜(登録商標、旭硝子(株)社)等が知られている。
【0006】
しかし、従来提案されているパーフルオロスルホン酸系の固体電解質膜は製造が困難で、非常に高価であるという欠点があるとともに、パーフルオロスルホン酸系電解質は耐熱性、耐薬品性、イオン伝導性が十分ではなく、燃料電池等の高温動作に十分対応出来ない等の問題があった。
【0007】
そのため、パーフルオロスルホン酸系電解質に代わるイオン伝導性・イオン交換性材料の開発が望まれていた。例えば、下記特許文献1には、i)1つ以上の酸ハロゲン化物基に結合する架橋剤との反応により、ペンダントの酸ハロゲン化物基を有するポリマーを架橋して、pKa<5を有する1つ以上の基を与えるステップ、又はii)1つ以上のアミド基に結合する架橋剤により、ペンダントのアミド基を有するポリマーを架橋して、pKa<5を有する1つ以上の基を与えるステップを含む架橋ポリマーの製造方法が開示されている。具体的には、ステップi)の架橋剤として、アンモニア、アンモニウム、NHSORSONH(式中、Rは置換されたまたは置換されていないアルキル、置換されたまたは置換されていないアリール、あるいは置換されたまたは置換されていないヘテロ原子官能基である。)、NHSO(CFSONH、およびNHSO(CCl)SONHが開示され、ステップii)の架橋剤として、式、XSORSOX(式中、Xはハロゲンであり、Rは置換されたまたは置換されていないアルキル、置換されたまたは置換されていないアリール、あるいは置換されたまたは置換されていないヘテロ原子官能基である)が開示されている。
【0008】
特許文献1に示される、好ましい一実施態様では、均質なフィルムがPEEK−SOClまたはポリスルホン−SOClと架橋剤NHSOCFCFCFCFSONHとの混合物のTHF溶液からキャストされる。PEEK−SOClまたはポリスルホン−SOClは、PEEKまたはポリスルホンのクロロスルホン化によって得られる。トリエチルアミンまたはNaOH水溶液などの塩基性溶液中に膜を浸漬することで、スルホンアミドおよび塩化スルホニル間に反応が起きて、強酸ビス(スルホニル)イミンが形成する。さらに架橋剤と反応しない塩化スルホニル基はスルホン酸基に加水分解される。
【0009】
図1に、特許文献1の反応経路が図解される。又、図2に、特許文献1の反応経路の反応部を拡大して示す。更に、図3に、特許文献1の反応プロセスを模式的に示す。
【0010】
このように、スルホニルハライド基を導入したPEEKポリマーにつき、フィルム形成後にジスルホニルアミド形成反応で架橋することによりゲル化すると下記のような問題点が生じる。
1)高酸密度では脆性が高く、フィルム化が困難なため,フィルム化できないような高酸密度(>2.5mmol/g)材料には適用出来ない。
2)本反応に必要なポリマー溶解用の溶媒に対し、塩基剤の溶解度が低いため、均一なゲルの形成が困難(攪拌又は長時間の静置が必要+フィルム外部と内部で架橋度が変わる)。
3)プロトン伝導基(前駆体)を架橋反応の分だけ消費するため、高酸密度系で他に適用し得る架橋方法では酸密度が下がる。
【0011】
【特許文献1】WO99/61141号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上記特許文献1に開示された高分子電解質の製造方法の問題点に鑑み、高酸密度電解質の製造に適用可能で、従来法に比べ均一なゲル化により、均一な架橋点を有することで、イオン伝導率を向上させることを目的とする。又、炭化水素系高分子電解質を用いて優れた固体高分子電解質型燃料電池を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明者は鋭意研究した結果、光・熱エネルギーで塩基を発生する特定の塩基発生剤を用いることにより上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。
【0014】
即ち、第1に、本発明は、(A)カルボニルハライド基、スルホニルハライド基及びホスホハライド基から選択される1種以上の官能基を有するポリマーと、(B)カルボニルアミド基、スルホニルアミド基及びホスホアミド基から選択される1種以上の官能基を有する架橋剤と、(C)塩基発生剤と、(D)これらポリマー、架橋剤及び塩基発生剤を溶解又は分散する溶媒とからなる溶液又は分散体にエネルギー線を照射して及び/又は加熱して、発生する塩基によって、該ポリマーを架橋させる高分子電解質合成方法の発明であって、該塩基発生剤は、PH≧10であり、エネルギー線及び/又は熱により該カルボニルハライド基、スルホニルハライド基又はホスホハライド基と、該カルボニルアミド基、スルホニルアミド基又はホスホアミド基との反応中間体に対して選択的に攻撃する塩基を発生する化合物であることを特徴とする。
【0015】
本発明の方法で合成された高分子電解質は、従来法に比べ均一なゲル化により、均一な架橋点を有することで、イオン伝導率が向上している。又、フィルムを形成できず、従来法が適用できなかった高酸密度電解質でも溶媒中でゲル化できるため、本発明が適用できる。
【0016】
本発明の方法によって生成される架橋基としては、ビススルホンイミド基(−SONHSO−)、スルホンカルボンイミド基(−SONHCO−)、及びビスカルボンイミド基(−CONHCO−)から選択される1種以上が好ましく例示される。
【0017】
本発明の方法において用いられる塩基発生剤は、塩基平衡定数(pKa)が9.00以上であり、求核性がジアザビシクロ[4,3,0]ノン−5ネン/ジアザビシクロ[5,4,0]ウンデセ−7−エン(DBN/DBU)より低い塩基であること、電子供与性が低いこと、塩基発生後の分子構造が立体的に本反応を阻害しないことなどである。具体的には、下記式で表される化合物群から選択される1種以上の塩基発生剤が好ましく例示される。又、使用する溶媒も、求核性の低いものでなければならない。具体的には、THF、シクロヘプタノン、シクロヘキサノンなどのエーテル系、ケトン系が好適である。
【0018】
【化1】

【0019】
本発明の方法において用いられる官能基を有するポリマーは、耐熱性の点で芳香族主鎖構造を有する高分子が好ましい。
【0020】
本発明の方法において用いられる、ポリマー、架橋剤及び塩基発生剤を溶解又は分散する溶媒は、上記芳香族主鎖構造を有する高分子を溶解するために、そのsp値が17より大きく20未満であることが好ましい。
【0021】
第2に、本発明は、上記の方法で合成された高分子電解質を含む固体高分子電解質膜である。本発明の固体高分子電解質膜は、耐久性と高いイオン交換能が要求される各種用途に使用できる。具体的には、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、ガスセンサ等に好適に用いられる。
【0022】
第3に、本発明は、上記の高分子固体電解質及び/又は高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池である。本発明の高分子固体電解質及び/又は高分子固体電解質膜を燃料電池に用いることで、耐久性とイオン伝導性に優れた燃料電池を得ることが出来る。
【発明の効果】
【0023】
本発明の方法で合成された高分子電解質は、従来法に比べ均一なゲル化により、均一な架橋点を有することで、イオン伝導率が向上している。又、フィルムを形成できず、従来法が適用できなかった高酸密度電解質でも溶媒中でゲル化できるため、本発明が適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
図4に、本発明の反応経路の反応部を拡大して示す。また、図5に、本発明の反応プロセスを模式的に示す。以下、図1〜3と対比して、本発明の優位性を説明する。
【0025】
従来発明では、図2の「中間体」部で、フィルム状材料外部から塩基を導入し、外側から架橋反応を進行させている。しかし、この方法ではフィルムが成形できないもの(特に高酸密度品)には適応できず、均一なゲルの合成は困難であった。
【0026】
そこで、本発明では、図4に示すように、材料系(溶液)内部に外部刺激によって特定の塩基を発生する塩基発生剤を存在させることで、図3に示す具体的なプロセスのように従来技術の課題を解決した。従来技術の場合、反応する塩基に対しフィルム化した材料を塩基へ浸漬して反応を進めていたが、外部からの反応になるため粗密が出来やすく、脆いゲルが出来る欠点があった。これに対し本発明では、図5に示すように、ポリマー+架橋剤+光塩基発生剤+溶媒の系は均一であり、該均一系で溶液内部で本来は内在しにくい塩基を発生させるため、粗密が出来にくいメリットがある。即ち、本発明の方法では、フィルムを形成できない材料(高酸密度品)でも溶媒中でゲル化できる。
【0027】
本発明で用いる官能基を有するポリマーの主鎖としては、公知の耐熱性高分子を広く用いることが出来る。具体的には、ポリフェニレン、ポリナフタレン、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリチオエーテル、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルスルホン、アルキレン基で連結された芳香族、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリイミド、芳香族ポリエーテルイミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリヒドラジド、芳香族ポリイミン、ポリオキサジアゾール、ポリベンツオキサゾール、ポリベンツイミダゾール、これらのアルキル置換化合物、これらの水酸基置換化合物の群から選択される1種以上が好ましく例示される。
【0028】
官能基を有するポリマーの主鎖には芳香族基以外の連結基が、存在しなくても良いが、存在した方が、主鎖の耐熱性を確保する。具体的には、連結基として、エーテル基、カルボニル基、チオエーテル基、スルホン基、アミド基、ビススルホンイミド基(−SONHSO−)、スルホンカルボンイミド基(−SONHCO−)、ビスカルボンイミド基(−CONHCO−)、アルキレン基の群から選択される1種以上が好ましく例示される。
【0029】
官能基を有するポリマーにイオン伝導基を付与するイオン伝導基によって、電解質としてのイオン伝導性が発揮される。場合によっては、イオン伝導基は、本発明の合成反応後の加水分解等によりプロトン化される。
【0030】
以下に実施例及び比較例を掲げて本発明を更に詳しく説明する。
[実施例1]
数平均分子量62,000、酸密度401mmol/g相当のポリマー、SOCl化PES1.50g、架橋剤テトラフルオロプロピルジスルホニルアミドHNSO(CFSONH(Hu L.Desmarteu D.D. Inorg.Chem.1993,32,5007−5010により合成)0.015g、及び下記構造式の光塩基発生剤(WO/98/041524、WO/03/033500に示されるような方法により合成可能、発生する塩基(ジアザビシクロネン)の平衡定数pKa=12.0)0.100gを東京化成工業製脱水テトラヒドロフラン10ml中、Ar雰囲気下で溶液が透明になるまで十分に攪拌した。
【0031】
【化2】

【0032】
その液をAr雰囲気下中、シャーレ上にキャストしたフナコシ製短波長UVランプ(R−52G)及び長波長UVランプ(B−100A)で短波長UV−長波長UVで各5min露光し、溶液を固化させた。得られたゲルをアセトン中で1hr×2回、10wt%水酸化ナトリウム水溶液中で12hr×1回、2NHCl水溶液中で6hr×1回それぞれ洗浄し、60℃、24hrで真空乾燥した後、均一なゲルを得た。このゲルは水に対し不溶でプロトン伝導率は常温水中で0.18S/cmを示した。
【0033】
[実施例2]
溶媒に東京化成工業製脱水シクロヘプタノンを使用する以外は上記実施例1と同条件でゲルを形成した。このゲルは実施例1同様水に不溶で、プロトン伝導率は常温水中で0.16S/cmを示した。
【0034】
[比較例1]
酸密度4.01mmol/g相当のポリマー、SOCl化PES1.50g、架橋剤テトラフルオロプロピルジスルホニルアミドHNSO(CFSONH(Hu L.Desmarteu D.D. Inorg.Chem.1993,32,5007−5010により合成)0.015g、及び下記構造式の光塩基発生剤(Macromolecules 1995,28,365−369による方法で合成,発生する塩基(n−アルキルモルホリン)の平衡定数pKa=8.50)0.100gを東京化成工業製脱水テトラヒドロフラン10ml中、Ar雰囲気下で溶液が透明になるまで十分に攪拌した。
【0035】
【化3】

【0036】
その液をAr雰囲気下中、シャーレ上にキャストしたフナコシ製短波長UVランプ(R−52G)及び長波長UVランプ(B−100A)で短波長UV−長波長UVで各5min露光した。溶液は固化せず、ゲル状材料は得られなかった。
【0037】
[比較例2]
溶媒に東京化成工業製脱水NMPを使用する以外は上記比較例1と同条件でゲルを形成した。この場合にも溶液は固化せず、ゲル状材料は得られなかった。
【0038】
[比較例3]
酸密度4.01mmol/g相当のポリマー、SOCl化PES1.50g、架橋剤テトラフルオロプロピルジスルホニルアミドHNSO(CFSONH(Hu L.Desmarteu D.D. Inorg.Chem.1993,32,5007−5010により合成)0.015g、及び下記構造式の光塩基発生剤(J.F.Cemeron C.G.Willson et al J.Am.Chem.Soc. 1996,118,1295による方法で合成、発生する塩基(n−ジエチルアミン)の平衡定数pKa=11.2)0.100gを東京化成工業製脱水テトラヒドロフラン10ml中、Ar雰囲気下で溶液が透明になるまで十分に攪拌した。
【0039】
【化4】

【0040】
その液をAr雰囲気下中、シャーレ上にキャストしたフナコシ製短波長UVランプ(R−52G)及び長波長UVランプ(B−100A)で短波長UV−長波長UVで各5min露光した。溶液は固化したものの、ゲル状材料の強度が非常に弱く、伝導率の測定は不可能であった。
【0041】
[比較例4]
特許文献1に基き、ナカライテスク製クロロ硫酸で6hr、90℃処理した、SOCl化三菱化学製PEEK(数平均分子量90,000、酸密度2.97mmol/g)1.50g、架橋剤テトラフルオロプロピルジスルホニルアミドHNSO(CFSONH(Hu L.Desmarteu D.D. Inorg.Chem.1993,32,5007−5010により合成)0.015g、及び下記構造式の光塩基発生剤(WO/98/041524、WO/03/033500に示されるような方法により合成可能)0.100gを東京化成工業製脱水テトラヒドロフラン10ml中、Ar雰囲気下で溶液が透明になるまで十分に攪拌した。
【0042】
【化5】

【0043】
その液をガラス上へ塗布し、ドクターブレード法によりキャストして乾燥させ、膜厚44mmとした。これをトリエチルアミン中へ浸漬し、12hr放置したところ、フィルムは全体が透失した。これをアセトン中で1hr×2回、10wt水酸化ナトリウム水溶液中で12hr×1回、2NHCl水溶液中で6hr×1回それぞれ洗浄し、60℃、24hrで真空乾燥した。得られたゲルは途中で自身の膨潤により破損した。このゲルは水に対し不溶でプロトン伝導率は常温水中で0.07S/cmを示した。
下記表1に、膜伝導率とゲル状態の比較を示す。
【0044】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0045】
本発明の方法によって合成される高分子電解質は、架橋点が均一であり、高伝導度を有する。又、本発明によって合成される高分子電解質からなる電解質膜は、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。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】特許文献1の反応経路を図解して示す。
【図2】特許文献1の反応経路の反応部を拡大して示す。
【図3】特許文献1の反応プロセスを模式的に示す。
【図4】本発明の反応経路の反応部を拡大して示す。
【図5】本発明の反応プロセスを模式的に示す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(A)カルボニルハライド基、スルホニルハライド基及びホスホハライド基から選択される1種以上の官能基を有するポリマーと、(B)カルボニルアミド基、スルホニルアミド基及びホスホアミド基から選択される1種以上の官能基を有する架橋剤と、(C)塩基発生剤と、(D)これらポリマー、架橋剤及び塩基発生剤を溶解又は分散する溶媒とからなる溶液又は分散体にエネルギー線を照射して及び/又は加熱して、発生する塩基によって、該ポリマーを架橋させる高分子電解質合成方法であって、該塩基発生剤は、PH≧10であり、エネルギー線及び/又は熱により該カルボニルハライド基、スルホニルハライド基又はホスホハライド基と、該カルボニルアミド基、スルホニルアミド基又はホスホアミド基との反応中間体に対して選択的に攻撃する塩基を発生する化合物であることを特徴とする高分子電解質合成方法。
【請求項2】
生成される架橋基が、ビススルホンイミド基(−SONHSO−)、スルホンカルボンイミド基(−SONHCO−)、及びビスカルボンイミド基(−CONHCO−)から選択される1種以上であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質合成方法。
【請求項3】
前記塩基発生剤が下記式で表される化合物群から選択される1種以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の高分子電解質合成方法。
【化1】

【請求項4】
前記官能基を有するポリマーが芳香族主鎖を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の高分子電解質合成方法。
【請求項5】
前記ポリマー、架橋剤及び塩基発生剤を溶解又は分散する溶媒のsp値が17より大きく20未満であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の高分子電解質合成方法。
【請求項6】
請求項1乃至5のいずれかに記載の方法で合成された高分子電解質を含む固体高分子電解質膜。
【請求項7】
請求項1乃至5のいずれかに記載の方法で合成された高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池。
【請求項8】
請求項6に記載の高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2010−49880(P2010−49880A)
【公開日】平成22年3月4日(2010.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−211855(P2008−211855)
【出願日】平成20年8月20日(2008.8.20)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】