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高分子電解質、プロトン伝導膜、燃料電池 コモンズ

国内特許コード P130009051
掲載日 2013年4月15日
出願番号 特願2013-045191
公開番号 特開2014-175111
出願日 平成25年3月7日(2013.3.7)
公開日 平成26年9月22日(2014.9.22)
発明者
  • 長尾 祐樹
出願人
  • 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学
発明の名称 高分子電解質、プロトン伝導膜、燃料電池 コモンズ
発明の概要 【課題】本発明は、優れたプロトン伝導性を示す高分子電解質を提供することを目的とする。
【解決手段】式(1)で表される繰り返し単位を有するスルホン酸基含有ポリイミドを含む高分子電解質であって、互いに直交する第1方向、第2方向および第3方向の3方向から観察される高分子電解質のそれぞれの面に対して赤外分光分析を行い、各方向にて測定された赤外線吸収スペクトルの1340~1360cm-1における最大吸光度(Ds)と1650~1690cm-1における最大吸光度(DL)との吸光度比(Ds/DL)をそれぞれ算出し、算出された3つの吸光度比(Ds/DL)のうち最小値と最大値とを選択し、両者の比率(最大値/最小値)が2.0以上である、高分子電解質。



【選択図】なし
従来技術、競合技術の概要



近年、環境問題への対応として燃料電池への期待が大きく高まり、特にプロトン伝導性の高分子電解質膜を用いた高分子電解質型燃料電池は、低温で作動することが可能であり、また、小型軽量化の可能性があることから注目を集めている。

高分子電解質型燃料電池用の高分子電解質膜としては、例えば、ナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標。以下同様)に代表される超強酸基含有フッ素系高分子が知られている。しかし、超強酸基含有フッ素系高分子はフッ素系のポリマーであるため非常に高価であり、また、合成時および廃棄時に環境への配慮が必要となる欠点を有している。

超強酸基含有フッ素系高分子が高価である問題に対し、より安価な炭化水素系高分子電解質膜として、スルホン酸基を有するスルホン化芳香族ポリイミドを用いた高分子電解質膜が開示されている(特許文献1)。

産業上の利用分野



本発明は、高分子電解質に係り、特に、所定の方向に配向されたスルホン酸基含有ポリイミドを含む高分子電解質に関する。

また、本発明は、上記高分子電解質を含むプロトン伝導膜または燃料電池に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
式(1)で表される繰り返し単位を有するスルホン酸基含有ポリイミドを含む高分子電解質であって、
互いに直交する第1方向、第2方向および第3方向の3方向から観察される前記高分子電解質のそれぞれの面に対して赤外分光分析を行い、各方向にて測定された赤外線吸収スペクトルの1340~1360cm-1における最大吸光度(Ds)と1650~1690cm-1における最大吸光度(DL)との吸光度比(Ds/DL)をそれぞれ算出し、算出された3つの前記吸光度比(Ds/DL)のうち最小値と最大値とを選択し、両者の比率(最大値/最小値)が2.0以上である、高分子電解質。
【化1】



(式(1)中、Ar1は芳香環を有する4価の基を表す。Ar2は、少なくとも一つのスルホン酸基またはその塩を含む置換基を有する芳香環を有する2価の基を表す。)

【請求項2】
式(1)中のAr1が、式(2-1)~式(2-5)で示される4価の基からなる群から選択される、請求項1に記載の高分子電解質。
【化2】



(式(2-3)~(2-5)中、ZおよびYは、単結合、-CO-、-O-、または-CO-Ph-CO-を表す。なお、Phはフェニレン基を表す。)

【請求項3】
式(1)中のAr2が、式(3)~式(5)で示される2価の基からなる群から選択される基である、請求項1または2に記載の高分子電解質。
【化3】



(式(3)中、R1は、それぞれ独立に、水素原子またはアルキル基を表す。L1は、-O-、-S-、-C(CF32-、-SO2-、-CO-、アリーレン基、または、アルキレン基を表す。L2は、それぞれ独立に、単結合または2価の有機基を表す。Xは、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム、または4級アミンを表す。nは1~3の整数を表し、mは1~3の整数を表し、n+m=4の関係を満たす。
式(4)中、R1は、水素原子またはアルキル基を表す。L2は、単結合または2価の有機基を表す。Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム、または4級アミンを表す。nは1~3の整数を表し、mは1~3の整数を表し、n+m=4の関係を満たす。
式(5)中、R1は、それぞれ独立に、水素原子またはアルキル基を表す。L1は、それぞれ独立に、-O-、-S-、-C(CF32-、-SO2-、-CO-、アリーレン基、または、アルキレン基を表す。lは、4を表す。Ar3は、式(6)~式(9)で表される基からなる群から選択される基である。
【化4】



(式(6)中、R1は、それぞれ独立に、水素原子またはアルキル基を表す。L1は、-O-、-S-、-C(CF32-、-SO2-、-CO-、アリーレン基、または、アルキレン基を表す。L2は、それぞれ独立に、単結合または2価の有機基を表す。Xは、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム、または4級アミンを表す。nは1~3の整数を表し、mは1~3の整数を表し、n+m=4の関係を満たす。pは、0~2の整数を表す。
式(7)中、L2は、それぞれ独立に、単結合または2価の有機基を表す。Xは、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム、または4級アミンを表す。qは、1~4の整数を表す。
式(8)中、L2は、それぞれ独立に、単結合または2価の有機基を表す。Xは、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム、または4級アミンを表す。qは、1~4の整数を表す。
式(9)中、L2は、それぞれ独立に、単結合または2価の有機基を表す。Xは、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム、または4級アミンを表す。qは、1~4の整数を表す。)

【請求項4】
式(3)、式(4)、式(6)~式(9)中におけるL2が、*1-W-L3-*2で表される基である、請求項1~3のいずれかに記載の高分子電解質。
(Wは、-O-または‐S-を表す。L3は、アルキレン基、アルキレンオキシ基またはこれらを組み合わせた基を表す。*1および*2は結合位置を表し、*2がSO3Xと結合する。)

【請求項5】
請求項1~4のいずれかに記載の高分子電解質を含むプロトン伝導膜。

【請求項6】
請求項1~4のいずれかに記載の高分子電解質を含む燃料電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 公開
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