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(In Japanese)無加湿系プロトン伝導膜,その製法及び燃料電池

Patent code P190016013
File No. (S2016-0705-N0)
Posted date May 9, 2019
Application number P2018-513087
Date of filing Mar 27, 2017
International application number JP2017012358
International publication number WO2017183397
Date of international filing Mar 27, 2017
Date of international publication Oct 26, 2017
Priority data
  • P2016-085786 (Apr 22, 2016) JP
Inventor
  • (In Japanese)野呂 篤史
  • (In Japanese)梶田 貴都
  • (In Japanese)森 貴裕
  • (In Japanese)松下 裕秀
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人名古屋大学
Title (In Japanese)無加湿系プロトン伝導膜,その製法及び燃料電池
Abstract (In Japanese)本発明の無加湿系プロトン伝導膜は、ポリマーと、プロトン伝導性物質とを備えている。ポリマーは、ガラス転移温度又は融解温度がプロトン伝導膜の使用温度よりも高いガラス状又は結晶性の第1の部位と、非共有結合可能な第2の部位とを含む。プロトン伝導性物質は、ポリマーの第2の部位に非共有結合可能なプロトン放出・結合部位とプロトンに配位可能なプロトン配位部位とを相互作用し合う異なる分子に別々に含むか同一分子内に含む。プロトン伝導性物質のプロトン放出・結合部位が結合した第2の部位とプロトン伝導性物質とを含むプロトン伝導混合相は、プロトン伝導膜の使用温度より低く、プロトン放出・結合部位は、ポリマーの第2の部位よりも過多に存在している。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

燃料電池の基本パーツは、プロトン伝導性の固体電解質膜とそれを挟み込む触媒を含有した電極とから構成される。固体電解質膜としては、ナフィオン(登録商標、以下同じ)などのパーフルオロスルホン酸膜が古くから知られている。しかし、パーフルオロスルホン酸膜で高いプロトン伝導率を実現するには、加湿状態とすることが不可欠となる。そのため、燃料電池で発電する際には加湿システムを使用しなければならず、加湿システムの組み込みにより燃料電池装置全体が大きくなったり、手間やメンテナンスコストもかかってしまっていた。こうした状況から、無加湿系での発電が検討されている。近年、無加湿系プロトン伝導膜として、ポリベンゾイミダゾール/リン酸混合系が開発されている(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。この系では、イミダゾールユニットやリン酸イオンが一時的なプロトンキャリアとしての役割をしているとされる。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、無加湿系プロトン伝導膜,その製法及び燃料電池に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
無加湿な状態でプロトン伝導性を示すプロトン伝導膜であって、
ガラス転移温度又は融解温度が前記プロトン伝導膜の使用温度より高いガラス状又は結晶性の第1の部位と他の分子に非共有結合可能な官能基を有する第2の部位とを含むポリマーと、
プロトンを放出可能で前記ポリマーの第2の部位に非共有結合可能な官能基を有するプロトン放出・結合部位とプロトンに配位可能なプロトン配位部位とを相互作用し合う異なる分子に別々に含むか同一分子内に含むプロトン伝導性物質と、
を備え、
前記プロトン伝導性物質の前記プロトン放出・結合部位が結合した前記第2の部位と前記プロトン伝導性物質とを含むプロトン伝導混合相のガラス転移温度は、前記プロトン伝導膜の使用温度より低く、
前記プロトン放出・結合部位は、前記ポリマーの第2の部位よりも過多に存在している、
無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項2】
 
前記第2の部位は前記官能基として塩基性基を有し、前記プロトン放出・結合部位は前記官能基として酸性基を有する、
請求項1に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項3】
 
前記塩基性基は含窒素複素環であり、前記酸性基はカルボン酸基、リン酸基、スルホン酸基及びスルホニルイミド基の少なくとも1つである、
請求項2に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項4】
 
前記酸性基はスルホン酸基及びスルホニルイミド基の少なくとも1つである、
請求項3に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項5】
 
前記プロトン配位部位は、エーテル結合、エステル基、アルコール基、ケトン基及びアミド基の少なくとも1つである、
請求項1~4のいずれか1項に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項6】
 
前記プロトン配位部位は、エーテル結合及びアルコール基の少なくとも1つである、
請求項1~5のいずれか1項に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項7】
 
前記プロトン伝導性物質は、前記プロトン放出・結合部位を含む物質Xと、前記プロトン配位部位を含み前記物質Xと相互作用し合う非水の物質Yとを混合した物質であり、
前記物質Xは、スルホン酸基を側鎖に有するポリマー及びスルホニルイミド基を有するフッ素化合物の少なくとも一つであり、
前記物質Yは、エーテル結合を有するプロトン性溶媒及びアルコール基を有する重合体の少なくとも一つである、
請求項1~6のいずれか1項に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項8】
 
前記プロトン伝導性物質は、前記プロトン放出・結合部位と前記プロトン配位部位とを同一分子内に含む単一の純物質であり、エーテル結合を有するジスルホン酸である、
請求項1~6のいずれか1項に記載の無加湿系プロトン伝導膜。

【請求項9】
 
請求項1~8のいずれか1項に記載の無加湿系プロトン伝導膜を製造する方法であって、
(a)前記ポリマーと前記プロトン伝導性物質とを溶媒に溶解又は分散させることにより混合溶液又は分散液を得る工程と、
(b)前記混合溶液中又は前記分散液中の溶媒を蒸発させることにより前記無加湿系プロトン伝導膜を得る工程と、
を含む無加湿系プロトン伝導膜の製法。

【請求項10】
 
アノードとカソードとの間に請求項1~8のいずれか1項に記載の無加湿系プロトン伝導膜が配置された、燃料電池。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2018513087thum.jpg
State of application right Published
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