プロトン伝導性ポリイミド膜の開発と応用

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スルホン酸基がポリイミド主鎖の芳香環に直接結合した芳香族スルホン酸ジアミンおよび、プロピルオキシ基を介して側鎖に結合したものを合成し、NTDAと各種ジアミンとの溶液縮重合・イミド化によりスルホン化ポリイミドS-PIを合成した。スルホン酸基がポリイミド主鎖直結型では、アミン塩基性が強い芳香族スルホン酸ジアミンからのポリイミドほど、そして、エーテル基などフレキシブルなユニットを含むジアミンからのポリイミドほど高温耐水性に優れる。たとえば、80℃水に1000h以上浸漬しても膜強度を保持した。側鎖結合型では,さらに高い耐水性を示した。例えば、80℃水に4000h以上浸漬しても膜強度を保持した。このポリイミドは、疎水性のポリイミド主鎖骨格部と親水性のプロピルオキシスルホン酸基部とがミクロ相分離構造して、スルホン酸基がリッチなチャンネル構造を有するらしい。イオン交換容量(IEC)が大きいほど水収着量は大きく、側鎖結合型のS-PI膜は、膜面積方向の寸法安定性に優れる。ナフィオン膜に比べて、S-PI膜の水収着量は多いが、スルホン酸基1ヶ当たりの収着水分子数λH_2O/SO_3Hは、ナフィオンと同程度であり、側鎖型S-PIの方が、低湿度域でのλが小さい。S-PI膜のプロトン伝導度は、主にイオン交換容量(IEC)に依存し、IECの大きい膜ほど大きいが、1次構造にも依存した。側鎖型のS-PIは、低湿度でもナフィオン117とほぼ同じ伝導度を示したが、主鎖直結型のS-PI膜の伝導度は湿度100%を除いてナフィオンより小さい。これらの側鎖型のS-PIが、主鎖直結型のS-PIに比べて、低湿度で、低い水蒸気収着量にもかかわらず、高いプロトン伝導性を示したのは、スルホン酸基部がチャンネル類似構造を取っているためかもしれない。また、他のスルホン酸化芳香族系炭化水素膜に比べると、S-PIの伝導度はかなり大きい。S-PI膜を触媒坦時炭素電極と熱プレスして、電極-膜接合体を作製し、その燃料電池単セルの電池特性をしらべた。S-PI膜を用いた燃料電池は、比較的高い電池特性を示した。