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公開番号2025164486
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-30
出願番号2024068492
出願日2024-04-19
発明の名称イオン交換膜、複合体、及び電気化学セル
出願人東洋紡株式会社
代理人
主分類H01M 8/103 20160101AFI20251023BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】低いセル抵抗と電解液に対する耐久性とに優れたイオン交換膜を提供する。
【解決手段】一般式(1)に示されるポリマーを含むことを特徴とするイオン交換膜。
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(Rは2価の芳香族基を表し、ZはO、S、SO₂、CO、C(CH₃)₂、C(CF₃)₂、OPhOのいずれか1種以上を表し、Y1とY2と、のそれぞれは、水素原子または4級アンモニウム塩を含む基、を表すが、前記ポリマーに含まれる、4級アンモニウム塩を含む基、のモル分率をa%とした時、10≦a≦100の範囲であり、他構造のポリベンズイミダゾールとの共重合比をmとした時、mは1から100の整数を表す。)
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
下記一般式（１）に示されるポリマーを含むこと、を特徴とするイオン交換膜。
JPEG
2025164486000015.jpg
45
129
（Ｒは２価の芳香族基を表し、
ＺはＯ、Ｓ、ＳＯ
２
、ＣＯ、Ｃ（ＣＨ
３
）
２
、Ｃ（ＣＦ
３
）
２
、ＯＰｈＯのいずれか１種以上を表し、
Ｙ１とＹ２と、のそれぞれは、水素原子または４級アンモニウム塩を含む基、を表すが、
前記ポリマーに含まれる、４級アンモニウム塩を含む基、のモル分率をａ％とした時、１０≦ａ≦１００の範囲であり、
他構造のポリベンズイミダゾールとの共重合比をｍとした時、ｍは１から１００の整数を表す。）
続きを表示（約 630 文字）【請求項２】
下記一般式（２）に示されるポリマーを含むこと、を特徴とする請求項１に記載のイオン交換膜。
JPEG
2025164486000016.jpg
45
129
（Ｒは２価の芳香族基を表し、
Ｘはスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基から選ばれる一種以上のイオン性基を表し、
ＺはＯ、Ｓ、ＳＯ
２
、ＣＯ、Ｃ（ＣＨ
３
）
２
、Ｃ（ＣＦ
３
）
２
、ＯＰｈＯのいずれか１種以上を表し、
Ｙ１とＹ２と、のそれぞれは、水素原子または４級アンモニウム塩を含む基、を表すが、
前記ポリマーに含まれる、４級アンモニウム塩を含む基のモル分率をｂ％とした時、１０≦ｂ≦１００の範囲であり、
他構造のポリベンズイミダゾールとの共重合比をｎとした時、ｎは９９から０の整数を表す。）
【請求項３】
イミダゾール部位の一部が、共有結合で架橋されていること、を特徴とする、請求項１または２に記載のイオン交換膜。
【請求項４】
請求項１～３のいずれかに記載のイオン交換膜と電極とを含有すること、を特徴とする複合体。
【請求項５】
請求項１～３のいずれかに記載のイオン交換膜、または請求項４に記載の複合体を含有すること、を特徴とする電気化学セル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリベンズイミダゾールを含むイオン交換膜に関するものであり、特にレドックスフロー電池や、アニオン交換膜型水電解装置などの電気化学セルに有用である。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー効率や環境性に優れた、新しい電気化学セルが注目を集めている。例えば、太陽光や風力などの自然エネルギーを貯蔵するためのレドックスフロー電池や、余剰電力を水素に変換するための水電解装置が挙げられる。
【０００３】
レドックスフロー電池は、一般的にポンプの循環によって生じる、硫酸バナジウム溶液中のバナジウムイオンの酸化還元反応により、エネルギーが得られる電池である。このレドックスフロー電池では、両極間のイオンバランスを保つために、イオン交換膜が用いられている。
【０００４】
イオン交換膜では、電気化学セルの低抵抗に寄与するイオン伝導性以外にも、電解液の透過防止や、機械的強度などの性能が必要である。従来のイオン交換膜においては、例えば米国デュポン社製ナフィオン（登録商標）に代表される、スルホン酸基が導入されたパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーや、トクヤマ社製ネオセプタに代表される、ポリスチレンスルホン酸架橋体が用いられている。また、旭ガラス社製のセレミオンＡＰＳやスルホン酸基を導入したポリエーテルスルホンなど、炭化水素を含むイオン交換膜も注目されている。
【０００５】
ナフィオンなどのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含むイオン交換膜は、化学耐久性に優れ、プロトン伝導性が高く、セル抵抗を低くできる長所を有している。しかしながら、ナフィオンは、イオン透過選択性に乏しいという問題点もある。具体的には、充放電中にバナジウムイオンも透過させてしてしまうため、電解液中の活物質量が減少し、充放電サイクルが著しく悪化してしまう。また、高コストである点や、廃棄時の環境負荷が大きいなどの問題点もある。
【０００６】
一方、ポリスチレンスルホン酸架橋体などの炭化水素を含むイオン交換膜は、上記のナフィオンの欠点を補う特長がある。具体的には、低コストで、バナジウムイオンを通しにくく、イオン透過選択性に優れるなどの長所を有している。しかしながら、レドックスフロー電池に用いるにあたっては、耐酸化性が著しく不足しているため、長期運転に耐えられない問題点がある。
【０００７】
水電解装置においては、様々な形式が提案されている。高濃度アルカリ水溶液を用いたアルカリ水電解、高分子電解質を用いたプロトン交換膜（ＰＥＭ）型水電解、及びアニオン交換膜（ＡＥＭ）型水電解などが挙げられる。中でもＡＥＭ型水電解は、希少金属を用いない電極設計が可能であり、装置の低コスト化が図れるだけでなく、資源制約から脱却できるメリットがあるため、ＡＥＭ型水電解装置の社会実装が有望視されている。
【０００８】
ＡＥＭ型水電解装置においては、水酸化物イオンを伝導する機能が必要とされるため、アニオン交換膜が用いられる。アニオン交換膜は、ポリスチレンや、ポリエーテルスルホン等の主鎖骨格に、４級アンモニウム基を導入することにより調製される。しかしながら、ＡＥＭ水電解装置においては、強アルカリかつ８０℃程度での運転となり、ポリマー主鎖や４級アンモニウム基の加水分解による劣化が起こりやすい環境である。
【０００９】
ＡＥＭ型水電解装置に用いられるアニオン交換膜に求められる性能として、耐アルカリ性と、低いセル抵抗が挙げられる。例えば、４級アンモニウム基の導入量を増加させたり、膜の厚みを薄くすることにより、セル抵抗の低い膜を得ることができる。しかしながら、４級アンモニウム基の導入量を増やすと劣化しやすくなり、耐アルカリ性が低下する。また、膜の厚みを薄くすると、機械強度が低下して、リークが起こるなど、セル組み立て時の信頼性を担保することが困難となる。
【００１０】
以上から、イオン交換膜において、レドックスフロー電池やＡＥＭ型水電解装置のような電気化学セルの性能において、電解液に対する耐久性とセル組み立て時の信頼性とは、トレードオフであることが多く、両者を両立させることは極めて困難であった。
（【００１１】以降は省略されています）

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