JP4146753B2 - プロトン伝導性樹脂組成物ならびに電解質膜、電解質膜／電極接合体および燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロトン伝導性樹脂組成物ならびに電解質膜、電解質膜／電極接合体および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題の点から新しいエネルギー蓄電素子またはエネルギー発電素子が社会で強く求められてきている。燃料電池もその１つとして注目されており、低公害、高効率という特徴から最も期待される発電素子である。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料を酸素または空気を用いて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電気エネルギーに変換して取り出すものである。
【０００３】
このような燃料電池は、電解質の種類によって、りん酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型および高分子電解質型に分類される。りん酸型燃料電池は、すでに電力用に実用化されている。しかしながら、りん酸型燃料電池は２００℃前後の高温で作用させる必要があるので、起動に長時間を要し、システムの小型化が困難である。また、りん酸のプロトン伝導度が低いために、大きな電流を取り出せないという欠点を有している。
【０００４】
これに対し、高分子型燃料電池は、操作温度が最高でも約８０〜１００℃程度である。また、電解質膜を薄くすることによって、電池内の内部抵抗を低減できるので、高電流での操作が可能になり、そのため小型化が可能である。このような利点から、高分子型燃料電池の研究が盛んになってきている。
【０００５】
高分子型燃料電池は、通常、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜とその両側に接触して配置される正極および負極から構成される。正極側には酸素が供給され、負極側にはたとえば水素などの燃料が供給される。水素は負極において電気化学的に酸化され、それによりプロトンと電子とが生成する。プロトンは高分子電解質膜内を、酸素が供給される正極に移動する。一方、電子は電池に接続された負荷を通り、正極に流れ、正極においてプロトンと電子とが反応して水を生成する。
【０００６】
高分子型燃料電池に用いる正極、負極といった電極は、電気伝導性を有する導電材、水素の酸化反応、酸素の還元反応を促進する触媒など電極材料と、それを固定する結着剤とにより構成される。
【０００７】
高分子型燃料電池に用いる高分子電解質膜には、燃料電池の電極反応に関与するプロトンについて高いイオン伝導性が要求される。このようなイオン伝導性高分子電解質膜材料としては、商品名Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社製）、Ｄｏｗ膜（ダウ社製）などの超強酸基含有フッ素系高分子が知られている。また、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基などの、イオンに解離し得る残基すなわちプロトン酸基を含有する樹脂からなる高分子電解質膜が提案され（たとえば、特許文献１参照）、さらに様々なプロトン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜が開発されている（たとえば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。しかしながら、超強酸基含有フッ素系高分子は、１００℃前後での水分保持が充分ではないことにより、その温度領域ではプロトン伝導性が急激に低下するという欠点がある。また、従来のプロトン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜には、室温でのプロトン伝導性が低いという欠点がある。
【０００８】
一方、高分子型燃料電池において、電極層の固定、電極層と電解質膜との接着などに用いられる結着剤についてはほとんど報告例が無く、わずかに超強酸基含有フッ素系高分子が用いられているのみである。しかしながら、この超強酸基含有フッ素系高分子は、超強酸基含有フッ素系高分子からなる高分子電解質膜には接着するものの、プロトン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜に対する接着性に乏しい。このため、プロトン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜および電極材料に対して優れた接着力を有する結着剤が求められている。
【０００９】
【特許文献１】
特表平８―５０４２９３号公報
【非特許文献１】
Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９，１４２１−１４２６（１９９８）
【非特許文献２】
Ｐｏｌｙｍｅｒ ４０ ７９５−７９９（１９９９）
【非特許文献３】
Ｐｏｌｙｍｅｒ ４２ ３２９３−３２９６（２００１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、広い温度域に亘って高いプロトン伝導性を示し、耐熱性および耐水性に優れ、さらにプロトン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜および電極材料に対して極めて良好な接着性を示す、プロトン伝導性樹脂組成物を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、広い温度域に亘って高いプロトン伝導性を示し、耐熱性および耐水性に優れる電解質膜および電解質膜／電極接合体、ならびに耐久性に優れ、低抵抗で、高電流操作が可能な燃料電池を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、燃料電池における電解質膜材料および結着剤として好適に使用できる、新規なプロトン伝導性樹脂組成物を得ること成功し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
本発明は、炭素数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環と、プロトン酸基とを含む架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤を含有することを特徴とするプロトン伝導性樹脂組成物である。
【００１４】
本発明に従えば、炭素数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環と、プロトン酸基とを有する架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤を併用することによって、室温から１００℃前後までの広い温度域にわたって高いプロトン伝導性を示し、耐熱性および耐水性に優れ、しかも、スルホン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜などの各種電解質膜および各種電極材料に対して優れた接着性を示すプロトン伝導性樹脂組成物が提供される。
【００１５】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、上述のような優れた特性により、たとえば、燃料電池、二次電池などにおける電解質膜の材料、電解質膜と電極層との接着、電極層の固定化などのための結着剤などとして好適に使用できる。
【００１６】
また本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、炭素原子数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環と、プロトン酸基とを含む架橋性ポリエーテルケトン（以後特に断らないかぎり「プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトン」と称する）が、下記一般式（１）で表わされる繰り返し構造単位１０〜１００モル％および下記一般式（２）で表される繰り返し構造単位０〜９０モル％を含む架橋性ポリエーテルケトンから選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする。
【００１７】
【化６】

【００１８】
〔式中、Ａｒ_１は、炭素数１〜２０のアルキル基が１または２以上置換し、かつハロゲン原子またはハロゲン化炭化水素基が置換してもよい芳香環を含む基を示す。ただしＡｒ_１で示される基に含まれる芳香環の少なくとも１つは炭素数１〜２０のアルキル基の１または２以上で置換されている。ＸおよびＹは同一または異なって、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基およびスルホンイミド基から選ばれるプロトン酸基またはそれらの金属塩を示す。ｘおよびｙは同一または異なって０〜４の整数を示し、ｘ＋ｙは１以上である。〕
【００１９】
【化７】

〔式中、Ａｒ_１は前記に同じ。〕
【００２０】
本発明に従えば、前述のプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの中でも、繰り返し構造単位（１）からなる重合体および繰り返し構造単位（１）と繰り返し構造単位（２）とを含む重合体が好ましい。これらは、プロトン伝導性、耐熱性および耐水性ならびに結着剤としての接着性が特に良好である。
【００２１】
また本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、一般式（１）および（２）において、符号Ａｒ_１で示される基が、下記一般式（３）または（４）で表される基であることを特徴とする。
【００２２】
【化８】

【００２３】
〔式中、Ｒ_１〜Ｒ_８は同一または異なって水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、ハロゲン化炭化水素基またはハロゲン原子を示す。ただしＲ_１〜Ｒ_８の少なくとも一つは炭素数１〜２０のアルキル基を示すものとする。Ａは単結合、−ＣＨ_２−、−Ｃ（ＣＨ_３）_２−、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＳＯ_２−または基
【化９】

を示す。〕
【００２４】
【化１０】

【００２５】
〔式中、Ｒ_９〜Ｒ_１２は同一または異なって水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、ハロゲン化炭化水素基またはハロゲン原子を示す。ただしＲ_９〜Ｒ_１２の少なくとも一つは炭素数１〜２０のアルキル基を示すものとする。〕
【００２６】
本発明に従えば、繰り返し構造単位（１）からなる重合体および繰り返し構造単位（１）と繰り返し構造単位（２）とを含む重合体であるプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの中でも、繰り返し構造単位（１）および／または（２）中に特定の芳香環を含むものが特に好ましい。このようなプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンは、プロトン伝導性、耐熱性、耐水性、電解質膜および電極層に対する接着性などに一層優れている。
【００２７】
また本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、プロトン酸基がスルホン酸基であることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンにおけるプロトン酸基としては、スルホン酸基が好ましい。スルホン酸基を持つ架橋性ポリエーテルケトンは、さらに優れたプロトン伝導性を示す。
【００２９】
また本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、架橋されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明に従えば、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物を、加熱、光照射などの公知の架橋手段により架橋を一層進めることによって、その耐熱性および耐水性がさらに向上する。
【００３１】
また本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、ラジカル発生剤が、アゾ開始剤および過酸化物開始剤から選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする。
【００３２】
本発明に従えば、特定のラジカル発生剤を用いることによって、架橋性ポリエーテルケトンの架橋が一層円滑に進行し、架橋密度がさらに均一になり、耐熱性および耐水性の一層の向上を図ることができる。
【００３３】
また本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、ラジカル発生剤の含有量が、プロトン伝導性樹脂組成物全量の０．０１〜５質量％であることを特徴とする。
【００３４】
本発明に従えば、本発明の樹脂組成物におけるラジカル発生剤の含有量を特定の範囲にすることによって、ラジカル発生剤の添加による効果が最大限に発揮される。
【００３５】
本発明は、前述のうちのいずれかのプロトン伝導性樹脂組成物を含む電解質膜である。
【００３６】
本発明に従えば、本発明の樹脂組成物を製膜することによって得られる電解質膜は、広い温度範囲にわたって高いプロトン伝導性を示し、耐熱性および耐水性に優れる。また高い機械的強度を有する。これらの好ましい特性は、長期間を経過しても、ほとんど低下することなく、高い水準で維持される。
【００３７】
したがって、本発明の電解質膜は、燃料電池、二次電池などの電池用途だけでなく、各種電気分解反応においても好適に使用できる。
【００３８】
本発明は、電解質膜と電極材料および結着剤を含む電解質膜とが結着剤を介しまたは介さずに接合している電解質膜／電極接合体において、電解質膜および／または結着剤が、前述のうちのいずれかのプロトン伝導性樹脂組成物を含むことを特徴とする電解質膜／電極接合体である。
【００３９】
本発明に従えば、本発明の樹脂組成物を含む電解質膜および／または結着剤を用いることによって、接合強度が高く、高水準のプロトン伝導性、耐熱性および耐水性を有する電解質膜／電極接合体が得られる。
【００４０】
本発明は、前述の電解質膜／電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池である。
【００４１】
本発明に従えば、前述の電解質膜／電極接合体を用いて燃料電池を構成することによって、抵抗が低く、高電流操作が可能であり、小型化が容易な燃料電池を得ることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤を含有する。
【００４３】
本発明のプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンは、従来開発されてきたプロトン酸基含有高分子と同様に高いプロトン伝導性を示す。また、この樹脂は、従来電解質膜の材料および結着剤の両方に用いることが試みられてきた超強酸基含有フッ素系高分子と異なり、その構造中に、芳香環、エーテル結合などの極性基を有するため、他の物質、特に従来から知られているプロトン酸基含有芳香族樹脂に対して高い接着性を示す。さらに、この樹脂に光照射、加熱などの処理を施し、架橋の度合いをさらに進行させることによって、さらに高い耐熱性および耐水性が発現される。
【００４４】
本発明のプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンとしては、その主鎖中に、炭素数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環を含み、かつその側鎖にプロトン酸基が置換しているポリエーテルケトンを使用できる。芳香族環に置換した炭素数１〜２０のアルキル基は、本発明のポリエーテルケトンに架橋性を付与する架橋基として作用する。
【００４５】
芳香族環上には、一種のアルキル基が１または２以上置換していてもよい。また異なる２種以上のアルキル基がそれぞれ１または２以上置換していてもよい。炭素数１〜２０のアルキル基としては、たとえば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、エイコシル基などの炭素数１〜２０の直鎖または分岐鎖状アルキル基が挙げられる。これらの中でも、炭素数１〜１０の直鎖または分岐鎖状アルキル基が好ましく、メチル基、エチル基などが特に好ましい。
【００４６】
プロトン酸基は特に制限されず、たとえば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基などが挙げられる。これらの中でも、スルホン酸基、リン酸基、スルホンイミド基などが好ましい。プロトン酸は、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンを構成する繰り返し構造単位において、一種が１または２以上置換していてもよく、あるいは二種以上がそれぞれ１または２以上置換していてもよい。
【００４７】
このようなプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの具体例としては、たとえば、繰り返し構造単位（１）を１０〜１００モル％、および、繰り返し構造単位（２）を０〜９０モル％含む架橋性ポリエーテルケトンが挙げられる。
【００４８】
なお、繰り返し構造単位（１）と繰り返し構造単位（２）とを含む架橋性ポリエーテルケトンにおいては、繰り返し構造単位（１）を１０〜９９．９５モル％および繰り返し構造単位（２）を０．０５〜９０モル％含むものが好ましい。
【００４９】
【化１１】

〔式中、Ａｒ_１、Ｘ、Ｙ、ｘおよびｙは前記に同じ。〕
【００５０】
【化１２】

〔式中、Ａｒ_１は前記に同じ。〕
【００５１】
また、繰り返し構造単位（１）および繰り返し構造単位（２）において、Ａｒ_１で示される、炭素数１〜２０のアルキル基が置換している芳香族環を含む基としては、たとえば、一般式
【００５２】
【化１３】

【００５３】
〔式中、Ｒ_１〜Ｒ_８およびＡは前記に同じ。Ｒ_１〜Ｒ_８の少なくとも１つは炭素数１〜２０のアルキル基を示す。〕
【００５４】
【化１４】

【００５５】
〔式中、Ｒ_９〜Ｒ_１２は前記に同じ。Ｒ_９〜Ｒ_１２の少なくとも１つは炭素数１〜２０のアルキル基を示す。〕
などが挙げられる。
【００５６】
一般式（３）および（４）において、Ｒ_１〜Ｒ_１２で示されるハロゲン化炭化水素基としては、たとえば、トリフルオロメチル基、ジフルオロメチル基、フルオロメチル基、クロロメチル基、トリフルオロエチル基、パーフルオロエチル基などが挙げられる。Ｒ_１〜Ｒ_１２で示されるハロゲン原子としては、たとえば、塩素、フッ素、臭素、ヨウ素などが挙げられる。
【００５７】
プロトン酸基含有架橋性芳香族樹脂において、これらの架橋基が架橋反応に関与する機構を、ポリマー主鎖中にカルボニル基を含みかつポリマー主鎖中の芳香環にメチル基が直接結合している場合を例にとり、下記反応式に基づいて説明する。
【００５８】
本発明のプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンにおいて、主鎖中に含まれる芳香族環に置換した炭素数１〜２０のアルキル基が架橋反応に関与する機構を、炭素数１〜２０のアルキル基がメチル基である場合を例に取り、下記反応式に基づいて説明する。
【００５９】
【化１５】

【００６０】
上記反応式に示すように、ラジカル発生剤Ｘによって生じたラジカルが、ベンゾフェノン上へ移動し、メチル基から水素を引き抜く。引き続き、ベンジルラジカルの二量化、ベンジルラジカルとアルコール性炭素ラジカルカップリング反応、アルコール性炭素ラジカルの二量化のような架橋が起こっていると考えられる。
【００６１】
プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンは、たとえば、以下の方法によって得ることができる。
【００６２】
たとえば、一般式（５）
【化１６】

【００６３】
〔式中、Ｒ_１〜Ｒ_８およびＡは前記に同じ。ただしＲ_１〜Ｒ_８の少なくとも１つは炭素数１〜２０のアルキル基を示す。〕
で表される芳香族ジヒドロキシ化合物（５）および一般式（６）
【００６４】
【化１７】

【００６５】
〔式中、Ｒ_９〜Ｒ_１２は前記に同じ。ただしＲ_９〜Ｒ_１２の少なくとも１つは炭素数１〜２０のアルキル基を示す。〕
で表される芳香族ジヒドロキシ化合物（６）から選ばれる１種または２種以上と、一般式（７）
【００６６】
【化１８】

【００６７】
〔式中、Ｘ、Ｙ、ｘおよびｙは前記に同じ。Ｚはハロゲン原子を示す。〕
で表される芳香族ジハライド化合物（７）および一般式（８）
【００６８】
【化１９】

〔式中Ｚは前記に同じ。〕
で表される芳香族ジハライド化合物（８）から選ばれる１種または２種以上とを縮合重合することによって製造できる。
【００６９】
アルキル基を含有する芳香族ジヒドロキシ化合物（５）としては、たとえば、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニル、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニル、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、３，３’，５，５’−テトラエチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、２，２−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（３−エチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、α，α’−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジイソプロピルベンゼンなどが挙げられる。
【００７０】
アルキル基を含有する芳香族ジヒドロキシ化合物（６）としては、たとえば、２−メチルハイドロキノン、２−エチルハイドロキノン、２−イソプロピルハイドロキノン、２−オクチルハイドロキノン、２，３−ジメチルハイドロキノン、２，３−ジエチルハイドロキノン、２，５−ジメチルハイドロキノン、２，５−ジエチルハイドロキノン、２，５−ジイソプロピルハイドロキノン、２，６−ジメチルハイドロキノン、２，３，５−トリメチルハイドロキノン、２，３，５，６−テトラメチルハイドロキノンなどが挙げられる。
【００７１】
アルキル基を有さない芳香族ジヒドロキシ化合物（５）および（６）としては、たとえば、４，４’−ジヒドロキシビフェニル、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、１，４−ビス（４−ヒドロキシフェニル）ベンゼン、α，α’−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジメチルベンゼン、α，α’−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジイソプロピルベンゼン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、1，４−ビス（４−ヒドロキシベンゾイル）ベンゼン、３，３−ジフルオロ−４，４’−ジヒドロキビフェニル、ハイドロキノン、レゾルシン、カテコールなどが挙げられる。
【００７２】
芳香族ジヒドロキシ化合物（５）および（６）は、１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。芳香族ジヒドロキシ化合物（５）および（６）の種類およびその使用量を適宜調整することによって、架橋性のアルキル基を所望量含有するプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンを得ることができる。
【００７３】
プロトン酸基を含有する芳香族ジハライド化合物（７）としては、芳香族ジハライド化合物（８）のスルホン化物が挙げられる。スルホン化物はＮａ、Ｋなどのアルカリ金属塩も含む。スルホン化物は、芳香族ジハライド化合物に発煙硫酸などの公知のスルホン化剤を作用させる方法（Macromolecular Chemistry and Physics,199, 1421(1998)）などの公知のスルホン化法によって得ることができる。プロトン酸基含有芳香族ジハライド化合物としては前記のスルホン化物のほかに、２カルボン酸基を有する芳香族ジハライド化合物およびそのアルカリ金属塩、５，５’−カルボニルビス（２−フルオロベンゼンホスホン酸）などのリン酸基を有する芳香族ジハライド化合物およびそのアルカリ金属塩、スルホンイミド基を有する芳香族ジハライド化合物およびそのアルカリ金属塩などが挙げられる。
【００７４】
芳香族ジハライド化合物（８）としては、たとえば、４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、３，３’−ジフルオロベンゾフェノン、４，４’−ジクロロベンゾフェノン、３，３’−ジクロロベンゾフェノンなどが挙げられる。
【００７５】
芳香族ジハライド化合物（７）および（８）は１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。プロトン酸基を含有する芳香族ジハライド化合物およびプロトン酸基を含有しない芳香族ジハライド化合物を適宜組み合わせて使用し、かつその使用量を適宜調整することによって、所望のプロトン酸基の量を有するプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンを得ることができる。
【００７６】
縮合重合の条件は、従来公知の方法に基づいて適宜選択することができる。条件の選択にあたっては、たとえば、「新高分子実験学３ 高分子の合成・反応（２）」１５５〜１７５頁〔共立出版（１９９６年）〕、「実験化学講座２８ 高分子化学」３２６〜３３２頁〔丸善株式会社（１９９２年）〕、「新実験化学講座１９ 高分子化学（I）」１３７〜１３８頁〔丸善株式会社（１９７８年）〕などに記載の方法を参照することができる。
【００７７】
なお、プロトン酸基をＮａ塩、Ｋ塩などの金属塩の形態で有している芳香族ジハライド化合物（７）を原料化合物として用いる場合、得られる架橋性ポリエーテルケトンも、金属塩の形態でプロトン酸基を含有している。このような架橋性ポリエーテルケトンについては、イオン交換を行ってプロトン酸の金属塩をプロトン酸基に変換することができる。また、このような架橋性ポリエーテルケトンを用いて、電解質膜、電極層または結着剤層を形成したのちに、イオン交換を行い、プロトン酸基に変換することができる。イオン交換は公知の方法に従って実施でき、たとえば、硫酸水溶液などの酸水溶液を用いる方法などが挙げられる。
【００７８】
プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの分子量に特に制限はないが、製膜性などを考慮すると、その分子量が還元粘度（ηinh）にして通常０．１〜５．０ｄｌ／ｇ好ましくは０．２〜４．０ｄｌ／ｇ、さらに好ましくは０．３〜３．０ｄｌ／ｇである。なお、前記の還元粘度は、ジメチルスルホキシド中、試料濃度０．５ｇ／ｄｌ、３５℃で測定した値である。０．１ｄｌ／ｇより著しく低いと、本発明樹脂組成物の機械的強度が低下し、電解質膜および結着剤として用いる場合に、充分な膜強度および接着力を得ることができない。５．０ｄｌ／ｇを著しく超えると、製膜する際に溶媒に溶解することが困難になり、製膜性が低下するとともに、電極材料との混合、ワニスとしての使用などが困難になる。
【００７９】
本発明においては、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンとともに、ラジカル発生剤を使用する。ラジカル発生剤としては特に制限されず、併用するプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの種類および含有量、架橋を行うならばその際の架橋温度などの各種条件に応じて、公知のものから適宜選択して使用できる。ラジカル発生剤の具体例としては、たとえば、アゾ開始剤、過酸化物開始剤などが挙げられる。これらの中でも、２，２’−アゾビス−イソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、２，２’−アゾビス−メチルブチロニトリル（ＡＭＢＮ）、１，１’−アゾビス−１−シクロヘキサンカルボニトリル(ＡＣＨＮ)などのアゾ開始剤、ベンゾイルパーオキサイド(ＢＰＯ)、ジクミルパーオキサイド(ＤＣＰ)、ｔ−ブチルパーオキサイド(Ｄ)などが好ましい。ラジカル発生剤は１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。ラジカル発生剤の含有量は特に制限されず、併用するプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの種類および含有量、ラジカル発生剤そのものの種類、架橋を行うならばその際の架橋温度などの各種条件に応じて広い範囲から適宜選択できるが、通常は本発明のプロトン伝導性樹脂組成物全量の０．０１〜５質量％、好ましくは０．０５〜３質量％である。そして、残部がプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンである。０．０１質量％を著しく下回ると、架橋が充分に進行しない可能性がある。一方５質量％を大幅に超えると、得られる架橋物中にラジカル発生剤が残留し、架橋物の物性に影響をおよぼすおそれがある。
【００８０】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、その好ましい特性を損なわない範囲で、公知のイオン伝導性樹脂、イオン伝導性無機物質などを含んでいてもよい。公知のイオン伝導性樹脂としては、たとえば、フッ素樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリオレフィン、エポキシ樹脂などの合成樹脂に、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、スルホンイミド基などのプロトン酸基を付与したものなどが挙げられる。イオン伝導性無機物質としては公知のものを使用でき、その中でも、シリカなどが好ましい。公知のイオン伝導性樹脂およびイオン伝導性無機物質は、それぞれ１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。
【００８１】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、その好ましい特性を損なわない範囲で、従来から、燃料電池用の電解質膜の材料になる樹脂組成物に含まれる各種の添加剤の１種または２種以上を含んでいてもよい。このような添加剤としては、たとえば、リン酸、硫酸などの無機酸、無機繊維、有機繊維などの繊維状無機充填材、チタニア、アルミナなどの粒子状または薄片状無機充填材などが挙げられる。
【００８２】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤とを一般的な混合分散手段に従って混合することによって製造できる。
【００８３】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物の好ましい形態は、溶液または懸濁液であるワニスの形態である。ここで使用される溶媒としては、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤を溶解または分散できるものであれば特に制限されず、たとえば、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、塩化メチル、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、ジクロロエチルエーテル、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチルなどの脂肪酸エステル類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなどのアミド類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸ジメチルなどの非プロトン性極性溶媒などがあげられる。溶媒は１種を単独で使用できまたは必要に応じて２種以上を併用できる。ワニス中の固形分濃度（プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンとラジカル発生剤との合計量）は特に制限されず、広い範囲から適宜選択できるが、通常は１〜８０質量％、好ましくは３〜５０質量％である。
【００８４】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、熱または光により架橋することができる。熱により架橋する場合、その熱供給方法は特に限定されず、通常のオーブンなどによる加熱で十分である。また、加熱温度および加熱時間は、用いる架橋性ポリエーテルケトンの構造および含有量、用いるラジカル発生剤の種類および含有量、本発明の樹脂組成物が製膜化されている場合にはその膜厚などの各種条件に応じて広い範囲から適宜選択できるが、それぞれ、通常は８０〜３００℃、好ましくは１００〜２５０℃および通常は０．１〜１８０分間、好ましくは１〜６０分間である。光による架橋を併用する場合、用いる光源は特に限定されず、通常、紫外線光、可視光の範囲の光が照射できる光源を用いることができる。具体的には、低圧水銀灯、高圧水銀灯、キセノンランプ、メタルハライド灯などが挙げられる。また、照射線量は、用いる架橋性ポリエーテルケトンの構造および含有量、用いるラジカル発生剤の種類および含有量、本発明の樹脂組成物が製膜化されている場合にはその膜厚などの各種条件に応じて広い範囲から適宜選択できるが、通常１００〜４００００ｍＪ／ｃｍ^２、好ましくは５００〜２００００ｍＪ／ｃｍ^２である。
【００８５】
本発明の電解質膜は、本発明の樹脂組成物を含む電解質膜材料を製膜化することによって製造することができる。
【００８６】
製膜化は公知の方法に従って実施でき、たとえば、固形物の形態の電解質膜材料をプレス成形によって製膜する方法、ワニス形態の電解質膜材料をキャスト法によって製膜する方法などが挙げられる。
【００８７】
電解質膜の厚さに特に制限はないが、通常１０〜２００μｍ、好ましくは３０〜１００μｍである。この範囲内であれば、充分な膜強度が得られ、かつ膜抵抗が実用上充分に低くなる。すなわち、電池の正極と負極の燃料を遮断し、かつ、充分なイオン伝導性を有することで、燃料電池として優れた発電性能を得ることができる。膜厚が１０μｍを著しく下回ると、正極燃料と負極燃料のクロスオーバーを十分に抑制しきれない可能性がある。また２００μｍを大幅に超えると、膜抵抗が高くなりすぎ、発電性能に悪影響をおよぼすおそれがある。膜厚の制御は、製膜時の条件、たとえばプレス成形時の温度、圧力、キャスト時のワニス濃度、塗布厚などを適宜調整することにより行われる。
【００８８】
本発明の電解質膜／電極接合体は、電解質膜と電極材料および結着剤を含む電解質膜とが結着剤を介しまたは介さずに接合している電解質膜／電極接合体において、電解質膜および／または結着剤が、前述のうちのいずれかのプロトン伝導性樹脂組成物を含む。
【００８９】
本発明の電解質膜／電極接合体は、たとえば、プロトン伝導性高分子電解質膜と、その両側に接触して配置される正極電極層および負極電極層とを含んで構成される。正極電極層は、正極電極材料と結着剤とを含む。負極電極層は、負極電極材料と結着剤とを含む。
【００９０】
プロトン伝導性高分子電解質膜としては、前述の本発明の電解質膜および公知のプロトン伝導性高分子電解質膜を使用できる。公知のプロトン伝導性電解質膜を使用することもでき、たとえば、超強酸基含有フッ素樹脂からなる電解質膜、プロトン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜などが挙げられる。
【００９１】
電極層に含まれる電極材料としては公知のものを使用でき、たとえば、導電材料、水素の酸化反応および／または酸素の還元反応を促進する触媒などが挙げられる。
【００９２】
導電材料としては公知の電気伝導性物質を使用でき、たとえば、各種金属、炭素材料などが挙げられる。それらの中でも、たとえば、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが好ましい。導電材料は１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。導電性材料は、粉末状またはシート状に成形して使用される。触媒としては水素の酸化反応および／または酸素の還元反応を促進する金属を使用でき、たとえば、鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウム、それらの２種以上の合金などが挙げられる。触媒は１種を単独で使用できまたは２種以上を併用できる。さらに、導電性材料の１種または２種以上と、触媒の１種または２種以上とを併用することもできる。
【００９３】
電極層に用いられる結着剤は、本発明の樹脂組成物を含んでいる。このような結着剤は、さらに、公知のプロトン酸基含有合成樹脂、イオン伝導性無機物質などの１種または２種以上を含んでいてもよい。公知のプロトン酸基含有合成樹脂としては、たとえば、フッ素樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ樹脂、ポリオレフィンなどの合成樹脂に前記と同様のプロトン酸基を付与した高分子化合物が挙げられる。これらの中でも、超強酸基含有フッ素樹脂などが好ましい。イオン伝導性無機物質としては、たとえば、シリカなどが挙げられる。このような結着剤は、電解質膜が本発明の電解質膜である場合および公知プロトン伝導性高分子電解質膜である場合のいずれにも使用できる。
【００９４】
電極層の厚さは特に制限されず、広い範囲から各種条件に応じて適宜選択できるが、燃料電池としての発電性能などを考慮すると、通常５００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下である。
【００９５】
電極層における電極材料と結着剤との配合比率は特に制限されず、広い範囲から適宜選択できるが、電極の機械的強度、発電効率などを考慮すると、結着剤の含有量を、結着剤と電極材料との合計量の５〜９０質量％にするのが好ましい。
【００９６】
また、電解質膜と電極材料を積層（接着）するために結着剤を用いることができる。電解質膜が本発明の電解質膜である場合は、本発明の樹脂組成物を含む結着剤および本発明の樹脂組成物を含まない結着剤の両方を用いることができる。本発明の樹脂組成物を含む結着剤は、電極層に用いられるものと同様である。本発明の樹脂組成物を含まない結着剤は、公知のプロトン酸基含有合成樹脂、イオン伝導性無機物質などを含んでいる。また、電解質膜が本発明の電解質膜ではない場合は、前述の、本発明樹脂組成物を含む結着剤を使用できる。
【００９７】
電解質膜と電極層との接合は、公知の方法を従って行われる。たとえば、下記の方法が挙げられる。
【００９８】
１）本発明の樹脂組成物および／または従来のプロトン伝導性樹脂を含むワニスを、カーボンペーパーなどの基材に噴霧・塗布し電極とした上、直接電解質膜に接合する方法。
【００９９】
２）本発明の樹脂組成物および／または従来のプロトン伝導性樹脂を含むワニスを、カーボンペーパーなどの基材に噴霧・塗布の後、乾燥し、電極とした上、本発明の樹脂組成物および／または従来のプロトン伝導性樹脂を含むワニスを用いて電解質膜に接合する方法。
【０１００】
３）本発明の樹脂組成物および／または従来のプロトン伝導性樹脂を含むワニスを、直接電解質膜に噴霧・塗布の後、乾燥し接合する方法。
【０１０１】
４）他の方法を用いて作成した電極を、本発明の樹脂組成物および／または従来のプロトン伝導性樹脂を含むワニスを用いて電解質膜に接合する方法。
【０１０２】
上記１）〜４）の方法における接合には公知の方法を採用でき、たとえば、熱プレス、コールドプレス、超音波溶着などが挙げられる。その中でも、熱プレスが好ましい。
【０１０３】
電解質膜および／または電極層は、接合前に光および／または熱によって架橋してもよい。また、接合後に、熱により架橋することもできる。架橋は、前述の架橋方法と同様に実施できる。
【０１０４】
本発明の電解質膜／電極接合体においては、ラジカル発生剤から生じるラジカルにより、電解質膜および結着剤それぞれの内部の架橋と界面での架橋が起き、化学結合が生じるため、接合体の接着力が向上すると考えられる。
【０１０５】
本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜／電極接合体を含むことを特徴とする。
【０１０６】
たとえば、本発明の燃料電池は、プロトン伝導性高分子電解質膜とその両側に接触して配置される正極電極層および負極電極層とを含む電解質膜／電極接合体と、燃料および酸素の流路加工を施したセパレータとを含んで構成され、電解質膜／電極接合体はセパレータによって挟まれている。このような燃料電池においては、燃料の水素は負極において電気化学的に酸化されてプロトンと電子を生成する。このプロトンは高分子電解質膜内を、酸素が供給される正極に移動する。一方、負極で生成した電子は電池に接続された負荷を通り、正極に流れ、正極においてプロトンと電子が反応して水を生成する。
【０１０７】
【実施例】
以下に合成例、参考例および実施例を挙げ、本発明を具体的に説明する。なお、実施例中の各種試験の試験方法は次に示すとおりである。
【０１０８】
（イ）スルホン酸基含有ポリエーテルケトンの還元粘度
ポリエーテルケトン粉０．５０ｇをジメチルスルホキシド１００ｍｌに溶解した後、３５℃において測定した。
【０１０９】
（ロ）５％重量減少温度
空気中にてＤＴＡ−ＴＧ（商品名：ＴＧ−ＤＴＡ２０００、マック・サイエンス社製）を用い、昇温速度１０℃／分で測定した。
【０１１０】
（ハ）ガラス転移温度
示差走査熱量測定機（ＤＳＣ、商品名：ＤＳＣ３１００、マック・サイエンス社製）により昇温速度１０℃／分で測定した。
【０１１１】
（ニ）プロトン交換
プロトン酸の金属塩などは以下の方法でフリーのプロトン酸に戻した。
１）スルホン酸基含有ポリエーテルケトン膜を２Ｎ硫酸に一晩浸す。
２）酸処理した膜を蒸留水に一晩浸した。
３）酸処理および蒸留水で洗浄した膜を１５０℃で４時間乾燥して、フリーのスルホン酸を含有する膜を得た。
【０１１２】
（ホ）架橋
メタルハライドランプを用いて６０００ｍＪ／ｃｍ^２の光照射を行い、架橋させた。
【０１１３】
合成例１
窒素導入管、温度計、還流冷却器、および撹拌装置を備えた５つ口反応器に、５，５’−カルボニルビス（２−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム）４．２２ｇ（０．０１モル）、４，４’−ジフルオロベンゾフェノン２．１８ｇ（０．０１モル）、２，２−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン５．６９ｇ（０．０２モル）および炭酸カリウム３．４６ｇ（０．０２５モル）を秤取した。これにジメチルスルホキシド４０ｍｌおよびトルエン３０ｍｌを加え、窒素雰囲気下で撹拌し、１３０℃で２時間加熱し、生成する水を系外に除去した後、トルエンを留去した。引き続き、１６０℃で１４時間反応を行い、粘稠なポリマー溶液を得た。得られた溶液にジメチルスルホキシド６０ｍｌを加えて希釈した後濾過した。この濾液（ポリマー溶液）をアセトン６００ｍｌに排出し、析出したポリマー粉を濾取して１６０℃で４時間乾燥し、ポリマー粉１０．３９ｇ（収率９２％）を得た。このポリマー粉は、スルホン酸Ｎａ含有架橋性ポリエーテルケトン粉であり、対数粘度が０．８５ｄｌ／ｇ、ガラス転移温度が２３０℃および５％重量減少温度は３６７℃であった。
【０１１４】
実施例１（電解質膜の調製）
合成例１で得られた粉末ポリマー１００重量部に対してジクミルパーオキサイド（ラジカル発生剤）０．１重量部を用い、粉末ポリマー９．９９ｇおよびジクミルパーオキサイド０．０１ｇをジメチルスルホキシド８１．８２ｍｌに溶解し、ワニスを調製した。このワニスをガラス基板上に６０ｍｇ／ｃｍ^２の割合でキャストし、２００℃で４時間加熱して乾燥および架橋を行い、スルホン酸Ｎａ含有架橋ポリエーテルケトン膜を得た。さらにプロトン交換を行い、膜厚約４０μｍのスルホン酸基含有架橋ポリエーテルケトン膜を得た。得られた膜は可とう性に富み、強靭であった。
【０１１５】
参考例１
合成例１で得られた粉末ポリマー１０．０ｇをジメチルスルホキシド８１．８２ｍｌに溶解し、このワニスをガラス基板上に６０ｍｇ／ｃｍ^２の割合でキャストし、２００℃で４時間乾燥し、膜厚約４０μｍのスルホン酸Ｎａを含有するポリエーテルケトン膜を得た。
【０１１６】
参考例２
参考例１で得られたスルホン酸Ｎａを含有するポリエーテルケトン膜を（ホ）の方法に従って架橋し、さらにプロトン交換を行い、膜厚約４０μｍのスルホン酸基含有架橋ポリエーテルケトン膜を得た。得られた膜は可とう性に富み、強靭であった。この電解質膜は、結着剤として、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物を含む結着剤を用いる際に、本発明の電解質膜／電極接合体として使用できる。
【０１１７】
参考例１で得られたスルホン酸Ｎａ含有ポリエーテルケトン膜の一部をジメチルスルホキシドに浸したところ完全に溶解し、水に浸したところ一部溶解した部分が見られた。
【０１１８】
一方、実施例１および参考例２で得られたプロトン酸基含有架橋ポリエーテルケトン膜は、ジメチルスルホキシドおよび水に完全に不溶化し、参考例１のものよりも耐薬品性および耐水性が向上していることが確認された。
【０１１９】
実施例２
次の様にして、本発明の電解質膜／電極接合体および燃料電池を製造した。
【０１２０】
２−１）電解質膜
参考例２で得られた電解質膜を用いた。
【０１２１】
２−２）空気極電極層（正極電極層）の作成
合成例１で得られたスルホン酸Ｎａ含有ポリエーテルケトン粉をプロトン交換した粉末１．０ｇおよびジクミルパーオキサイド（ラジカル発生剤）２ｍｇを、蒸留水１０．０ｇとテトラヒドロフラン９．０ｇとの混合溶媒に溶解し、ワニス形態の本発明樹脂組成物を調製した。
【０１２２】
このワニス２０ｇと３０質量％Ｐｔ担持触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｖ３０Ｅ、田中貴金属（株）製）１．０ｇと混合し、超音波印加ののち撹拌し、空気極触媒組成物を調製した。
【０１２３】
この空気極触媒組成物を、カーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ−Ｈ−０６０、東レ（株）製）の上にアプリケータを用いて塗工し、５０℃で１２時間真空乾燥した後、５ｃｍ^２に切り出し空気極電極を作成した。触媒塗工量はＰｔ量で２ｍｇ／ｃｍ^２とした。
【０１２４】
２−３）燃料極電極層（負極電極層）の作成
上記２−２）と同様にして得られたワニス形態の本発明樹脂組成物２０ｇと３３質量％ＰｔＲｕ担持触媒（商品名：ＴＥＣ６１Ｖ３３、田中貴金属（株）製）１．０ｇと混合し、超音波印加ののち撹拌し、燃料極触媒組成物を調製した。
【０１２５】
この燃料極触媒組成物を、カーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−０６０）の上にアプリケーターを用いて塗工し、５０℃で１２時間真空乾燥した後、５ｃｍ^２に切り出し燃料極電極層を作成した。触媒塗工量はＰｔＲｕ量で２ｍｇ／ｃｍ^２とした。
【０１２６】
２−４）接合体の作成
上記で得られたスルホン酸基含有ポリエーテルケトン電解質膜、空気極電極層および燃料極電極層のそれぞれ１枚ずつを、２０質量％テトラヒドロフラン水溶液を噴霧しながら、所定の順番に積層し、あらかじめ８０℃に加熱した熱プレスに導入し、０．４ＭＰａの圧力を電極面のみに加えた。その後、加圧した状態のまま、８０℃から１３０℃まで１５分を要して昇温させた。得られた電解質膜／電極接合体はほぼ乾燥状態であったが、電極の剥離はなかった。
【０１２７】
２−５）燃料電池の作成
上記で得られた電解質膜／電極接合体を、燃料電池試験セル（商品名：ＥＦＣ−０５−ＲＥＦ、エレクトロケム（Electrochem）社製）に組み込み、図１に示す本発明の燃料電池を製造した。
【０１２８】
図１に示す本発明の燃料電池１は、電解質膜２と、電解質膜２の両側に接合された空気極電極層３ａおよび燃料極電極層３ｂと、電解質膜２の空気極電極層３ａおよび燃料極電極層３ｂが接合していない面に接するように配置されるガスケット４ａ，４ｂと、空気極電極層３ａおよびガスケット４ａに接するように配置されるセパレータ５ａと、燃料極電極層３ｂおよびガスケット４ｂに接するように配置されるセパレータ５ｂと、セバレータ５ａの内部に、空気極電極層３ａに接するように設けられる空気供給用流路６ａと、セパレータ５ｂの内部に、燃料極電極層３ｂに接するように設けられる燃料供給用流路６ｂと、セパレータ５ａの空気供給用流路６ａの設けられていない面に接するように配置される加圧板７ａと、セパレータ５ｂの燃料供給用流路６ｂの設けられていない面に接するように配置される加圧板７ｂとを含んで構成され、加圧板７ａ，７ｂのそれぞれ両端を、締め付けボルト８によって固定化されている。
【０１２９】
２−６）発電試験
燃料電池に１Ｍメタノール水溶液と空気とを供給し、電子負荷付与装置（商品名：ＰＥＬ１５１−２０１、ＫＥＮＷＯＯＤ（株）製）によって電子付加をかけて電流を増加させながら、燃料電池の電圧を測定し、その電池特性を評価した。
【０１３０】
電圧の測定には、図２に示す評価システムを用いた。この評価システムにおいては、本発明の燃料電池１には、燃料供給ライン９ａと、燃料排出ライン９ｂと、空気供給ライン１０ａと、空気排出ライン１０ａ，１０ｂと、燃料電池セル１に電子負荷をかけるための電子負荷付与装置１１とが接続される。燃料供給ライン９ａには、流量コントローラー１２と、送液ポンプ１３とが設けられている。燃料排出ライン９ｂには、流量コントローラー１２が設けられている。これら２つの流量コントローラー１２を適宜調節することによって、燃料電池セル１内での燃料の流速を適宜変更することができる。空気供給ライン１０ａには、流量コントローラー１２と、空気を加湿するための加湿バブリングタンク１４とが設けられている。空気排出ライン１０ｂには、流量コントローラー１２が設けられている。これら２つの流量コントローラー１２を適宜調節することによって、燃料電池セル１内での空気の流速を適宜変更することができる。
【０１３１】
燃料供給ライン９ａを流過するメタノール水溶液は、流量コントローラー１２による流量調節を受けながら、送液ポンプ１３によって燃料電池１内に供給され、そこでメタノールが消費された残液は、燃料排出ライン９ｂから系外に排出される。
【０１３２】
一方、空気供給ライン１０ａを流過する空気は、流量コントローラー１２による流量調節を受け、加湿バブリングタンク１４に導入されて加湿され、その後燃料電池１内に供給され、そこで酸素が消費された空気は、空気排出ライン１０ｂから系外に排出される。
【０１３３】
燃料電池の放電特性（電圧）を測定する条件は、次のとおりである。
燃料電池温度 ：８０℃
メタノール水溶液濃度 ：１モル（３．２質量％）
メタノール水溶液流量 ：２ｃｃ／分
メタノール水溶液温度 ：３０℃
空気圧力 ：０．０５ＭＰａ
空気流量 ：１００ＳＣＣＭ
空気バブリングタンク温度：５０℃
【０１３４】
測定の結果、本発明の燃料電池の出力は、約４．７ｍＷ／ｃｍ^２であった。発電試験後のセルを分解し、電解質膜／電極接合体を観察したが、電解質膜と電極の剥離はなかった。
【０１３５】
実施例３
次の様にして、本発明の電解質膜／電極接合体および燃料電池を製造した。
【０１３６】
３−１）電解質膜の作成
実施例１で得られたスルホン酸基含有架橋ポリエーテルケトン膜を用いた。
【０１３７】
３−２）空気極電極層の作成
合成例１で得られたスルホン酸Ｎａ含有ポリエーテルケトン粉をプロトン交換した粉末０．５ｇおよびジクミルパーオキサイド（ラジカル発生剤）５ｍｇを、蒸留水５．０ｇとテトラヒドロフラン４．５ｇとの混合溶媒に溶解し、ワニス形態の本発明樹脂組成物を調製した。
【０１３８】
このワニス１０ｇと、フッ素樹脂（商品名：Ｎａｆｉｏｎ，２７，４７０−４、超強酸基含有フッ素系高分子、Ａｌｄｒｉｃｈ社製）の５質量％溶液１０ｇとを混合した。この混合ワニス２０ｇと３０質量％Ｐｔ担持触媒（ＴＥＣ１０Ｖ３０Ｅ）１．０ｇとを混合し、超音波印加ののち撹拌し、空気極触媒組成物を調製した。
【０１３９】
この空気極触媒組成物をカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−０６０）の上にアプリケータを用いて塗工し、５０℃で１２時間真空乾燥した後、５ｃｍ^２に切り出し空気極電極層を作成した。触媒塗工量はＰｔ量で２ｍｇ／ｃｍ^２とした。
【０１４０】
３−３）燃料極電極層の作成
上記３−２）と同様にして得られた混合ワニス２０ｇと３３質量％ＰｔＲｕ担持触媒（ＴＥＣ６１Ｖ３３）１．０ｇとを混合し、超音波印加ののち撹拌し、燃料極触媒組成物とした。
【０１４１】
この燃料極触媒組成物をカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−０６０）の上にアプリケータを用いて塗工し、５０℃で１２時間真空乾燥した後、５ｃｍ^２に切り出し燃料極電極層を作成した。触媒塗工量はＰｔＲｕ量で２ｍｇ／ｃｍ^２とした。
【０１４２】
３−４）接合体の作成
上記３−１）〜３−３）で得られたスルホン酸基含有ポリエーテルケトン電解質膜、空気極電極層および燃料極電極層のそれぞれ１枚ずつを、２０質量％テトラヒドロフラン水溶液を噴霧しながら、所定の順番に積層し、あらかじめ８０℃に加熱した熱プレスに導入し、０．４ＭＰａの圧力を電極面のみに加えた。その後、加圧した状態のまま、８０℃から１１０℃まで１０分を要して昇温させた。このようにして、電解質膜／電極接合体を作成した。
【０１４３】
３−５）燃料電池の作成
上記３−４）で得られた電解質膜／電極接合体を用いる以外は実施例２、２−５）と同様にして、図１に示す燃料電池と同じ構造を有する燃料電池を製造した。
【０１４４】
３−６）発電試験
上記３−５）で得られた燃料電池を用いる以外は実施例２、２−６）と同様にして、燃料電池を図２に示す評価システムに組み込み、電圧を測定し、電池特性を評価した。その結果、約３．８ｍＷ／ｃｍ^２の出力が得られた。また、発電試験後の燃料電池を分解し、電解質膜／電極接合体を観察したが、電解質膜と電極の剥離はなかった。
【０１４５】
【発明の効果】
本発明によれば、炭素数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環と、プロトン酸基とを有する架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤を併用することによって、室温から１００℃前後までの広い温度域にわたって高いプロトン伝導性を示し、耐熱性および耐水性に優れ、しかも、スルホン酸基含有芳香族樹脂からなる電解質膜などの各種電解質膜および各種電極材料に対して優れた接着性を示し、燃料電池、二次電池などにおける電解質膜の材料、電解質膜と電極層との接着、電極層の固定化などのための結着剤などとして好適に使用できるプロトン伝導性樹脂組成物が提供される。
【０１４６】
本発明によれば、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの中でも、特定の繰り返し構造単位を含むものが好ましい。これらは、プロトン伝導性、耐熱性および耐水性ならびに結着剤としての接着性が特に良好である。
【０１４７】
本発明によれば、特定の繰り返し構造単位を含む重合体であるプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンの中でも、該繰り返し構造単位中に特定の芳香環を含むものが特に好ましい。このようなプロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンは、プロトン伝導性、耐熱性、耐水性、電解質膜および電極層に対する接着性などに一層優れている。
【０１４８】
本発明によれば、プロトン酸基含有架橋性ポリエーテルケトンにおけるプロトン酸基としては、スルホン酸基が好ましい。スルホン酸基を持つ架橋性ポリエーテルケトンは、さらに優れたプロトン伝導性を示す。
【０１４９】
本発明によれば、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物を、加熱、光照射などの公知の架橋手段により架橋を一層進めることによって、その耐熱性および耐水性がさらに向上する。
【０１５０】
本発明によれば、特定のラジカル発生剤を、好ましくは特定量用いることによって、架橋性ポリエーテルケトンの架橋が一層円滑に進行し、架橋密度がさらに均一になり、耐熱性および耐水性の一層の向上を図ることができる。
【０１５１】
本発明によれば、本発明の樹脂組成物を製膜することによって得られる電解質膜は、広い温度範囲にわたって高いプロトン伝導性を示し、耐熱性および耐水性に優れる。また高い機械的強度を有する。これらの好ましい特性は、長期間を経過しても、ほとんど低下することなく、高い水準で維持される。したがって、本発明の電解質膜は、燃料電池、二次電池などの電池用途だけでなく、各種電気分解反応においても好適に使用できる。
【０１５２】
本発明によれば、本発明の樹脂組成物が、電解質膜の材料および／または電極層を構成するための結着剤として用いることによって、接合強度が高く、高水準のプロトン伝導性、耐熱性および耐水性を有する電解質膜／電極接合体が得られる。
【０１５３】
本発明によれば、前述の電解質膜／電極接合体を用いて燃料電池を構成することによって、抵抗が低く、高電流操作が可能であり、小型化が容易な燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】燃料電池の電池特性を評価するための評価システムの系統図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 電解質膜
３ａ 空気極電極層
３ｂ 燃料極電極層
４ａ，４ｂ ガスケット
５ａ，５ｂ セパレータ
６ａ 空気供給用流路
６ｂ 燃料供給用流路
７ａ，７ｂ 加圧板
８ 締め付けボルト
９ａ 燃料供給ライン
９ｂ 燃料排出ライン
１０ａ 空気供給ライン
１０ｂ 空気排出ライン
１１ 電子負荷付与装置
１２ 流量コントローラー
１３ 送液ポンプ
１４ 加湿バブリングタンク

Claims (10)

1. 炭素原子数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環と、プロトン酸基とを含む架橋性ポリエーテルケトンおよびラジカル発生剤を含有することを特徴とするプロトン伝導性樹脂組成物。
2. 炭素原子数１〜２０のアルキル基が置換した芳香族環と、プロトン酸基とを含む架橋性ポリエーテルケトンが、下記一般式（１）で表わされる繰り返し構造単位１０〜１００モル％および下記一般式（２）で表される繰り返し構造単位０〜９０モル％を含む架橋性ポリエーテルケトンから選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする請求項１記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
   

   

   〔式中、Ａｒ_１は、炭素数１〜２０のアルキル基が１または２以上置換し、かつハロゲン原子またはハロゲン化炭化水素基が置換してもよい芳香環を含む基を示す。ただし、Ａｒ_１で示される基に含まれる芳香環の少なくとも１つは炭素数１〜２０のアルキル基の１または２以上で置換されている。ＸおよびＹは同一または異なって、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基およびスルホンイミド基から選ばれるプロトン酸基またはそれらの金属塩を示す。ｘおよびｙは同一または異なって０〜４の整数を示し、ｘ＋ｙは１以上である。〕
   

   

   〔式中、Ａｒ_１は前記に同じ。〕
3. 一般式（１）および（２）において、符号Ａｒ_１で示される基が、下記一般式（３）または（４）で表される基であることを特徴とする請求項２記載の記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
   

   

   〔式中、Ｒ_１〜Ｒ_８は同一または異なって水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、ハロゲン化炭化水素基またはハロゲン原子を示す。ただしＲ_１〜Ｒ_８の少なくとも一つは炭素数１〜２０のアルキル基を示すものとする。Ａは単結合、−ＣＨ_２−、−Ｃ（ＣＨ_３）_２−、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＳＯ_２−または基
   

   

   を示す。〕
   

   

   〔式中、Ｒ_９〜Ｒ_１２は同一または異なって水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、ハロゲン化炭化水素基またはハロゲン原子を示す。ただしＲ９〜Ｒ１２の少なくとも一つは炭素数１〜２０のアルキル基を示すものとする。〕
4. プロトン酸基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
5. 架橋されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
6. ラジカル発生剤が、アゾ開始剤および過酸化物開始剤から選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
7. ラジカル発生剤の含有量が、プロトン伝導性樹脂組成物全量の０．０１〜５質量％であることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
8. 請求項１〜７のうちのいずれかのプロトン伝導性樹脂組成物を含む電解質膜。
9. 電解質膜と電極材料および結着剤を含む電解質膜とが結着剤を介しまたは介さずに接合している電解質膜／電極接合体において、電解質膜および／または結着剤が、請求項１〜７のうちのいずれかのプロトン伝導性樹脂組成物を含むことを特徴とする電解質膜／電極接合体。
10. 請求項９の電解質膜／電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池。

Images