JP4148752B2

JP4148752B2 - Heat resistant polymer electrolyte and method for producing the same

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Publication number: JP4148752B2
Application number: JP2002323490A
Authority: JP
Inventors: 恭子津坂; 直樹長谷川; 昌弥川角; 高司山本; 厚志神谷; 和生河原; 英司本多; 靖高橋
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2003208817A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐熱性高分子電解質及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、水素及び／又は酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いられる電解質膜等として好適な耐熱性高分子電解質及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、各種の用途に利用されている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極を設け、改質ガス等の水素を含む燃料ガスを一方の電極（燃料極）へ供給し、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを他方の電極（空気極）へ供給し、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを、直接電気エネルギーとして取り出す電池である。固体高分子型燃料電池には、電解質膜として、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられている。
【０００４】
また、ＳＰＥ電解法は、水を電気分解することにより水素と酸素を製造する方法であり、電解質として、従来のアルカリ水溶液に代えて、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられている。
【０００５】
このような用途に用いられる固体高分子電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）に代表される非架橋のパーフルオロ系電解質が知られている。パーフルオロ系電解質は、化学的安定性が非常に高いことから、燃料電池、ＳＰＥ電解等、過酷な条件下で使用される電解質膜として賞用されているものである。
【０００６】
また、非特許文献１には、新規な酸基として、ビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミド基が提案されており、エーテル部分に２つのビススルホニルイミド基を有するパーフロオロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの共重合により合成されたナフィオンに類似の構造を有するビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドポリマが開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献１には、ビススルホニルイミド、スルホニルカルボニルイミド、ビスカルボニルイミド、ビススルホニルメチレン等からなる強酸性架橋基を介して、パーフルオロ系高分子化合物を架橋させた高耐熱性高分子電解質が本願出願人により開示されている。
【０００８】
【非特許文献１】
ジャーナル・オブ・フルオリン・ケミストリ（Journal of Fluorine Chemistry)第７２巻（１９９５年）２０３〜２０８頁
【特許文献１】
特開２０００−１８８０１３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池は、電池の作動温度が高くなるほど、発電効率が高くなることが知られている。また、固体高分子電解質の両面に接合される電極には、白金系の電極触媒が含まれているが、白金は、微量の一酸化炭素であっても被毒され、燃料電池の出力を低下させる原因となる。しかも、電極触媒の一酸化炭素による被毒は、低温ほど著しくなることが知られている。
【００１０】
そのため、メタノール改質ガス等、微量の一酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用いる固体高分子型燃料電池においては、高効率化と電極触媒の一酸化炭素被毒の低減のために、作動温度を高くすることが望まれている。
【００１１】
また、水電解において、水の電気分解に必要な全エネルギーは温度によってさほど変化しないが、水の電気分解に必要な最低の電圧、すなわち理論分解電圧は、高温になるほど小さくなることが知られている。そのため、外部から熱エネルギーを系に供給し、高温において電気分解反応を行わせることができれば、高価な電気エネルギーの消費を減らすことができ、効率の点で有利である。
【００１２】
さらに、従来の固体高分子電解質は、いずれもプロトン伝導性を発現するには水を必要とする。従って、固体高分子型燃料電池において、運転条件がドライ条件になると、電解質膜の乾燥によって膜抵抗が増加し、出力が低下する。従来の固体高分子型燃料電池においては、これを回避するために、補機を用いて電解質膜の加湿を行っているが、補機による加湿は、燃料電池の効率低下とシステムの大型化を招く。そのため、燃料電池においては、高い電池性能を得るために、低加湿・高温条件下でも高プロトン伝導性を示す電解質膜が望まれている。
【００１３】
しかしながら、ナフィオンに代表されるパーフルオロ系電解質は、非架橋であるために耐熱性が低く、ガラス転移温度近傍である１３０℃以上でクリープするという性質がある。そのため、パーフルオロ系電解質を燃料電池やＳＰＥ電解装置に用いた場合には、作動温度を１００℃以下とする必要があり、一酸化炭素による電極触媒の被毒の防止や効率の点で有利な高温で使用できないという問題がある。
【００１４】
また、ナフィオン等の１つの極性基を有するモノマから合成された電解質膜を用いた燃料電池の場合、電解質膜のプロトン伝導度が不十分であるので、低加湿・高温条件下において高い電池性能は得られない。一方、電解質膜のプロトン伝導度を上げるために極性基を有するモノマの割合を増やすと、主鎖の結晶性が低下する。そのため、電解質膜の強度が低下したり、あるいは、電解質膜が水に著しく膨潤又は可溶化し、形状を維持できなくなるという問題がある。
【００１５】
また、非特許文献１に開示されているビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドポリマの場合、テトラフルオロエチレンに比してパーフルオロビニルエーテルが嵩高いために、これらを共重合させても十分な分子量が得られず、膜強度が不足する懸念がある。
【００１６】
また、ビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドポリマは非架橋であるために、ナフィオンと同様、耐熱性に問題がある。この問題を解決するために、イミドポリマを共重合させる時に架橋構造を導入することも考えられる。しかしながら、共重合時に架橋構造を導入すると、ポリマが不溶性となるので、膜等に成形するのが非常に困難となり、均質な膜は得られない。
【００１７】
これに対し、本願出願人により提案された特許文献１に示される高耐熱性高分子電解質は、強酸性架橋基を介してパーフルオロ系電解質が架橋されているので、電解質基の量を大きく減らすことなく、強度を向上させることができる。しかしながら、燃料電池、ＳＰＥ電解装置等の過酷な条件下で使用される電気化学デバイスの性能をさらに高めるためには、これに用いられる電解質の耐熱性、強度及びイオン伝導性をさらに向上させることが望まれる。
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、耐熱性、強度及びイオン伝導性に優れた耐熱性高分子電解質及びその製造方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る耐熱性高分子電解質は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢを接触させ、前記ガスＢと接触させた後、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣと接触させ、前記ガスＣと接触させた後、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換することにより得られるものからなる。
【００２０】
また、本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体と、１級アミンガスを含む、または、アンモニアガスと１級アミンガスとを含むガスＢとを接触させる工程Ｂと、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程Ｆとを備えていることを要旨とする。
【００２２】
また、本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法の２番目は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体と、１級アミンガスを含む、または、アンモニアガスと１級アミンガスとを含むガスＢとを接触させる工程Ｂと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させる工程Ｃと、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程Ｆとを備えていることを要旨とする。
【００２４】
また、本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法の３番目は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成する工程Ａと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、１級アミンガスを含む、または、アンモニアガスと１級アミンガスとを含むガスＢとを接触させる工程Ｂと、前記パーフルオロ電解質膜前駆体をプロトン型に変換する工程Ｆとを備えていることを要旨とする。
【００２５】
本発明に係る耐熱性高分子電解質の２番目は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成し、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させ、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させ、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換することにより得られるものからなる。
【００２６】
また、本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法の４番目は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成する工程Ａと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、１級アミンガスを含む、または、アンモニアガスと１級アミンガスとを含むガスＢとを接触させる工程Ｂと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させる工程Ｃと、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程Ｆとを備えていることを要旨とする。
【００２７】
また、本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法の５番目は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガスを含むガスＢとを接触させる工程Ｂと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させる工程Ｃと、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程Ｆとを備えていることを要旨とする。そして、本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法の６番目は、アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成する工程Ａと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガスを含むガスＢとを接触させる工程Ｂと、前記パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させる工程Ｃと、前記パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程Ｆとを備えていることを要旨とする。
【００２８】
アンモニアガス又は１級アミンガスと反応してアミド基又はイミド基となり、反応しなかった場合には電解質基となり得るスルホニルハライド基を有するパーフルオロ高分子化合物からなるパーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させると、パーフルオロ電解質前駆体に含まれる電解質基前駆体の一部がアミド基となる。次いで、生成したアミド基は、パーフルオロ電解質前駆体に残存する他の電解質基前駆体と反応して、イミド基となる。そのため、耐熱性及び強度に優れた耐熱性高分子電解質が得られる。また、ガスＢにアンモニアガスが含まれる場合には、イミド基が強酸基として機能し、高いイオン伝導度を示す。
【００２９】
また、ガスＢに２級アミンガス及び／又は３級アミンガスを添加した場合、又はパーフルオロ電解質前駆体とガスＢとを接触させた後に、パーフルオロ電解質前駆体とアミンガスを含むガスＣとを接触させた場合には、残存アミド基のイミド化反応が進行し、イミド基の導入量が増加する。
【００３０】
また、ガスＢ又はガスＣに対して有機溶剤ガスを添加した場合には、その濃度に応じて、これらのガスとパーフルオロ電解質前駆体との反応速度を制御でき、しかもガスＢ又はガスＣのパーフルオロ電解質前駆体への浸透を促進させることができる。そのため、パーフルオロ電解質前駆体内部において、イミド化反応が均一に進行する。
【００３１】
さらに、ガスＢに水蒸気及び／又はアルコールガスを添加した場合、又はパーフルオロ電解質前駆体とガスＢとを接触させる前に、パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成した場合には、表面における電解質基前駆体のアミド化反応及びイミド化反応が抑制される。そのため、イミド基を有する第１層の表面に第１層よりイミド基の導入量の少ない又は導入がない第２層を備えた耐熱性高分子電解質が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明の第１の実施の形態に係る耐熱性高分子電解質の製造方法は、工程Ｂと、工程Ｆとを備えている。また、本発明の第１の実施の形態に係る耐熱性高分子電解質は、このような工程を経て得られたものからなる。
【００３３】
初めに、工程Ｂについて説明する。工程Ｂは、パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させる工程である。本発明において、「パーフルオロ電解質前駆体」とは、その骨格がパーフルオロ高分子化合物からなり、かつ高分子鎖のいずれかに電解質基前駆体を備えているものをいう。
【００３４】
また、「パーフルオロ高分子化合物」とは、高分子鎖中にＣ−Ｈ結合を含まない高分子化合物をいう。この場合、パーフルオロ高分子化合物には、フルオロカーボン構造（−ＣＦ_２−、−ＣＦＣｌ−）の他、クロロカーボン構造（−ＣＣｌ_２−）や、その他の構造（例えば、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｃ(＝Ｏ)−、−Ｎ(Ｒ)−等。但し、「Ｒ」は、アルキル基）を備えていてもよい。また、パーフルオロ高分子化合物の分子構造は、特に限定されるものではなく、直鎖状、あるいは分岐状のいずれであっても良い。
【００３５】
このようなパーフルオロ高分子化合物としては、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン等が好適な一例として挙げられる。
【００３６】
パーフルオロ電解質前駆体が膜状である場合、その膜厚は、１〜５００μｍ、好ましくは５〜３００μｍ、より好ましくは１０〜１００μｍである。膜厚が１μｍより小さい場合は、膜の機械的強度が低く、クロスリークが発生しやすい。また、５００μｍを超える膜厚では、イオン透過性が低くなるため、好ましくない。
【００３７】
また、「電解質基前駆体」とは、後述するガスＢと反応して比較的容易にアミド基又はイミド基となり、かつガスＢと反応しなかった場合には適当な処理によって電解質基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸等）となり得る官能基をいう。
【００３８】
このような電解質基前駆体としては、具体的には、スルホニルハライド基（−ＳＯ_２Ｆ、−ＳＯ_２Ｃｌ、−ＳＯ_２Ｂｒなど）、カルボニルハライド基（−ＣＯＦ、−ＣＯＣｌ、−ＣＯＢｒなど）、スルホン酸エステル基、カルボン酸エステル基、ホスホン酸エステル基等が好適な一例として挙げられる。
【００３９】
ガスＢには、アンモニアガス及び１級アミンガスのいずれか一方が含まれていても良く、あるいは双方が含まれていても良い。また、ガスＢとして１級アミンガスを用いる場合、ガスＢには、１種類の１級アミンガスが含まれていても良く、あるいは２種以上が含まれていても良い。
【００４０】
工程Ｂにおいて用いられる１級アミンの種類、すなわち１級アミンに含まれる置換基の種類については、特に限定されるものではない。置換基としては、具体的には、アルキル基、アリール基、アリル基、アルケン基、アルキン基、シリル基が好適な一例として挙げられる。
【００４１】
また、１級アミンとしては、具体的には、１−ヘキシルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘプチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、パーフルオロメチルアミン、パーフルオロエチルアミン、パーフルオロブチルアミン、パーフルオロペンチルアミン、パーフルオロヘプチルアミン等が好適な一例として挙げられる。
【００４２】
これらの中でも、アンモニアガスは、電解質前駆体内部への強酸性イミド基の導入が容易であり、耐熱性、強度及びイオン伝導性に優れた耐熱性高分子電解質が得られるので、ガスＢの主成分として特に好適である。
【００４３】
なお、「強酸性イミド基」とは、水溶液中において強酸性を呈するイミド基を言う。強酸性イミド基としては、具体的には、その両端がパーフルオロ骨格に結合しているビススルホニルイミド基（−ＳＯ_２−ＮＨ−ＳＯ_２−）、ビスカルボニルイミド基（−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−）、スルホニルカルボニルイミド基（−ＳＯ_２−ＮＨ−ＣＯ−）等が好適な一例として挙げられる。
【００４４】
また、ガスＢには、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスのみが含まれていても良いが、第３成分が含まれていても良い。第３成分としては、具体的には、２級アミンガス、３級アミンガス、水蒸気、アルコールガス、有機溶剤ガス等が好適な一例として挙げられる。これらの第３成分は、それぞれ単独でガスＢに添加されていても良く、あるいは、２種以上が添加されていても良い。
【００４５】
２級アミンガス及び３級アミンガスは、ともにアンモニアガス及び／又は１級アミンガスによるパーフルオロ電解質前駆体のイミド化反応を促進させる作用（イミド化反応時の反応生成物であるＨＦと結合する作用、及び生成したアミド基を活性化する作用）がある。これらの中でも、３級アミンガスは、電解質基前駆体との反応性が低いので、イミド化反応を促進させるための第３成分として特に好適である。
【００４６】
また、第３成分として使用する２級アミン及び３級アミンの種類、すなわち窒素原子に結合している置換基の種類は、特に限定されるものではなく、１級アミンと同様に、上述した種々の置換基を有する２級アミン及び／又は３級アミンを用いることができる。
【００４７】
ガスＢに添加する２級アミンとしては、具体的には、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、メチルエチルアミン、メチルプロピルアミン、メチルブチルアミン、エチルプロピルアミン等が好適な一例として挙げられる。
【００４８】
また、ガスＢに添加する３級アミンとしては、具体的には、トリメチルアミン、ピリジン、ＤＢＵ（１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］−７−ウンデカン）、トリエチルアミン、ＤＢＮ（１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］−５−ノネン）等が好適な一例として挙げられる。
【００４９】
水蒸気及びアルコールガスは、電解質基前駆体であるスルホニルハライド基などを加水分解あるいはエステル化することにより、結果としてパーフルオロ電解質前駆体の表面におけるアミド化反応及びイミド化反応を抑制する作用があり、その含有量や反応条件を制御することによって、表面にアミド基及びイミド基の少ない又はこれらの官能基のない層（第２層）を備えた耐熱性高分子電解質を作製することができる。この場合、ガスＢには、水蒸気及びアルコールガスのいずれか一方が添加されても良く、あるいは双方が添加されても良い。なお、これらの加水分解体、エステル化体は、工程Ｆで容易にスルホン酸などの電解質基に戻すことができる。
【００５０】
また、ガスＢに添加するアルコールとしては、具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等が好適な一例として挙げられる。
【００５１】
有機溶剤ガスは、ガスＢに含まれる各成分の濃度を調節し、アミド化反応及びイミド化反応の反応速度を制御する作用と、パーフルオロ電解質前駆体内部へのガスＢの拡散速度を増大させる作用とがある。このような作用を有する有機溶剤としては、具体的には、フッ素系有機溶媒、ジオキサン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、ヘキサン、ジエチルエーテル、トルエン、ベンゼン、キシレン等が好適な一例として挙げられる。また、これらの中でも、フッ素系有機溶剤が特に好適である。
【００５２】
このようなガスＢとパーフルオロ電解質前駆体とを、所定の条件下で接触させると、パーフルオロ電解質前駆体のアミド化反応及びイミド化反応が生ずる。この場合、ガスＢの圧力、反応温度及び反応時間は、パーフルオロ電解質前駆体の材質、ガスＢの組成、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導度等に応じて任意に選択することができる。
【００５３】
一般に、ガスＢの圧力、反応温度及び／又は反応時間が増大するほど、イミド基の導入量が増大する傾向がある。但し、ガスＢの圧力が過大になると、耐圧装置が必要となるために製造コストが増大したり、あるいは電解質前駆体内部において、イミド化反応が不均一に進行する場合がある。また、反応温度が過大になると、イミド化反応が不均一化したり、あるいは、電解質前駆体が変形する場合がある。
【００５４】
圧力としては、０．１気圧から１０気圧が好ましく、さらに好ましくは、０．５気圧から５気圧、もっとも好ましくは、０．９気圧から２気圧の範囲である。また、温度としては、２００℃以下が好ましく、さらに好ましくは、１５０℃以下であり、もっとも好ましくは、１００℃以下である。反応時間は、圧力と温度に応じて選ぶ必要がある。
【００５５】
また、ガスＢに第３成分が添加される場合、その添加量は、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性等に応じて任意に選択することができる。一般に、２級アミンガス及び／又は３級アミンガスの添加量が多くなるほど、反応速度が増大し、イミド基の導入量が増大する。
【００５６】
また、一般に、水蒸気及び／又はアルコールの添加量が多くなるほど、表面に形成される第２層の厚さが厚くなり、あるいは第２層に含まれるアミド基及びイミド基の量が減少する。
【００５７】
さらに、一般に、有機溶剤ガスの添加量が多くなるほど、アミド化反応及びイミド化反応の反応速度は遅くなるが、パーフルオロ電解質前駆体内部へのガスＢの拡散速度が増大する。その結果、有機溶剤ガスの添加量が多くなるほど、パーフルオロ電解質前駆体の表層での優先的なアミド化反応及びイミド化反応が抑制され、反応が均一に進行する。
【００５８】
次に、工程Ｆについて説明する。工程Ｆは、ガスＢとの反応が終了した後、パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程である。パーフルオロ前駆体のプロトン型への変換は、具体的には、まず、ガスＢとの反応に消費されなかった電解質基前駆体を塩基（例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等）により加水分解し（ケン化工程）、次いで加水分解された電解質基前駆体と酸（例えば、硫酸等）とを反応させ、プロトン型に変換する（プロトン化工程）ことにより行うことができる。
【００５９】
なお、工程Ｂにおいて、アンモニアガスと反応した電解質基前駆体の一部は、イミド化に消費されることなく、アミド化された状態のまま残存する（以下、これを「残存アミド基」という。）場合がある。この残存アミド基は、弱酸であるので、耐熱性高分子電解質のイオン伝導度を高めるためには、残存アミド基を末端強酸性イミド基に変換する（工程Ｄ）ことが好ましい。
【００６０】
「末端強酸性イミド基」とは、高分子鎖の末端にあるイミド基であって、水溶液中において強酸性を呈するものをいう。末端強酸性イミド基としては、具体的には、−ＳＯ_２−ＮＨ−ＳＯ_２−Ｒ_Ｆ、−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ_Ｆ、−ＳＯ_２−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ_Ｆ（但し、Ｒ_Ｆは、パーフルオロアルキル基）等が好適な一例として挙げられる。
【００６１】
このような末端強酸性イミド基は、パーフルオロ電解質前駆体に含まれる残存アミド基と、１つのスルホニルハライド基又はカルボニルハライド基を有するパーフルオロ化合物（以下、これを「１官能試薬」という。）とを反応させることにより得られる。
【００６２】
また、２以上のスルホニルハライド基及び／又はカルボニルハライド基を有するパーフルオロ化合物（以下、これを「多官能試薬」という。）を用いた場合には、スルホニルハライド基及び／又はカルボニルハライド基の内の１つと残存アミド基とが反応して得られる１個の末端強酸性イミド基と、残りのスルホニルハライド基及び／又はカルボニルハライド基を加水分解して得られる１又は２以上の電解質基とを高分子電解質内部に導入することができる。
【００６３】
工程Ｄに用いられる１官能試薬としては、具体的には、トリフルオロメタンスルホニルハライド、ペンタフルオロエタンスルホニルハライド、ノナフルオロブタンスルホニルハライド等が好適な一例として挙げられる。また、工程Ｄに用いられる多官能試薬としては、具体的には、ヘキサフルオロプロパン−１，３−ジスルホニルハライド、オクタフルオロブタン−１，４−ジスルホニルハライド等が好適な一例として挙げられる。
【００６４】
このような工程Ｄは、工程Ｆの前に行っても良く、あるいは、工程Ｆの後に行っても良い。但し、工程Ｆの後に工程Ｄを行う場合には、工程Ｄ終了後にさらに膜のケン化及びプロトン化を行う必要があるので、工程Ｄは、工程Ｆの前に行うのが好ましい。
【００６５】
また、残存アミド基のイミド化は、１官能試薬又は多官能試薬を含む溶液に電解質又はその前駆体を浸漬することによって行っても良く、あるいは、１官能試薬又は多官能試薬を含むガスＤと電解質又はその前駆体とを接触させることによって行っても良い。
【００６６】
次に、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法の作用について説明する。電解質基前駆体を有するパーフルオロ高分子化合物と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させると、まず、電解質基前駆体がアミド化する。また、アミド化した電解質基前駆体（アミド基）の一部は、他のパーフルオロ高分子化合物に結合している未反応の電解質基前駆体と反応し、高分子間を連結するイミド基となる。さらに、残存する未反応の電解質基前駆体のケン化及びプロトン化を行うと、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質が得られる。
【００６７】
このような工程を経て得られた本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質は、電解質基の一部がイミド化されているので、耐熱性及び強度が向上する。特に、パーフルオロ高分子間がイミド基により架橋されている場合には、優れた耐熱性と高い強度を示す。
【００６８】
また、工程Ｂにおいて使用するガスＢにアンモニアガスが含まれる場合には、イミド基が強酸性イミド基として機能する。これは、その両端がパーフルオロ骨格に結合しているために、Ｎ−Ｈ結合に寄与する電子が、電気陰性度の大きなＦに引っ張られてパーフルオロ骨格側に移動し、Ｎに結合しているＨがプロトンとして放出されやすくなるためである。そのため、イミド基の導入量を増加させても、高いイオン伝導度を示す。
【００６９】
また、ガスＢとパーフルオロ電解質前駆体とを反応させる際に、２級アミンガス及び／又は３級アミンガスを共存させると、アミド基と電解質基前駆体とのイミド化反応が促進される。そのため、高分子電解質内部に所定量のイミド基又は強酸性イミド基を短時間で導入することができ、製造コストを削減することができる。
【００７０】
また、ガスＢに対して水蒸気及び／又はアルコールガスを添加すると、その濃度及び反応条件に応じて、パーフルオロ電解質前駆体の表面において電解質基前駆体の加水分解やエステル化が優先的に進行し、表面における電解質基前駆体のアミド化反応及びイミド化反応が抑制される。そのため、イミド基が導入されたパーフルオロ電解質前駆体の表面に、残存アミド基及びイミド基の導入量の少ない又は導入がない第２層が形成される。
【００７１】
固体高分子電解質は、通常、膜状に成形され、膜表面には膜と同種の固体高分子電解質（触媒層内電解質）を含む触媒層が接合される。そのため、膜表面のイミド基の導入量が多い場合には、触媒層との接合性が低下する場合がある。また、膜表面の残存アミド基の濃度が高いと、触媒層内電解質との親和性が低下し、触媒層との接合性が低下する場合がある。
【００７２】
これに対し、固体高分子電解質の表面に第２層が形成された場合には、接合界面における高分子鎖の物理的な絡み合いや、触媒層内電解質との親和性が悪くなるのが抑えられ、接合性が向上する。また、これによって膜と電極の界面抵抗が低下し、膜電極接合体の出力特性が向上する。
【００７３】
また、ガスＢに対して有機溶剤ガスを添加した場合には、その添加量に応じて、ガスＢに含まれるアンモニアガス、アミンガス、水蒸気及び／又はアルコールガスの濃度が調節され、これらのガスとパーフルオロ電解質前駆体との反応速度を制御することができる。また、有機溶剤ガスによってパーフルオロ電解質前駆体が膨潤するので、パーフルオロ電解質前駆体内部へのガスＢの拡散速度が増大する。そのため、電解質前駆体内部において、イミド化反応が均一に進行する。
【００７４】
さらに、ガスＢとの反応が終了した後、電解質前駆体に残る残存アミド基を所定の試薬と反応させると、残存アミド基が末端強酸性イミド基に変換される。そのため、耐熱性高分子電解質のイオン伝導度がさらに向上する。
【００７５】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法について説明する。本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質の製造方法は、工程Ｂと、工程Ｃと、工程Ｆとを備えている。また、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質は、このような工程を経て得られたものからなる。
【００７６】
初めに、工程Ｂについて説明する。工程Ｂは、パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させる工程である。本実施の形態における工程Ｂは、第１の実施の形態に係る製造方法の工程Ｂと同一であるので説明を省略する。
【００７７】
次に、工程Ｃについて説明する。工程Ｃは、ガスＢと反応させた後のパーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させる工程である。
【００７８】
工程Ｃにおいては、「アミンガス」として、上述した１級アミン、２級アミン及び３級アミンのいずれであっても用いることができる。また、ガスＣには、１種類のアミンガスが含まれていても良く、あるいは、２種以上のアミンガスが含まれていても良い。これらの中でも、３級アミンガスは、パーフルオロ電解質前駆体に含まれる電解質基前駆体との反応性が低いので、ガスＣの主成分として特に好適である。
【００７９】
また、ガスＣには、アミンガスのみが含まれていても良いが、有機溶剤ガスが含まれていても良い。有機溶剤ガスは、ガスＣに含まれる各成分の濃度を調節し、イミド化反応の反応速度を制御する作用と、パーフルオロ電解質前駆体内部へのガスＣの拡散速度を増大させる作用とがある。ガスＣに添加する有機溶剤としては、具体的には、フッ素系有機溶媒、ジオキサン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、ヘキサン、ジエチルエーテル、トルエン、ベンゼン、キシレン等が好適な一例として挙げられる。また、これらの中でも、フッ素系有機溶剤が特に好適である。
【００８０】
このようなガスＣとパーフルオロ電解質前駆体とを、所定の条件下で接触させると、工程Ｂにおいて生成した残存アミド基と、未反応の電解質基前駆体とのイミド化反応が促進される。この場合、ガスＣの圧力、反応温度及び反応時間は、工程Ｂにおける反応条件、ガスＣの組成、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性等に応じて任意に選択することができる。
【００８１】
一般に、ガスＣの圧力、反応温度及び／又は反応時間が増大するほど、導入アミド基と電解質基前駆体との反応速度が増大する。但し、ガスＣの圧力が過大になると、耐圧装置が必要となるために製造コストが増大したり、あるいは、電解質前駆体内部においてイミド化反応が不均一に進行する場合がある。また、反応温度が過大になると、イミド化反応が不均一化したり、あるいは、電解質前駆体が変形する場合がある。
【００８２】
また、ガスＣに有機溶剤ガスが添加される場合、その添加量は、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性等に応じて任意に選択することができる。一般に、有機溶剤ガスの添加量が多くなるほど、イミド化反応の反応速度は遅くなるが、電解質前駆体内部へのガスＣの拡散速度が増大する。そのため、有機溶剤ガスの添加量が多くなるほど、電解質前駆体の表層での優先的なイミド化反応が抑制され、電解質前駆体内部において、イミド化反応を均一に進行させることができる。
【００８３】
次に、工程Ｆについて説明する。工程Ｆは、ガスＢ及びガスＣとの反応が終了した後、パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程である。本実施の形態における工程Ｆは、第１の実施の形態に係る製造方法の工程Ｆと同一であるので、説明を省略する。
【００８４】
なお、耐熱性高分子電解質のイオン伝導性を高めるためには、工程Ｆの前又は後に、残存アミド基を末端強酸性イミド基に変換する（工程Ｄ）ことが好ましい点、及び工程数を削減するには、工程Ｆの前に工程Ｄを行うことが好ましい点は、第１の実施の形態と同様である。
【００８５】
次に、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法の作用について説明する。所定の組成を有するガスＢと、パーフルオロ電解質前駆体とを接触させると、ガスＢの組成及び反応条件に応じて、パーフルオロ電解質前駆体内に、イミド基又は強酸性イミド基と、残存アミド基が導入される。次いで、このパーフルオロ電解質前駆体と、ガスＣとを接触させると、残存アミド基と未反応の電解質前駆体とのイミド化反応がさらに進行する。さらに、残存する未反応の電解質基前駆体のケン化及びプロトン化を行うと、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質が得られる。
【００８６】
このような工程を経て得られた本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質は、電解質基の一部がイミド化されているので、耐熱性及び強度が向上する。特に、パーフルオロ高分子間がイミド基により架橋されている場合には、優れた耐熱性と高い強度を示す。また、ガスＢにアンモニアガスが含まれる場合には、イミド基が強酸性イミド基として機能し、高いイオン伝導性を示す。
【００８７】
また、ガスＢと接触させた後、さらにガスＣと接触させているので、ガスＢのみを用いる場合に比して、イミド化反応が効率よく進行する。そのため、所定量のイミド基を短時間で導入することができ、製造コストを削減することができる。
【００８８】
また、ガスＢに２級アミンガス及び／又は３級アミンガスを添加した場合には、電解質基前駆体のイミド化反応がさらに促進され、処理時間を短縮することができる。また、ガスＢに所定量の水蒸気及び／又はアルコールガスを添加した場合には、その濃度及び反応条件に応じて、表面に所定の厚さ、残存アミド基量及びイミド基導入量を有する第２層を形成することができる。そのため、電極との接合性が向上し、電気化学デバイスの出力特性が向上する。
【００８９】
また、ガスＢ及び／又はガスＣに対して有機溶剤ガスを添加した場合には、イミド化反応の反応速度、並びにガスＢ及び／又はガスＣの拡散速度を制御でき、イミド化反応を均一に進行させることができる。
【００９０】
さらに、ガスＢ及びガスＣとの反応が終了した後、電解質前駆体に残る残存アミド基を所定の試薬と反応させると、残存アミド基が末端強酸性イミド基に変換される。そのため、耐熱性高分子電解質のイオン伝導度がさらに向上する。
【００９１】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法について説明する。本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質の製造方法は、工程Ａと、工程Ｂと、工程Ｆとを備えている。また、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質は、このような工程を経て得られたものからなる。
【００９２】
初めに、工程Ａについて説明する。工程Ａは、パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層（エステル化層を含む）を形成する工程である。パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成する方法には、以下のような方法がある。第１の方法は、パーフルオロ電解質前駆体と、水蒸気及び／又はアルコールガスを含むガスＡとを接触させる方法である。
【００９３】
ガスＡには、水蒸気又はアルコールガスのいずれか一方が含まれていても良く、あるいは、双方が含まれていても良い。また、ガスＡに含まれるアルコールガスには、上述したメタノール、エタノール等のいずれであっても用いることができる。さらに、ガスＡとしてアルコールガスを用いる場合、ガスＡには、１種類のアルコールガスが含まれていても良く、あるいは２種以上のアルコールガスが含まれていても良い。
【００９４】
また、ガスＡには、水蒸気及び／又はアルコールガスのみが含まれていても良いが、第３成分が含まれていても良い。第３成分としては、具体的には、アンモニア及び／又はアミンからなるアミン系化合物のガスが好適な一例として挙げられる。
【００９５】
アンモニアガス及びアミンガスは、いずれもガスＡに含まれる各成分の濃度を調節し、パーフルオロ電解質前駆体の表層における加水分解反応あるいはエステル化反応の反応速度を増大させる作用（加水分解反応時の反応生成物であるＨＦと結合する作用）と、パーフルオロ電解質前駆体内部への水蒸気及び／又はアルコールガスの拡散速度を増大させる作用とがある。
【００９６】
この場合、ガスＡには、アンモニアガス及びアミンガスのいずれか一方が含まれていても良く、あるいは双方が含まれていても良い。また、ガスＡに添加されるアミン系化合物ガスとしてアミンガスを用いる場合には、上述した１級アミン、２級アミン及び３級アミンのいずれであっても用いることができる。さらに、ガスＡには、１種類のアミン系化合物ガスが含まれていても良く、あるいは、２種以上のアミン系化合物ガスが含まれていても良い。
【００９７】
これらの中でも、３級アミンガスは、パーフルオロ電解質前駆体に含まれる電解質基前駆体との反応性が低いので、水蒸気及び／又はアルコールガスの反応速度を増大させるための第３成分として特に好適である。
【００９８】
一般に、ガスＡに添加されるアミン系化合物の分子量が大きくなるほど、パーフルオロ電解質前駆体内部へのアミン系化合物の拡散速度が遅くなるために、膜表面に選択的に加水分解層（スルホン酸基等の電解質基を含む層）を形成できる。しかしながら、アミン系化合物の分子量が１０２７以上になると、現実的な処理時間内（具体的には、２４時間以内）に、所定の厚さを有する加水分解層をパーフルオロ電解質前駆体の表面に形成するのが困難となる。
【００９９】
従って、ガスＡに添加されるアミン系化合物の分子量は、１７以上１０２７未満が好ましい。アミン系化合物の分子量は、好ましくは、５９以上４３８以下、さらに好ましくは、５９以上１８５以下である。このような条件を満たすアミン系化合物としては、具体的には、トリメチルアミン（Ｎ(ＣＨ_３)_３）、トリエチルアミン（Ｎ(Ｃ_２Ｈ_５)_３）、トリ−ｎ−プロピルアミン（Ｎ(Ｃ_３Ｈ_７)_３）、トリ−ｎ−ブチルアミン（Ｎ(Ｃ_４Ｈ_９)_３）、トリデシルアミン（Ｎ(Ｃ_１０Ｈ_２１)_３）、トリドコサニルアミン（Ｎ(Ｃ_２２Ｈ_４５)_３）等が挙げられる。これらを、ガス化して用いることができる。
【０１００】
このようなガスＡとパーフルオロ電解質前駆体とを、所定の条件下で接触させると、パーフルオロ電解質前駆体の表層において、電解質基前駆体の加水分解あるいはエステル化が優先的に進行する。この場合、ガスＡの圧力、反応温度及び反応時間は、ガスＡの組成、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性、電極との接合性等に応じて任意に選択することができる。
【０１０１】
一般に、ガスＡの圧力、反応温度及び／又は反応時間が増大するほど、パーフルオロ電解質基前駆体内部への水蒸気及び／又はアルコールガスの浸透深さが深くなる傾向がある。また、ガスＡの圧力及び反応温度が増大するほど、加水分解反応の反応速度が増大する傾向がある。但し、圧力、反応温度及び／又は反応時間が過大になると、電解質前駆体の内部まで加水分解反応が進行し、イミド化反応が進行しにくくなり、耐熱性及び強度が低下する場合がある。また、ガスＡの圧力が過大になると、耐圧装置が必要となり、製造コストが増大する場合がある。さらに、反応温度が過大になると、パーフルオロ電解質前駆体が変形する場合がある。
【０１０２】
圧力としては、０．１気圧から１０気圧が好ましく、さらに好ましくは、０．５気圧から５気圧、もっとも好ましくは、０．９気圧から２気圧の範囲である。また、温度としては、２００℃以下が好ましく、さらに好ましくは、１５０℃以下であり、もっとも好ましくは、１００℃以下である。反応時間は、圧力と温度に応じて選ぶ必要がある。
【０１０３】
また、ガスＡにアミン系化合物ガスを添加する場合、その添加量は、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性、電極との接合性等に応じて任意に選択することができる。一般に、アミン系化合物ガスの添加量が多くなるほど、水蒸気及び／又はアルコールガスの反応速度は増大する傾向がある。
【０１０４】
パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成するための第２の方法は、パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニア及び／又はアミンからなるアミン系化合物と水との混合液とを接触させる方法である。
【０１０５】
混合液中には、アンモニア又はアミンのいずれか一方が含まれていても良く、あるいは、双方が含まれていても良い。また、混合液に含まれるアミン系化合物としてアミンを用いる場合には、上述した１級アミン、２級アミン及び３級アミンのいずれであっても用いることができる。混合液中には、１種類のアミン系化合物が含まれていても良く、あるいは、２種以上のアミン系化合物が含まれていても良い。さらに、
【０１０６】
混合液に含まれるアミン系化合物の濃度は、０．１重量％以上９９．９重量％以下が好ましい。アミン系化合物の濃度が０．１重量％未満である場合、及び９９．９重量％を越える場合は、いずれも、加水分解反応の反応速度が低下するので好ましくない。アミン系化合物の濃度は、好ましくは、１重量％以上９９重量％以下、さらに好ましくは、１０重量％以上９０重量％以下である。なお、混合液は、成分が分離、析出していても良い。
【０１０７】
これらの中でも、３級アミンは、パーフルオロ電解質前駆体に含まれる電解質基前駆体との反応性が低いので、混合液に含まれるアミン系化合物として特に好適である。
【０１０８】
また、アミン系化合物ガスを用いる場合と同様に、混合液に含まれるアミン系化合物の分子量が大きくなるほど、パーフルオロ電解質前駆体内部への混合液の拡散速度が遅くなり、膜表面に選択的に加水分解層を形成できる。しかしながら、アミン系化合物の分子量が１０２７以上になると、現実的な処理時間内（具体的には、２４時間以内）に、所定の厚さを有する加水分解層をパーフルオロ電解質前駆体の表面に形成するのが困難となる。
【０１０９】
従って、混合液に含まれるアミン系化合物の分子量もまた、１７以上１０２７未満が好ましい。アミン系化合物の分子量は、好ましくは、５９以上４３８以下、さらに好ましくは、５９以上１８５以下である。
【０１１０】
また、混合液には、アミン系化合物及び水のみが含まれていても良いが、第３成分が含まれていても良い。第３成分としては、具体的には、アルコール、エーテル等が好適な一例として挙げられる。これらの第３成分は、それぞれ、単独で混合液に添加されていても良く、あるいは、２種以上が添加されていても良い。
【０１１１】
アルコール及びエーテルは、いずれも、混合液に含まれる各成分の濃度を調節し、加水分解反応の反応速度を制御する作用と、パーフルオロ電解質内部への混合液の拡散速度を増大させる作用がある。また、アルコールは、電解質基前駆体をエステル化する作用もある。
【０１１２】
このような混合液とパーフルオロ電解質前駆体とを、所定の条件下で接触させると、パーフルオロ電解質前駆体の表層において、電解質基前駆体の加水分解あるいはエステル化が優先的に進行する。この場合、反応温度及び反応時間は、混合液の組成、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性、電極との接合性等に応じて任意に選択することができる。
【０１１３】
一般に、反応温度及び／又は反応時間が増大するほど、パーフルオロ電解質基前駆体内部への混合液の浸透深さが深くなり、加水分解層が厚くなる傾向がある。また、反応温度が高くなるほど、加水分解反応の反応速度が増大する傾向がある。但し、反応温度及び／又は反応時間が過大になると、電解質前駆体の内部まで加水分解反応が進行し、イミド化反応が進行しにくくなり、耐熱性及び強度が低下する場合がある。また、反応温度が過大になると、パーフルオロ電解質前駆体の内部構造が変化し、電気伝導度が低下する場合がある。
【０１１４】
反応温度は、具体的には、０℃以上１００℃以下が好ましく、さらに好ましくは、１０℃以上９０℃以下であり、もっとも好ましくは、２０℃以上８０℃以下である。反応時間は、反応温度に応じて選ぶ必要がある。
【０１１５】
また、混合液に第３成分を添加する場合、その添加量は、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性、電極との接合性等に応じて任意に選択することができる。一般に、アルコール又はエーテルの添加量が多くなるほど、加水分解の反応速度は遅くなるが、パーフルオロ電解質前駆体内部への混合液の拡散速度が増大する。その結果、アルコール又はエーテルの添加量が多くなるほど、パーフルオロ電解質前駆体の表層での優先的な加水分解反応が抑制される傾向がある。
【０１１６】
さらに、混合液とパーフルオロ電解質前駆体との接触方法は、特に限定されるものではない。一般に、低分子量のアミン系化合物は、水に溶解するので、この場合には、単にパーフルオロ電解質前駆体を混合液に所定時間浸漬するだけで良い。一方、高分子量のアミン系化合物は、一般に水に溶解せず、分離するので、この場合には、パーフルオロ電解質前駆体に水とアミン系化合物とが均等に接触するように、パーフルオロ電解質前駆体を混合液に浸漬した後、混合液の撹拌、振盪等を行うのが好ましい。
【０１１７】
パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成するための第３の方法は、パーフルオロ電解質前駆体と、無機系塩基の水溶液とを接触させる方法である。
【０１１８】
無機系塩基とは、ＫＯＨ、ＮａＯＨ等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、Ｎａ_２Ｏ、ＣａＯ等の水と反応して水酸化物を形成するアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物、加水分解反応によってアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物を形成可能な金属アルコキシド（ＲＯＭ）等をいう。また、水溶液中には、１種類の無機系塩基が含まれていても良く、あるいは、２種以上の無機系塩基が含まれていても良い。
【０１１９】
使用する無機系塩基の種類、水溶液中の無機系塩基の濃度、反応温度及び反応時間は、耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、強度、イオン伝導性、電極との接合性等に応じて選択する。
【０１２０】
例えば、パーフルオロ電解質前駆体の表面に優先的に加水分解層を形成するためには、無機系塩基は、パーフルオロ電解質前駆体内部への拡散速度の遅いものを用いるのが好ましい。
【０１２１】
また、水溶液中の無機系塩基の濃度は、ごく低濃度から飽和濃度までのいずれであっても良い。一般に、水溶液中の無機系塩基の濃度が高くなるほど、無機系塩基がパーフルオロ電解質前駆体内部まで浸透するので、加水分解層が厚くなる傾向がある。従って、無機系塩基の濃度は、反応温度及び反応時間に応じて最適な濃度を選択するのが好ましい。
【０１２２】
また、一般に、反応温度及び／又は反応時間が増大するほど、パーフルオロ電解質前駆体内部への無機系塩基の浸透深さが深くなる傾向がある。また、反応温度が高くなるほど、加水分解反応の反応速度が増大する傾向がある。但し、反応温度及び／又は反応時間が過大になると、電解質前駆体内部まで加水分解反応が進行し、イミド化反応が進行しにくくなり、耐熱性及び強度が低下する場合がある。また、反応温度が過大になると、パーフルオロ電解質前駆体の内部構造が変化し、電気伝導度が低下する場合がある。
【０１２３】
反応温度は、具体的には、０℃以上１００℃以下が好ましく、さらに好ましくは、１０℃以上９０℃以下であり、もっとも好ましくは、２０℃以上８０℃以下である。反応時間は、反応温度に応じて選ぶ必要がある。
【０１２４】
なお、上述した種々の方法を用いて表面加水分解層を形成した後、パーフルオロ電解質前駆体の酸洗浄や、真空乾燥処理を行っても良い。特に、加水分解層を形成した後に酸処理を行うと、次工程で用いるアンモニアガス又は１級アミンガスの拡散速度を増大させる作用がある。
【０１２５】
次に、工程Ｂについて説明する。工程Ｂは、パーフルオロ電解質前駆体の表層にある電解質基前駆体を所定の方法によって加水分解させた後、パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させる工程である。本実施の形態における工程Ｂは、第１の実施の形態に係る製造方法の工程Ｂと同一であるので、説明を省略する。
【０１２６】
次に、工程Ｆについて説明する。工程Ｆは、ガスＡ及びガスＢとの反応が終了した後、パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程である。本実施の形態における工程Ｆは、第１の実施の形態に係る製造方法の工程Ｆと同一であるので、説明を省略する。
【０１２７】
なお、耐熱性高分子電解質のイオン伝導性を高めるためには、工程Ｆの前又は後に、残存アミド基を強酸性イミド基に変換すること（工程Ｄ）が好ましい点、及び工程数を削減するには、工程Ｆの前に工程Ｄを行うことが好ましい点は、第１の実施の形態と同様である。
【０１２８】
次に、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法の作用について説明する。図１に示すように、パーフルオロ電解質前駆体１０と、水蒸気及び／又はアルコールガスを含むガスＡを所定の条件下で接触させると、電解質基前駆体が加水分解あるいはエステル化される。しかも、パーフルオロ電解質前駆体１０の内部における水蒸気及びアルコールガスの拡散速度は遅いので、電解質基前駆体の加水分解あるいはエステル化は、パーフルオロ電解質前駆体１０の表層において優先的に進行する。そのため、パーフルオロ電解質前駆体１０の表層には、所定の厚さを有する加水分解層（あるいはエステル化層）１２が形成される。
【０１２９】
一方、アンモニアガス及び／又はアミンガスをガスＡに添加すると、加水分解反応やエステル化反応を促進することができる。
【０１３０】
しかも、アンモニアガス及び１級アミンガスは、電解質基前駆体のアミド化反応及びイミド化反応にも寄与するが、水蒸気及び／又はアルコールガスが共存する領域では、アミド化反応及びイミド化反応が抑制され、加水分解反応やエステル化反応が優先的に進行する。
【０１３１】
そのため、ガスＡへのアンモニアガス及び／又はアミンガスの添加量及び反応条件を制御すれば、パーフルオロ電解質前駆体１０の表層に形成される加水分解層（あるいはエステル化層）１２の厚さを任意に制御することができる。また、加水分解される電解質基前駆体の量も任意に制御することができる。
【０１３２】
同様に、パーフルオロ電解質前駆体と、アミン系化合物／水混合液又は無機系塩基の水溶液とを接触させると、電解質基前駆体が加水分解あるいはエステル化される。しかも、これらの溶液では、パーフルオロ電解質前駆体が膨潤しない上に、アミン系化合物、無機系塩基がパーフルオロ電解質前駆体内部に拡散しにくいため、膜表面に優先的に加水分解層（あるいはエステル化層）を形成することができる。
【０１３３】
さらに、アミン系化合物を添加したガスＡ又はアミン系化合物／水混合溶液を用いる場合において、アミン系化合物の分子量を制御すると、加水分解層（あるいはエステル化層）の厚さを制御することができる。特に、相対的に分子量の大きいアミン系化合物を用いた場合には、アミン系化合物のパーフルオロ電解質前駆体内部への拡散速度が遅くなるので、パーフルオロ電解質前駆体の表面において優先的に加水分解層（あるいは、エステル化層）を形成することができる。
【０１３４】
次に、このような加水分解層（あるいはエステル化層）１２が形成されたパーフルオロ電解質前駆体１０とガスＢとを接触させると、ガスＢは、まず加水分解層（あるいはエステル化層）１２に達する。ガスＡ等との反応により生成した電解質基やエステル基は、アンモニアガス及び１級アミンガスとの共有結合を形成するような反応性に乏しいので、ガスＢの一部のみが、未反応の電解質基前駆体のアミド化反応及びイミド化反応に消費される。また、ガスＢの残りは、反応に消費されることなく、単に電解質基とアンモニウム塩を形成したり、あるいは、そのまま加水分解層（あるいはエステル化層）１２を素通りする。そのため、パーフルオロ電解質前駆体１０の表面には、残存アミド基及びイミド基導入量の少ない又はこれらの官能基のない第２層１４が形成される。
【０１３５】
一方、加水分解層（あるいはエステル化層）１２を透過したガスＢは、パーフルオロ電解質前駆体１０の内部に拡散し、アミド化反応及びイミド化反応に消費される。そのため、パーフルオロ電解質前駆体１０の内部にある第１層１６には、ガスＢの組成及び反応条件に応じて、所定量のイミド基が導入される。さらに、パーフルオロ電解質前駆体１０に含まれる未反応の電解質基前駆体のケン化及びプロトン化を行うと、イミド基を有するパーフルオロ高分子電解質からなる第１層１６と、その表面に形成された第２層１４とを備えた耐熱性高分子電解質１８が得られる。
【０１３６】
このような工程を経て得られた耐熱性高分子電解質１８は、第１層１６に所定量のイミド基が導入されているので、この第１層１６によって優れた耐熱性及び強度を示す。また、ガスＢによって導入されたイミド基が強酸性イミド基である場合には、高いイオン伝導性を示す。さらに、耐熱性高分子電解質１８の表面には、第２層１４が形成されているので、触媒層との接合性が向上し、出力特性の高い電気化学デバイスが得られる。
【０１３７】
また、加水分解層（あるいは、エステル化層）を形成するためにガスＡを用いる場合において、ガスＡに対してアンモニアガス及び／又はアミンガスを添加すると、加水分解反応あるいはエステル化反応を促進すると共に、表面に形成される第２層の厚さ、並びに第２層に含まれる残存アミド基及びイミド基の量を制御することができる。
【０１３８】
しかも、ガス状のアミン系化合物を用いた場合には、第２層は、傾斜状に電解質の内部まで形成され、アミン系化合物／水混合液又は無機系塩基の水溶液を用いた場合には、第２層は、表面により選択的に形成され、第２層の分布状態を制御することができる。
【０１３９】
また、ガスＢに２級アミン及び／又は３級アミンを添加した場合には、電解質基前駆体のイミド化反応が促進され、処理時間を短縮することができる。また、ガスＢに水蒸気及び／又はアルコールを添加した場合には、工程Ｂにおいて第２層の厚さ、残存アミド基量及びイミド基導入量をさらに制御することができる。また、ガスＢに有機溶剤ガスを添加した場合には、その添加量及び反応条件に応じて、イミド化反応を均一に進行させることができる。
【０１４０】
さらに、ガスＢとの反応が終了した後、電解質前駆体に残る残存アミド基を所定の試薬と反応させると、残存アミド基が末端強酸性イミド基に変換される。そのため、耐熱性高分子電解質のイオン伝導度がさらに向上する。
【０１４１】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法について説明する。本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質の製造方法は、工程Ａと、工程Ｂと、工程Ｃと、工程Ｆとを備えている。また、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質は、これらの工程を経て得られたものからなる。
【０１４２】
初めに、工程Ａについて説明する。工程Ａは、パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層（エステル化層）を形成する工程である。本実施の形態における工程Ａは、上述した第３の実施の形態に係る製造方法の工程Ａと同一であるので、説明を省略する。
【０１４３】
次に、工程Ｂについて説明する。工程Ｂは、加水分解層の形成が終了した後、パーフルオロ電解質前駆体と、アンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを接触させる工程である。本実施の形態における工程Ｂは、上述した第１の実施の形態に係る製造方法の工程Ｂと同一であるので、説明を省略する。
【０１４４】
次に、工程Ｃについて説明する。工程Ｃは、加水分解層の形成及びガスＢとの反応が終了した後、パーフルオロ電解質前駆体と、アミンガスを含むガスＣとを接触させる工程である。本実施の形態における工程Ｃは、上述した第２の実施の形態に係る製造方法の工程Ｃと同一であるので、説明を省略する。
【０１４５】
次に、工程Ｆについて説明する。工程Ｆは、加水分解層の形成、並びにガスＢ及びガスＣとの反応が終了した後、パーフルオロ電解質前駆体をプロトン型に変換する工程である。本実施の形態における工程Ｆは、上述した第１の実施の形態に係る製造方法の工程Ｆと同一であるので説明を省略する。
【０１４６】
なお、耐熱性高分子電解質のイオン伝導性を高めるためには、工程Ｆの前又は後に、残存アミド基を末端強酸性イミド基に変換すること（工程Ｄ）が好ましい点、及び工程数を削減するには、工程Ｆの前に工程Ｄを行うことが好ましい点は、第１の実施の形態と同様である。
【０１４７】
次に、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質及びその製造方法の作用について説明する。パーフルオロ電解質前駆体と、水蒸気及び／又はアルコールガスを含むガスＡを所定の条件下で接触させるか、あるいは、アミン系化合物／水混合液又は無機系塩基の水溶液を所定の条件下で接触させると、パーフルオロ電解質前駆体の表層に、加水分解層（あるいは、エステル化層）が形成される。
【０１４８】
次に、このような加水分解層が形成されたパーフルオロ電解質前駆体とガスＢとを接触させると、ガスＢの一部は、加水分解層内にある未反応の電解質基前駆体と反応し、他の一部は、単にアンモニウム塩としてイオン結合を形成するか、反応に消費されることなく、そのまま加水分解層を素通りする。そのため、パーフルオロ電解質前駆体の表面には、残存アミド基及びイミド基導入量の少ない又は導入がない第２層が形成される。
【０１４９】
一方、加水分解層を透過したガスＢは、パーフルオロ電解質前駆体の内部に拡散し、アミド化反応及びイミド化反応に消費される。そのため、パーフルオロ電解質前駆体の内部には、ガスＢの組成及び反応条件に応じて、所定量のイミド基が導入される。
【０１５０】
次に、加水分解層の形成及びガスＢとの反応を行ったパーフルオロ電解質前駆体と、ガスＣとを接触させると、アミド基と、未反応の電解質基前駆体とのイミド化反応がさらに進行する。そのため、ガスＢのみと反応させる場合に比して、イミド化反応が効率よく進行する。さらに、残存する未反応の電解質基前駆体のケン化及びプロトン化を行うと、本実施の形態に係る耐熱性高分子電解質が得られる。
【０１５１】
このような工程を経て得られた耐熱性高分子電解質は、内部にある層（第１層）に所定量のイミド基が導入されているので、この第１層によって優れた耐熱性及び強度を示す。また、ガスＢによって導入されたイミド基が強酸性イミド基である場合には、高いイオン伝導性を示す。さらに、耐熱性高分子電解質の表面には、第２層が形成されているので、触媒層との接合性が向上し、出力特性の高い電気化学デバイスが得られる。
【０１５２】
また、加水分解層（あるいは、エステル化層）を形成するためにガスＡを用いる場合において、ガスＡにアンモニアガス及び／又はアミンガスを添加した場合には、その添加量に応じて、加水分解層の厚さ及び加水分解層への電解質基の導入量を制御することができる。また、アミン系化合物／水混合液又は無機系塩基の水溶液を用いた場合には、表面において優先的に第２層を形成することができる。さらに、アミン系化合物が添加されたガスＡ又はアミン系化合物／水混合液を用いる場合において、アミン系化合物の分子量を制御すると、第２層の厚さを制御することができる。
【０１５３】
また、ガスＢに２級アミンガス及び／又は３級アミンガスを添加した場合には、電解質基前駆体のイミド化反応が促進され、処理時間を短縮することができる。また、ガスＢに水蒸気及び／又はアルコールガスを添加した場合には、工程Ｂにおいて第２層の厚さ、残存アミド基量及びイミド基導入量をさらに制御することができる。また、ガスＢ及び／又はガスＣに有機溶剤ガスを添加した場合には、その添加量及び反応条件に応じて、イミド化反応を均一に進行させることができる。
【０１５４】
さらに、加水分解層の形成、並びにガスＢ及びガスＣとの反応が終了した後、電解質前駆体に残る残存アミド基を所定の試薬と反応させると、残存アミド基が末端強酸性イミド基に変換される。そのため、耐熱性高分子電解質のイオン伝導度がさらに向上する。
【０１６４】
【実施例】
（実施例１〜４）
まず、加圧容器内にナフィオン１１２Ｆ膜（以下、これを「１１２Ｆ膜」という。）を入れ、容器内を脱気後、アンモニアガスを導入し、１１２Ｆ膜とアンモニアガスとを反応させた（以下、これを「Ｂ処理」という。）。なお、Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：０．１９６ＭＰａ、反応温度：２５℃、反応時間：８ｍｉｎ（実施例１、２）又は４ｍｉｎ（実施例３、４）とした。
【０１６５】
次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、トリメチルアミンガスを導入し、この１１２Ｆ膜とトリメチルアミンガス（以下、これを「ＴＭＡガス」という。）とを反応させた（以下、これを「Ｃ処理」という。）。なお、Ｃ処理の条件は、ゲージ圧力：０．０６８６ＭＰａ、反応温度：８０℃、反応時間：４ｈとした。
【０１６６】
反応終了後、得られた膜を２５％水酸化ナトリウム水溶液中で２時間還流し、水洗した後、６Ｍ塩酸中に５時間浸漬して加水分解（ケン化）し、残留するスルホニルフルオライド基をスルホン酸ナトリウム基に変換した。さらに、１Ｍ硫酸中で１時間還流し、プロトン型に変換した（プロトン化）。
【０１６７】
（実施例５、６）
まず、加圧容器内にナフィオン１１１Ｆ膜（以下、これを「１１１Ｆ膜」という。）を入れ、容器内を脱気後、アンモニアガスを導入し、アンモニアガスによる１１１Ｆ膜のＢ処理を行った。Ｂ処理の条件は、それぞれ、ゲージ圧力：０．１９６ＭＰａ、反応温度：２５℃、反応時間：８ｍｉｎ（実施例５）又は４ｍｉｎ（実施例６）とした。
【０１６８】
次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、トリメチルアミンガスを導入し、ＴＭＡガスによる１１１Ｆ膜のＣ処理を行った。Ｃ処理の条件は、それぞれ、ゲージ圧力：０．０６８６ＭＰａ、反応温度：８０℃、反応時間：４ｈとした。反応終了後、実施例１と同一の手順により、膜に含まれる未反応のスルホニルフルオライド基のケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質膜を得た。
【０１６９】
（実施例７、８、９）
まず、加圧容器内にアシプレックス（登録商標）Ｓ１００１Ｆ膜（旭化成（株）製。以下、これを「Ｓ１００１Ｆ膜」という。）を入れ、容器内を脱気後、アンモニアガスを導入し、アンモニアガスによるＳ１００１Ｆ膜のＢ処理を行った。Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：０．１９６ＭＰａ、反応温度：２５℃、反応時間：１０ｍｉｎ（実施例７）、１５ｍｉｎ（実施例８）又は２０ｍｉｎ（実施例９）とした。次に、Ｂ処理終了後の膜について、実施例５、６と同一の条件下で、膜のＣ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質膜を得た。
【０１７０】
（実施例１０、１１）
まず、加圧容器内に１１１Ｆ膜を入れ、水蒸気とアンモニアガスの混合ガスによる表面加水分解処理（以下、これを「Ａ処理」という。）を行った。Ａ処理の条件は、水蒸気濃度：０．２５％（実施例１０）又は０．５％（実施例１１）、混合ガスのゲージ圧力：０．０９８ＭＰａ、反応温度：２５℃、反応時間：１ｍｉｎとした。
【０１７１】
次に、Ａ処理後の膜について、アンモニアガスによるＢ処理を行った。Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：０．１９６ＭＰａ、反応温度：２５℃、反応時間：８ｍｉｎとした。さらに、得られた膜に対して、実施例７〜９と同一条件下で、Ｃ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質を得た。
【０１７２】
（実施例１２）
実施例５と同一条件下で、１１１Ｆ膜のアンモニアガスによるＢ処理及びＴＭＡガスによるＣ処理を行った。次に、処理後の１１１Ｆ膜を、クロロホルム：２００ｍｌ、トリエチルアミン：２０ｍｌ、ＣＦ_３ＳＯ_２Ｃｌ：１０ｇの溶液に２５℃で７２時間浸漬した。さらに、得られた１１１Ｆ膜に対して、実施例５と同一条件下でケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質を得た。
【０１７３】
（比較例１〜３）
１１２Ｆ膜（比較例１）、１１１Ｆ膜（比較例１）及びＳ１００１Ｆ膜（比較例３）に対して、Ａ処理、Ｂ処理及びＣ処理を行うことなく、そのままケン化処理及びプロトン化処理を行い、電解質膜を得た。
【０１７４】
実施例１〜１２及び比較例１〜３で得られた電解質膜について、それぞれＭｃを測定した。なお、「Ｍｃ」とは、次の数１の式で表される物性値をいい、Ｍｃが小さいほど、イミド基の導入量が多いことを示す。
【０１７５】
【数１】
Ｆ／Ｓ＝ρＲＴ（α−α^−２）／Ｍｃ
（但し、Ｆ：固体高分子電解質膜の２２０℃における引張荷重、Ｓ：未伸張時の膜の断面積、ρ：膜の密度、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、α：未伸張時の膜の長さに対する伸張後の膜の長さの比（伸張比））
【０１７６】
また、Ｍｃは、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を、温度：２２０℃、チャック間距離：２０ｍｍ、引張速度：１２０ｍｍ／分の条件下で引張試験を行い、その時のＦ／Ｓを（α−α^−２）に対してプロットしたときに得られるＳ字状の曲線の最小勾配Ｂを用いて、次の数２の式により求められる。
【０１７７】
【数２】
Ｍｃ＝ρＲＴ／Ｂ
【０１７８】
次に、得られた膜から、幅１ｃｍの試料を切り出し、２５℃で導電率を測定した。導電率は、試料の膜抵抗（Ｒ）及び膜厚（ｔ）から、次の数３の式により算出した。また、膜抵抗は、切り出した試料を２端子の電気伝導セルに装着し、セルを純水中に浸漬し、ＬＣＲメータ（ＹＨＰ製、４２６２ＡＬＣＲＭＥＴＥＲ）を用いて交流法（１０ｋＨｚ）により測定した。また、膜厚（ｔ）は、マイクロメータで測定した。
【０１７９】
【数３】
σ＝Ｌ／(Ｒ・Ａ)＝Ｌ／(Ｒ・ｗ・ｔ)
（但し、σ：電気伝導率（Ｓ／ｃｍ）、Ｒ：膜抵抗（Ω）、Ｌ：電圧端子間の距離（＝１ｃｍ）、Ａ：膜の断面積（ｃｍ^２）、ｔ：膜厚（ｃｍ）、ｗ：膜幅（ｃｍ））
【０１８０】
さらに、実施例１〜１２及び比較例１〜３で得られた各電解質膜を用いて燃料電池を作製し、出力特性を評価した。なお、出力特性の評価は、セル温度：１００℃、電流密度：０．７Ａ／ｃｍ^２の条件下で行った。また、表１に、その他の評価条件を示す。
【０１８１】
【表１】

【０１８２】
表２に、各電解質膜の処理条件、Ｍｃ（万）、導電率（Ｓ／ｃｍ）及び電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２時の出力電圧（Ｖ）を示す。
【０１８３】
【表２】

【０１８４】
実施例１〜９で得られた高分子電解質の場合、前駆体膜の材質によらず、Ｂ処理の反応時間が長くなるほど、又はＣ処理の反応温度が高くなるほど、Ｍｃが低下（すなわち、イミド基の導入量が増加）する傾向を示した。一方、実施例１〜９において、Ｍｃが低下するほど、導電率及び出力電圧は、比較例１〜３に比して低下する傾向を示したが、その減少率は比較的小さかった。これは、前駆体膜のＢ処理によって導入されるイミド基が強酸基として機能するためである。
【０１８５】
また、Ｂ処理及びＣ処理を行った実施例５と、Ｂ処理の前にさらにＡ処理を行った実施例１０、１１とを比較すると、実施例１０、１１は、実施例５に比してＭｃが若干低下しているにもかかわらず、導電率及び出力電圧は、いずれも実施例５より向上した。また、Ａ処理時の水蒸気濃度が高くなるほど、導電率は高くなった。これは、イミド基導入量の少ない第２層が電解質膜表面に形成されたことによって、出力電圧に関しては電解質膜と触媒層との接合性が改善されたため、導電率に関しては電解質膜と測定電極との接触抵抗が減少したためと考えられる。
【０１８６】
さらに、Ｂ処理及びＣ処理の後、さらにＣＦ_３ＳＯ_２Ｃｌ溶液との処理を行った実施例１２の場合、Ｍｃは、実施例５と同等であったが、導電率及び出力電圧は、いずれも実施例５より向上した。これは、ＣＦ_３ＳＯ_２Ｃｌ溶液との処理を行うことによって、残存アミド基が末端強酸性イミド基に変換されたためと考えられる。
【０１８７】
図２及び図３に、それぞれ、実施例５で得られた耐熱性高分子電解質の膜全体及び膜表面のＩＲデータを示す。また、図４及び図５に、それぞれ、実施例１０で得られた耐熱性高分子電解質の膜全体及び膜表面のＩＲデータを示す。なお、膜全体についてはＩＲ透過法を、また膜表面についてはＩＲ反射法をそれぞれ用いた。
【０１８８】
図２及び図４に示すように、膜全体については、実施例５及び実施例１０のいずれも、１３８０ｃｍ^−１付近にアミド基に対応するピークが認められた。両者の吸光度はほぼ同等であるので、実施例５及び実施例１０で得られた高分子電解質膜の膜全体に導入されたアミド基の量は、ほぼ同等と考えられる。
【０１８９】
一方、図３及び図５に示すように、膜表面については、実施例５の耐熱性高分子電解質には、９３０ｃｍ^−１付近にアミド基に対応する弱いピークが認められるのに対し、実施例１０の耐熱性高分子電解質には、９３０cm^−１付近にピークが認められなかった。図２〜図５より、Ａ処理を行うことによって、膜表面のアミド基の量が少なくなっていることがわかる。
【０１９０】
（実施例１３〜２１）
まず、加圧容器内にＳ１００１Ｆ膜を入れ、容器内を脱気後、アンモニアガスを導入し、アンモニアガスによるＢ処理を行った。なお、Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：２ｋｇ／ｃｍ^２（０．１９６ＭＰａ）、反応温度：２５℃、反応時間：１０ｍｉｎ（実施例１３）、１５ｍｉｎ（実施例１４）又は１２ｍｉｎ（実施例１５〜２１）とした。
【０１９１】
次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、ＴＭＡガスを導入し、このＳ１００１Ｆ膜のＴＭＡガスによるＣ処理を行った。なお、Ｃ処理の条件は、ゲージ圧力：０．７ｋｇ／ｃｍ^２（０．０６９ＭＰａ）（実施例１３〜１９）又は１．０ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）（実施例２０、２１）、反応温度：５０℃（実施例１５）、８０℃（実施例１３、１４、１６）、又は１００℃（実施例１７〜２１）、反応時間：０．５ｈ（実施例１９、２１）、１ｈ（実施例１８、２０）又は４時間（実施例１３〜１７）とした。さらに、反応終了後、実施例１と同一の手順により、膜に含まれる未反応のスルホニルフロライド基のケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質を得た。
【０１９２】
（実施例２２〜２４）
まず、実施例１５と同一の条件下で、Ｓ１００１Ｆ膜のアンモニアガスによるＢ処理を行った。次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、ＴＭＡガスを導入し、このＳ１００１Ｆ膜のＴＭＡガスによるＣ処理を行った。なお、実施例２２〜２４のＣ処理においては、絶対圧０．１２〜０．１５ＭＰａのＴＭＡガスに対し、絶対圧０．０２５ＭＰａのフッ素系有機溶剤（ＡＫ−２２５（旭硝子（株）製））ガスを添加した。また、Ｃ処理の条件は、絶対圧：１．５３ｋｇ／ｃｍ^２（０．１５０ＭＰａ）、反応温度：１００℃、反応時間：４ｈ（実施例２２）、１ｈ（実施例２３）又は０．５ｈ（実施例２４）とした。さらに、反応終了後、実施例１と同一の手順により、膜に含まれる未反応のスルホニルフロライド基のケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質を得た。
【０１９３】
（実施例２５〜２７）
まず、加圧容器内にＳ１００１Ｆ膜を入れ、水蒸気とＴＭＡガスの混合ガスによる表面加水分解処理（Ａ処理）を行った。なお、水蒸気とＴＭＡガスの混合ガスは、液体水の入った上端開放容器を加圧容器内に設置し、かつ加圧容器内にＴＭＡガスを供給することにより形成した。また、Ａ処理の条件は、ゲージ圧力：０．９ｋｇ／ｃｍ^２（０．０８８ＭＰａ）（実施例２５、２６）又は０．５ｋｇ／ｃｍ^２（０．０４９ＭＰａ）（実施例２７）、反応温度：２５℃、反応時間：１０ｍｉｎ（実施例２５）又は５ｍｉｎ（実施例２６、２７）とした。
【０１９４】
次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、このＳ１００１Ｆ膜のアンモニアガスによるＢ処理及びＴＭＡガスによるＣ処理を行った。なお、Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：１ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）、反応温度：２５℃、反応時間：５ｍｉｎ（実施例２５、２６）又は８ｍｉｎ（実施例２７）とした。また、Ｃ処理の条件は、ゲージ圧力：０．７ｋｇ／ｃｍ^２（０．０６９ＭＰａ）、反応温度：８０℃、反応時間：４ｈとした。さらに、反応終了後、実施例１と同一の手順により、膜に含まれる未反応のスルホニルフロライド基のケン化処理及びプロトン化処理を行い、耐熱性高分子電解質を得た。
【０１９５】
実施例１３〜２７で得られた膜について、実施例１〜１２と同一の条件下で、Ｍｃ（万）、導電率（Ｓ／ｃｍ）、及び電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２時の出力電圧（Ｖ）を測定した。表３に、その結果及び各電解質膜の処理条件を示す。
【０１９６】
【表３】

【０１９７】
実施例１３〜２１で得られた高分子電解質の場合、Ｂ処理の反応時間が長くなるほど、Ｃ処理の反応温度が高くなるほど、Ｃ処理の反応時間が長くなるほど、又はＴＭＡガスの圧力が高くなるほど、Ｍｃが低下（すなわち、イミド基の導入量が増加）する傾向を示した。一方、Ｍｃが低下するほど、導電率及び出力電圧は低下する傾向を示した。しかしながら、その減少率は比較的小さく、比較例３と比べて遜色のない値であった。
【０１９８】
また、Ｃ処理の際にＴＭＡガスにフッ素系有機溶剤ガスを添加した実施例２２〜２４と、フッ素系有機溶剤ガスを使用しなかった実施例１７〜１９を比較すると、実施例２２〜２４は、ＴＭＡガスの絶対圧が０．１５０ＭＰａで、実施例１７〜１９の絶対圧０．１６９ＭＰａより低いにもかかわらず、実施例１７〜１９とほぼ同等のＭｃが得られていることがわかる。これは、ＴＭＡガスにフッ素系有機溶剤ガスを添加することによって、ＴＭＡガスの膜内部への拡散が促進されたためと考えられる。
【０１９９】
さらに、Ａ処理を行った実施例２５〜２７の導電率及び出力電圧は、Ａ処理を行わなかった実施例１３〜２４の内、Ｍｃがほぼ同等であるものと比べて、高い値を示した。これは、イミド基導入量の少ない第２層が電解質膜表面に形成されたことによって、電解質膜と触媒層との接合性が改善されたためと考えられる。
【０２００】
（実施例２８）
まず、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成するために、Ｓ１００１Ｆ膜を２５％ＫＯＨ水溶液に４０℃で２時間浸漬した（無機塩基によるＡ処理）。その後、膜を２ＮのＨ_２ＳＯ_４水溶液に７０℃で１時間浸漬し、次いで純水で１時間煮沸し、６０℃で４時間真空乾燥した（硫酸処理）。次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、アンモニアガスを導入し、この膜のアンモニアガスによるＢ処理を行った。なお、Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：２ｋｇ／ｃｍ^２（０．１９６ＭＰａ）、反応温度：３０℃、反応時間：２０分とした。
【０２０１】
次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、ＴＭＡガスを導入し、この膜のＴＭＡガスによるＣ処理を行った。なお、Ｃ処理の条件は、ゲージ圧力：１ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）、反応温度：８０℃、反応時間：４時間とした。反応終了後、得られた膜を１５％水酸化カリウム水溶液中で３時間還流し、水洗して加水分解し、残留するスルホニルフロライド基をスルホン酸カリウム基に変換した（ケン化処理）。次いで、６５％硝酸水溶液に５０℃で３時間浸漬し、１０Ｎの塩酸に室温で一晩浸漬し、さらに純水で１時間煮沸することにより、プロトン型に変換した（プロトン化処理）。
【０２０２】
（実施例２９）
まず、実施例２８と同一の条件下で、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成し（Ａ処理）、その後、膜を純水で洗浄し、６０℃で４時間真空乾燥した（水洗処理）。次に、実施例２８と同一条件下で、Ｂ処理、Ｃ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行った。
【０２０３】
（実施例３０）
まず、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成するために、Ｓ１００１Ｆ膜を５０％トリメチルアミン／水混合液に４０℃で１０分浸漬した（アミン系化合物／水混合液によるＡ処理）。その後、Ｂ処理のゲージ圧力を１ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）とした以外は実施例２８と同一条件下で、膜の硫酸処理、Ｂ処理、Ｃ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行った。
【０２０４】
（実施例３１）
２５％ＫＯＨ水溶液によるＡ処理及び硫酸処理を行うことなく、実施例２８と同一の条件下で、Ｓ１００１Ｆ膜のＢ処理、Ｃ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行った。
【０２０５】
（実施例３２）
まず、加圧容器内にＳ１００１Ｆ膜を入れ、水蒸気とＴＭＡガスの混合ガスによる表面加水分解処理（Ａ処理）を行った。なお、水蒸気とＴＭＡガスの混合ガスは、液体水の入った上端開放容器を加圧容器内に設置し、かつ加圧容器内にＴＭＡガスを供給することにより形成した。また、Ａ処理の条件は、ゲージ圧力：１．０ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）、反応温度：３０℃、反応時間：１０分とした。その後、膜を２ＮのＨ_２ＳＯ_４水溶液に７０℃で１時間浸漬し、次いで純水で１時間煮沸し、６０℃で４時間真空乾燥した。
【０２０６】
次に、加圧容器内において、容器内を脱気後、アンモニアガスを導入し、この膜のアンモニアガスによるＢ処理を行った。なお、Ｂ処理の条件は、ゲージ圧力：１ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）、反応温度３０℃、反応時間：５分とした。さらに、実施例２８と同一の条件下で、膜のＣ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行った。
【０２０７】
実施例２８〜３２で得られた膜について、電極触媒層との接合性を評価した。接合性の評価は、以下の方法により行った。まず、２０％ナフィオン溶液（デュポン社製）１．０ｍｌに対して、白金担持カーボン（自社製）５００ｍｇを加えて均一に混合した。次いで、これをテトラフルオロエチレンシートに塗布して乾燥させ、電極触媒層を得た。
【０２０８】
次に、得られた電極触媒層を実施例２８〜３２で得られた膜に対し、接合温度：１２０℃、接合圧力：５０ｋｇ／ｃｍ^２（４．９ＭＰａ）、接合時間：１０分の条件下で接合した。接合後、電極触媒層の総面積に対する転写されなかった電極触媒層の面積の比率（以下、これを「面積率」という。）により接合性を評価した。表４に、その結果を示す。
【０２０９】
【表４】

【０２１０】
表面に加水分解層を形成しなかった実施例３１の場合、電極触媒層が転写されなかった領域が生じたが、その面積率は、１０％以下であった。これに対し、表面に加水分解層を形成した実施例２８、２９、３０、３２の場合、電極触媒層はほぼ転写された。表面に加水分解層を形成することによって接合性が向上したのは、膜表面の弾性率が下がることによって、電解質膜と触媒層内電解質のポリマ同士が絡みやすくなったこと、及び両ポリマのスルホン酸同士の親和性によって、電解質／触媒層の界面形成が容易になったこと、によると考えられる。
【０２１１】
図６及び図７に、それぞれ、実施例２８及び実施例３２で得られた表面加水分解処理後の膜のＡＴＲ法による膜表面のＩＲスペクトルを示す。また、図８及び図９に、それぞれ、実施例２８及び実施例３２で得られた表面加水分解処理後の膜の透過法による膜全体のＩＲスペクトルを示す。
【０２１２】
図６及び図７より、実施例２８及び実施例３２で得られた膜は、いずれも、膜表面のスルホニルフロライド基がスルホン酸基にほぼ変換されていることがわかる。一方、図８及び図９より、実施例３２に比べ、実施例２８の方が、膜全体でのスルホン酸基量が少ないことがわかる。これは、ＫＯＨ水溶液を用いて表面加水分解処理（Ａ処理）を行うことによって、加水分解がより選択的に膜表面で起こっていることを示している。特に、実施例２８は、膜表面から１μｍまでスルホニルフロライド基が消失しているため、膜表面では、イミド基が導入されない第２層が形成できる。
【０２１３】
（実施例３３）
まず、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成するために、Ｓ１００１Ｆ膜を５０％トリ−ｎ−プロピルアミン／水混合液に４０℃で１時間浸漬した（アミン系化合物／水混合液によるＡ処理）。その後、Ｂ処理のゲージ圧力を１ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）とした以外は、実施例２８と同一条件下で、膜の硫酸処理、Ｂ処理、Ｃ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行った。
【０２１４】
（実施例３４）
まず、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成するために、Ｓ１００１Ｆ膜を５０％トリ−ｎ−ブチルアミン／水混合液に４０℃で１時間浸漬した（アミン系化合物／水混合液によるＡ処理）。その後、Ｂ処理のゲージ圧力を１ｋｇ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ）とした以外は、実施例２８と同一条件下で、膜の硫酸処理、Ｂ処理、Ｃ処理、ケン化処理及びプロトン化処理を行った。
【０２１５】
実施例３３及び３４で得られた表面加水分解処理後の膜について、透過法による膜全体のＩＲスペクトル及びＡＴＲ法による膜表面のＩＲスペクトルを測定し、このＩＲスペクトルから、次の数４の式を用いて、膜全体及び膜表面のスルホン酸基量（スルホン化率）を算出した。さらに、膜表面のスルホン酸基量に対する膜全体のスルホン酸基量の比（膜全体／膜表面比）を算出した。
【０２１６】
【数４】
スルホン化率（％）＝(I/Is)＊100／(I_１００/I_１００ｓ)
I ：サンプル膜のスルホン酸基ピーク（１０５８ｃｍ^−１）強度
Is ：サンプル膜の基準ピーク（９８３ｃｍ^−１）強度
I_１００：１００％スルホン酸基膜のスルホン酸基ピーク強度
I_１００ｓ：１００％スルホン酸基膜の基準ピーク強度
【０２１７】
分子量が１４３であるトリ−ｎ−プロピルアミンを用いた実施例３３の場合、膜全体／膜表面比は、０．６５であった。これに対し、分子量が１８５であるトリ−ｎ−ブチルアミンを用いた実施例３４の場合、膜全体／膜表面比は、０．３７であり、実施例３３より低下した。これは、分子量のより大きなアミンを用いることによって、膜表面に選択的に加水分解層が形成されたことを示している。
【０２１８】
（実施例３５）
まず、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成するために、Ｓ１００１Ｆ膜を５０％トリドコサニルアミン（Ｎ(Ｃ_２２Ｈ_４５)_３）／水混合液に４０℃で２４時間浸漬した（アミン系化合物／水混合液によるＡ処理）。その後、実施例２８と同一条件下で、膜の硫酸処理を行った。
【０２１９】
（比較例４）
まず、Ｓ１００１Ｆ膜の表面に加水分解層を形成するために、Ｓ１００１Ｆ膜を５０％トリテトラコサニルアミン（Ｎ(Ｃ_２４Ｈ_４９)_３）／水混合液に４０℃で２４時間浸漬した。その後、実施例２８と同一条件下で、膜の硫酸処理を行った。
【０２２０】
図１０及び図１１に、それぞれ、実施例３５及び比較例４で得られた表面加水分解処理後の膜の透過法による膜全体のＩＲスペクトルを示す。図１０及び図１１より、分子量が１０２７であるトリテトラコサニルアミンを用いた場合、スルホン酸基のピークが全く検出されないのに対し、分子量が９４３であるトリドコサニルアミンを用いた場合には、スルホン酸基のピークが僅かに検出されているのがわかる。これは、アミンの分子量が大きくなるほど、膜内部への拡散速度が遅くなり、加水分解層が形成されにくくなることを示している。
【０２２１】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【０２２２】
例えば、本発明に係る方法は、単独で用いても良いが、本発明に係る方法と、耐熱性を向上させるための従来の方法とを組み合わせて用いても良い。すなわち、ガスＢ（又は、ガスＢ及びガスＣ）を用いた処理の前又は後に、通常の架橋剤（例えば、ＵＶ硬化型のアミン系架橋剤）とを反応させ、これによってさらに架橋構造を導入しても良い。
【０２２３】
また、ガスＢに１級アミンガスが含まれる場合には、ガスＢを用いてイミド基を導入した後、置換基の末端に酸基を導入する処理を行っても良い。１級アミンガスとの反応によって得られるイミド基は、通常、強酸基として機能しないが、置換基の末端に酸基を導入することによって強酸基となり、イオン伝導度を向上させることができる。
【０２２４】
また、上記実施の形態においては、パーフルオロ電解質前駆体の表面に加水分解層を形成するために、無機系塩基の水溶液を用いているが、相対的に加水分解が容易な電解質基前駆体を備えたパーフルオロ電解質前駆体を用いる場合には、所定濃度及び所定温度の酸水溶液にパーフルオロ電解質前駆体を浸漬するだけでも、所定の厚さを有する加水分解層を形成することができる。
【０２２５】
さらに、本発明に係る耐熱性高分子電解質は、燃料電池やＳＰＥ装置等、過酷な条件下で使用される電気化学デバイスに用いられる電解質として特に好適であるが、本発明の用途は、燃料電池あるいはＳＰＥ電解装置に限定されるものではなく、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、水素及び／又は酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種の電気化学デバイスに用いられる電解質としても用いることができる。
【０２２６】
【発明の効果】
本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法は、パーフルオロ電解質前駆体とアンモニアガス及び／又は１級アミンガスを含むガスＢとを反応させているので、電解質内部にイミド基を導入することができ、耐熱性及び強度に優れた耐熱性高分子電解質が得られるという効果がある。また、パーフルオロ電解質前駆体とガスとを反応させているので、所定量のイミド基を短時間で導入することができ、製造コストを削減できるという効果がある。また、導入されるイミド基が強酸性イミド基である場合には、耐熱性及び強度に加えて、イオン伝導度に優れた耐熱性高分子電解質が得られるという効果がある。
【０２２７】
また、パーフルオロ電解質前駆体とガスＢとを反応させた後、アミンガスを含むガスＣと反応させる場合、あるいは、ガスＢに２級アミンガス及び／又は３級アミンガスを添加した場合には、イミド基をさらに効率よく導入することができ、製造コストを削減できるという効果がある。
【０２２８】
また、ガスＢと反応させる前又はこれと同時に、パーフルオロ電解質前駆体と水蒸気又はアルコールガスとを反応させた場合、あるいは、ガスＢと接触させる前に、パーフルオロ電解質前駆体をアミン系化合物／水混合液又は無機系塩基の水溶液に接触させた場合には、表面にイミド基導入量の少ない又は導入がない第２層を形成することができ、電極との接合性が向上するという効果がある。また、これを用いた各種電気化学デバイスの出力特性が向上するという効果がある。
【０２２９】
また、ガスＢ又はガスＣに有機溶剤ガスを添加すると、イミド化反応を均一に進行させることができるという効果がある。さらに、アンモニアガスとの反応で生成した残存アミド基を末端強酸性イミド基に変換することによって、イオン伝導性に優れた耐熱性高分子電解質が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐熱性高分子電解質の製造方法の一例を示す工程図である。
【図２】実施例５で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜全体のＩＲデータである。
【図３】実施例５で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜表面のＩＲデータである。
【図４】実施例１０で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜全体のＩＲデータである。
【図５】実施例１０で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜表面のＩＲデータである。
【図６】実施例２８で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜表面のＩＲデータである。
【図７】実施例３２で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜表面のＩＲデータである。
【図８】実施例２８で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜全体のＩＲデータである。
【図９】実施例３２で得られた耐熱性高分子電解質膜の膜全体のＩＲデータである。
【図１０】トリドコサニルアミンを用いて処理した膜の膜全体のＩＲデータである。
【図１１】トリテトラコサニルアミンを用いて処理した膜の膜全体のＩＲデータである。
【符号の説明】
１０パーフルオロ電解質前駆体
１２加水分解層
１４第２層
１６第１層
１８耐熱性高分子電解質[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high heat-resistant polymer electrolyte and a method for producing the same, and more specifically, a fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, a hydrogen and / or oxygen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. The present invention relates to a heat-resistant polymer electrolyte suitable as an electrolyte membrane used for the like, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in a polymer chain, and has a property of binding firmly to a specific ion or selectively transmitting a cation or an anion. Since it has, it shape | molds in particle | grains, a fiber, or film | membrane form, and is utilized for various uses.
[0003]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane, a fuel gas containing hydrogen such as a reformed gas is supplied to one electrode (fuel electrode), and an oxygen containing oxygen such as air is oxidized. This is a battery that supplies chemical gas to the other electrode (air electrode) and directly extracts chemical energy generated when the fuel is oxidized as electric energy. In a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte membrane.
[0004]
The SPE electrolysis method is a method for producing hydrogen and oxygen by electrolyzing water, and a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte instead of a conventional alkaline aqueous solution. .
[0005]
As solid polymer electrolytes used for such applications, for example, non-crosslinked perfluoro-electrolytes represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) are known. Perfluoro-based electrolytes have been used as electrolyte membranes used under severe conditions such as fuel cells and SPE electrolysis because of their very high chemical stability.
[0006]
Non-Patent Document 1 proposes a bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide group as a novel acid group. Perfluorovinyl ether having two bissulfonylimide groups in the ether portion, tetrafluoroethylene, A bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide polymer having a structure similar to Nafion synthesized by copolymerization of is disclosed.
[0007]
Further, Patent Document 1 discloses a high heat-resistant polymer electrolyte obtained by crosslinking a perfluoro-based polymer compound via a strongly acidic crosslinking group composed of bissulfonylimide, sulfonylcarbonylimide, biscarbonylimide, bissulfonylmethylene, and the like. Is disclosed by the present applicant.
[0008]
[Non-Patent Document 1]
Journal of Fluorine Chemistry Vol. 72 (1995) 203-208
[Patent Document 1]
JP 2000-188013 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
It is known that solid polymer fuel cells have higher power generation efficiency as the operating temperature of the cells increases. In addition, the electrode bonded to both sides of the solid polymer electrolyte contains a platinum-based electrode catalyst, but platinum is poisoned even by a small amount of carbon monoxide, and the output of the fuel cell is reduced. Cause it. Moreover, it is known that the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide becomes more remarkable at lower temperatures.
[0010]
Therefore, in a polymer electrolyte fuel cell using a gas containing a small amount of carbon monoxide such as methanol reformed gas as a fuel gas, the operating temperature is increased in order to increase the efficiency and reduce the carbon monoxide poisoning of the electrode catalyst. Is desired to be high.
[0011]
In water electrolysis, the total energy required for water electrolysis does not change significantly with temperature, but the minimum voltage required for water electrolysis, that is, the theoretical decomposition voltage, is known to decrease with increasing temperature. Yes. Therefore, if heat energy can be supplied from the outside to the system and the electrolysis reaction can be performed at a high temperature, consumption of expensive electric energy can be reduced, which is advantageous in terms of efficiency.
[0012]
Furthermore, all of the conventional solid polymer electrolytes require water to exhibit proton conductivity. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell, when the operating condition becomes a dry condition, the membrane resistance increases due to the drying of the electrolyte membrane, and the output decreases. In order to avoid this problem in conventional polymer electrolyte fuel cells, the auxiliary membrane is used to humidify the electrolyte membrane. However, humidification by the auxiliary machinery reduces the efficiency of the fuel cell and increases the size of the system. Invite. Therefore, in fuel cells, in order to obtain high battery performance, an electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity even under low humidification and high temperature conditions is desired.
[0013]
However, perfluoro-based electrolytes typified by Nafion are non-crosslinked, and therefore have low heat resistance and have the property of creeping at 130 ° C. or higher, which is near the glass transition temperature. Therefore, when a perfluoro-based electrolyte is used in a fuel cell or SPE electrolyzer, the operating temperature needs to be 100 ° C. or lower, which is advantageous in terms of prevention of electrode catalyst poisoning by carbon monoxide and efficiency. There is a problem that it cannot be used at high temperatures.
[0014]
In addition, in the case of a fuel cell using an electrolyte membrane synthesized from a monomer having one polar group such as Nafion, the proton conductivity of the electrolyte membrane is insufficient, so that high battery performance under low humidification and high temperature conditions is I can't get it. On the other hand, when the proportion of the monomer having a polar group is increased in order to increase the proton conductivity of the electrolyte membrane, the crystallinity of the main chain is lowered. For this reason, there is a problem that the strength of the electrolyte membrane is reduced, or the electrolyte membrane is significantly swollen or solubilized in water and the shape cannot be maintained.
[0015]
In addition, in the case of the bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide polymer disclosed in Non-Patent Document 1, perfluorovinyl ether is bulky compared to tetrafluoroethylene, so that a sufficient molecular weight can be obtained even if these are copolymerized. There is a concern that the film strength is insufficient.
[0016]
In addition, since bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide polymer is non-crosslinked, it has a problem in heat resistance like Nafion. In order to solve this problem, it is also conceivable to introduce a crosslinked structure when the imide polymer is copolymerized. However, when a cross-linked structure is introduced during copolymerization, the polymer becomes insoluble, so that it becomes very difficult to form a film or the like, and a homogeneous film cannot be obtained.
[0017]
On the other hand, in the high heat-resistant polymer electrolyte proposed in Patent Document 1 proposed by the applicant of the present application, the amount of the electrolyte group is greatly reduced because the perfluoro-based electrolyte is crosslinked through a strongly acidic crosslinking group. The strength can be improved without any problem. However, in order to further improve the performance of electrochemical devices used under harsh conditions such as fuel cells and SPE electrolyzers, it is necessary to further improve the heat resistance, strength and ionic conductivity of the electrolyte used therefor. desired.
[0018]
The problem to be solved by the present invention is to provide a heat-resistant polymer electrolyte excellent in heat resistance, strength and ion conductivity and a method for producing the same.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is:Reacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.Contacting a perfluoroelectrolyte precursor with gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas;After contacting with the gas B, contacting with the perfluoroelectrolyte precursor and a gas C containing an amine gas, and contacting with the gas C,It consists of what is obtained by converting the said perfluoroelectrolyte precursor into a proton type.
[0020]
  In addition, the method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention includes:Reacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.A perfluoroelectrolyte precursor;Contains primary amine gas or contains ammonia gas and primary amine gasThe gist is that it comprises a step B in which the gas B is brought into contact and a step F in which the perfluoroelectrolyte precursor is converted into a proton type.
[0022]
  The second method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is as follows.Reacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.A perfluoroelectrolyte precursor;Contains primary amine gas or contains ammonia gas and primary amine gasA step B in which the gas B is brought into contact; a step C in which the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a gas C containing an amine gas; and a step F in which the perfluoroelectrolyte precursor is converted into a proton type. This is the gist.
[0024]
  The third method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is as follows.Reacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.Step A for forming a hydrolysis layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor, the perfluoroelectrolyte precursor,Contains primary amine gas or contains ammonia gas and primary amine gasThe gist of the invention is that it comprises a step B in which the gas B is brought into contact with and a step F in which the perfluoroelectrolyte membrane precursor is converted into a proton type.
[0025]
  The heat-resistant polymer electrolyte of the present invention2The second isReacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.A hydrolyzed layer is formed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor, the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas, and the perfluoroelectrolyte precursor and amine gas are contacted. It consists of what is obtained by making it contact with the gas C containing and converting the said perfluoroelectrolyte precursor to a proton type.
[0026]
  The fourth method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is as follows.Reacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.Step A for forming a hydrolysis layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor, the perfluoroelectrolyte precursor,Contains primary amine gas or contains ammonia gas and primary amine gasA step B in which the gas B is brought into contact; a step C in which the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a gas C containing an amine gas; and a step F in which the perfluoroelectrolyte precursor is converted into a proton type. This is the gist.
[0027]
  The fifth method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is to react with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, a sulfonyl halide group that can serve as an electrolyte group. A step B in which a perfluoroelectrolyte precursor composed of a perfluoro polymer compound having a hydrogen atom and a gas B containing ammonia gas are brought into contact with each other; a step C in which the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a gas C containing an amine gas; And a step F of converting the perfluoroelectrolyte precursor into a proton type. And the 6th of the manufacturing method of the heat resistant polymer electrolyte which concerns on this invention reacts with ammonia gas or primary amine gas, turns into an amide group or an imide group, and when it does not react, the sulfonyl halide group which can become an electrolyte group Forming a hydrolyzed layer on the surface of a perfluoroelectrolyte precursor comprising a perfluoropolymer compound having a step, contacting the perfluoroelectrolyte precursor with a gas B containing ammonia gas, The gist is that it comprises a step C in which a perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a gas C containing an amine gas, and a step F in which the perfluoroelectrolyte precursor is converted into a proton type.
[0028]
  Reacts with ammonia gas or primary amine gas to form an amide group or an imide group, and when not reacted, comprises a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be an electrolyte group.When the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with the gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas, a part of the electrolyte group precursor contained in the perfluoroelectrolyte precursor becomes an amide group. Next, the generated amide group reacts with another electrolyte group precursor remaining in the perfluoroelectrolyte precursor to become an imide group. Therefore, a heat resistant polymer electrolyte having excellent heat resistance and strength can be obtained. When the gas B contains ammonia gas, the imide group functions as a strong acid group and exhibits high ionic conductivity.
[0029]
Further, when the secondary amine gas and / or the tertiary amine gas is added to the gas B, or after the perfluoroelectrolyte precursor and the gas B are brought into contact with each other, the perfluoroelectrolyte precursor and the gas C containing the amine gas are brought into contact with each other. In such a case, the imidization reaction of the remaining amide group proceeds and the amount of imide group introduced increases.
[0030]
In addition, when an organic solvent gas is added to the gas B or gas C, the reaction rate between these gases and the perfluoroelectrolyte precursor can be controlled according to the concentration of the gas B or gas C. Penetration into the perfluoroelectrolyte precursor can be promoted. Therefore, the imidization reaction proceeds uniformly in the perfluoroelectrolyte precursor.
[0031]
Further, when water vapor and / or alcohol gas is added to gas B, or when a hydrolyzed layer is formed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor before contacting the perfluoroelectrolyte precursor with gas B, The amidation reaction and imidation reaction of the electrolyte group precursor on the surface are suppressed. Therefore, a heat-resistant polymer electrolyte provided with a second layer on the surface of the first layer having an imide group having a smaller amount of imide groups introduced or less introduced than the first layer is obtained.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the first embodiment of the present invention includes a process B and a process F. The heat-resistant polymer electrolyte according to the first embodiment of the present invention is obtained through such a process.
[0033]
First, the process B will be described. Step B is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas. In the present invention, the “perfluoroelectrolyte precursor” refers to a substance whose skeleton is made of a perfluoropolymer compound and an electrolyte group precursor is provided in any of the polymer chains.
[0034]
The “perfluoropolymer compound” refers to a polymer compound that does not contain a C—H bond in the polymer chain. In this case, the perfluoropolymer compound includes a fluorocarbon structure (—CF₂-, -CFCl-) and chlorocarbon structure (-CCl₂-) And other structures (for example, -O-, -S-, -C (= O)-, -N (R)-, etc., where "R" is an alkyl group). . Further, the molecular structure of the perfluoro polymer compound is not particularly limited, and may be linear or branched.
[0035]
Specific examples of such a perfluoro polymer compound include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoro. Propylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polychlorotrifluoroethylene and the like are preferable examples.
[0036]
When the perfluoroelectrolyte precursor is in the form of a film, the film thickness is 1 to 500 μm, preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 100 μm. When the film thickness is smaller than 1 μm, the mechanical strength of the film is low, and cross leakage is likely to occur. On the other hand, a film thickness exceeding 500 μm is not preferable because ion permeability is lowered.
[0037]
The “electrolyte group precursor” is an amide group or an imide group relatively easily reacting with the gas B described later, and when it does not react with the gas B, an electrolyte group (for example, A functional group that can be a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid, or the like.
[0038]
As such an electrolyte group precursor, specifically, a sulfonyl halide group (-SO₂F, -SO₂Cl, -SO₂Br) and the like, carbonyl halide groups (-COF, -COCl, -COBr, etc.), sulfonic acid ester groups, carboxylic acid ester groups, phosphonic acid ester groups and the like are preferable examples.
[0039]
The gas B may contain either one of ammonia gas and primary amine gas, or may contain both. When a primary amine gas is used as the gas B, the gas B may contain one type of primary amine gas or two or more types.
[0040]
The type of primary amine used in step B, that is, the type of substituent contained in the primary amine is not particularly limited. Specific examples of the substituent include an alkyl group, an aryl group, an allyl group, an alkene group, an alkyne group, and a silyl group.
[0041]
Specific examples of primary amines include 1-hexylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, heptylamine, nonylamine, decylamine, perfluoromethylamine, perfluoroethylamine, perfluorobutylamine, and perfluoro. Pentylamine, perfluoroheptylamine and the like are preferable examples.
[0042]
Among these, ammonia gas allows easy introduction of a strongly acidic imide group into the electrolyte precursor, and provides a heat-resistant polymer electrolyte excellent in heat resistance, strength, and ion conductivity. Particularly suitable as a component.
[0043]
The “strongly acidic imide group” refers to an imide group that exhibits strong acidity in an aqueous solution. Specifically, as the strongly acidic imide group, a bissulfonylimide group (—SO 2) having both ends bonded to the perfluoro skeleton is used.₂-NH-SO₂-), Biscarbonylimide group (-CO-NH-CO-), sulfonylcarbonylimide group (-SO₂-NH-CO-) etc. are mentioned as a suitable example.
[0044]
Further, the gas B may contain only ammonia gas and / or primary amine gas, but may contain a third component. Specific examples of the third component include secondary amine gas, tertiary amine gas, water vapor, alcohol gas, and organic solvent gas. These third components may be added alone to the gas B, or two or more of them may be added.
[0045]
Both the secondary amine gas and the tertiary amine gas promote the imidization reaction of the perfluoroelectrolyte precursor with ammonia gas and / or the primary amine gas (the action of combining with the reaction product HF during the imidization reaction, and There is an action to activate the generated amide group). Among these, the tertiary amine gas is particularly suitable as the third component for promoting the imidization reaction because of its low reactivity with the electrolyte group precursor.
[0046]
Moreover, the kind of secondary amine and tertiary amine used as the third component, that is, the kind of substituent bonded to the nitrogen atom is not particularly limited, and various kinds of the above-described various amines are used as in the case of the primary amine. Secondary amines and / or tertiary amines having the following substituents can be used.
[0047]
Specific examples of the secondary amine added to the gas B include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, methylethylamine, methylpropylamine, methylbutylamine, and ethylpropylamine. Can be mentioned.
[0048]
Specific examples of the tertiary amine added to the gas B include trimethylamine, pyridine, DBU (1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecane), triethylamine, DBN (1,5- A suitable example is diazabicyclo [4.3.0] -5-nonene).
[0049]
Water vapor and alcohol gas have the effect of suppressing the amidation reaction and imidation reaction on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor as a result by hydrolyzing or esterifying the sulfonyl halide group or the like that is the electrolyte group precursor, By controlling the content and reaction conditions, it is possible to produce a heat-resistant polymer electrolyte having a layer (second layer) with few amide groups and imide groups or no functional groups on the surface. In this case, either one of water vapor and alcohol gas may be added to the gas B, or both may be added. In addition, these hydrolyzates and esterified products can be easily returned to an electrolyte group such as sulfonic acid in Step F.
[0050]
Specific examples of the alcohol added to the gas B include methanol, ethanol, propanol, butanol and the like.
[0051]
The organic solvent gas adjusts the concentration of each component contained in the gas B, and controls the reaction rate of the amidation reaction and imidation reaction, and increases the diffusion rate of the gas B into the perfluoroelectrolyte precursor. There is an action. Specific examples of the organic solvent having such an action include fluorinated organic solvents, dioxane, tetrahydrofuran, chloroform, hexane, diethyl ether, toluene, benzene, xylene and the like. Of these, fluorine-based organic solvents are particularly suitable.
[0052]
When such a gas B and the perfluoroelectrolyte precursor are brought into contact under predetermined conditions, an amidation reaction and an imidation reaction of the perfluoroelectrolyte precursor occur. In this case, the pressure, reaction temperature, and reaction time of the gas B are arbitrary depending on the material of the perfluoroelectrolyte precursor, the composition of the gas B, the heat resistance, strength, ionic conductivity, etc. required for the heat-resistant polymer electrolyte. Can be selected.
[0053]
Generally, the amount of imide groups introduced tends to increase as the pressure of gas B, reaction temperature and / or reaction time increases. However, if the pressure of the gas B is excessive, a pressure device is required, so that the manufacturing cost may increase or the imidization reaction may proceed non-uniformly inside the electrolyte precursor. Moreover, when reaction temperature becomes excessive, imidation reaction may become non-uniform | heterogenous or an electrolyte precursor may deform | transform.
[0054]
The pressure is preferably 0.1 to 10 atmospheres, more preferably 0.5 to 5 atmospheres, and most preferably 0.9 to 2 atmospheres. Moreover, as temperature, 200 degrees C or less is preferable, More preferably, it is 150 degrees C or less, Most preferably, it is 100 degrees C or less. The reaction time must be selected according to the pressure and temperature.
[0055]
In addition, when the third component is added to the gas B, the addition amount can be arbitrarily selected according to the heat resistance, strength, ion conductivity and the like required for the heat resistant polymer electrolyte. Generally, as the amount of secondary amine gas and / or tertiary amine gas added increases, the reaction rate increases and the amount of imide groups introduced increases.
[0056]
In general, as the amount of water vapor and / or alcohol added increases, the thickness of the second layer formed on the surface increases, or the amount of amide groups and imide groups contained in the second layer decreases.
[0057]
Furthermore, generally, the greater the amount of organic solvent gas added, the slower the reaction rate of the amidation reaction and imidation reaction, but the diffusion rate of gas B into the perfluoroelectrolyte precursor increases. As a result, the preferential amidation reaction and imidation reaction on the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor are suppressed and the reaction proceeds uniformly as the addition amount of the organic solvent gas increases.
[0058]
Next, the process F is demonstrated. Step F is a step of converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type after the reaction with the gas B is completed. Specifically, the conversion of the perfluoro precursor to the proton type is performed by first hydrolyzing the electrolyte group precursor that has not been consumed in the reaction with gas B with a base (for example, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc.). (Saponification step), and then reacting the hydrolyzed electrolyte group precursor with an acid (for example, sulfuric acid) to convert it into a proton type (protonation step).
[0059]
In Step B, a part of the electrolyte group precursor that reacted with ammonia gas remains in an amidated state without being consumed for imidization (hereinafter referred to as “residual amide group”). ) There are cases. Since this residual amide group is a weak acid, it is preferable to convert the residual amide group into a terminal strongly acidic imide group (step D) in order to increase the ionic conductivity of the heat-resistant polymer electrolyte.
[0060]
“Terminal strongly acidic imide group” means an imide group at the end of a polymer chain that exhibits strong acidity in an aqueous solution. As the terminal strong acidic imide group, specifically, —SO₂-NH-SO₂-R_F, -CO-NH-CO-R_F, -SO₂-NH-CO-R_F(However, R_FIs a perfluoroalkyl group) and the like.
[0061]
Such a terminal strongly acidic imide group is a perfluoro compound having a residual amide group contained in the perfluoroelectrolyte precursor and one sulfonyl halide group or carbonyl halide group (hereinafter referred to as “monofunctional reagent”). It is obtained by reacting.
[0062]
When a perfluoro compound having two or more sulfonyl halide groups and / or carbonyl halide groups (hereinafter referred to as “polyfunctional reagent”) is used, the sulfonyl halide groups and / or carbonyl halide groups One terminal strongly acidic imide group obtained by reacting one of the remaining amide groups with one or more electrolyte groups obtained by hydrolyzing the remaining sulfonyl halide groups and / or carbonyl halide groups. It can be introduced into the polymer electrolyte.
[0063]
Specific examples of the monofunctional reagent used in Step D include trifluoromethanesulfonyl halide, pentafluoroethanesulfonyl halide, nonafluorobutanesulfonyl halide, and the like. Specific examples of the polyfunctional reagent used in Step D include hexafluoropropane-1,3-disulfonyl halide, octafluorobutane-1,4-disulfonyl halide, and the like.
[0064]
Such a process D may be performed before the process F, or may be performed after the process F. However, when the step D is performed after the step F, it is necessary to further saponify and protonate the membrane after the completion of the step D. Therefore, the step D is preferably performed before the step F.
[0065]
Further, imidation of the remaining amide group may be performed by immersing an electrolyte or a precursor thereof in a solution containing a monofunctional reagent or a polyfunctional reagent, or a gas D containing a monofunctional reagent or a polyfunctional reagent and You may carry out by making an electrolyte or its precursor contact.
[0066]
Next, the operation of the heat resistant polymer electrolyte and the method for producing the same according to the present embodiment will be described. When a perfluoro polymer compound having an electrolyte group precursor is brought into contact with a gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas, first, the electrolyte group precursor is amidated. Also, a part of the amidated electrolyte group precursor (amide group) reacts with an unreacted electrolyte group precursor bonded to another perfluoro polymer compound, and an imide group that links the polymers Become. Furthermore, when the remaining unreacted electrolyte group precursor is saponified and protonated, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained.
[0067]
In the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment obtained through such processes, the heat resistance and strength are improved because a part of the electrolyte group is imidized. In particular, when the perfluoropolymer is cross-linked by an imide group, excellent heat resistance and high strength are exhibited.
[0068]
Moreover, when ammonia gas is contained in the gas B used in the process B, an imide group functions as a strongly acidic imide group. This is because both ends are bonded to the perfluoro skeleton, so electrons contributing to the N—H bond are pulled by F having a large electronegativity and moved to the perfluoro skeleton, and bonded to N. This is because H that is easily released as protons. Therefore, even if the amount of imide groups introduced is increased, high ionic conductivity is exhibited.
[0069]
In addition, when the gas B and the perfluoroelectrolyte precursor are reacted, if a secondary amine gas and / or a tertiary amine gas coexists, the imidation reaction between the amide group and the electrolyte group precursor is promoted. Therefore, a predetermined amount of imide groups or strongly acidic imide groups can be introduced into the polymer electrolyte in a short time, and the manufacturing cost can be reduced.
[0070]
Further, when water vapor and / or alcohol gas is added to gas B, hydrolysis and esterification of the electrolyte group precursor proceed preferentially on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor depending on the concentration and reaction conditions. The amidation reaction and imidation reaction of the electrolyte group precursor on the surface are suppressed. Therefore, a second layer is formed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor into which the imide group has been introduced with little or no introduction of residual amide groups and imide groups.
[0071]
The solid polymer electrolyte is usually formed into a film shape, and a catalyst layer containing the same type of solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer) as the membrane is joined to the film surface. Therefore, when the amount of imide groups introduced on the film surface is large, the bonding property with the catalyst layer may be lowered. Further, when the concentration of the remaining amide group on the membrane surface is high, the affinity with the electrolyte in the catalyst layer is lowered, and the bonding property with the catalyst layer may be lowered.
[0072]
On the other hand, when the second layer is formed on the surface of the solid polymer electrolyte, it is possible to suppress physical entanglement of polymer chains at the bonding interface and deterioration of the affinity with the electrolyte in the catalyst layer. , The bondability is improved. This also reduces the interface resistance between the membrane and the electrode and improves the output characteristics of the membrane electrode assembly.
[0073]
Further, when an organic solvent gas is added to the gas B, the concentration of ammonia gas, amine gas, water vapor and / or alcohol gas contained in the gas B is adjusted according to the amount added, and these gases and The reaction rate with the perfluoroelectrolyte precursor can be controlled. Further, since the perfluoroelectrolyte precursor is swollen by the organic solvent gas, the diffusion rate of the gas B into the perfluoroelectrolyte precursor is increased. Therefore, the imidization reaction proceeds uniformly in the electrolyte precursor.
[0074]
Furthermore, after the reaction with the gas B is completed, when the remaining amide group remaining in the electrolyte precursor is reacted with a predetermined reagent, the remaining amide group is converted into a terminal strongly acidic imide group. Therefore, the ionic conductivity of the heat resistant polymer electrolyte is further improved.
[0075]
Next, a heat-resistant polymer electrolyte and a method for producing the same according to the second embodiment of the present invention will be described. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment includes a process B, a process C, and a process F. Further, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained through such a process.
[0076]
First, the process B will be described. Step B is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas. Since the process B in this Embodiment is the same as the process B of the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted.
[0077]
Next, step C will be described. Step C is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor after reacting with gas B into contact with gas C containing amine gas.
[0078]
In Step C, any of the above-described primary amine, secondary amine, and tertiary amine can be used as the “amine gas”. In addition, the gas C may contain one type of amine gas, or may contain two or more types of amine gas. Among these, tertiary amine gas is particularly suitable as the main component of gas C because of its low reactivity with the electrolyte group precursor contained in the perfluoroelectrolyte precursor.
[0079]
Further, the gas C may contain only an amine gas, but may contain an organic solvent gas. The organic solvent gas has an effect of adjusting the concentration of each component contained in the gas C to control the reaction rate of the imidization reaction and an effect of increasing the diffusion rate of the gas C into the perfluoroelectrolyte precursor. . Specific examples of the organic solvent added to the gas C include fluorine-based organic solvents, dioxane, tetrahydrofuran, chloroform, hexane, diethyl ether, toluene, benzene, xylene, and the like. Of these, fluorine-based organic solvents are particularly suitable.
[0080]
When such a gas C and a perfluoroelectrolyte precursor are brought into contact with each other under predetermined conditions, an imidation reaction between the residual amide group generated in step B and an unreacted electrolyte group precursor is promoted. In this case, the pressure, reaction temperature, and reaction time of gas C are arbitrarily selected according to the reaction conditions in step B, the composition of gas C, the heat resistance, strength, ion conductivity, and the like required for the heat-resistant polymer electrolyte. can do.
[0081]
Generally, the reaction rate between the introduced amide group and the electrolyte group precursor increases as the pressure of the gas C, the reaction temperature and / or the reaction time increase. However, if the pressure of the gas C is excessive, a pressure device is required, so that the manufacturing cost may increase or the imidization reaction may proceed non-uniformly inside the electrolyte precursor. Moreover, when reaction temperature becomes excessive, imidation reaction may become non-uniform | heterogenous or an electrolyte precursor may deform | transform.
[0082]
When an organic solvent gas is added to the gas C, the amount added can be arbitrarily selected according to the heat resistance, strength, ion conductivity, etc. required for the heat-resistant polymer electrolyte. In general, the greater the amount of organic solvent gas added, the slower the reaction rate of the imidization reaction, but the faster the diffusion rate of gas C into the electrolyte precursor. Therefore, as the amount of the organic solvent gas added increases, the preferential imidization reaction on the surface layer of the electrolyte precursor is suppressed, and the imidization reaction can proceed uniformly within the electrolyte precursor.
[0083]
Next, the process F is demonstrated. Step F is a step of converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type after the reaction with gas B and gas C is completed. Since the process F in this Embodiment is the same as the process F of the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted.
[0084]
In order to increase the ionic conductivity of the heat-resistant polymer electrolyte, it is preferable to convert the residual amide group into a terminal strongly acidic imide group (Step D) before or after Step F, and to reduce the number of steps. For this purpose, the point that the step D is preferably performed before the step F is the same as that in the first embodiment.
[0085]
Next, the operation of the heat resistant polymer electrolyte and the method for producing the same according to the present embodiment will be described. When the gas B having a predetermined composition is brought into contact with the perfluoroelectrolyte precursor, an imide group or a strongly acidic imide group and a residual amide group are contained in the perfluoroelectrolyte precursor according to the composition and reaction conditions of the gas B. Is introduced. Next, when this perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with gas C, the imidization reaction between the remaining amide group and the unreacted electrolyte precursor further proceeds. Furthermore, when the remaining unreacted electrolyte group precursor is saponified and protonated, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained.
[0086]
In the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment obtained through such processes, the heat resistance and strength are improved because a part of the electrolyte group is imidized. In particular, when the perfluoropolymer is cross-linked by an imide group, excellent heat resistance and high strength are exhibited. Moreover, when ammonia gas is contained in the gas B, an imide group functions as a strongly acidic imide group and shows high ion conductivity.
[0087]
Moreover, since it is made to contact with gas C after making it contact with gas B, imidation reaction advances efficiently compared with the case where only gas B is used. Therefore, a predetermined amount of imide groups can be introduced in a short time, and the manufacturing cost can be reduced.
[0088]
Further, when a secondary amine gas and / or a tertiary amine gas is added to the gas B, the imidization reaction of the electrolyte group precursor is further promoted, and the processing time can be shortened. Further, when a predetermined amount of water vapor and / or alcohol gas is added to the gas B, the second having a predetermined thickness, residual amide group amount and imide group introduction amount on the surface according to the concentration and reaction conditions. A layer can be formed. Therefore, the bondability with the electrode is improved, and the output characteristics of the electrochemical device are improved.
[0089]
In addition, when an organic solvent gas is added to the gas B and / or gas C, the reaction rate of the imidization reaction and the diffusion rate of the gas B and / or gas C can be controlled, and the imidization reaction can be made uniform. Can be advanced.
[0090]
Furthermore, after the reaction with the gas B and the gas C is completed, when the remaining amide group remaining in the electrolyte precursor is reacted with a predetermined reagent, the remaining amide group is converted into a terminal strongly acidic imide group. Therefore, the ionic conductivity of the heat resistant polymer electrolyte is further improved.
[0091]
Next, a heat-resistant polymer electrolyte and a method for producing the same according to the third embodiment of the present invention will be described. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment includes a process A, a process B, and a process F. Further, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained through such a process.
[0092]
First, step A will be described. Step A is a step of forming a hydrolysis layer (including an esterified layer) on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor. There are the following methods for forming a hydrolyzed layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor. The first method is a method in which a perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a gas A containing water vapor and / or alcohol gas.
[0093]
The gas A may contain either one of water vapor or alcohol gas, or may contain both. Further, the alcohol gas contained in the gas A can be any of the above-described methanol, ethanol and the like. Further, when an alcohol gas is used as the gas A, the gas A may contain one type of alcohol gas or two or more types of alcohol gas.
[0094]
Further, the gas A may contain only water vapor and / or alcohol gas, but may contain a third component. Specific examples of the third component include a gas of an amine compound composed of ammonia and / or an amine.
[0095]
Ammonia gas and amine gas both adjust the concentration of each component contained in gas A and increase the reaction rate of the hydrolysis reaction or esterification reaction on the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor (reaction during the hydrolysis reaction). And an action of increasing the diffusion rate of water vapor and / or alcohol gas into the perfluoroelectrolyte precursor.
[0096]
In this case, the gas A may contain either one of ammonia gas and amine gas, or both. Further, when an amine gas is used as the amine compound gas added to the gas A, any of the primary amine, secondary amine, and tertiary amine described above can be used. Further, the gas A may contain one type of amine compound gas, or may contain two or more types of amine compound gas.
[0097]
Among these, the tertiary amine gas is particularly suitable as a third component for increasing the reaction rate of water vapor and / or alcohol gas because the reactivity with the electrolyte group precursor contained in the perfluoroelectrolyte precursor is low. is there.
[0098]
In general, the higher the molecular weight of the amine compound added to the gas A, the slower the diffusion rate of the amine compound into the perfluoroelectrolyte precursor. And the like). However, when the molecular weight of the amine compound is 1027 or more, a hydrolyzed layer having a predetermined thickness is formed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor within a practical processing time (specifically, within 24 hours). It becomes difficult to do.
[0099]
Therefore, the molecular weight of the amine compound added to the gas A is preferably 17 or more and less than 1027. The molecular weight of the amine compound is preferably from 59 to 438, more preferably from 59 to 185. Specific examples of amine compounds that satisfy these conditions include trimethylamine (N (CH₃)₃), Triethylamine (N (C₂H₅)₃), Tri-n-propylamine (N (C₃H₇)₃), Tri-n-butylamine (N (C₄H₉)₃), Tridecylamine (N (C₁₀H₂₁)₃), Tridocosanylamine (N (C₂₂H₄₅)₃) And the like. These can be gasified and used.
[0100]
When such a gas A and a perfluoroelectrolyte precursor are brought into contact with each other under predetermined conditions, hydrolysis or esterification of the electrolyte group precursor proceeds preferentially in the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor. In this case, the pressure, reaction temperature, and reaction time of gas A are arbitrarily selected according to the composition of gas A, heat resistance required for the heat-resistant polymer electrolyte, strength, ion conductivity, bondability with the electrode, and the like. can do.
[0101]
In general, as the pressure of gas A, reaction temperature, and / or reaction time increases, the depth of penetration of water vapor and / or alcohol gas into the perfluoroelectrolyte group precursor tends to increase. Further, the reaction rate of the hydrolysis reaction tends to increase as the pressure of the gas A and the reaction temperature increase. However, when the pressure, the reaction temperature and / or the reaction time are excessive, the hydrolysis reaction proceeds to the inside of the electrolyte precursor, the imidization reaction becomes difficult to proceed, and the heat resistance and strength may decrease. In addition, when the pressure of the gas A is excessive, a pressure device is required, and the manufacturing cost may increase. Furthermore, when the reaction temperature becomes excessive, the perfluoroelectrolyte precursor may be deformed.
[0102]
The pressure is preferably 0.1 to 10 atmospheres, more preferably 0.5 to 5 atmospheres, and most preferably 0.9 to 2 atmospheres. Moreover, as temperature, 200 degrees C or less is preferable, More preferably, it is 150 degrees C or less, Most preferably, it is 100 degrees C or less. The reaction time must be selected according to the pressure and temperature.
[0103]
Further, when an amine compound gas is added to the gas A, the addition amount is arbitrarily selected according to the heat resistance, strength, ion conductivity, electrode bonding property, etc. required for the heat resistant polymer electrolyte. be able to. Generally, the reaction rate of water vapor and / or alcohol gas tends to increase as the amount of amine compound gas added increases.
[0104]
A second method for forming a hydrolyzed layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor is a method in which a perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a mixed solution of ammonia and / or an amine compound composed of an amine and water. It is.
[0105]
Either one of ammonia or amine may be contained in the mixed solution, or both may be contained. Moreover, when using an amine as an amine compound contained in a liquid mixture, any of the primary amine, secondary amine, and tertiary amine mentioned above can be used. One type of amine compound may be contained in the mixed solution, or two or more types of amine compounds may be contained. further,
[0106]
The concentration of the amine compound contained in the mixed solution is preferably 0.1% by weight or more and 99.9% by weight or less. When the concentration of the amine compound is less than 0.1% by weight and when it exceeds 99.9% by weight, the reaction rate of the hydrolysis reaction decreases, which is not preferable. The concentration of the amine compound is preferably 1% by weight or more and 99% by weight or less, more preferably 10% by weight or more and 90% by weight or less. In the mixed liquid, the components may be separated and precipitated.
[0107]
Among these, the tertiary amine is particularly suitable as an amine compound contained in the mixed solution because of its low reactivity with the electrolyte group precursor contained in the perfluoroelectrolyte precursor.
[0108]
Further, as in the case of using an amine compound gas, the diffusion rate of the mixed liquid into the perfluoroelectrolyte precursor becomes slower as the molecular weight of the amine compound contained in the mixed liquid increases, and the film surface selectively A hydrolysis layer can be formed. However, when the molecular weight of the amine compound is 1027 or more, a hydrolyzed layer having a predetermined thickness is formed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor within a practical processing time (specifically, within 24 hours). It becomes difficult to do.
[0109]
Therefore, the molecular weight of the amine compound contained in the mixed solution is also preferably 17 or more and less than 1027. The molecular weight of the amine compound is preferably from 59 to 438, more preferably from 59 to 185.
[0110]
Further, the mixed solution may contain only the amine compound and water, but may contain a third component. Specific examples of the third component include alcohol and ether. Each of these third components may be added alone to the mixed solution, or two or more of them may be added.
[0111]
Alcohol and ether both have the effect of adjusting the concentration of each component contained in the mixed solution to control the reaction rate of the hydrolysis reaction and the rate of diffusion of the mixed solution into the perfluoroelectrolyte. . The alcohol also has an action of esterifying the electrolyte group precursor.
[0112]
When such a mixed solution and a perfluoroelectrolyte precursor are brought into contact with each other under predetermined conditions, hydrolysis or esterification of the electrolyte group precursor proceeds preferentially in the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor. In this case, the reaction temperature and the reaction time can be arbitrarily selected according to the composition of the mixed solution, the heat resistance required for the heat-resistant polymer electrolyte, the strength, the ion conductivity, the bondability with the electrode, and the like.
[0113]
In general, as the reaction temperature and / or reaction time increases, the depth of penetration of the mixed liquid into the perfluoroelectrolyte group precursor tends to increase and the hydrolysis layer tends to be thicker. Moreover, there exists a tendency for the reaction rate of a hydrolysis reaction to increase, so that reaction temperature becomes high. However, if the reaction temperature and / or reaction time becomes excessive, the hydrolysis reaction proceeds to the inside of the electrolyte precursor, the imidization reaction hardly proceeds, and the heat resistance and strength may decrease. In addition, when the reaction temperature is excessive, the internal structure of the perfluoroelectrolyte precursor may change and the electrical conductivity may decrease.
[0114]
Specifically, the reaction temperature is preferably 0 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or higher and 90 ° C. or lower, and most preferably 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower. The reaction time must be selected according to the reaction temperature.
[0115]
In addition, when the third component is added to the mixed solution, the amount added is arbitrarily selected according to the heat resistance, strength, ion conductivity, electrode bonding property, etc. required for the heat resistant polymer electrolyte. Can do. In general, the greater the amount of alcohol or ether added, the slower the hydrolysis reaction rate, but the higher the diffusion rate of the mixture into the perfluoroelectrolyte precursor. As a result, as the amount of alcohol or ether added increases, the preferential hydrolysis reaction on the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor tends to be suppressed.
[0116]
Furthermore, the contact method of a liquid mixture and a perfluoroelectrolyte precursor is not specifically limited. In general, since the low molecular weight amine compound is dissolved in water, in this case, it is only necessary to immerse the perfluoroelectrolyte precursor in the mixed solution for a predetermined time. On the other hand, a high molecular weight amine compound generally does not dissolve in water and is separated, and in this case, the perfluoroelectrolyte precursor is used so that water and the amine compound are in uniform contact with the perfluoroelectrolyte precursor. After the body is immersed in the mixed solution, the mixed solution is preferably stirred and shaken.
[0117]
A third method for forming a hydrolysis layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor is a method in which the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with an aqueous solution of an inorganic base.
[0118]
Inorganic bases include alkali metal or alkaline earth metal hydroxides such as KOH and NaOH, Na₂Alkali metal or alkaline earth metal oxide that reacts with water such as O and CaO to form hydroxide, and metal alkoxide that can form alkali metal or alkaline earth metal hydroxide by hydrolysis reaction (ROM) ) Etc. The aqueous solution may contain one type of inorganic base, or may contain two or more types of inorganic base.
[0119]
The type of inorganic base used, the concentration of the inorganic base in the aqueous solution, the reaction temperature, and the reaction time depend on the heat resistance, strength, ionic conductivity, electrode bondability, etc. required for the heat-resistant polymer electrolyte. To select.
[0120]
For example, in order to form a hydrolyzed layer preferentially on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor, it is preferable to use an inorganic base having a slow diffusion rate into the perfluoroelectrolyte precursor.
[0121]
Further, the concentration of the inorganic base in the aqueous solution may be any from a very low concentration to a saturated concentration. In general, the higher the concentration of the inorganic base in the aqueous solution, the more the inorganic base penetrates into the perfluoroelectrolyte precursor, and therefore the hydrolysis layer tends to be thicker. Therefore, it is preferable to select an optimum concentration of the inorganic base according to the reaction temperature and reaction time.
[0122]
In general, as the reaction temperature and / or reaction time increases, the penetration depth of the inorganic base into the perfluoroelectrolyte precursor tends to increase. Moreover, there exists a tendency for the reaction rate of a hydrolysis reaction to increase, so that reaction temperature becomes high. However, when the reaction temperature and / or the reaction time are excessive, the hydrolysis reaction proceeds to the inside of the electrolyte precursor, the imidization reaction hardly proceeds, and the heat resistance and strength may be reduced. In addition, when the reaction temperature is excessive, the internal structure of the perfluoroelectrolyte precursor may change and the electrical conductivity may decrease.
[0123]
Specifically, the reaction temperature is preferably 0 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or higher and 90 ° C. or lower, and most preferably 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower. The reaction time must be selected according to the reaction temperature.
[0124]
In addition, after forming a surface hydrolysis layer using the various methods mentioned above, you may perform the acid cleaning of a perfluoroelectrolyte precursor, or a vacuum drying process. In particular, when the acid treatment is performed after forming the hydrolyzed layer, there is an effect of increasing the diffusion rate of ammonia gas or primary amine gas used in the next step.
[0125]
Next, step B will be described. In the step B, the electrolyte group precursor in the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor is hydrolyzed by a predetermined method, and then the perfluoroelectrolyte precursor is contacted with the gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas. It is a process to make. Since the process B in this Embodiment is the same as the process B of the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted.
[0126]
Next, the process F is demonstrated. Step F is a step of converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type after the reaction with gas A and gas B is completed. Since the process F in this Embodiment is the same as the process F of the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted.
[0127]
In order to increase the ionic conductivity of the heat-resistant polymer electrolyte, it is preferable to convert the remaining amide group into a strongly acidic imide group before or after Step F (Step D), and the number of steps is reduced. For this reason, the point that the step D is preferably performed before the step F is the same as that in the first embodiment.
[0128]
Next, the operation of the heat resistant polymer electrolyte and the method for producing the same according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, when a perfluoroelectrolyte precursor 10 is brought into contact with a gas A containing water vapor and / or alcohol gas under predetermined conditions, the electrolyte group precursor is hydrolyzed or esterified. In addition, since the diffusion rate of water vapor and alcohol gas in the perfluoroelectrolyte precursor 10 is slow, hydrolysis or esterification of the electrolyte group precursor proceeds preferentially in the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor 10. Therefore, a hydrolyzed layer (or esterified layer) 12 having a predetermined thickness is formed on the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor 10.
[0129]
On the other hand, when ammonia gas and / or amine gas is added to gas A, hydrolysis reaction and esterification reaction can be promoted.
[0130]
Moreover, ammonia gas and primary amine gas contribute to the amidation reaction and imidation reaction of the electrolyte group precursor, but in the region where water vapor and / or alcohol gas coexist, the amidation reaction and imidization reaction are suppressed. , Hydrolysis reaction and esterification reaction proceed preferentially.
[0131]
Therefore, if the amount of ammonia gas and / or amine gas added to the gas A and the reaction conditions are controlled, the thickness of the hydrolysis layer (or esterification layer) 12 formed on the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor 10 can be arbitrarily set. Can be controlled. Further, the amount of the electrolyte group precursor to be hydrolyzed can be arbitrarily controlled.
[0132]
Similarly, when a perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with an amine compound / water mixed solution or an aqueous solution of an inorganic base, the electrolyte group precursor is hydrolyzed or esterified. In addition, in these solutions, the perfluoroelectrolyte precursor does not swell, and the amine compound and inorganic base do not easily diffuse into the perfluoroelectrolyte precursor. Can be formed.
[0133]
Further, in the case of using gas A or amine compound / water mixed solution to which an amine compound is added, the thickness of the hydrolysis layer (or esterified layer) can be controlled by controlling the molecular weight of the amine compound. . In particular, when an amine compound having a relatively large molecular weight is used, the diffusion rate of the amine compound into the perfluoroelectrolyte precursor becomes slow, so that hydrolysis is preferentially performed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor. A layer (or esterified layer) can be formed.
[0134]
Next, when the perfluoroelectrolyte precursor 10 on which such a hydrolysis layer (or esterification layer) 12 is formed and the gas B are brought into contact with each other, the gas B is first converted into the hydrolysis layer (or esterification layer) 12. To reach. Since the electrolyte group and ester group generated by the reaction with gas A and the like are poor in reactivity to form a covalent bond with ammonia gas and primary amine gas, only part of gas B is unreacted electrolyte group. Consumed in the precursor amidation and imidation reactions. Further, the remainder of the gas B is not consumed in the reaction, but simply forms an electrolyte group and an ammonium salt, or passes through the hydrolysis layer (or esterification layer) 12 as it is. Therefore, on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor 10, a second layer 14 with a small amount of residual amide groups and imide groups introduced or without these functional groups is formed.
[0135]
On the other hand, the gas B that has passed through the hydrolysis layer (or esterification layer) 12 diffuses into the perfluoroelectrolyte precursor 10 and is consumed in the amidation reaction and the imidization reaction. Therefore, a predetermined amount of imide groups is introduced into the first layer 16 inside the perfluoroelectrolyte precursor 10 according to the composition of the gas B and the reaction conditions. Further, when the unreacted electrolyte group precursor contained in the perfluoroelectrolyte precursor 10 is saponified and protonated, a first layer 16 made of a perfluoropolymer electrolyte having an imide group is formed on the surface thereof. Thus, the heat-resistant polymer electrolyte 18 provided with the second layer 14 is obtained.
[0136]
The heat-resistant polymer electrolyte 18 obtained through such a process exhibits excellent heat resistance and strength due to the first layer 16 because a predetermined amount of imide groups are introduced into the first layer 16. Further, when the imide group introduced by the gas B is a strongly acidic imide group, high ion conductivity is exhibited. Furthermore, since the second layer 14 is formed on the surface of the heat resistant polymer electrolyte 18, the bonding property with the catalyst layer is improved, and an electrochemical device having high output characteristics can be obtained.
[0137]
In addition, when gas A is used to form a hydrolysis layer (or esterification layer), adding ammonia gas and / or amine gas to gas A accelerates the hydrolysis reaction or esterification reaction. The thickness of the second layer formed on the surface and the amount of residual amide group and imide group contained in the second layer can be controlled.
[0138]
In addition, when a gaseous amine compound is used, the second layer is formed in an inclined shape up to the inside of the electrolyte, and when an amine compound / water mixture or an aqueous solution of an inorganic base is used, The second layer is selectively formed by the surface, and the distribution state of the second layer can be controlled.
[0139]
Further, when a secondary amine and / or a tertiary amine is added to the gas B, the imidization reaction of the electrolyte group precursor is promoted, and the processing time can be shortened. When water vapor and / or alcohol is added to the gas B, the thickness of the second layer, the amount of residual amide groups, and the amount of imide groups introduced can be further controlled in the step B. In addition, when an organic solvent gas is added to the gas B, the imidization reaction can proceed uniformly according to the amount added and the reaction conditions.
[0140]
Furthermore, after the reaction with the gas B is completed, when the remaining amide group remaining in the electrolyte precursor is reacted with a predetermined reagent, the remaining amide group is converted into a terminal strongly acidic imide group. Therefore, the ionic conductivity of the heat resistant polymer electrolyte is further improved.
[0141]
Next, a heat-resistant polymer electrolyte and a method for producing the same according to the fourth embodiment of the present invention will be described. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment includes a process A, a process B, a process C, and a process F. The heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained through these steps.
[0142]
First, step A will be described. Step A is a step of forming a hydrolyzed layer (esterified layer) on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor. Since the process A in this Embodiment is the same as the process A of the manufacturing method which concerns on 3rd Embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted.
[0143]
Next, step B will be described. Step B is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas after the formation of the hydrolyzed layer is completed. Since the process B in this Embodiment is the same as the process B of the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted.
[0144]
Next, step C will be described. Step C is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with gas C containing amine gas after the formation of the hydrolysis layer and the reaction with gas B are completed. Since the process C in the present embodiment is the same as the process C of the manufacturing method according to the second embodiment described above, the description thereof is omitted.
[0145]
Next, the process F is demonstrated. Step F is a step of converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type after the formation of the hydrolysis layer and the reaction with the gas B and the gas C are completed. Since the process F in this Embodiment is the same as the process F of the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted.
[0146]
In order to increase the ionic conductivity of the heat-resistant polymer electrolyte, it is preferable to convert the residual amide group into a terminal strongly acidic imide group before or after Step F (Step D) and to reduce the number of steps. For this purpose, the point that the step D is preferably performed before the step F is the same as that in the first embodiment.
[0147]
Next, the operation of the heat resistant polymer electrolyte and the method for producing the same according to the present embodiment will be described. The perfluoroelectrolyte precursor and gas A containing water vapor and / or alcohol gas are contacted under predetermined conditions, or an amine compound / water mixture or an aqueous solution of an inorganic base is contacted under predetermined conditions. Then, a hydrolyzed layer (or esterified layer) is formed on the surface layer of the perfluoroelectrolyte precursor.
[0148]
Next, when the perfluoroelectrolyte precursor on which such a hydrolysis layer is formed is brought into contact with the gas B, a part of the gas B reacts with the unreacted electrolyte group precursor in the hydrolysis layer. The other part simply forms an ionic bond as an ammonium salt or passes through the hydrolysis layer as it is without being consumed in the reaction. Therefore, a second layer with little or no residual amide group and imide group introduction is formed on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor.
[0149]
On the other hand, the gas B that has passed through the hydrolysis layer diffuses into the perfluoroelectrolyte precursor and is consumed in the amidation reaction and the imidation reaction. Therefore, a predetermined amount of imide groups are introduced into the perfluoroelectrolyte precursor according to the composition of gas B and the reaction conditions.
[0150]
Next, when the perfluoroelectrolyte precursor subjected to the formation of the hydrolysis layer and the reaction with the gas B is brought into contact with the gas C, an imidation reaction between the amide group and the unreacted electrolyte group precursor is further performed. proceed. Therefore, the imidization reaction proceeds more efficiently than when reacting with only gas B. Furthermore, when the remaining unreacted electrolyte group precursor is saponified and protonated, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained.
[0151]
The heat-resistant polymer electrolyte obtained through such a process has a predetermined amount of imide groups introduced into the inner layer (first layer), so that the first layer has excellent heat resistance and strength. Show. Further, when the imide group introduced by the gas B is a strongly acidic imide group, high ion conductivity is exhibited. Furthermore, since the second layer is formed on the surface of the heat-resistant polymer electrolyte, the bonding property with the catalyst layer is improved, and an electrochemical device having high output characteristics can be obtained.
[0152]
When gas A is used to form a hydrolyzed layer (or esterified layer), when ammonia gas and / or amine gas is added to gas A, the hydrolyzed layer depends on the amount added. The amount of electrolyte groups introduced into the hydrolysis layer can be controlled. When an amine compound / water mixture or an aqueous solution of an inorganic base is used, the second layer can be formed preferentially on the surface. Further, in the case of using the gas A or the amine compound / water mixed solution to which the amine compound is added, the thickness of the second layer can be controlled by controlling the molecular weight of the amine compound.
[0153]
Further, when a secondary amine gas and / or a tertiary amine gas is added to the gas B, the imidization reaction of the electrolyte group precursor is promoted, and the processing time can be shortened. When water vapor and / or alcohol gas is added to the gas B, the thickness of the second layer, the amount of residual amide groups, and the amount of imide groups introduced can be further controlled in the step B. In addition, when an organic solvent gas is added to the gas B and / or the gas C, the imidization reaction can be caused to proceed uniformly according to the addition amount and reaction conditions.
[0154]
Furthermore, after the formation of the hydrolysis layer and the reaction with gas B and gas C are completed, the remaining amide group remaining in the electrolyte precursor is reacted with a predetermined reagent, so that the remaining amide group is converted into a terminal strongly acidic imide group. Is done. Therefore, the ionic conductivity of the heat resistant polymer electrolyte is further improved.
[0164]
【Example】
(Examples 1-4)
First, a Nafion 112F membrane (hereinafter referred to as “112F membrane”) is placed in a pressurized vessel, and after degassing the inside of the vessel, ammonia gas is introduced to cause the 112F membrane to react with the ammonia gas (hereinafter referred to as “below”). This is referred to as “B processing”). The conditions for the B treatment were as follows: gauge pressure: 0.196 MPa, reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 8 min (Examples 1 and 2) or 4 min (Examples 3 and 4).
[0165]
Next, in the pressurized container, after degassing the container, a trimethylamine gas is introduced, and the 112F membrane and trimethylamine gas (hereinafter referred to as “TMA gas”) are reacted (hereinafter referred to as “TMA gas”). "C process"). The conditions for the C treatment were gauge pressure: 0.0686 MPa, reaction temperature: 80 ° C., and reaction time: 4 h.
[0166]
After completion of the reaction, the obtained membrane was refluxed in 25% aqueous sodium hydroxide solution for 2 hours, washed with water, immersed in 6M hydrochloric acid for 5 hours to hydrolyze (saponify), and the remaining sulfonyl fluoride group was removed. Conversion to sodium sulfonate group. Furthermore, it refluxed in 1M sulfuric acid for 1 hour, and converted into the proton type (protonation).
[0167]
(Examples 5 and 6)
First, a Nafion 111F membrane (hereinafter referred to as “111F membrane”) was placed in a pressurized vessel, and after degassing the vessel, ammonia gas was introduced and B treatment of the 111F membrane with ammonia gas was performed. The conditions for the B treatment were gauge pressure: 0.196 MPa, reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 8 min (Example 5) or 4 min (Example 6), respectively.
[0168]
Next, in the pressurized container, after degassing the container, trimethylamine gas was introduced, and C treatment of the 111F film with TMA gas was performed. The conditions for the C treatment were gauge pressure: 0.0686 MPa, reaction temperature: 80 ° C., and reaction time: 4 h, respectively. After completion of the reaction, saponification treatment and protonation treatment of unreacted sulfonyl fluoride groups contained in the membrane were performed by the same procedure as in Example 1 to obtain a heat resistant polymer electrolyte membrane.
[0169]
(Examples 7, 8, and 9)
First, Aciplex (registered trademark) S1001F membrane (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., hereinafter referred to as “S1001F membrane”) is placed in a pressurized container, and after degassing the container, ammonia gas is introduced and ammonia is added. B treatment of the S1001F film with gas was performed. The conditions for the B treatment were gauge pressure: 0.196 MPa, reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 10 min (Example 7), 15 min (Example 8), or 20 min (Example 9). Next, the membrane after the B treatment was subjected to C treatment, saponification treatment and protonation treatment of the membrane under the same conditions as in Examples 5 and 6 to obtain a heat resistant polymer electrolyte membrane.
[0170]
(Examples 10 and 11)
First, a 111F membrane was placed in a pressurized container, and surface hydrolysis treatment (hereinafter referred to as “A treatment”) using a mixed gas of water vapor and ammonia gas was performed. The conditions for treatment A were: water vapor concentration: 0.25% (Example 10) or 0.5% (Example 11), mixed gas gauge pressure: 0.098 MPa, reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 1 min. did.
[0171]
Next, the B treatment with ammonia gas was performed on the film after the A treatment. The conditions for the B treatment were gauge pressure: 0.196 MPa, reaction temperature: 25 ° C., and reaction time: 8 min. Furthermore, the obtained membrane was subjected to C treatment, saponification treatment and protonation treatment under the same conditions as in Examples 7 to 9 to obtain a heat resistant polymer electrolyte.
[0172]
(Example 12)
Under the same conditions as in Example 5, B treatment with ammonia gas and C treatment with TMA gas were performed on the 111F film. Next, the 111F membrane after the treatment was treated with chloroform: 200 ml, triethylamine: 20 ml, CF₃SO₂It was immersed in a solution of Cl: 10 g at 25 ° C. for 72 hours. Further, the obtained 111F membrane was subjected to saponification treatment and protonation treatment under the same conditions as in Example 5 to obtain a heat-resistant polymer electrolyte.
[0173]
(Comparative Examples 1-3)
The 112F membrane (Comparative Example 1), 111F membrane (Comparative Example 1) and S1001F membrane (Comparative Example 3) were subjected to saponification treatment and protonation treatment as they were without performing the A treatment, B treatment and C treatment. An electrolyte membrane was obtained.
[0174]
For the electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3, Mc was measured. “Mc” refers to a physical property value represented by the following equation (1). The smaller the Mc, the greater the amount of imide groups introduced.
[0175]
[Expression 1]
F / S = ρRT (α−α^-2) / Mc
(However, F: tensile load at 220 ° C. of solid polymer electrolyte membrane, S: cross-sectional area of membrane when not stretched, ρ: density of membrane, R: gas constant, T: absolute temperature, α: when unstretched Ratio of stretched membrane length to stretched membrane length (stretch ratio)
[0176]
In addition, Mc conducts a tensile test on a test piece having a width of 5 mm and a length of 50 mm under the conditions of temperature: 220 ° C., distance between chucks: 20 mm, and tensile speed: 120 mm / min. -Α^-2) Using the minimum slope B of the S-shaped curve obtained when plotted with respect to (), the following equation (2) is used.
[0177]
[Expression 2]
Mc = ρRT / B
[0178]
Next, a sample having a width of 1 cm was cut out from the obtained film, and the conductivity was measured at 25 ° C. The conductivity was calculated from the film resistance (R) and film thickness (t) of the sample by the following equation (3). Further, the membrane resistance was measured by an alternating current method (10 kHz) using an LCR meter (made by YHP, 4262A LCR METER) by mounting the cut sample in a two-terminal electric conduction cell, immersing the cell in pure water. . The film thickness (t) was measured with a micrometer.
[0179]
[Equation 3]
σ = L / (R · A) = L / (R · w · t)
(Where, σ: electrical conductivity (S / cm), R: membrane resistance (Ω), L: distance between voltage terminals (= 1 cm), A: sectional area of the membrane (cm²), T: film thickness (cm), w: film width (cm))
[0180]
Furthermore, a fuel cell was produced using each electrolyte membrane obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3, and output characteristics were evaluated. The output characteristics were evaluated by cell temperature: 100 ° C., current density: 0.7 A / cm.²It carried out on condition of this. Table 1 shows other evaluation conditions.
[0181]
[Table 1]

[0182]
Table 2 shows the processing conditions for each electrolyte membrane, Mc (10,000), conductivity (S / cm), and current density of 0.7 A / cm.²The output voltage (V) at the time is shown.
[0183]
[Table 2]

[0184]
In the case of the polymer electrolytes obtained in Examples 1 to 9, regardless of the material of the precursor film, as the reaction time of the B treatment becomes longer or the reaction temperature of the C treatment becomes higher, the Mc decreases (that is, the imide). The amount of introduced groups increased). On the other hand, in Examples 1 to 9, as Mc decreased, the conductivity and output voltage tended to decrease as compared with Comparative Examples 1 to 3, but the decrease rate was relatively small. This is because the imide group introduced by the B treatment of the precursor film functions as a strong acid group.
[0185]
Moreover, when Example 5 which performed B process and C process, and Example 10 and 11 which performed A process further before B process are compared, Example 10 and 11 are compared with Example 5. Despite the slight decrease in Mc, both the conductivity and the output voltage were improved from those in Example 5. Moreover, the electrical conductivity became high, so that the water vapor | steam density | concentration at the time of A process became high. This is because the second layer with a small amount of imide groups introduced was formed on the surface of the electrolyte membrane, so that the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer was improved with respect to the output voltage. This is thought to be due to a decrease in contact resistance.
[0186]
Furthermore, after B processing and C processing, further CF₃SO₂In the case of Example 12 in which the treatment with the Cl solution was performed, Mc was equivalent to that in Example 5, but both the conductivity and the output voltage were improved as compared with Example 5. This is CF₃SO₂This is probably because the residual amide group was converted to a terminal strongly acidic imide group by the treatment with the Cl solution.
[0187]
2 and 3 show IR data of the whole heat-resistant polymer electrolyte membrane and membrane surface obtained in Example 5, respectively. 4 and 5 show IR data of the entire film and surface of the heat-resistant polymer electrolyte obtained in Example 10, respectively. The IR transmission method was used for the entire film, and the IR reflection method was used for the film surface.
[0188]
As shown in FIG.2 and FIG.4, about the whole film | membrane, both Example 5 and Example 10 are 1380 cm.^-1A peak corresponding to the amide group was observed in the vicinity. Since both absorbencies are substantially equal, the amount of amide groups introduced into the entire polymer electrolyte membrane obtained in Example 5 and Example 10 is considered to be approximately equal.
[0189]
On the other hand, as shown in FIG. 3 and FIG. 5, for the film surface, the heat resistant polymer electrolyte of Example 5 is 930 cm.^-1While a weak peak corresponding to the amide group is observed in the vicinity, the heat-resistant polymer electrolyte of Example 10 has 930 cm.^-1No peak was observed in the vicinity. 2-5, it turns out that the quantity of the amide group on the film | membrane surface has decreased by performing A process.
[0190]
(Examples 13 to 21)
First, an S1001F membrane was placed in a pressurized container, and after degassing the container, ammonia gas was introduced and B treatment with ammonia gas was performed. In addition, the conditions of B process are gauge pressure: 2 kg / cm²(0.196 MPa), reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 10 min (Example 13), 15 min (Example 14), or 12 min (Examples 15 to 21).
[0191]
Next, in the pressurized container, after degassing the inside of the container, TMA gas was introduced, and C treatment of the S1001F membrane with TMA gas was performed. The condition of C treatment is gauge pressure: 0.7 kg / cm²(0.069 MPa) (Examples 13 to 19) or 1.0 kg / cm²(0.098 MPa) (Examples 20, 21), reaction temperature: 50 ° C. (Example 15), 80 ° C. (Examples 13, 14, 16), or 100 ° C. (Examples 17 to 21), reaction time: 0.5 h (Examples 19 and 21), 1 h (Examples 18 and 20), or 4 hours (Examples 13 to 17). Further, after completion of the reaction, saponification treatment and protonation treatment of unreacted sulfonyl fluoride groups contained in the membrane were performed by the same procedure as in Example 1 to obtain a heat resistant polymer electrolyte.
[0192]
(Examples 22 to 24)
First, under the same conditions as in Example 15, B treatment with ammonia gas was performed on the S1001F film. Next, in the pressurized container, after degassing the inside of the container, TMA gas was introduced, and C treatment of the S1001F membrane with TMA gas was performed. In the C treatment of Examples 22 to 24, a fluorine-based organic solvent (AK-225 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.)) having an absolute pressure of 0.025 MPa with respect to TMA gas having an absolute pressure of 0.12 to 0.15 MPa. Gas was added. The condition of C treatment is: absolute pressure: 1.53 kg / cm²(0.150 MPa), reaction temperature: 100 ° C., reaction time: 4 h (Example 22), 1 h (Example 23), or 0.5 h (Example 24). Further, after completion of the reaction, saponification treatment and protonation treatment of unreacted sulfonyl fluoride groups contained in the membrane were performed by the same procedure as in Example 1 to obtain a heat resistant polymer electrolyte.
[0193]
(Examples 25-27)
First, an S1001F membrane was placed in a pressurized container, and surface hydrolysis treatment (A treatment) with a mixed gas of water vapor and TMA gas was performed. Note that the mixed gas of water vapor and TMA gas was formed by installing an open top container containing liquid water in a pressurized container and supplying TMA gas into the pressurized container. Moreover, the conditions of A process are the gauge pressures: 0.9kg / cm²(0.088 MPa) (Examples 25 and 26) or 0.5 kg / cm²(0.049 MPa) (Example 27), reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 10 min (Example 25) or 5 min (Examples 26 and 27).
[0194]
Next, in the pressurized container, after the inside of the container was deaerated, the B treatment with ammonia gas and the C treatment with TMA gas were performed on the S1001F membrane. In addition, the conditions of B process are gauge pressure: 1kg / cm²(0.098 MPa), reaction temperature: 25 ° C., reaction time: 5 min (Examples 25 and 26) or 8 min (Example 27). The condition for C treatment is gauge pressure: 0.7 kg / cm.²(0.069 MPa), reaction temperature: 80 ° C., reaction time: 4 h. Further, after completion of the reaction, saponification treatment and protonation treatment of unreacted sulfonyl fluoride groups contained in the membrane were performed by the same procedure as in Example 1 to obtain a heat resistant polymer electrolyte.
[0195]
About the film | membrane obtained in Examples 13-27, Mc (ten thousand), electrical conductivity (S / cm), and current density 0.7A / cm on the same conditions as Examples 1-12.²The output voltage (V) at the time was measured. Table 3 shows the results and the treatment conditions for each electrolyte membrane.
[0196]
[Table 3]

[0197]
In the case of the polymer electrolytes obtained in Examples 13 to 21, the longer the reaction time for B treatment, the higher the reaction temperature for C treatment, the longer the reaction time for C treatment, or the higher the pressure of TMA gas. , Mc showed a tendency to decrease (that is, the amount of imide groups introduced increased). On the other hand, the conductivity and output voltage tended to decrease as Mc decreased. However, the rate of decrease was relatively small and comparable to that of Comparative Example 3.
[0198]
Further, when Examples 22 to 24 in which the fluorine-based organic solvent gas was added to the TMA gas during the C treatment were compared with Examples 17 to 19 in which the fluorine-based organic solvent gas was not used, Examples 22 to 24 were Although the absolute pressure of TMA gas is 0.150 MPa, which is lower than the absolute pressure of Examples 17-19, which is 0.169 MPa, it can be seen that Mc is almost equivalent to Examples 17-19. This is probably because the diffusion of the TMA gas into the film was promoted by adding the fluorine-based organic solvent gas to the TMA gas.
[0199]
Furthermore, the electrical conductivity and the output voltage of Examples 25 to 27 in which the A treatment was performed showed higher values than those in Examples 13 to 24 in which the A treatment was not performed, in which Mc was substantially equivalent. . This is presumably because the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer was improved by forming the second layer with a small amount of imide group introduction on the surface of the electrolyte membrane.
[0200]
(Example 28)
First, in order to form a hydrolysis layer on the surface of the S1001F membrane, the S1001F membrane was immersed in a 25% KOH aqueous solution at 40 ° C. for 2 hours (A treatment with an inorganic base). The membrane was then washed with 2N H₂SO₄It was immersed in an aqueous solution at 70 ° C. for 1 hour, then boiled with pure water for 1 hour, and vacuum-dried at 60 ° C. for 4 hours (sulfuric acid treatment). Next, after degassing the inside of the pressurized container, ammonia gas was introduced, and B treatment with ammonia gas was performed on this film. In addition, the conditions of B process are gauge pressure: 2 kg / cm²(0.196 MPa), reaction temperature: 30 ° C., reaction time: 20 minutes.
[0201]
Next, in the pressurized container, after degassing the inside of the container, TMA gas was introduced, and C treatment with TMA gas of this film was performed. In addition, the conditions for C treatment are gauge pressure: 1 kg / cm²(0.098 MPa), reaction temperature: 80 ° C., reaction time: 4 hours. After completion of the reaction, the obtained membrane was refluxed in a 15% aqueous potassium hydroxide solution for 3 hours, washed with water and hydrolyzed to convert the remaining sulfonyl fluoride group to a potassium sulfonate group (saponification treatment). Subsequently, it was immersed in a 65% nitric acid aqueous solution at 50 ° C. for 3 hours, immersed in 10N hydrochloric acid overnight at room temperature, and further boiled with pure water for 1 hour to convert to a proton type (protonation treatment).
[0202]
(Example 29)
First, under the same conditions as in Example 28, a hydrolysis layer was formed on the surface of the S1001F membrane (A treatment), and then the membrane was washed with pure water and vacuum dried at 60 ° C. for 4 hours (water washing treatment). . Next, B treatment, C treatment, saponification treatment and protonation treatment were performed under the same conditions as in Example 28.
[0203]
(Example 30)
First, in order to form a hydrolysis layer on the surface of the S1001F membrane, the S1001F membrane was immersed in a 50% trimethylamine / water mixture at 40 ° C. for 10 minutes (A treatment with an amine compound / water mixture). Thereafter, the gauge pressure of the B treatment is 1 kg / cm.²The membrane was subjected to sulfuric acid treatment, B treatment, C treatment, saponification treatment and protonation treatment under the same conditions as in Example 28 except that the pressure was (0.098 MPa).
[0204]
(Example 31)
The B treatment, C treatment, saponification treatment, and protonation treatment of the S1001F membrane were performed under the same conditions as in Example 28 without performing the A treatment and sulfuric acid treatment with 25% KOH aqueous solution.
[0205]
(Example 32)
First, an S1001F membrane was placed in a pressurized container, and surface hydrolysis treatment (A treatment) with a mixed gas of water vapor and TMA gas was performed. Note that the mixed gas of water vapor and TMA gas was formed by installing an open top container containing liquid water in a pressurized container and supplying TMA gas into the pressurized container. Moreover, the conditions of A process are gauge pressure: 1.0kg / cm²(0.098 MPa), reaction temperature: 30 ° C., reaction time: 10 minutes. The membrane was then washed with 2N H₂SO₄It was immersed in an aqueous solution at 70 ° C. for 1 hour, then boiled with pure water for 1 hour, and vacuum dried at 60 ° C. for 4 hours.
[0206]
Next, after degassing the inside of the pressurized container, ammonia gas was introduced, and B treatment with ammonia gas was performed on this film. In addition, the conditions of B process are gauge pressure: 1kg / cm²(0.098 MPa), reaction temperature 30 ° C., reaction time: 5 minutes. Further, under the same conditions as in Example 28, the membrane was subjected to C treatment, saponification treatment, and protonation treatment.
[0207]
About the film | membrane obtained in Examples 28-32, bondability with an electrode catalyst layer was evaluated. Evaluation of bondability was performed by the following method. First, 500 mg of platinum-supporting carbon (manufactured in-house) was added to 1.0 ml of a 20% Nafion solution (manufactured by DuPont) and mixed uniformly. Next, this was applied to a tetrafluoroethylene sheet and dried to obtain an electrode catalyst layer.
[0208]
Next, the obtained electrode catalyst layer was bonded to the films obtained in Examples 28 to 32 at a bonding temperature of 120 ° C. and a bonding pressure of 50 kg / cm.²(4.9 MPa), Joining time: Joined under conditions of 10 minutes. After bonding, the bonding property was evaluated by the ratio of the area of the electrode catalyst layer that was not transferred to the total area of the electrode catalyst layer (hereinafter referred to as “area ratio”). Table 4 shows the results.
[0209]
[Table 4]

[0210]
In the case of Example 31 in which the hydrolysis layer was not formed on the surface, a region where the electrode catalyst layer was not transferred occurred, but the area ratio was 10% or less. On the other hand, in Examples 28, 29, 30, and 32 in which the hydrolysis layer was formed on the surface, the electrode catalyst layer was almost transferred. The formation of the hydrolyzed layer on the surface improved the bondability because the elasticity of the membrane surface decreased, making it easier for the polymer of the electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer to be entangled with each other and the sulfone of both polymers. It is thought that the formation of the electrolyte / catalyst layer interface is facilitated by the affinity between the acids.
[0211]
6 and 7 show the IR spectra of the film surface by the ATR method of the film after the surface hydrolysis treatment obtained in Example 28 and Example 32, respectively. FIGS. 8 and 9 show IR spectra of the entire membrane obtained by the permeation method of the membrane after the surface hydrolysis treatment obtained in Example 28 and Example 32, respectively.
[0212]
6 and 7, it can be seen that in each of the membranes obtained in Example 28 and Example 32, the sulfonyl fluoride group on the membrane surface was almost converted to a sulfonic acid group. On the other hand, FIG. 8 and FIG. 9 show that the amount of sulfonic acid groups in the whole membrane is smaller in Example 28 than in Example 32. This indicates that the hydrolysis occurs more selectively on the membrane surface by performing the surface hydrolysis treatment (A treatment) using an aqueous KOH solution. In particular, in Example 28, since the sulfonyl fluoride group disappears from the film surface to 1 μm, a second layer in which no imide group is introduced can be formed on the film surface.
[0213]
(Example 33)
First, in order to form a hydrolysis layer on the surface of the S1001F membrane, the S1001F membrane was immersed in a 50% tri-n-propylamine / water mixture at 40 ° C. for 1 hour (A treatment with an amine compound / water mixture). ). Thereafter, the gauge pressure of the B treatment is 1 kg / cm.²The membrane was subjected to sulfuric acid treatment, B treatment, C treatment, saponification treatment and protonation treatment under the same conditions as in Example 28 except that the pressure was (0.098 MPa).
[0214]
(Example 34)
First, in order to form a hydrolysis layer on the surface of the S1001F membrane, the S1001F membrane was immersed in a 50% tri-n-butylamine / water mixture at 40 ° C. for 1 hour (A treatment with an amine compound / water mixture). . Thereafter, the gauge pressure of the B treatment is 1 kg / cm.²The membrane was subjected to sulfuric acid treatment, B treatment, C treatment, saponification treatment and protonation treatment under the same conditions as in Example 28 except that the pressure was (0.098 MPa).
[0215]
About the membrane after the surface hydrolysis treatment obtained in Examples 33 and 34, the IR spectrum of the entire membrane by the permeation method and the IR spectrum of the membrane surface by the ATR method were measured, and from this IR spectrum, the following formula 4 Was used to calculate the amount of sulfonic acid groups (sulfonation rate) on the entire membrane and on the membrane surface. Further, the ratio of the amount of sulfonic acid groups in the entire membrane to the amount of sulfonic acid groups on the membrane surface (total membrane / membrane surface ratio) was calculated.
[0216]
[Expression 4]
Sulfonation rate (%) = (I / Is) * 100 / (I₁₀₀/ I_100s)
I: sulfonic acid group peak of sample membrane (1058 cm^-1)Strength
Is: Reference peak of the sample film (983 cm^-1)Strength
I₁₀₀ : 100% sulfonic acid group membrane sulfonic acid group peak intensity
I_100s: Standard peak intensity of 100% sulfonic acid base membrane
[0217]
In the case of Example 33 using tri-n-propylamine having a molecular weight of 143, the entire film / film surface ratio was 0.65. On the other hand, in the case of Example 34 using tri-n-butylamine having a molecular weight of 185, the whole film / film surface ratio was 0.37, which was lower than that in Example 33. This indicates that a hydrolyzed layer was selectively formed on the membrane surface by using an amine having a higher molecular weight.
[0218]
(Example 35)
First, in order to form a hydrolysis layer on the surface of the S1001F membrane, the S1001F membrane is treated with 50% tridocosanylamine (N (C₂₂H₄₅)₃) / Water mixture at 40 ° C. for 24 hours (A treatment with amine compound / water mixture). Thereafter, the membrane was treated with sulfuric acid under the same conditions as in Example 28.
[0219]
(Comparative Example 4)
First, in order to form a hydrolysis layer on the surface of the S1001F membrane, the S1001F membrane is treated with 50% tritetracosanylamine (N (C₂₄H₄₉)₃) / Water mixture at 40 ° C. for 24 hours. Thereafter, the membrane was treated with sulfuric acid under the same conditions as in Example 28.
[0220]
FIG. 10 and FIG. 11 show IR spectra of the entire membrane by the permeation method of the membrane after the surface hydrolysis treatment obtained in Example 35 and Comparative Example 4, respectively. From FIGS. 10 and 11, when tritetracosanylamine having a molecular weight of 1027 is used, no sulfonic acid group peak is detected, whereas when tridocosanylamine having a molecular weight of 943 is used. It can be seen that the peak of the sulfonic acid group is slightly detected. This indicates that the higher the molecular weight of the amine, the slower the diffusion rate into the membrane and the less likely the hydrolysis layer is formed.
[0221]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0222]
For example, the method according to the present invention may be used alone, or the method according to the present invention and a conventional method for improving heat resistance may be used in combination. That is, before or after the treatment with gas B (or gas B and gas C), it is reacted with a normal crosslinking agent (for example, UV curable amine-based crosslinking agent), thereby further introducing a crosslinked structure. You may do it.
[0223]
Moreover, when primary amine gas is contained in gas B, after introducing an imide group using gas B, you may perform the process which introduces an acid group into the terminal of a substituent. The imide group obtained by the reaction with the primary amine gas usually does not function as a strong acid group, but can be converted into a strong acid group by introducing an acid group at the terminal of the substituent, and ion conductivity can be improved.
[0224]
In the above embodiment, an aqueous solution of an inorganic base is used to form a hydrolysis layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor, but an electrolyte group precursor that is relatively easily hydrolyzed is used. When using the provided perfluoroelectrolyte precursor, a hydrolysis layer having a predetermined thickness can be formed simply by immersing the perfluoroelectrolyte precursor in an acid aqueous solution having a predetermined concentration and a predetermined temperature.
[0225]
Furthermore, the heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is particularly suitable as an electrolyte used in electrochemical devices used under harsh conditions such as fuel cells and SPE devices. Or it is not limited to SPE electrolyzer, It is used also as electrolyte used for various electrochemical devices, such as a hydrohalic acid electrolyzer, a salt electrolyzer, hydrogen and / or an oxygen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. Can do.
[0226]
【The invention's effect】
In the method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention, since the perfluoroelectrolyte precursor is reacted with the gas B containing ammonia gas and / or primary amine gas, an imide group can be introduced into the electrolyte. The heat resistant polymer electrolyte excellent in heat resistance and strength can be obtained. In addition, since the perfluoroelectrolyte precursor is reacted with the gas, a predetermined amount of imide groups can be introduced in a short time, and the production cost can be reduced. In addition, when the introduced imide group is a strongly acidic imide group, in addition to heat resistance and strength, there is an effect that a heat resistant polymer electrolyte excellent in ionic conductivity is obtained.
[0227]
Further, when the perfluoroelectrolyte precursor is reacted with the gas B and then reacted with a gas C containing an amine gas, or when a secondary amine gas and / or a tertiary amine gas is added to the gas B, an imide group Can be introduced more efficiently, and the manufacturing cost can be reduced.
[0228]
Further, before or simultaneously with the reaction with gas B, when the perfluoroelectrolyte precursor is reacted with water vapor or alcohol gas, or before contacting with gas B, the perfluoroelectrolyte precursor is converted to an amine compound / When brought into contact with an aqueous mixed solution or an aqueous solution of an inorganic base, a second layer with a small amount of imide group introduction or no introduction can be formed on the surface, and the effect of improving the bondability with the electrode is achieved. is there. In addition, the output characteristics of various electrochemical devices using the same are improved.
[0229]
Further, when an organic solvent gas is added to the gas B or the gas C, there is an effect that the imidization reaction can be progressed uniformly. Furthermore, there is an effect that a heat-resistant polymer electrolyte excellent in ion conductivity can be obtained by converting the residual amide group generated by the reaction with ammonia gas into a terminal strong acidic imide group.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process chart showing an example of a method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention.
2 is IR data of the entire heat-resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 5. FIG.
3 is IR data of the film surface of the heat-resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 5. FIG.
4 is IR data of the whole heat-resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 10. FIG.
5 is IR data of the film surface of the heat resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 10. FIG.
6 is IR data on the surface of the heat-resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 28. FIG.
7 is IR data of the film surface of the heat resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 32. FIG.
8 is IR data of the whole heat-resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 28. FIG.
9 is IR data of the whole heat-resistant polymer electrolyte membrane obtained in Example 32. FIG.
FIG. 10 is IR data for the entire membrane of a membrane treated with tridocosanylamine.
FIG. 11 is IR data for the entire membrane treated with tritetracosanylamine.
[Explanation of symbols]
10 Perfluoroelectrolyte precursor
12 Hydrolysis layer
14 Second layer
16 1st layer
18 Heat-resistant polymer electrolyte

Claims

A perfluoroelectrolyte precursor composed of a perfluoropolymer compound having a sulfonyl halide group that can be converted into an amide group or an imide group by reacting with ammonia gas or primary amine gas and can be an electrolyte group when not reacted , ammonia gas, and / Or contact gas B containing primary amine gas,
After contacting with the gas B, contacting with the perfluoroelectrolyte precursor and a gas C containing an amine gas,
A heat-resistant polymer electrolyte obtained by contacting the gas C and then converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type.

The gas B further contains water vapor and / or alcohol gas,
Thermostable polymer electrolyte according to claim 1, further comprising a second layer obtained by reacting the water vapor and / or alcohol gas on its surface.

The heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1, which is obtained by forming a hydrolysis layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor before contacting with the gas B.

The heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1, which is obtained by bringing the perfluoroelectrolyte precursor and an aqueous solution containing an inorganic base into contact with each other before contacting with the gas B.

The heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a terminal strongly acidic imide group obtained by imidizing a residual amide group generated by the reaction with the ammonia gas.

A perfluoroelectrolyte precursor comprising a perfluoropolymer compound having a sulfonyl halide group that can be converted to an amide group or an imide group by reacting with ammonia gas or primary amine gas, and which can be an electrolyte group if not reacted , and primary amine gas Or a step B of contacting a gas B containing ammonia gas and primary amine gas,
A method for producing a heat-resistant polymer electrolyte comprising the step F of converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 6 , wherein the gas B further contains a secondary amine gas and / or a tertiary amine gas.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 6 , wherein the gas B further contains water vapor and / or alcohol gas.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 6 , wherein the gas B further contains an organic solvent gas.

The organic solvent, the production method of the thermostable polymer electrolyte according to claim 9, which is a fluorine organic solvent.

The heat-resistant polymer electrolyte according to claim 6 , further comprising a step C of contacting the perfluoroelectrolyte precursor with a gas C containing an amine gas after the step B and before the step F. Manufacturing method.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 11 , wherein the gas C further contains an organic solvent gas.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 12 , wherein the organic solvent is a fluorinated organic solvent.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 6 , further comprising a step A of forming a hydrolyzed layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor before the step B.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 14 , wherein the step A is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with a gas A containing water vapor and / or alcohol gas.

The method for producing a heat resistant polymer electrolyte according to claim 15 , wherein the gas A further contains an amine compound gas composed of ammonia and / or an amine.

The molecular weight of the amine-based compound, method for producing a thermostable polymer electrolyte according to claim 16 is less than 17 or more 1027.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 14 , wherein the step A is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with a mixed liquid of an amine compound composed of ammonia and / or amine and water. .

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 18 , wherein the amine compound has a molecular weight of 17 or more and less than 1027.

The step A, the perfluoro electrolyte precursor, the manufacturing method of the heat-resistant polymer electrolyte according to claim 14 in which comprises contacting an aqueous solution which contains an inorganic base.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 6 , further comprising a step D of converting a residual amide group generated by the reaction with the ammonia gas into a terminal strong acidic imide group before the step F.

A perfluoroelectrolyte precursor composed of a perfluoro polymer compound having a sulfonyl halide group that can be converted into an amide group or an imide group by reacting with ammonia gas or primary amine gas and can be converted into an electrolyte group if not reacted, and ammonia gas A step B of bringing the gas B into contact therewith;
After the step B, the step C in which the perfluoroelectrolyte precursor is brought into contact with a gas C containing an amine gas;
A method for producing a heat-resistant polymer electrolyte comprising the step F of converting the perfluoroelectrolyte precursor to a proton type after the step C.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 22, wherein the gas C further contains an organic solvent gas.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 23, wherein the organic solvent is a fluorinated organic solvent.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 22, further comprising a step A of forming a hydrolyzed layer on the surface of the perfluoroelectrolyte precursor before the step B.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 25, wherein the step A is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with a gas A containing water vapor and / or alcohol gas.

27. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 26, wherein the gas A further contains an amine compound gas composed of ammonia and / or an amine.

28. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 27, wherein the amine compound has a molecular weight of 17 or more and less than 1027.

26. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 25, wherein the step A is a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with a mixed liquid of an amine compound composed of ammonia and / or amine and water. .

30. The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 29, wherein the amine compound has a molecular weight of 17 or more and less than 1027.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 25, wherein the step A includes a step of bringing the perfluoroelectrolyte precursor into contact with an aqueous solution containing an inorganic base.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 22, further comprising a step D of converting a residual amide group generated by the reaction with the ammonia gas into a terminal strong acidic imide group before the step F.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 22, wherein the gas B further contains a secondary amine gas and / or a tertiary amine gas.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 22, wherein the gas B further contains water vapor and / or alcohol gas.

The method for producing a heat-resistant polymer electrolyte according to claim 22, wherein the gas B further contains an organic solvent gas.

36. The high heat resistance according to claim 35, wherein the organic solvent is a fluorinated organic solvent. A method for producing a molecular electrolyte.