JP4182395B2 - プロトン交換膜の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として利用されるプロトン交換膜及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題に関し、所謂クリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されてきている。このような燃料電池は、効率が高く、天然ガス，メタノール等の多様な燃料の使用が可能であることから、石油代替の促進にも寄与するものとして、その環境保全上の効果が期待されている。特に、固体高分子型燃料電池は、高出力密度，低温作動等の特長を有していることから、家庭用，可搬型電源等としての普及が期待されている。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池の電解質としては、化学的，熱的及び機械的安定性の観点から、従来は、フッ素系樹脂、例えばナフィオンから成るフィルム状の導電性イオン交換膜（プロトン交換膜）が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなプロトン交換膜は、強度の点からフッ素系樹脂に限定されており、その性能向上は限界にきている。
また、フッ素系樹脂、特にナフィオンを使用したプロトン交換膜は、比較的高価である。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、室温で高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得るようにした、プロトン交換膜及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロトン交換膜の製造方法は、式１で示されるジチオオキサミド誘導体Ｒ ２ ｄｔｏａ（ここで、ＲはＨ又はＣ ３ Ｈ ６ ＯＨから選択される）とＣｕとからなり、式２を繰り返し単位とする層状の分子構造を有する銅配位高分子金属錯体Ｒ ２ ｄｔｏａＣｕを加圧成型して薄膜化する工程と、薄膜化した層状の分子構造を有する銅配位高分子金属錯体の層の間に水分子を吸蔵させる工程とにより、プロトン交換膜を生成することを特徴とするものである。
【化１】
【化２】
【００１７】
本発明のプロトン交換膜の製造方法によれば、Ｈ２ｄｔｏａＣｕまたは（Ｃ３Ｈ６ＯＨ）２ｄｔｏａＣｕからなる銅配位高分子金属錯体の薄膜によるプロトン交換膜が、安価な材料により、容易に且つ低コストで製造されることになる。従って、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して低コストで製造することができる。
また、Ｈ ２ ｄｔｏａＣｕは、熱的耐久性が１５０℃程度まであるので、十分に使用に耐えることができる。
【００１８】
プロトン交換膜が配位高分子金属錯体、即ちポリマーから構成されているので、容易に薄膜化され得ると共に、側鎖であるアルキル基Ｒの改良により、プロトン伝導性や耐久性をより一層向上させることが可能である。
【００１９】
上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭのアルキル基Ｒの位置に、Ｈ（水素）が配位している場合には、当該配位高分子金属錯体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
なお、この場合、配位高分子金属錯体Ｈ2 ｄｔｏａＭの層間に延びる側鎖が小さいことから、分子中の水分子量が比較的多くなり、より高いプロトン伝導性を得ることが可能である。
【００２０】
ジチオオキサミドをプロパノールアミンと反応させる工程と、上記ジチオオキサミドとプロパノールアミンとの反応生成物を硫酸銅と共にエタノール水溶液中で混合する工程とにより、上記（Ｃ 3 Ｈ 6 ＯＨ） 2 ｄｔｏＣｕを生成することを特徴としている。
【００２１】
従って、銅配位高分子金属錯体（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏＣｕの薄膜によるプロトン交換膜が、安価な材料により、容易に且つ低コストで製造され得ることになる。従って、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して低コストで製造することができる。
【００２２】
このようにして、本発明によれば、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として使用されるプロトン交換膜を、層間に水分子を含む銅配位高分子金属錯体（Ｈ 2 ｄｔｏａＣｕ）の薄膜により構成することにより、室温において高いプロトン伝導性を有するプロトン交換膜を低コストで提供することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明によるプロトン交換膜の一実施形態の構成を示している。図１において、プロトン交換膜１０は、配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭの薄膜である。そして、この配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭの薄膜は多層構造を有しており、その層間に水分子を吸蔵させることにより、室温において高いプロトン（Ｈ+ ：水素イオン）伝導性を有している。
【００２４】
ここで、Ｒ２ｄｔｏａ（ジチオオキサミド）は、アルキル基Ｒが、（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）、（Ｃ３Ｈ６ＯＨ）、また、アルキル基Ｒの位置に水素（Ｈ）が配位された高分子、即ちポリマー材料であり、図２に示す構造式で表わされる。なお、以下にアルキル基Ｒの例として（Ｃ ２ Ｈ ４ ＯＨ）に言及することもあるが、（Ｃ ２ Ｈ ４ ＯＨ）は、本発明に係るＲ ２ ｄｔｏａのアルキル基Ｒの対象外である。
【００２５】
以下、配位高分子金属錯体Ｒ ２ ｄｔｏａＭ（ここでＭは、金属）において、Ｍが遷移金属の銅（Ｃｕ）である場合を例にとって説明する。
銅配位高分子錯体Ｒ２ｄｔｏａＣｕは、Ｒ２ｄｔｏａに遷移金属のＣｕが図３に示すように結合した層状の分子構造を有しており、各層間の距離ｄを有し、層状となり高分子錯体となっている。
ここで、Ｈ２ ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）２ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ３Ｈ６ＯＨ）２ｄｔｏａＣｕのｄは、それぞれ、５．７Å，９．９５Å，１１．８２Åである。
【００２６】
銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水分子が吸蔵されることにより、プロトン伝導を示す。一方、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水素を吸蔵すると還元され、電子伝導を生じるので、プロトンのみを伝導させるプロトン交換膜としては好ましくない。
従って、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水素が吸蔵されていない状態、即ち十分に酸化状態となり、電子伝導度が小さい絶縁物状態としてから、十分に水分子を吸蔵させプロトン伝導度を大きくしておく。
【００２７】
つぎに、本発明のプロトン交換膜のプロトン伝導度の測定方法について説明する。銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水素が吸蔵されると電子伝導が生起し、また水分が吸蔵されるとプロトン伝導が生起する。従って、水素と水分子の両方が吸蔵された混在状態においては、電子伝導とプロトン伝導の両方が起こるので、以下のようにしてプロトン伝導度を求めた。
【００２８】
銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの伝導度を直流で測定すると、直流電源からはプロトンは供給されないので、直流の印加直後にプロトン伝導は起こるがすぐに消滅し、電子による伝導だけになる。これにより、直流伝導度の測定から、直ちに電子伝導度が求まる。
また、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの交流の複素コンダクタンスを測定することにより、プロトン伝導と電子伝導に両方が寄与した伝導度を測定することができる。従って、複素コンダクタンス測定と直流伝導度測定の差としてプロトン伝導度が計算できる。
【００２９】
図４は本発明のプロトン交換膜のプロトン伝導率と相対湿度を示す図である。図４において、横軸は相対湿度（ＲＨ）で、縦軸がプロトン伝導率σp （Ｓ・ｃｍ-1）である。ここで、相対湿度（ＲＨ）は、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕに水分子を吸蔵させるときの湿度である。
図の●，□，◇は、それぞれ、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕのプロトン伝導率を表している。図において、相対湿度ＲＨが約１５％から１００％の場合のプロトン伝導率の変化を示している。
何れの銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕにおいても、相対湿度ＲＨが１００％のときに、プロトン伝導率が最大になっていることが分かる。
このとき、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕのプロトン伝導率は、それぞれ、１０-2Ｓ・ｃｍ-1，３×１０-4Ｓ・ｃｍ-1，５×１０-6Ｓ・ｃｍ-1となる。このときの、イオン輸率はほぼ１である。
Ｈ2 ｄｔｏａＣｕのプロトン伝導率である１０-2Ｓ・ｃｍ-1は、固体高分子型燃料電池に実用化されているナフィオン膜に匹敵する値である。
【００３０】
相対湿度ＲＨが低下すると、何れの銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕにおいても、プロトン伝導率は低下することが分かる。
このように、水分子が十分に吸蔵されないと、プロトン伝導率が低くプロトン交換膜として動作しない。
【００３１】
従って、上記銅配位高分子錯体（Ｒ）2 ｄｔｏａＣｕプロトン伝導機構は、従来燃料電池の電解質として使用されているナフィオンにおけるプロトン伝導の機構に類似しているものと推察される。
【００３２】
図５は、本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕのダイマー当たりの水分子数を示す表である。水分子数の値は、熱重量分析により測定した。本発明のプロトン交換膜の水分子を吸蔵させる相対湿度ＲＨが１００％の条件においては、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕのダイマー当たりの水分子数は、それぞれ、９．０，３．３，３．３である。
このことから、図５で示したように、プロトン伝導率の大きいＨ2 ｄｔｏａＣｕは、ダイマー当たりの水分子数が一番大きいことが分かる。
【００３３】
また、相対湿度ＲＨが７５％においては、上記の銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕのダイマー当たりの水分子数は、それぞれ、２．８，１．８，２．２と減少することが分かる。このことから、本発明のプロトン交換膜は、Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの水分子が減少しないように、密封保持することが好ましい。
【００３４】
図６は、本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体Ｈ2 ｄｔｏａＣｕの熱耐久性を示す図である。図において、横軸は周囲温度（℃）で、縦軸が重量損失（％）である。重量損失の値は、熱重量分析により測定した。
相対湿度ＲＨが０％、７５％、１００％の場合を示している。相対湿度ＲＨが１００％の本発明のプロトン交換膜は、２０℃から５０℃において約９％の重量損失があるが、５０℃から１５０℃では、重量損失は温度により変化せず、ほぼ一定の約１０％となる。そして、１５０℃以上で再び重量損失が増加する。
これより、本発明のプロトン交換膜であるＨ2 ｄｔｏａＣｕは、１５０℃まで使用可能であることが分かる。
【００３５】
（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕの重量損失も、また、上記のＲ2 ｄｔｏａＣｕの重量損失と同様な温度特性を示し、１５０℃まで使用可能である。
【００３６】
本発明によるプロトン交換膜１０は以上のように構成されており、以下のように動作する。
即ち、プロトン交換膜１０は、上述したように、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの分子中に含まれる水分子を媒介として、室温にて高いプロトン伝導率を示す。特に、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕの場合には、分子中の水分子がダイマー当たり９分子となって、ナフィオン膜に匹敵する極めて高いプロトン伝導率を示す。
【００３７】
従って、本発明のプロトン交換膜１０は、従来固体高分子型燃料電池の電解質として使用されるフッ素系樹脂によるプロトン交換膜とほぼ同等のプロトン伝導率を有すると共に、安価な材料により容易に製造され得るので、低コストで製造され、さらに熱的耐久性も１５０℃程度まであることから、十分に実用化されることができる。
また、上記銅配位高分子錯体であるＨ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕがポリマーであることから、容易に薄膜として形成することができる。
【００３８】
このようにして、水分子を含む銅配位高分子錯体であるＨ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕに、水分子を吸蔵させた薄膜から成る本発明のプロトン交換膜１０は、室温にて高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得る。
【００３９】
次に、本発明のプロトン交換膜の製造方法の実施の形態を説明する。始めに、銅配位高分子錯体（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕは、新規な材料であるので、その製造方法を説明する。
図７は銅配位高分子錯体（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕの薄膜から成るプロトン交換膜の製造方法を示している。
先ず、図７（Ａ）において、ジチオオキサミドとプロパノールアミンを混合すると、中間物質であるＮ，Ｎ’−ビス（３−ヒドロキシプロピル）ジチオオキサミドとアンモニアガスが発生する。
【００４０】
次に、上記中間物質を取り出して、図７（Ｂ）に示すように、硫酸銅と共に、６０℃の５％エタノール水溶液中に入れて混合すると、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−ヒドロキシプロピル）ジチオオキサミダト銅（II）、即ち、上記銅配位高分子錯体（ＨＯＣ3 Ｈ6 ）2 ｄｔｏａＣｕが生成される。
【００４１】
上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭのアルキル基Ｒの位置に、Ｈ（水素）が配位している場合には、配位高分子金属錯体自体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
なお、この場合、配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭの層間に延びる側鎖が小さいことから、分子中の水分子量が多くなり、より高いプロトン伝導性を得ることが可能である。
【００４２】
配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭのアルキル基Ｒが（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）である場合には、同様にして、配位高分子金属錯体自体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
【００４３】
このようにして生成された銅配位高分子錯体である（Ｈ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕは、加圧成型することにより、所望の厚さのシート状薄膜を形成する。
【００４４】
次に、このシート状薄膜が還元状態にあり、水素吸蔵により電子伝導が生じていないことを調べる。水素吸蔵されている場合には、酸化を行う。
還元状態を測定するためには、上述したように、直流のコンダクタンス測定により水素吸蔵による電子伝導率を求め、判定することができる。
【００４５】
次に、還元状態のシート状薄膜を水に浸漬し、水分子を吸蔵させてプロトン伝導率が大きい状態に改質して、プロトン交換膜が製造できる。
これにより、固体高分子型燃料電池の電解質に好適な所望の厚さのシート状薄膜のプロトン交換膜１０が形成され得ることになる。この場合、各材料は安価であり、しかも大型の加熱装置等は不要であるので、銅配位高分子錯体（Ｒ）2 ｄｔｏａＣｕは、低コストで容易に製造され得る。
【００４６】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば上記実施形態においては、プロトン交換膜１０が、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕにて、アルキル基Ｒの位置に水素が配位されたＨ2 ｄｔｏａＣｕ、または、アルキル基Ｒが、（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）または（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）である銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕから構成されているが、これに限らず、他のアルキル基Ｒ、例えば（ＣＨ2 ＯＨ）であってもよいことは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、プロトン交換膜を構成するＲ2 ｄｔｏａ（ジチオオキサミド）の配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭは、室温にて電子伝導性は極めて低くほぼ絶縁体と同様であるが、プロトン伝導性は非常に高い。
したがって、上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭが、室温にて高いプロトン伝導性を有することから、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として、即ちプロトン交換膜として使用することにより、従来のフッ素系樹脂によるプロトン交換膜と同様のプロトン伝導性を得ることができる。
【００４９】
また、上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭは、熱的耐久性が１５０℃程度まであるので、十分に使用に耐え得ることになる。
しかも、上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭは、安価な材料から容易に合成することができるので、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して、低コストで製造することができる。
さらに、プロトン交換膜が配位高分子金属錯体、即ちポリマーから構成されているので、容易に薄膜化されると共に、側鎖であるアルキル基Ｒの改良により、プロトン伝導性や耐久性をより一層向上させることも可能である。
このようにして、本発明によれば、室温で高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得るようにした、極めて優れたプロトン交換膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプロトン交換膜の一実施形態の構成を示す概略斜視図である。
【図２】Ｒ2 ｄｔｏａ（ジチオオキサミド）の構造式である。
【図３】銅配位高分子錯体の分子構造を示す概略斜視図である。
【図４】本発明のプロトン交換膜を構成する銅配位高分子錯体の相対湿度とプロトン伝導率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明のプロトン交換膜を構成する銅配位高分子錯体の相対湿度における分子中に含まれる水分子数を示す図である。
【図６】本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体Ｈ2 ｄｔｏａＣｕの熱耐久性を示す図である。
【図７】本発明によるプロトン交換膜の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ プロトン交換膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として利用されるプロトン交換膜及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題に関し、所謂クリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されてきている。このような燃料電池は、効率が高く、天然ガス，メタノール等の多様な燃料の使用が可能であることから、石油代替の促進にも寄与するものとして、その環境保全上の効果が期待されている。特に、固体高分子型燃料電池は、高出力密度，低温作動等の特長を有していることから、家庭用，可搬型電源等としての普及が期待されている。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池の電解質としては、化学的，熱的及び機械的安定性の観点から、従来は、フッ素系樹脂、例えばナフィオンから成るフィルム状の導電性イオン交換膜（プロトン交換膜）が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなプロトン交換膜は、強度の点からフッ素系樹脂に限定されており、その性能向上は限界にきている。
また、フッ素系樹脂、特にナフィオンを使用したプロトン交換膜は、比較的高価である。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、室温で高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得るようにした、プロトン交換膜及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロトン交換膜の製造方法は、式１で示されるジチオオキサミド誘導体Ｒ ２ ｄｔｏａ（ここで、ＲはＨ又はＣ ３ Ｈ ６ ＯＨから選択される）とＣｕとからなり、式２を繰り返し単位とする層状の分子構造を有する銅配位高分子金属錯体Ｒ ２ ｄｔｏａＣｕを加圧成型して薄膜化する工程と、薄膜化した層状の分子構造を有する銅配位高分子金属錯体の層の間に水分子を吸蔵させる工程とにより、プロトン交換膜を生成することを特徴とするものである。
【化１】
本発明のプロトン交換膜の製造方法によれば、Ｈ２ｄｔｏａＣｕまたは（Ｃ３Ｈ６ＯＨ）２ｄｔｏａＣｕからなる銅配位高分子金属錯体の薄膜によるプロトン交換膜が、安価な材料により、容易に且つ低コストで製造されることになる。従って、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して低コストで製造することができる。
また、Ｈ ２ ｄｔｏａＣｕは、熱的耐久性が１５０℃程度まであるので、十分に使用に耐えることができる。
【００１８】
プロトン交換膜が配位高分子金属錯体、即ちポリマーから構成されているので、容易に薄膜化され得ると共に、側鎖であるアルキル基Ｒの改良により、プロトン伝導性や耐久性をより一層向上させることが可能である。
【００１９】
上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭのアルキル基Ｒの位置に、Ｈ（水素）が配位している場合には、当該配位高分子金属錯体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
なお、この場合、配位高分子金属錯体Ｈ2 ｄｔｏａＭの層間に延びる側鎖が小さいことから、分子中の水分子量が比較的多くなり、より高いプロトン伝導性を得ることが可能である。
【００２０】
ジチオオキサミドをプロパノールアミンと反応させる工程と、上記ジチオオキサミドとプロパノールアミンとの反応生成物を硫酸銅と共にエタノール水溶液中で混合する工程とにより、上記（Ｃ 3 Ｈ 6 ＯＨ） 2 ｄｔｏＣｕを生成することを特徴としている。
【００２１】
従って、銅配位高分子金属錯体（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏＣｕの薄膜によるプロトン交換膜が、安価な材料により、容易に且つ低コストで製造され得ることになる。従って、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して低コストで製造することができる。
【００２２】
このようにして、本発明によれば、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として使用されるプロトン交換膜を、層間に水分子を含む銅配位高分子金属錯体（Ｈ 2 ｄｔｏａＣｕ）の薄膜により構成することにより、室温において高いプロトン伝導性を有するプロトン交換膜を低コストで提供することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明によるプロトン交換膜の一実施形態の構成を示している。図１において、プロトン交換膜１０は、配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭの薄膜である。そして、この配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭの薄膜は多層構造を有しており、その層間に水分子を吸蔵させることにより、室温において高いプロトン（Ｈ+ ：水素イオン）伝導性を有している。
【００２４】
ここで、Ｒ２ｄｔｏａ（ジチオオキサミド）は、アルキル基Ｒが、（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）、（Ｃ３Ｈ６ＯＨ）、また、アルキル基Ｒの位置に水素（Ｈ）が配位された高分子、即ちポリマー材料であり、図２に示す構造式で表わされる。なお、以下にアルキル基Ｒの例として（Ｃ ２ Ｈ ４ ＯＨ）に言及することもあるが、（Ｃ ２ Ｈ ４ ＯＨ）は、本発明に係るＲ ２ ｄｔｏａのアルキル基Ｒの対象外である。
【００２５】
以下、配位高分子金属錯体Ｒ ２ ｄｔｏａＭ（ここでＭは、金属）において、Ｍが遷移金属の銅（Ｃｕ）である場合を例にとって説明する。
銅配位高分子錯体Ｒ２ｄｔｏａＣｕは、Ｒ２ｄｔｏａに遷移金属のＣｕが図３に示すように結合した層状の分子構造を有しており、各層間の距離ｄを有し、層状となり高分子錯体となっている。
ここで、Ｈ２ ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）２ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ３Ｈ６ＯＨ）２ｄｔｏａＣｕのｄは、それぞれ、５．７Å，９．９５Å，１１．８２Åである。
【００２６】
銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水分子が吸蔵されることにより、プロトン伝導を示す。一方、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水素を吸蔵すると還元され、電子伝導を生じるので、プロトンのみを伝導させるプロトン交換膜としては好ましくない。
従って、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水素が吸蔵されていない状態、即ち十分に酸化状態となり、電子伝導度が小さい絶縁物状態としてから、十分に水分子を吸蔵させプロトン伝導度を大きくしておく。
【００２７】
つぎに、本発明のプロトン交換膜のプロトン伝導度の測定方法について説明する。銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕは、水素が吸蔵されると電子伝導が生起し、また水分が吸蔵されるとプロトン伝導が生起する。従って、水素と水分子の両方が吸蔵された混在状態においては、電子伝導とプロトン伝導の両方が起こるので、以下のようにしてプロトン伝導度を求めた。
【００２８】
銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの伝導度を直流で測定すると、直流電源からはプロトンは供給されないので、直流の印加直後にプロトン伝導は起こるがすぐに消滅し、電子による伝導だけになる。これにより、直流伝導度の測定から、直ちに電子伝導度が求まる。
また、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの交流の複素コンダクタンスを測定することにより、プロトン伝導と電子伝導に両方が寄与した伝導度を測定することができる。従って、複素コンダクタンス測定と直流伝導度測定の差としてプロトン伝導度が計算できる。
【００２９】
図４は本発明のプロトン交換膜のプロトン伝導率と相対湿度を示す図である。図４において、横軸は相対湿度（ＲＨ）で、縦軸がプロトン伝導率σp （Ｓ・ｃｍ-1）である。ここで、相対湿度（ＲＨ）は、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕに水分子を吸蔵させるときの湿度である。
図の●，□，◇は、それぞれ、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕのプロトン伝導率を表している。図において、相対湿度ＲＨが約１５％から１００％の場合のプロトン伝導率の変化を示している。
何れの銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕにおいても、相対湿度ＲＨが１００％のときに、プロトン伝導率が最大になっていることが分かる。
このとき、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕのプロトン伝導率は、それぞれ、１０-2Ｓ・ｃｍ-1，３×１０-4Ｓ・ｃｍ-1，５×１０-6Ｓ・ｃｍ-1となる。このときの、イオン輸率はほぼ１である。
Ｈ2 ｄｔｏａＣｕのプロトン伝導率である１０-2Ｓ・ｃｍ-1は、固体高分子型燃料電池に実用化されているナフィオン膜に匹敵する値である。
【００３０】
相対湿度ＲＨが低下すると、何れの銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕにおいても、プロトン伝導率は低下することが分かる。
このように、水分子が十分に吸蔵されないと、プロトン伝導率が低くプロトン交換膜として動作しない。
【００３１】
従って、上記銅配位高分子錯体（Ｒ）2 ｄｔｏａＣｕプロトン伝導機構は、従来燃料電池の電解質として使用されているナフィオンにおけるプロトン伝導の機構に類似しているものと推察される。
【００３２】
図５は、本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕのダイマー当たりの水分子数を示す表である。水分子数の値は、熱重量分析により測定した。本発明のプロトン交換膜の水分子を吸蔵させる相対湿度ＲＨが１００％の条件においては、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕのダイマー当たりの水分子数は、それぞれ、９．０，３．３，３．３である。
このことから、図５で示したように、プロトン伝導率の大きいＨ2 ｄｔｏａＣｕは、ダイマー当たりの水分子数が一番大きいことが分かる。
【００３３】
また、相対湿度ＲＨが７５％においては、上記の銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕのダイマー当たりの水分子数は、それぞれ、２．８，１．８，２．２と減少することが分かる。このことから、本発明のプロトン交換膜は、Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの水分子が減少しないように、密封保持することが好ましい。
【００３４】
図６は、本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体Ｈ2 ｄｔｏａＣｕの熱耐久性を示す図である。図において、横軸は周囲温度（℃）で、縦軸が重量損失（％）である。重量損失の値は、熱重量分析により測定した。
相対湿度ＲＨが０％、７５％、１００％の場合を示している。相対湿度ＲＨが１００％の本発明のプロトン交換膜は、２０℃から５０℃において約９％の重量損失があるが、５０℃から１５０℃では、重量損失は温度により変化せず、ほぼ一定の約１０％となる。そして、１５０℃以上で再び重量損失が増加する。
これより、本発明のプロトン交換膜であるＨ2 ｄｔｏａＣｕは、１５０℃まで使用可能であることが分かる。
【００３５】
（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕの重量損失も、また、上記のＲ2 ｄｔｏａＣｕの重量損失と同様な温度特性を示し、１５０℃まで使用可能である。
【００３６】
本発明によるプロトン交換膜１０は以上のように構成されており、以下のように動作する。
即ち、プロトン交換膜１０は、上述したように、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕの分子中に含まれる水分子を媒介として、室温にて高いプロトン伝導率を示す。特に、Ｈ2 ｄｔｏａＣｕの場合には、分子中の水分子がダイマー当たり９分子となって、ナフィオン膜に匹敵する極めて高いプロトン伝導率を示す。
【００３７】
従って、本発明のプロトン交換膜１０は、従来固体高分子型燃料電池の電解質として使用されるフッ素系樹脂によるプロトン交換膜とほぼ同等のプロトン伝導率を有すると共に、安価な材料により容易に製造され得るので、低コストで製造され、さらに熱的耐久性も１５０℃程度まであることから、十分に実用化されることができる。
また、上記銅配位高分子錯体であるＨ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕがポリマーであることから、容易に薄膜として形成することができる。
【００３８】
このようにして、水分子を含む銅配位高分子錯体であるＨ2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕに、水分子を吸蔵させた薄膜から成る本発明のプロトン交換膜１０は、室温にて高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得る。
【００３９】
次に、本発明のプロトン交換膜の製造方法の実施の形態を説明する。始めに、銅配位高分子錯体（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕは、新規な材料であるので、その製造方法を説明する。
図７は銅配位高分子錯体（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕの薄膜から成るプロトン交換膜の製造方法を示している。
先ず、図７（Ａ）において、ジチオオキサミドとプロパノールアミンを混合すると、中間物質であるＮ，Ｎ’−ビス（３−ヒドロキシプロピル）ジチオオキサミドとアンモニアガスが発生する。
【００４０】
次に、上記中間物質を取り出して、図７（Ｂ）に示すように、硫酸銅と共に、６０℃の５％エタノール水溶液中に入れて混合すると、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−ヒドロキシプロピル）ジチオオキサミダト銅（II）、即ち、上記銅配位高分子錯体（ＨＯＣ3 Ｈ6 ）2 ｄｔｏａＣｕが生成される。
【００４１】
上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭのアルキル基Ｒの位置に、Ｈ（水素）が配位している場合には、配位高分子金属錯体自体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
なお、この場合、配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭの層間に延びる側鎖が小さいことから、分子中の水分子量が多くなり、より高いプロトン伝導性を得ることが可能である。
【００４２】
配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭのアルキル基Ｒが（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）である場合には、同様にして、配位高分子金属錯体自体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
【００４３】
このようにして生成された銅配位高分子錯体である（Ｈ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕ，（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）2 ｄｔｏａＣｕは、加圧成型することにより、所望の厚さのシート状薄膜を形成する。
【００４４】
次に、このシート状薄膜が還元状態にあり、水素吸蔵により電子伝導が生じていないことを調べる。水素吸蔵されている場合には、酸化を行う。
還元状態を測定するためには、上述したように、直流のコンダクタンス測定により水素吸蔵による電子伝導率を求め、判定することができる。
【００４５】
次に、還元状態のシート状薄膜を水に浸漬し、水分子を吸蔵させてプロトン伝導率が大きい状態に改質して、プロトン交換膜が製造できる。
これにより、固体高分子型燃料電池の電解質に好適な所望の厚さのシート状薄膜のプロトン交換膜１０が形成され得ることになる。この場合、各材料は安価であり、しかも大型の加熱装置等は不要であるので、銅配位高分子錯体（Ｒ）2 ｄｔｏａＣｕは、低コストで容易に製造され得る。
【００４６】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば上記実施形態においては、プロトン交換膜１０が、銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕにて、アルキル基Ｒの位置に水素が配位されたＨ2 ｄｔｏａＣｕ、または、アルキル基Ｒが、（Ｃ2 Ｈ4 ＯＨ）または（Ｃ3 Ｈ6 ＯＨ）である銅配位高分子錯体Ｒ2 ｄｔｏａＣｕから構成されているが、これに限らず、他のアルキル基Ｒ、例えば（ＣＨ2 ＯＨ）であってもよいことは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、プロトン交換膜を構成するＲ2 ｄｔｏａ（ジチオオキサミド）の配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭは、室温にて電子伝導性は極めて低くほぼ絶縁体と同様であるが、プロトン伝導性は非常に高い。
したがって、上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭが、室温にて高いプロトン伝導性を有することから、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として、即ちプロトン交換膜として使用することにより、従来のフッ素系樹脂によるプロトン交換膜と同様のプロトン伝導性を得ることができる。
【００４９】
また、上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭは、熱的耐久性が１５０℃程度まであるので、十分に使用に耐え得ることになる。
しかも、上記配位高分子金属錯体Ｒ2 ｄｔｏａＭは、安価な材料から容易に合成することができるので、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して、低コストで製造することができる。
さらに、プロトン交換膜が配位高分子金属錯体、即ちポリマーから構成されているので、容易に薄膜化されると共に、側鎖であるアルキル基Ｒの改良により、プロトン伝導性や耐久性をより一層向上させることも可能である。
このようにして、本発明によれば、室温で高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得るようにした、極めて優れたプロトン交換膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプロトン交換膜の一実施形態の構成を示す概略斜視図である。
【図２】Ｒ2 ｄｔｏａ（ジチオオキサミド）の構造式である。
【図３】銅配位高分子錯体の分子構造を示す概略斜視図である。
【図４】本発明のプロトン交換膜を構成する銅配位高分子錯体の相対湿度とプロトン伝導率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明のプロトン交換膜を構成する銅配位高分子錯体の相対湿度における分子中に含まれる水分子数を示す図である。
【図６】本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体Ｈ2 ｄｔｏａＣｕの熱耐久性を示す図である。
【図７】本発明によるプロトン交換膜の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ プロトン交換膜
Claims (5)
- 式１で示されるジチオオキサミド誘導体Ｒ ２ ｄｔｏａ（ここで、ＲはＨ又はＣ ３ Ｈ ６ ＯＨから選択される）とＣｕとからなり、式２を繰り返し単位とする層状の分子構造を有する銅配位高分子金属錯体Ｒ ２ ｄｔｏａＣｕを加圧成型して薄膜化する工程と、
上記薄膜化した層状の分子構造を有する銅配位高分子金属錯体の層の間に水分子を吸蔵させる工程とにより、
プロトン交換膜を生成することを特徴とする、プロトン交換膜の製造方法。
- 前記ＲがＨであることを特徴とする、請求項１に記載のプロトン交換膜の製造方法。
- 前記ＲがＣ ３ Ｈ ６ ＯＨであることを特徴とする、請求項１に記載のプロトン交換膜の製造方法。
- 前記薄膜化した銅配位高分子金属錯体を酸化した後に、水分子を吸蔵させることを特徴とする、請求項１に記載のプロトン交換膜の製造方法。
- 前記銅配位高分子金属錯体Ｒ ２ ｄｔｏａＣｕは、ジチオオキサミドをプロパノールアミンと反応させた後、硫酸銅とともにエタノール水溶液中で反応させたものである、請求項３に記載のプロトン交換膜の製造方法。
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