JP4595159B2

JP4595159B2 - 電解質の改質方法及び改質電解質

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Publication number: JP4595159B2
Application number: JP2000135545A
Authority: JP
Inventors: 洋充田中; 有光臼杵; 昌弥川角; 友森本
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Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-05-09
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の改質方法及び改質電解質に関し、更に詳しくは、燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いられる高分子電解質を改質する電解質の改質方法及び改質電解質に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質として固体高分子電解質が知られている。この固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基やカルボ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、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利用されているものである。
【０００３】
そうした中で、例えば、固体高分子電解質を膜状に成形した固体高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池や水電解セル等に用いられる。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。
【０００４】
また、水電解は水を電気分解することにより水素と酸素を製造する電解法で、ＳＰＥ電解法等が知られている。ＳＰＥとはＳｏｌｉｄＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ（固体高分子電解質）の略で、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膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が知られている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜の形状はパーフルオロアルキレン鎖によって保たれているが、架橋されていないため、側鎖部にある電解質基は比較的分子運動の自由度が大きく、イオン化した状態では本来疎水性の強い主鎖部分と親水性の電解質基が共存し、電解質基はフルオロカーボンマトリックス中で会合し、イオンクラスタを形成している。
【０００６】
このような構造を有するパーフルオロ高分子電解質膜は、化学的安定性が非常に高く、耐久性に優れることから、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。
【０００７】
また、米国特許第５７４１４０８号には、芳香族ポリエーテルケトンにスルホニルハライド基を導入し、導入されたスルホニルハライド基とＵＶ効果型のアミン架橋剤とを反応させ、次いでアミン架橋剤を架橋反応させることにより得られる架橋型の炭化水素系高分子電解質膜が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、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。
【０００９】
そのため、天然ガス、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、一酸化炭素被毒を回避するため、１００℃以上の高温条件下で作動させることが望まれている。
【００１０】
また、水電解においては、電気エネルギーを消費して水素や酸素を製造するため、電気エネルギーを有効に使用することが望まれている。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おり、そのため高温で電解を行えば、電解に要する電力が少なくて済み、効率の点で有利である。
【００１１】
しかしながら、ナフィオンに代表されるパーフルオロ高分子電解質膜は、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１２０℃以上では膜中の分子運動が容易になって構造が変化し、膜がクリープする等、高い温度及び長期にわたる電解質膜としての使用には問題がある。
【００１２】
そのため、パーフルオロ高分子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することができないという問題があった。また、パーフルオロ高分子電解質は、非架橋であるため、導電性を向上させるために電解質基の導入量を増しすぎると、水に著しく膨潤、もしくは可溶化してしまい、膜の設計自由度も大幅に限定されていた。
【００１３】
一方、パーフルオロ高分子電解質を架橋させることができれば、高温における高分子鎖の流動が抑制されるので、パーフルオロ高分子電解質の耐高温クリープに対して有効と考えられる。更には、架橋により膜の電解質基の導入量を増しても可溶化することなく、導電性の向上など、その設計自由度が向上する。しかしながら、パーフルオロ高分子電解質における炭素とフッ素の結合は化学的に極めて安定で不活性であるために架橋は容易ではない。また、電解質基を介して架橋すると、電解質基の数が減少し、導電性が低下してしまう。
【００１４】
また、米国特許第５７４１４０８号に開示されている架橋型炭化水素系高分子電解質は、架橋剤を含めて主要部分が炭化水素構造で構成されているために、高温での耐酸化性がなく、そのままでは高温で使用することはできない。
【００１５】
このように、高分子電解質は、長期にわたり高温の酸化条件にさらされることが多く、長期にわたる耐久性と耐熱性が要求される。例えば、固体高分子型燃料電池において、膜抵抗を低減させるため薄膜化した場合等においては、耐久性や耐熱性が低いと、膜がクリープして局所的・微視的に非常に薄い部分が生じ、回路電圧の極端な低下や電気的なショートをもたらし、長期にわたる信頼性を損なってしまう等の問題も生ずる。
【００１６】
本発明が解決しようとする課題は、導電性、耐高温クリープ特性に優れ、高い耐熱性及び耐久性を付与するため、高分子電解質を改質する電解質の改質方法及び改質電解質を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明に係る電解質の改質方法は、スルホニルハライド基を側鎖に有するパーフルオロ高分子電解質に非水下でアミン化合物を接触させるアミン処理工程と、前記アミン処理工程の後、前記パーフルオロ高分子電解質に残留するスルホニルハライド基を加水分解処理する前に、前記アミン化合物の非存在下で前記パーフルオロ高分子電解質を加熱する加熱処理工程とを有することを要旨とするものである。
【００１８】
本発明に係る電解質の改質方法は、スルホニルハライド基を側鎖に有するパーフルオロ高分子電解質に非水下でアミン化合物を接触させるアミン処理工程と、前記アミン処理工程の後、前記パーフルオロ高分子電解質に残留するスルホニルハライド基を加水分解処理する前に、前記アミン化合物の非存在下で前記パーフルオロ高分子電解質を加熱する加熱処理工程とを有しているので、それにより得られるパーフルオロ高分子電解質は、導電性に優れ、また、高温における分子の流動が抑制されるため耐高温クリープ性が大幅に向上し、耐久性、耐熱性に優れた電解質となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明に係る電解質の改質方法はアミン処理工程を有する。
【００２０】
ここで、アミン処理とは、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触させることをいう。接触させる方法としては、アミン化合物を直接接触させても良いし、適当な溶媒に溶解して接触させても良く、アミン化合物の蒸気にさらしても良い。また、適当な溶媒に溶解して接触させる場合に用いる溶媒は、アミン化合物が溶解するものであれば特に制限はないが、アミン化合物が１０ｍｇ／Ｌ以上溶解するものが好ましく、溶解性の観点から、用いる溶媒はフッ素系のＲ１１３やＡＫ２２５等が好ましい。
【００２１】
また、アミン処理する時の温度は、−３０℃から２００℃の範囲が好ましい。−３０℃以下の場合には、パーフルオロ高分子電解質中の分子運動性が低下することにより処理速度が著しく低下し、２００℃以上の場合には、パーフルオロ高分子電解質の分解が起こってしまうからである。また、接触させる時間やアミン化合物の添加量等は、アミン化合物の種類により異なるが、耐クリープ特性が向上し、かつ、電気伝導度が著しく低下しない範囲で適宜調節すれば良く、特に限定されるものではない。
【００２２】
また、本発明に係る電解質の改質方法において、アミン処理工程の後に、加熱処理工程もしくは塩基処理工程のいずれかの工程を有することが好ましい。
【００２３】
ここで、加熱処理とは、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体を加熱することをいう。この際、加熱する温度は、４０℃から２００℃の範囲で行うのが好ましい。より好ましくは反応速度の観点からパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体の軟化温度近傍（ナフィオンの場合には１００から１５０℃の範囲）で加熱すると良い。４０℃以下では反応速度が著しく遅く、２００℃以上では、パーフルオロ高分子電解質の分解が起こるため好ましくない。また、加熱する時間は、アミン化合物を接触させるアミン処理時間、アミン化合物の添加量や種類等により異なるが、耐クリープ特性が向上し、かつ、電気伝導度が著しく低下しない範囲で適宜調節すれば良く、特に限定されるものではない。
【００２４】
またここで、塩基処理とは、塩基とパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体を接触させることをいう。接触させる方法としては、塩基を直接接触させても良いし、適当な溶媒に溶解して接触させても良く、塩基の蒸気にさらしても良い。また、適当な溶媒に溶解して接触させる場合に用いる溶媒としては、塩基が溶解するものであれば特に制限はないが、塩基が１０ｍｇ／Ｌ以上溶解するものが好ましく、溶解性の観点から、用いる溶媒はフッ素系のＲ１１３やＡＫ２２５等が好ましい。また、塩基処理する時間は、用いる塩基の添加量や種類、塩基処理するときの温度等により異なるが、耐クリープ特性が向上し、かつ、電気伝導度が著しく低下しない範囲で適宜調節すれば良く、特に限定されるものではない。
【００２５】
そして、より好ましくは、アミン処理工程の後に、加熱処理工程と塩基処理工程の両方の工程を有することが好ましい。この場合には、アミン処理工程の後に、加熱処理工程を有し、その加熱処理工程の後に、塩基処理工程を有していても良いし、アミン処理工程の後に、塩基処理工程を有し、その塩基処理工程の後に、加熱処理工程を有していても良い。特に好ましくは、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体と、アミン化合物、塩基との反応が加熱処理により一層促進される観点から、アミン処理工程の後に、塩基処理工程を有し、その塩基処理工程の後に、加熱処理工程を有することが好ましい。
【００２６】
ここで、上述したパーフルオロ高分子電解質とは、Ｃ−Ｈ結合を含まず、フルオロカーボン（−ＣＦ_２−、−ＣＦＣｌ−）、クロロカーボン（−ＣＣｌ_２−）、その他（−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｃ（＝Ｏ）−、−Ｎ（Ｒ）−）を主鎖、側鎖とするパーフルオロ高分子であって、これが、電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基で置換された構造を有するものをいう。ここで特に、化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基で置換されたものを、パーフルオロ高分子電解質前駆体と呼ぶ。
【００２７】
このようなパーフルオロ高分子としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、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などが具体例として挙げられる。
【００２８】
また、電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基（＊を付けたもの）としては、例えば、−ＳＯ_３Ｈ、−ＳＯ_２Ｆ^＊、−ＳＯ_２Ｃｌ^＊、−ＳＯ_２Ｂｒ^＊、−ＳＯ_３Ｎａ、−ＳＯ_３Ｋ、−ＳＯ_３Ｌｉ、−ＳＯ_３Ｍｇ、−ＳＯ_３Ｃａ、−ＣＯ_２Ｈ、−ＣＯＦ^＊、−ＣＯＣｌ^＊、−ＣＯＢｒ^＊、−ＣＯＮａ、−ＣＯＫ、−ＣＯＬｉ、−ＣＯＭｇ、−ＣＯＣａ、−ＰＯ_３Ｈ_２、＝ＰＯ_２Ｈ、−ＯＰ（Ｏ_２Ｈ）Ｏ−、−ＯＰＯ_３Ｈ_２、−ＯＰＯＣｌ_２ ^＊、−ＯＰＯＦ_２ ^＊、−ＯＰＯＢｒ_２ ^＊、−ＰＯＣｌ_２ ^＊、−ＰＯＦ_２ ^＊、−ＰＯＢｒ_２ ^＊、−ＯＰ（ＯＣｌ）Ｏ−^＊、−ＯＰ（ＯＦ）Ｏ−^＊、−ＯＰ（ＯＬｉ）Ｏ−、カルボン酸エステル^＊、スルホン酸エステル^＊、リン酸エステル^＊、カルボン酸無水物^＊、スルホン酸無水物^＊、リン酸無水物^＊、及びカルボン酸、スルホン酸とリン酸の混合無水物^＊等が具体例として挙げられる。
【００２９】
そしてより具体的には、電解質基として、−ＳＯ_３Ｈ（スルホン酸基）、化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基として、−ＳＯ_２Ｆ（スルホニルフルオライド基）を化学構造中に有するパーフルオロ高分子電解質が好ましい。中でも、スルホニルフルオライド基は、後述するように、アミン処理により容易に耐クリープ特性等を向上させることができるので、特に好ましい。
【００３０】
ここで用いるパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体の構造は、特に限定されるものではなく、その高分子鎖は、直鎖状、あるいは分岐状のいずれの構造を有するものであっても良い。中でも、電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基を側鎖に有するパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体を好適に用いることができる。
【００３１】
また、アミン処理工程で用いるアミン化合物とは、アンモニアの水素原子が置換基により０から３個置換されたアミン化合物のことをいう。
【００３２】
この場合の置換基としては、種々の置換基が挙げられるが、例えば、アルキル基、アリール基、アリル基、アルケン基、アルキン基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシレート基、チオカルボキシ基、ジチオカルボキシ基、スルホ基、スルフィノ基、スルフェノ基、オキシカルボニル基、ハロホルミル基、カルバモイル基、ヒドラジノカルボニル基、アミジノ基、シアノ基、イソシアン基、シアナト基、イソシアナト基、チオシアナト基、イソチオシアナト基、ホルミル基、オキソ基、チオホルミル基、チオキソ基、メルカプト基、アミノ基、イミノ基、ヒドラジノ基、アリロキシ基、スルフィド基、ハロゲン基、ニトロ基、シリル基等を含む構成要素から構成される置換基が具体例として挙げられる。
【００３３】
また置換基は、金属、例えばＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ等で置換されていても良い。なお、このようなアミン化合物は金属アミドと呼ばれる。
【００３４】
中でも、アミン化合物として、アンモニアの水素原子が上記置換基により１個置換されたアミン化合物である１級アミン化合物を用いることが好ましい。具体的には、例えば、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などが挙げられる。
【００３５】
そしてより好ましくは、アミン化合物として、アンモニアをそのまま用いることがより好ましい。
【００３６】
そしてまた、塩基処理工程で用いる塩基としては、トリエチルアミン、ピリジン、ＤＢＵ（１，８−ｄｉａｚａｂｉｃｙｃｌｏ［５．４．０］−７−ｕｎｄｅｃｅｎｅ）、トリエチルアミン、ＤＢＮ（１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］ノネン−５）等のアミン化合物や、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、ナトリウムアルコキシド等の金属塩基や、ナトリウムハイドライド、カリウムハイドライド、カルシウムハイドライド、リチウムアルミニウムハイドライド、ナトリウムボロンハイドライド等の金属水素化物や、ブチルリチウム、ナトリウムシクロペンタジエニド、フェニルリチウム等の有機金属化合物等が好適である。
【００３７】
以上のような本発明に係る電解質の改質方法により得られる改質電解質は、パーフルオロ高分子電解質中の電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基の総数に対して、０．１から８５％のモル分率でアミン化合物に由来する窒素を含有することを特徴とするものである（以下、パーフルオロ高分子電解質中の電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基の総数に対するアミン化合物由来の窒素の量をモル分率で表したものを、窒素モル分率Ｎ（％）という）。
【００３８】
この窒素モル分率Ｎ（％）が、０．１％以下の場合、高分子鎖間に生じる架橋の量が少なすぎるために耐久性、耐熱性の効果が少なく、また、８５％以上の場合には、電解質基の量が著しく少なくなるために、電解質としての使用が困難となり好ましくない。
【００３９】
また、得られた改質電解質を膜状に成形したパーフルオロ高分子電解質膜の場合、膜断面における単位体積当たりの窒素モル分率Ｎ（％）（以下、窒素密度ｎ（％）という）の分布は、窒素密度ｎ（％）の最大値ｎ_ｍａｘが０．１％以上５０％以下の範囲にあることが好ましく、その窒素密度ｎ（％）の分布は、膜断面にわたって、窒素密度ｎ（％）のレベルがほぼ一定で、均一になるように分布させることが好ましい。不均一に分布してしまった場合、すなわち、窒素密度ｎ（％）の分布に局所的なピークがある場合は、電解質基の量が著しく少なくなる箇所が膜中に存在することとなり、電気伝導度を低下させてしまう等の問題が生じるため、好ましくない。
【００４０】
このような窒素密度ｎ（％）の分布は、アミン処理工程において用いるアミン化合物の量や種類など各種条件によって異なるが、用いるアミン化合物としては、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体へ拡散する拡散速度が、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体との反応速度よりも速いものを用いることが好ましい。アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体へ拡散する拡散速度が、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体との反応速度よりも遅い場合、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体に浸透する前にパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体表面で反応が生じてしまい、その結果、窒素密度ｎ（％）の分布が不均一となり易く、電気伝導度が局所的に低下する箇所が生じ、好ましくない。
【００４１】
なお、窒素密度ｎ（％）の分布は、アミン化合物に由来する窒素元素の分布や得られた改質電解質の物性分布により評価することができ、具体的には、弾性率やクリープ特性や電気伝導度などを評価して、適宜最適な分布となるようにすれば良い。
【００４２】
そしてまた、パーフルオロ高分子電解質膜の膜断面の窒素密度ｎ（％）の分布の最大値ｎ_ｍａｘが、０．１％以上５０％以下の範囲にあり、かつ、膜に対して垂直方向の導電率が１０^−３Ｓ／ｃｍ以上であるようした場合、十分な電気伝導度を有し、かつ、耐熱性、耐久性に優れた電解質膜とすることができる。
【００４３】
以上のように、本発明に係る電解質の改質方法は、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程を有しており、それにより得られるパーフルオロ高分子電解質は、電気伝導度を維持したまま、高温における分子の流動が抑制され、高温域における軟化による変形や、長期使用時のクリープを阻止することが可能となり、耐熱性、耐高温クリープ特性を大幅に向上させることができるようになる。また、高分子鎖がパーフルオロ高分子で形成されているため、高温における耐酸化性も問題とならない。
【００４４】
このように電気伝導性を維持したまま、耐熱性、耐久性を向上させることができる理由について詳細は明らかではないが、パーフルオロ高分子電解質中の電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基の部分において、アミン化合物による共有結合、あるいはイオン結合による架橋が生じているため、耐熱性、耐高温クリープ特性が向上するものと考えられ、また、その架橋点において、水素原子の結合に寄与する電子が、電子吸引性を有するフッ素化炭素に引き寄せられて移動し、水素原子がプロトンとして放出され易くなっているため、電気伝導度が維持されるものと考えられる。
【００４５】
また、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程の後に、塩基処理工程を有する場合は、塩基により架橋反応が促進され、効率良く架橋を生じるものと考えられる。
【００４６】
そしてまた、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程の後に、加熱処理工程を有する場合には、加熱により架橋反応が促進され、効率良く、架橋が生じるものと考えられる。
【００４７】
特に、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程の後に、塩基処理工程を有し、その塩基処理工程の後に、加熱処理工程を有している場合には、上記による効果が相まって、より一層効率よく、電気伝導度を維持しながら、耐熱性、耐高温クリープ特性を大幅に向上させることができるようになるものと考えられる。
【００４８】
そのため、本発明に係る電解質の改質方法により得られる改質電解質を例えば、固体高分子型燃料電池に用いた場合には、１２０℃以上の高温条件下であっても安定に作動し、また、効率を飛躍的に向上させることができ、しかも、メタノール改質型燃料電池において問題となっている、電極触媒の一酸化炭素による被毒に起因する電圧低下は、こうした高温運転により大幅に低減することが可能となる。
【００４９】
【実施例】
以下に本発明に係る電解質の改質方法及び改質電解質の好適な実施例について詳細に説明する。
【００５０】
（実施例１）
初めに、以下の手順に従い、パーフルオロ高分子電解質にアミン化合物を接触させるアミン処理を行った。すなわち、グローブボックス中で、フロン溶媒（Ｒ１１３）８０ｍｌに膜厚５０μｍ、大きさ１ｃｍｘ８ｃｍのナフィオン膜（Ｆ１１２）を５分間浸漬した。次いでアミン化合物としてリチウムビス（トリメチルシリル）アミド（以下、ＬＢＴＭＳＡという）の１．０Ｍ（モル／Ｌ）ＴＨＦ溶液５ｍｌを撹拌下に加え、１５分間浸漬した後、この膜を取り出し、Ｒ１１３及びＴＨＦ溶液で洗浄した。以後の操作は空気中、室温にて行った。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。その後、純水中で１０分還流し、水洗後、得られた膜を純水中に保存した。
この電解質膜を実施例１とする。
【００５１】
次に、このようにして得られた実施例１の電解質膜の電気伝導度の測定を、以下の手順により行った。すなわち、得られた幅１ｃｍの電解質膜を、２端子の電気伝導度測定セルに装着し、セルの電流、電圧端子には膜との接触性向上のため白金黒メッキを施した白金箔を使用した。そしてこれらのセルをそれぞれ純水中に浸漬し、ＬＣＲメーター（ＹＨＰ製４２６２ＡＬＣＲＭＥＴＥＲ）を用いて交流法（１０ｋＨｚ）により電解質膜の膜抵抗を測定した。そして、次の数１の式により電気伝導度（σ）を求めた。尚、各膜厚は電気伝導度測定後にマイクロメーターで測定した値を用いた。
【００５２】
【数１】
σ＝Ｌ／Ｒ・Ａ＝Ｌ／Ｒ・ｗ・ｔ
但し、σ ：電気伝導度（Ｓ／ｃｍ）
Ｒ：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）
【００５３】
次に、実施例１の電解質膜の１６０℃における耐クリープ試験を、以下の手順により行った。すなわち、荷重が０．８ＭＰａになるように膜に錘をぶら下げ、１６０℃の雰囲気にさらし、１分後の膜の伸びの初期の長さに対する割合（クリープ伸び）を測定した。
【００５４】
（実施例２〜４）
アミン化合物であるＬＢＴＭＳＡへの浸漬時間を３０分、１時間、２時間とした以外は、実施例１と同様の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜をそれぞれ実施例２、実施例３、実施例４とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００５５】
（実施例５）
アミン化合物としてＬＢＴＭＳＡの１．０Ｍ（モル／Ｌ）ＴＨＦ溶液５ｍｌを撹拌下に加え、１５分間浸漬した後、この膜を取り出し、Ｒ１１３及びＴＨＦ溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータリーポンプの減圧下１２０℃にて１２時間加熱処理を行った以外は、実施例１と同様の手順に従い、膜を処理した。この電解質膜を実施例５とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００５６】
（実施例６、７）
アミン化合物であるＬＢＴＭＳＡへの浸漬時間を１時間、２時間とした以外は、実施例５と同様の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜をそれぞれ実施例６、実施例７とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００５７】
（比較例１）
比較としてパーフルオロ高分子電解質であるナフィオン膜についてアミン処理、塩基処理、加熱処理のいずれも行わなず、実施例１と同様に膜の加水分解、プロトン交換、純水中への保存を行った。この電解質膜を比較例１とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定を行い、耐クリープ評価については８分間のクリープ伸びの測定も行った。
【００５８】
以上のように作製した実施例１〜７、及び比較例１の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】

【００６０】
先ず、アミン化合物（ＬＢＴＭＳＡ）の添加量を一定とし、アミン処理時間を変化させてアミン処理を行った実施例１〜４について説明する。実施例１〜４によると、アミン処理時間が増加するにつれ、１分間のクリープ伸びは急激に小さくなり、１時間以降はほぼ一定となる挙動を示した。また、実施例２〜４のクリープ伸びは比較例１のクリープ伸びと比較して、約１／２以下と大幅に小さくなっており、耐クリープ特性が向上していることが分かる。
【００６１】
一方、電気伝導度については、比較例１に比べ、実施例１、２についてはそれほど低下しなかったが、アミン処理時間が１時間よりも長い実施例３、４では、その低下の割合が大きくなった。これらの結果から、アミン処理時間が短すぎる場合は、耐クリープ特性向上の効果が少なく、逆にアミン処理時間が長すぎる場合は、耐クリープ特性は向上するものの、電気伝導度が低下してしまうことが分かる。すなわち、アミン処理時間については、電気伝導度を大きく低下させず、耐クリープ特性が向上するような範囲で、アミン処理時間を選択する必要があることが分かる。
【００６２】
次に、アミン化合物（ＬＢＴＭＳＡ）の添加量を一定とし、アミン処理時間を変化させてアミン処理工程を行った後に、１２０℃、１２時間の加熱処理工程を行った実施例５〜７について説明する。アミン処理時間が短く、耐クリープ特性の向上が見られなかった実施例１の１分間のクリープ伸びは１２６％であったのに対し、アミン処理時間が１５分と同じ時間であるが、加熱処理を行った実施例５の１分間のクリープ伸びは２１％と大幅に小さくなっていることが分かる。また、それ以外の実施例６、７については実施例３、４とほぼ同程度のクリープ伸びであった。すなわち、アミン処理工程の後に、加熱処理を行うことで、アミン処理時間が比較的短くても、クリープ伸びを大幅に小さくできることが分かる。
【００６３】
また、電気伝導度については実施例１と実施例５から分かるように、加熱処理により電気伝導度を低下させることなく、耐クリープ特性が大幅に向上していることが分かる。しかしながら、アミン処理時間が実施例６、７のように比較的長い場合には、加熱処理により電気伝導度が低下してしまうことが分かる。
【００６４】
上記のように、パーフルオロ高分子電解質にアミン化合物を接触させるアミン処理を行うことにより、耐クリープ特性が大幅に向上する理由については、詳細は明らかではないが、パーフルオロ高分子電解質中の電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基の部分において、アミン化合物による共有結合、あるいはイオン結合による架橋が生じているものと考えられる。
【００６５】
アミン処理工程のみの場合は、パーフルオロ高分子電解質とアミン化合物とが接触する時間が長くなるに連れて、パーフルオロ高分子電解質中においてアミン化合物による架橋点が形成されていくが、主にイオン結合の状態で架橋されているために、電気伝導度の低下割合が低く抑えられていると考えられる。
【００６６】
また、アミン処理工程の後に行う加熱処理工程の有無による電気伝導度、耐クリープ特性への影響については、アミン処理時間が短いときほど、その後の加熱処理の効果が大きい。
【００６７】
これは、加熱処理を行った場合は、アミン化合物との接触する時間が短く、架橋点が少なくても、加熱によりパーフルオロ高分子電解質とアミン化合物との間で共有結合による架橋が生じることにより、耐クリープ特性が大幅に向上すると考えられる。しかしながら、アミン化合物との接触時間が長く、架橋点が増えた場合、加熱処理により架橋点における反応が進み、電解質基が損なわれることにより、電気伝導度が低下してしまうものと考えられる。
【００６８】
（実施例８〜１１）
アミン化合物であるＬＢＴＭＳＡの１．０Ｍ（モル／Ｌ）ＴＨＦ溶液２．５ｍｌ、１．２５ｍｌ、０．６ｍｌ、０．３ｍｌを撹拌下に加え、浸漬時間を３０分とした以外は、実施例５と同様の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜をそれぞれ実施例８、実施例９、実施例１０、実施例１１とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００６９】
（実施例１２〜１５）
アミン化合物であるＬＢＴＭＳＡの１．０Ｍ（モル／Ｌ）ＴＨＦ溶液２．５ｍｌ、１．２５ｍｌ、０．６ｍｌ、０．３ｍｌを撹拌下に加え、浸漬時間を１時間とした以外は、実施例５と同様の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜をそれぞれ実施例１２、実施例１３、実施例１４、実施例１５とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００７０】
以上のように作製した実施例８〜１５、及び比較例１の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表２に示す。
【００７１】
【表２】

【００７２】
表２は、アミン化合物（ＬＢＴＭＳＡ）によるアミン処理工程の後に行う加熱処理条件を一定とし、アミン処理時間、アミン化合物の添加量を変化させてアミン処理を行った結果を示している。先ず、アミン処理時間を３０分として、アミン化合物の添加量を変化させた実施例８〜１１について説明する。実施例８〜１１はクリープ伸びは比較例１に比べ、約１／３〜１／２程度となり、耐クリープ特性が大幅に向上している。また、電気伝導度については、アミン化合物の添加量が少なくなるほど大きくなっており、実施例１１においては電気伝導度、耐クリープ特性ともに比較例１より大幅に向上した。すなわち、電気伝導度を低下させることなく、耐熱性、耐久性を有した電解質膜に改質されていることが分かる。
【００７３】
一方、アミン処理時間を１時間として、アミン化合物の添加量を実施例８〜１１と同様に変化させた実施例１２〜１５についても実施例８〜１１と同様の傾向が見られるが、アミン化合物の添加量が多い実施例１２の場合は、比較例１に比較して１分間のクリープ伸びは大幅に小さいものの、実施例８に比べ、電気伝導度の低下が見られた。
【００７４】
これらのことから、アミン処理工程の後に行う加熱処理条件が一定の場合には、アミン化合物の添加量が少なく、アミン処理時間が短い方が、耐クリープ特性、電気伝導度の両者の特性が良くなることが分かる。
【００７５】
（実施例１６）
アミン化合物としてアンモニアの１．０Ｍ（モル／Ｌ）１、４−ジオキサン溶液５ｍｌを加え、２日間浸漬した後、この膜を取り出し、Ｒ１１３及びＴＨＦ溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータリーポンプの減圧下１２０℃にて３日間加熱処理を行った以外は、実施例１と同様の手順に従い、膜を処理した。この電解質膜を実施例１６とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定を行い、耐クリープ評価については８分間のクリープ伸びの測定も行った。
【００７６】
（実施例１７〜１９）
アミン化合物であるアンモニアへの浸漬時間を５日、７日、１０日間とした以外は、実施例１６と同様の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜をそれぞれ実施例１７、実施例１８、実施例１９とする。また、実施例１６と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００７７】
（実施例２０）
加熱処理する時間を２時間とした以外は、実施例１６と同様の手順に従い、膜を処理した。この膜を実施例２０とする。また、実施例１６と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００７８】
（実施例２１）
加熱処理を行わなかった以外は、実施例１６と同様の手順に従い、膜を処理した。この膜を実施例２１とする。また、実施例１６と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００７９】
（実施例２２）
アミン化合物としてアンモニアの１．０Ｍ（モル／Ｌ）１、４−ジオキサン溶液５ｍｌを加え、２日間浸漬した後、この膜を取り出し、Ｒ１１３及びＴＨＦ溶液で洗浄し、次いで、１０％のトリエチルアミンのＲ１１３溶液中で１００℃、５時間加熱し、塩基処理を行った後、引き続き、膜をロータリーポンプの減圧下１２０℃にて２時間加熱処理を行った以外は、実施例１と同様の手順に従い、膜を処理した。この電解質膜を実施例２２とする。また、実施例１６と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００８０】
以上のように作製した実施例１６〜２２、及び比較例１の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表３に示す。
【００８１】
【表３】

【００８２】
表３は、アミン化合物（アンモニア）によるアミン処理時間とアミン処理の後に行う加熱処理条件を変化させた結果及び、アミン処理、加熱処理の後に、塩基処理を行った結果を示している。先ず、アミン処理の後に行う加熱処理条件を一定とし、アミン処理時間を変化させた実施例１６〜１９について説明する。
【００８３】
実施例１６〜１９からどの実施例も、１分間・８分間のクリープ伸びとも、比較例１に比べて大幅に小さく、耐クリープ特性が向上していることが分かる。また、電気伝導度については、アミン処理時間が短い方が、電気伝導度の低下が少ない。また、実施例１６においては比較例１より高い電気伝導度を示した。
【００８４】
すなわち、用いるアミン化合物がアンモニアの場合も同様に、アミン処理工程の後に行う加熱処理が一定の場合には、アミン処理時間が短い方が、耐クリープ特性、電気伝導度の両者の特性が良いことが分かる。また、用いるアミン化合物の種類によって、アミン処理を行う最適な時間は異なっており、アミン化合物の種類により、アミン処理時間を変化させる必要があることも分かる。
【００８５】
次に、アミン処理時間は同じで、加熱処理を行わなかった実施例２１と加熱処理を２時間、３日間行った実施例２０、１６について比較してみると、加熱処理を行った方がクリープ伸びが小さく、また、加熱処理時間が長いほど、電気伝導度、耐クリープ特性が向上した。
【００８６】
これらのことから、希望する電気伝導度と耐クリープ特性を得られるように、電解質を使用する条件、用途に応じてアミン処理時間や加熱処理条件等を適宜調節して改質すれば良いことが分かる。
【００８７】
また、アミン処理を行った後、１２０℃にて２時間加熱処理を行い、更に塩基としてトリエチルアミンを用い１００℃、５時間の条件にて塩基処理を行った実施例２２と、塩基処理を行わなかった実施例２０、比較例１について比較してみると、実施例２２は電気伝導度を低下させることなく、耐熱性、耐クリープ特性が向上していることが分かる。また、実施例２０に比べ、８分間のクリープ伸びも向上した。
【００８８】
このように、塩基処理を行った場合に電気伝導度が低下しなかった理由としては、架橋点において、プロトンの受容体である塩基が作用することにより、架橋点のプロトンがより放出されやすくなったため、十分な電気伝導度を発現し、耐熱性、耐久性が向上したものと考えられる。
【００８９】
（実施例２３）
アミン化合物としてナトリウムアミド５００ｍｇのＴＨＦ溶液５ｍｌ懸濁液を加え、２日間浸漬した後、この膜を取り出し、Ｒ１１３及びＴＨＦ溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータリーポンプの減圧下１２０℃にて３日間加熱処理を行った以外は、実施例１と同様の手順に従い、膜を処理した。この電解質膜を実施例２３とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００９０】
（実施例２４）
アミン化合物として１−ヘキシルアミン１ｍｌを加え、２日間浸漬した後、この膜を取り出し、Ｒ１１３及びＴＨＦ溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータリーポンプの減圧下１２０℃にて３日間加熱処理を行った以外は、実施例１６と同様の手順に従い、膜を処理した。この電解質膜を実施例２４とする。また、実施例１と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。
【００９１】
以上のように作製した実施例２３、２４及び比較例１の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表４に示す。
【００９２】
【表４】

【００９３】
実施例２３、２４はアミン化合物として金属アミドであるナトリウムアミド、１級アミンとして１−ヘキシルアミンを用いた場合であるが、これらも比較例１と比較した場合、前記した実施例と同様にクリープ伸びが小さくなり、耐クリープ特性が向上したものの、表３に示した実施例１６のようにアミン化合物としてアンモニアを用いた場合に比べると電気伝導度の低下が見られた。しかしながら、アミン化合物としてアンモニアを用いた実施例１６の場合は、電気伝導度と耐クリープ特性がともに向上されており、アミン化合物としてはアンモニアが好適であることが分かる。
【００９４】
次に、パーフルオロ高分子電解質中のスルホン酸基総数に対するアミン化合物由来の窒素量のモル分率を調べる目的で元素分析を行った。その結果、実施例１のスルホン酸基総数に対する窒素モル分率Ｎ_ｓｕｌ（％）は１．５％、実施例２は４．２％、実施例３は９．３％、実施例４は１７％であった。図１に、スルホン酸基総数に対する窒素モル分率Ｎ_ｓｕｌ（％）と１分間のクリープ伸び及び電気伝導度の関係を示す。
【００９５】
図１から分かるように、窒素モル分率Ｎ_ｓｕｌ（％）が増加するに連れて、１分間のクリープ伸びは窒素モル分率Ｎ_ｓｕｌ（％）が１０％程度までは急激に小さくなり、その後はほぼ一定となる挙動を示した。また、電気伝導度については窒素モル分率Ｎ_ｓｕｌ（％）が５％程度まではそれほど低下しなかったが、１０％以降で、その低下の割合が大きくなった。
【００９６】
この結果から、窒素モル分率Ｎ（％）が少なすぎる場合には、耐クリープ特性向上の効果が少なく、逆に窒素モル分率Ｎ（％）が多すぎる場合は、耐クリープ特性は向上するものの、電気伝導度が低下してしまうことが分かる。
【００９７】
次に、膜断面における窒素密度ｎ（％）（単位体積当たりの窒素モル分率Ｎ（％））の分布を測定した結果について説明する。図２はアミン化合物としてＬＢＴＭＳＡを使用した実施例４の膜断面にわたる窒素密度分布を、図３はアミン化合物としてアンモニアを使用した実施例１７の膜断面にわたる窒素密度分布を示している。
【００９８】
図２によると、実施例４の膜は膜の表面側において、局所的に窒素密度ｎ（％）のピークが存在し、不均一な分布となっおり、その最大値ｎ_ｍａｘは７５％近くにまで達している。一方、図３より、実施例１７の膜は膜断面にわたり、窒素密度ｎ（％）の分布が均一になっており、その最大値ｎ_ｍａｘは１０％〜２０％の範囲にあり、それぞれ全く異なる窒素密度分布を示していることが分かる。
【００９９】
これは、実施例４においては、アミン化合物として、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質膜中に拡散する拡散速度が、アミン化合物とパーフルオロ高分子電解質膜との反応速度よりも遅いＬＢＴＭＳＡを用いたことにより、アミン化合物が膜の中心部まで拡散する前までに、膜の表面近傍で反応が局所的に生じたためと推測される。
【０１００】
一方、実施例１７においては、アミン化合物として、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質膜中に拡散する拡散速度が、アミン化合物とパーフルオロ高分子電解質膜との反応速度よりも速いアンモニアを用いたことにより、アミン化合物が膜の中心部まで十分拡散した後、反応が生じたため、膜断面にわたって均一な窒素密度分布となったものと推測される。
【０１０１】
また、実施例４と実施例１７の電解質膜の電気伝導度を比較した場合、実施例４は１．７ｘ１０^−２（Ｓ／ｃｍ）であったのに対し、実施例１７は５．５４ｘ１０^−２Ｓ／ｃｍと比較的高い値を示した。これは、実施例４の場合、プロトン伝導性を示す電解質基の量が著しく少なくなる箇所が膜中に存在することにより、電気伝導度が低下してしまったためと考えられる。このことから、膜断面にわたって窒素密度分布レベルがほぼ一定で、均一に分布させた方が良いことが明らかとなった。
【０１０２】
本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能であることは勿論である。例えば、上記実施例ではパーフルオロ高分子電解質としてナフィオン膜、アミン化合物と接触させるアミン処理工程において、アミン化合物としてリチウムビス（トリメチルシリル）アミド、アンモニア、ナトリウムアミド、１−ヘキシルアミンの例を示したが、それ以外に適用できるものである。また、アミン化合物によるアミン処理工程における条件や、その後に塩基処理や加熱処理を行った場合における各種条件についても、耐クリープ特性、電気伝導度が最適な値となるよう調節できるものである。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明に係る電解質の改質方法によれば、従来高温での使用が困難であったパーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体をアミン処理することにより、高温での軟化や変形を抑制することができ、また、長期使用時のクリープを阻止することが可能となった。また、電気伝導度を低下させることなく、耐熱性、耐久性を大幅に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スルホン酸基総数に対する窒素モル分率Ｎ_ｓｕｌ（％）と１分間のクリープ伸び及び電気伝導度の関係を示した図である。
【図２】アミン化合物としてＬＢＴＭＳＡを使用してアミン処理を行った電解質膜の膜断面にわたる窒素密度分布を示した図である。
【図３】アミン化合物としてアンモニアを使用してアミン処理を行った電解質膜の膜断面にわたる窒素密度分布を示した図である。

Claims

スルホニルハライド基を側鎖に有するパーフルオロ高分子電解質に非水下でアミン化合物を接触させるアミン処理工程と、
前記アミン処理工程の後、前記パーフルオロ高分子電解質に残留するスルホニルハライド基を加水分解処理する前に、前記アミン化合物の非存在下で前記パーフルオロ高分子電解質を加熱する加熱処理工程とを有することを特徴とする電解質の改質方法。
前記加熱処理は、減圧下あるいは不活性ガス雰囲気下で行なうことを特徴とする請求項１に記載の電解質の改質方法。
前記アミン工程の後に、前記パーフルオロ高分子電解質に塩基を接触させる塩基処理工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電解質の改質方法。
前記アミン処理は、前記アミン化合物の前記パーフルオロ高分子電解質への拡散速度が前記アミン化合物と前記パーフルオロ高分子電解質との反応速度よりも速いアミン化合物を前記パーフルオロ高分子電解質に接触させる処理であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電解質の改質方法。