JP5063642B2 - 高分子化合物、これを含む燃料電池用膜−電極接合体及びこれを含む燃料電池システム - Google Patents

高分子化合物、これを含む燃料電池用膜−電極接合体及びこれを含む燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は高分子化合物、これを含む燃料電池用膜−電極接合体及びこれを含む燃料電池システムに関する。
燃料電池（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）はメタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系物質内に含まれた水素と酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムのことである。このような燃料電池は化石エネルギーを代替することができる清浄エネルギー源で、単位電池の積層によるスタック構成で多様な範囲の出力を出す長所があり、小型リチウム電池に比べて４〜１０倍のエネルギー密度を示すので、小型電源及び移動用携帯電源として注目されている。
燃料電池の代表的な例としては高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）がある。上記直接酸化型燃料電池で燃料としてメタノールを使用する場合は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と言う。
上記高分子電解質形燃料電池はエネルギー密度が大きくて出力が高いという長所があるが、水素ガスの取り扱いに注意を要し、燃料ガスの水素を生産するためにメタンやメタノール及び天然ガスなどを改質するための燃料改質装置などの付帯設備を必要とする問題がある。
これに反し、直接酸化型燃料電池は高分子電解質形燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、燃料の取り扱いが容易で運転温度が低くて常温で運転が可能であり、特に燃料改質装置を必要としない長所がある。
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とセパレータ（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）（またはバイポーラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）とも言う）からなる単位セルが数個〜数十個積層された構造を有する。上記膜−電極接合体は水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を介してアノード電極（別名、“燃料極”または“酸化電極”と言う）とカソード電極（別名“カソード”または“還元電極”と言う）が位置する構造を有する。
燃料電池で電気を発生させる原理は燃料が燃料極のアノード電極に供給されてアノード電極の触媒に吸着され、酸化反応によって燃料がイオン化され、また電子が発生し、この時に発生する電子は外部回路に沿って酸化極のカソード電極に到達し、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソード電極に伝達される。カソード電極で酸化剤が供給され、この酸化剤、水素イオン及び電子がカソード電極の触媒上で反応して水を生成しながら電気を発生させる。
しかし、上記の高分子電解質膜の高分子のイオン伝導性、形態安定性、及び長期安定性については、更なる改良が望まれていた。そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、イオン伝導性、形態安定性及び長期安定性に優れた高分子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記高分子を含む燃料電池用膜−電極接合体を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、上記膜−電極接合体を含む燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、下記の化学式１で示される高分子化合物が提供される。
［化１］
Figure 0005063642
［化２］
Figure 0005063642
（上記化学式１及び２で、Ａ１、Ａ３、Ａ４、Ａ６、Ａ７及びＡ８は同一であるか互いに異なり、ＣＲ７Ｒ８、Ｏ、Ｓ、ＣＯ、ＳＯ及びＳＯ２からなる群より選択されものであり、Ａ２及びＡ５は同一であるか異なり、ＣＲ７Ｒ８、置換されている又は置換されていない（置換されたり置換されない）アルキレン基、置換されている又は置換されていないシクロアルキレン基、置換されている又は置換されていないフルオレニレン基及び置換されている又は置換されていないアリレン基からなる群より選択されるものであり、それぞれのＡｒは互いに独立的にアリレン基であり、Ｂ１〜Ｂ３は同一であるか異なり、Ｏ、Ｓ、ＣＯ、ＳＯ及びＳＯ２からなる群より選択されるものであり、Ｘはシクロアルキレンまたは上記化学式２で示されるものであり、Ｒ１〜Ｒ１０は同一であるか互いに異なり、水素；置換されている又は置換されていないアルキル基；置換されている又は置換されていないシクロアルキル基；置換されている又は置換されていないアルケニル基；置換されている又は置換されていないアルコキシ基；置換されている又は置換されていないアリール基；置換されている又は置換されていないヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ、及びＳからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるものであり、Ｒ１１及びＲ１２は同一であるか異なり、水素；フルオロ基；置換されている又は置換されていないアルキル基；置換されている又は置換されていないアルケニル基；置換されている又は置換されていないアルコキシ基；置換されている又は置換されていないアリール基；置換されている又は置換されていないヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ、及びＳからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるものであり、Ｙ１及びＹ２は同一であるか異なり、水素イオン伝導性基であり、ｍ１〜ｍ１０は同一であるか異なり、０〜１０であり、但し、ｍ１〜ｍ４のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｍ５ 及びｍ６のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｍ７及びｍ８のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｍ９及びｍ１０のうちの少なくとも一つは０ではない。ｌ１〜ｌ６は同一であるか異なり、０〜３０であり、但し、ｌ１及びｌ２のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｌ３及びｌ４ のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｌ５及びｌ６のうちの少なくとも一つは０ではない。ｍ１１は１〜４０であり、ｐは１〜１０，０００であり、ｑは１〜１０，０００であり、ｎ１〜ｎ８は同一であるか異なり、１〜２０である。）また、上記高分子は燃料電池用バインダーまたは高分子電解質膜として用いることができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに対抗して位置するアノード電極及びカソード電極を含み、上記アノード電極と上記カソード電極の間に位置し、上記高分子化合物を含む高分子電解質膜を含む燃料電池用膜−電極接合体が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、上記膜−電極接合体及び上記膜−電極接合体の両面に位置するセパレータを含み、燃料と酸化剤の電気化学的反応を通じて電気を生成させる少なくとも１つの電気発生部、燃料を上記電気発生部に供給する燃料供給部及び酸化剤を上記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む燃料電池システムが提供される。
以上説明したように本発明によれば、本発明の高分子化合物は、疎水性及び親水性を共に有して水素イオン伝導性、形態安定性及び長期安定性に優れる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構造を概略的に示す図面である。 本発明の第１の実施形態に係る高分子を用いた単位電池の電流／電圧特性を示す図面である。 本発明の第１の実施形態に係る高分子を用いた単位電池の出力密度を示す図面である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
水素イオン伝導性高分子として幅広く使用される、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ）、ＸＵＳ（登録商標）（Ｄｏｗ）、ＦＥＬＭＩＯＮ（登録商標）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ）、ＡＣＩＰＬＥＸ−Ｓ（登録商標）（Ａｓａｈｉ Ｃｈｅｍｉａｌ）及びＮＥＯＳＥＰＴＡ（登録商標）（Ｔｏｋｕｙａｍａ）は下記の化学式３の構造を含む。
［化３］
Figure 0005063642
上記化学式３でポリテトラフルオロエチレンは熱的安定性及び化学的安定性に優れており、優れた水素イオン伝導性を有する。また、上記ポリテトラフルオロエチレンにグラフトされたペルフルオロビニルエーテルのエーテル結合は高分子鎖に流動性を付与し、Ｃ−Ｆ結合は強い化学的安定性を付与する。また、ポリテトラフルオロエチレンにペルフルオロビニルエーテルがグラフトされる構造によって高分子電解質膜にはイオンチャンネルが形成されることができる。したがって、このような構造を有するナフィオン、ＸＵＳ、ＦＥＬＭＩＯＮ、ＡＣＩＰＬＥＸ−Ｓ及びＮＥＯＳＥＰＴＡなどは燃料電池用高分子電解質膜として幅広く使用されているが、メタノールなどの燃料に対するクロスオーバが深刻であり、約１００℃以上の高温で水素イオン伝導性が顕著に低下するという問題がある。
また、一般的な炭化水素系高分子はメタノールなどの燃料に対する透過性が低く、約８０℃以上の高温で優れた水素イオン伝導性及び高い機械的強度を示す長所がある。しかし、水素イオン伝導性基の含量が高くなるほど含水率が高くなるために形態安定性は低下し、作用基の加水分解が容易で化学的安定性が低くなり、炭化水素高分子の固有性質によってラジカル安定性も低いという問題がある。
また、水素イオン伝導性高分子と一般的な炭化水素系高分子を単純混合して使用する場合、水素イオン伝導性高分子と炭化水素高分子間の混和度が低く、水素イオン伝導性高分子と炭化水素高分子の膨張程度に差があって触媒層との接着力が落ちる問題がある。
これに対して本発明では、燃料のクロスオーバ、高温での水素イオン伝導性、機械的強度、寸法安定性及び化学的安定性が全て改善された高分子を提供する。ここで、クロスオーバとは、アノードで燃料が酸化されてプロトンが生成され、当該プロトンが電解質膜に移動しようとするのに対して、燃料そのものが電解質膜を通じて移動することを指す。本発明の高分子は下記の化学式１で示される。
［化４］
Figure 0005063642
［化５］
Figure 0005063642
上記化学式１及び化学式２で、Ａ１、Ａ３、Ａ４、Ａ６、Ａ７及びＡ８は同一であるか異なり、ＣＲ７Ｒ８、Ｏ、Ｓ、ＣＯ、ＳＯ及びＳＯ２からなる群より選択されるものであり、さらに好ましくは同一であるか異なり、Ｃ（ＣＨ３）２、Ｃ（ＣＦ３）２、Ｏ、Ｓ、ＣＯ及びＳＯ２からなる群より選択されるものであり得る。
上記Ａ２及びＡ５は同一であるか異なり、ＣＲ７Ｒ８、置換されている又は置換されていないアルキレン基、置換されている又は置換されていないシクロアルキレン基、置換されている又は置換されていないフルオレニレン基及び置換されている又は置換されていないアリレン基からなる群より選択されるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、ＣＲ７Ｒ８、置換されている又は置換されていないフルオレニル基及び置換されている又は置換されていないチオジフェニルエーテル基からなる群より選択されるものであり得る。
上記化学式１及び化学式２で、それぞれのＡｒは互いに独立的にアリレン基である。
上記Ｂ１〜Ｂ３は同一であるか異なり、Ｏ、Ｓ、ＣＯ、ＳＯ及びＳＯ２からなる群より選択されるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、Ｏ、Ｓ、ＣＯ及びＳＯ２からなる群より選択されるものであり得る。
上記Ｒ１〜Ｒ１０は同一であるか異なり、水素、置換されている又は置換されていないアルキル基、置換されている又は置換されていないシクロアルキル基、置換されている又は置換されていないアルケニル基、置換されている又は置換されていないアルコキシ基、置換されている又は置換されていないアリール基、置換されている又は置換されていないヘテロアリール基及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、水素、置換されている又は置換されていないアルキル基及び置換されている又は置換されていないシクロアルキル基からなる群より選択されるものであり得る。
上記Ｒ１１及びＲ１２は同一であるか異なり、水素、フルオロ基、置換されている又は置換されていないアルキル基、置換されている又は置換されていないアルケニル基、置換されている又は置換されていないアルコキシ基、置換されている又は置換されていないアリール基、置換されている又は置換されていないヘテロアリール基及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択された原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、水素、アルキル基及びフルオロ基からなる群より選択されるものであり得る。
上記Ｘはシクロアルキレン基または上記化学式２で示されるものであり、上記Ｙ１及びＹ２は同一であるか異なり、水素イオン伝導性基であるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、スルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基、ホスホニン酸基及びこれらの塩からなる群より選択されるものであり得る。この場合、塩はナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、カルシウム塩及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるのが好ましい。上記Ｙ１及びＹ２の代表的な例としてはＳＯ３Ｈ、ＳＯ３Ｎａ、ＳＯ３Ｋ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＮａ、ＣＯＯＫ及びＰ（Ｏ）（ＯＨ）２からなる群より選択されるものがある。
上記ｍ１〜ｍ１０は同一であるか異なり、０〜１０であるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、１〜３であり得る。但し、ｍ１〜ｍ４のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｍ５及びｍ６のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｍ７及びｍ８のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｍ９及びｍ１０のうちの少なくとも一つは０ではない。上記ｌ１〜ｌ６は同一であるか異なり、０〜３０であるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、５〜１２であり得る。但し、ｌ１及びｌ２のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｌ３及びｌ４のうちの少なくとも一つは０ではなく、ｌ５及びｌ６のうちの少なくとも一つは０ではない。上記ｍ１１は１〜４０であるのが好ましく、さらに好ましくは１〜３０であってもよく、最も好ましくは１〜１８であってもよい。特に、Ｒ１１及びＲ１２がフルオロ基である場合、上記ｍ１１は２〜４０であるのが好ましく、２〜２０であるのがさらに好ましい。
上記ｐは１〜１０，０００であるのが好ましく、さらに好ましくは１００〜１０，０００であってもよく、最も好ましくは１００〜５，０００であってもよい。上記ｑは１〜１０，０００であるのが好ましく、また１０〜１０，０００であってもよく、さらに１０〜５，０００であってもよく、最も好ましくは１００〜５，０００であってもよい。ｎ１〜ｎ８は同一であるか異なり、１〜２０であるのが好ましく、さらに好ましくは同一であるか異なり、１〜１０であってもよく、最も好ましくは同一であるか異なり、１〜５であり得る。
このような高分子の代表的な例としては下記の化学式１ａ、化学式１ｂ、または化学式１ｃで示される化合物がある。
［化６］
Figure 0005063642
［化７］
Figure 0005063642
［化８］

Figure 0005063642
上記化学式１ａ、１ｂ及び１ｃで、Ａ２及びＡ５は同一であるか異なり、ＣＲ７Ｒ８、置換されている又は置換されていないアルキレン基、置換されている又は置換されていないシクロアルキレン基、置換されている又は置換されていないフルオレニレン基及び置換されている又は置換されていないアリレン基からなる群より選択されるものであってもよく、Ｘはシクロアルキレンであってもよく、Ｒ７及びＲ８は同一であるか異なり、水素；置換されている又は置換されていないアルキル基；置換されている又は置換されていないシクロアルキル基；置換されている又は置換されていないアルケニル基；置換されている又は置換されていないアルコキシ基；置換されている又は置換されていないアリール基；置換されている又は置換されていないヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるものであってもよく、Ｒ１１及びＲ１２は同一であるか異なり、水素；フルオロ基；置換されている又は置換されていないアルキル基；置換されている又は置換されていないアルケニル基；置換されている又は置換されていないアルコキシ基；置換されている又は置換されていないアリール基；置換されている又は置換されていないヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択されるものからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるものであってもよく、Ｙ１及びＹ２は同一であるか異なり、水素イオン伝導性基であってもよく、ｍ１１は１〜４０、好ましくは１〜３０であってもよく、より好ましくは1〜１８であり、ｐは１〜１０，０００、好ましくは１００〜１０，０００であってもよく、ｑは１〜１０，０００であってもよく、好ましくは１０〜１０，０００であってもよい。
本明細書で特別な言及がない限り、“置換された”とは化合物の水素原子の中で少なくとも１つがハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを意味する）、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基及びＮ、Ｏ及びＳからなる群より選択される原子を含むヘテロアルキル基からなる群より選択されるもので置換されたことを意味する。
本明細書で特別な言及がない限り、“ヘテロ化合物”は、１〜３個のヘテロ原子を有する化合物を意味し、この時、ヘテロ原子はＮ、Ｏ、Ｓ及びＰからなる群より選択することができる。
本明細書で特別な言及がない限り、“アルキレン基”とはＣ１〜Ｃ２４のアルキレンであるのが好ましく、Ｃ６〜Ｃ１０のアルキレンであるのがより好ましく、“シクロアルキレン基”とはＣ４〜Ｃ８のシクロアルキレンであるのが好ましく、Ｃ５〜Ｃ６のシクロアルキレンであるのがより好ましく、“アルキル基”はＣ１〜Ｃ１２のアルキル基であるのが好ましく、Ｃ１〜Ｃ５のアルキル基であるのがより好ましく、“シクロアルキル基”はＣ４〜Ｃ８のシクロアルキル基であるのが好ましく、Ｃ５〜Ｃ６のシクロアルキル基であるのがより好ましく、“アルケニル基”とはＣ２〜Ｃ１２のアルケニル基であるのが好ましく、Ｃ２〜Ｃ３のアルケニル基であるのがより好ましく、“アルコキシ基”はＣ１〜Ｃ１２のアルコキシ基であるのが好ましく、Ｃ１〜Ｃ６のアルコキシ基であるのがより好ましく、“アリール基”はＣ６〜Ｃ２４のアリール基であるのが好ましく、Ｃ６〜Ｃ１２のアリール基であるのがより好ましく、“ヘテロアリール基”はＣ２〜Ｃ１１のヘテロアリール基であるのが好ましく、Ｃ２〜Ｃ５のヘテロアリール基であるのがより好ましく、“ヘテロアルキル基”はＣ１〜Ｃ１２のヘテロアルキル基であるのが好ましく、Ｃ１〜Ｃ５のヘテロアルキルであるのがより好ましい。
上記化学式１の高分子は、下記に示すように疎水性パート（Ｉ）及び親水性パート（ＩＩ）を両方とも含む構造である。
［化９］
Figure 0005063642
上記化学式１の疎水性パート（Ｉ）はアルキレンまたはシクロアルキレンを含む。上記アルキレンまたはシクロアルキレンは水に対する抵抗性が非常に優れて低い含水率を有するので、水分に対して高い形態安定性を示す。また、上記アルキレンまたはシクロアルキレンは燃料に対する抵抗性も非常に優れてメタノールなどの燃料に対する透過性が非常に低い特徴がある。一方、上記化学式１の親水性パート（ＩＩ）は水素イオン伝導性基を含むので水素イオン伝導度が非常に高い特徴がある。
このような上記化学式１のアルキレンまたはシクロアルキレンを含む疎水性パートは親水性パートと互いに混合されないので優れた相分離挙動を実現することができる。したがって、アルキレンの炭素数が長くなっても、上記化学式１の高分子は高い形態安定性及び水素イオン伝導性を示すことができる。また、上記アルキレンを含む高分子の場合、互いに結晶化するので優れた膜物性を示すことができる。
上記化学式１の高分子は１、０００〜１、０００，０００の重量平均分子量を有するのが好ましく、２０，０００〜５００，０００の重量平均分子量を有するのがより好ましい。上記範囲内では水素イオン伝導性及び形態安定性に優れて、低加湿条件でも高い水素イオン伝導度を示すことができ、燃料のクロスオーバを防止し、機械的物性が非常に優れた長所がある。
上記化学式１の高分子を製造する方法としては、代表的に下記化学式ａのモノマー、化学式ｂのモノマー及び化学式ｃのモノマーを縮合重合する方法があり、その他にも多様な方法がある。
［化１０］
Figure 0005063642
［化１１］
Figure 0005063642
［化１２］
Figure 0005063642
この時、上記化学式ａ、化学式ｂ及び化学式ｃで各置換基は化学式１に定義された通りである。
また、上記化学式１の高分子は燃料電池用バインダーまたは燃料電池用高分子電解質膜として使用することができる。
上記化学式１の高分子を使用して高分子電解質膜を製造する方法の一例としては、化学式１の高分子を有機溶媒に溶解して溶液を製造し、この溶液をフィルム化して燃料電池用高分子電解質膜を製造することがある。この時、有機溶媒としてはＮ−メチルピロリドン、メチルアセテート、メチルフルオライドなどを使用することができる。上記溶液をフィルム化する方法は当分野で広く知られた公知の技術であるので、これについての詳しい説明は省略する。また、その他にも化学式１の高分子を利用して通常実施される多様な方法によって高分子電解質膜を製造することができる。
また、本発明は上記化学式１の高分子を高分子電解質膜として含む燃料電池用膜−電極接合体を提供する。上記膜−電極接合体は互いに対向するアノード電極及びカソード電極を含み、上記アノード電極とカソード電極の間に位置する高分子電解質膜を含む。
上記高分子電解質膜は上述したものと同様である。上記アノード電極とカソード電極は電極基材及び触媒層を含む。
上記触媒層は触媒を含み、触媒と電極基材または触媒粒子と粒子間の接着力及び水素イオン伝導性を向上させるためにバインダーをさらに含むことができる。
上記バインダーとして上記化学式１の高分子を使用すると高分子電解質膜との親和性を向上させることができて好ましい。
また、上記バインダーとして化学式１の高分子と一般に燃料電池で使用されるバインダー樹脂を混合して使用することができる。この時、上記化学式１の高分子及び一般的なバインダー樹脂は０．１：９．９〜９．９：０．１重量比で混合されるのが好ましく、３：７〜７：３の重量比で混合されるのがより好ましい。上記範囲ではバインダーが含まれた電極層と高分子電解質膜の間の界面接着力に優れた長所があって好ましい。
上記一般に燃料電池で使用されるバインダー樹脂としては水素イオン伝導性を有する高分子樹脂を使用するのが好ましく、さらに好ましくは側鎖にスルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基、ホスホニン酸基及びこれらの誘導体からなる群より選択される陽イオン交換基を持っている高分子樹脂は全て使用することができる。好ましくはフルオロ系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルファイド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテル−エーテルケトン系高分子またはポリフェニルキノキサリン系高分子の中で選択される１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことができ、より好ましくはポリ（ペルフルオロスルホン酸）、ポリ（ペルフルオロカルボン酸）、スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテルの共重合体、脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン、アリールケトン、ポリ［２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−ビベンズイミダゾール］（ｐｏｌｙ［２，２’−（ｍ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）−５，５’−ｂｉｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ］）またはポリ（２，５−ベンズイミダゾール）の中で選択される１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むものを使用することができる。
上記バインダー樹脂は単一物または混合物形態で使用することができ、また選択的に高分子電解質膜との接着力をより向上させる目的で非伝導性物質と共に使用されることもできる。その使用量は使用目的に適するように調節して使用するのが好ましい。
上記非伝導性物質としてはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン／テトラフルオロエチレン（ｅｔｈｙｌｅｎｅ／ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＥＴＦＥ））、エチレンクロロトリフルオロ−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ポリビニリデン、フッ化ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンのコポリマー（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）、ドデシルベンゼンスルホン酸及びソルビトール（Ｓｏｒｂｉｔｏｌ）からなる群より選択した１種以上のものがより好ましい。
上記触媒は燃料電池の反応に参与して触媒として使用可能なものはいずれも使用することができ、その代表的な例として白金系触媒を使用することができる。上記白金系触媒としては白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金または白金−Ｍ合金（ＭはＧａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ及びこれらの組み合わせからなる群より選択される遷移金属）の中で選択される１種以上の触媒を使用することができる。アノード電極とカソード電極は同一物質を使用してもよいか、燃料電池のアノード電極反応中に発生するＣＯによる触媒被毒現象が発生することによって、これを防止するために白金−ルテニウム合金触媒がアノード電極触媒により好ましい。具体的な例としてはＰｔ、Ｐｔ／Ｒｕ、Ｐｔ／Ｗ、Ｐｔ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｍｏ、Ｐｔ／Ｐｄ、Ｐｔ／Ｆｅ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｃｏ、Ｐｔ／Ｒｕ／Ｗ、Ｐｔ／Ｒｕ／Ｍｏ、Ｐｔ／Ｒｕ／Ｖ、Ｐｔ／Ｆｅ／Ｃｏ、Ｐｔ／Ｒｕ／Ｒｈ／Ｎｉ及びＰｔ／Ｒｕ／Ｓｎ／Ｗからなる群より選択される１種以上のものを使用することができる。また、このような金属触媒は金属触媒自体（ｂｌａｃｋ）を使用してもよく、担体に担持させて使用することもできる。この担体としては黒鉛、デンカブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー、カーボンナノボールまたは活性炭素などの炭素系物質を使用することもでき、またはアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの無機物微粒子を使用することもできるが、一般に炭素系物質が使用されている。担体に担持された貴金属を触媒として使用する場合には、商用化された市販のものを使用することもでき、また担体に貴金属を担持させて製造して使用することもできる。担体に貴金属を担持させる工程は当該分野で広く知られた内容であるために本明細書で詳しい説明は省略しても当該分野における者に容易に理解できる内容である。
上記電極基材は電極を支持する役割を果たしながら触媒層に燃料及び酸化剤を拡散させて触媒層に燃料及び酸化剤が容易に接近できる役割を果たす。上記電極基材としては導電性基材を使用し、その代表的な例としては炭素紙（ｃａｒｂｏｎ ｐａｐｅｒ）、炭素布（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）、炭素フェルト（ｃａｒｂｏｎ ｆｅｌｔ）または金属布（繊維状態の金属で構成された多孔性フィルムまたは高分子繊維で形成された布の表面に金属フィルムが形成されたもの）を用いることができるが、これに限定されるわけではない。
また、上記電極基材はフルオロ系樹脂で撥水処理したものを使用するのが燃料電池の駆動時に発生する水によって反応物拡散効率が低下することを防止するために好ましい。上記フルオロ系樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリペルフルオロアルキルビニルエーテル、ポリペルフルオロスルホニルフロライドアルコクシビニルエーテル、フッ化エチレンプロピレン（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリクロロトリフルオロエチレンまたはこれらのコポリマーを使用することができる。
また、上記電極基材での反応物拡散効果を増進させるための微細気孔層（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ）をさらに含むこともできる。この微細気孔層は一般に粒径の小さい導電性材料、好ましくは導電性粉末、例えば炭素粉末、カーボンブラック、アセチレンブラック、活性炭素、カーボンファイバー、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、カーボンナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ−ｈｏｒｎ）またはカーボンナノ環（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｒｉｎｇ）を 含むことができる。
上記微細気孔層は導電性粉末、バインダー樹脂及び溶媒を含む組成物を上記電極基材にコーティングして製造される。上記バインダー樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリペルフルオロアルキルビニルエーテル、ポリペルフルオロスルホニルフルオライド、アルコキシビニルエーテル、ポリビニルアルコール、セルロースアセテートまたはこれらのコポリマーなどを好ましく使用することができる。上記溶媒としてはエタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ブチルアルコールなどのようなアルコール、水、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピロリドン、テトラヒドロフランなどを好ましく使用することができる。コーティング工程は組成物の粘性に応じてスクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法またはドクターブレードを利用するコーティング法などがあり、これに限定されるわけではない。
また、本発明は上記膜−電極接合体を含む燃料電池システムを提供する。上記燃料電池システムは少なくとも１つの電気発生部、燃料供給部及び酸化剤供給部を含む。
上記電気発生部は膜−電極接合体とセパレータ（バイポーラプレートとも言う）を含む。上記膜−電極接合体は高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に存在するカソード及びアノード電極を含む。上記電気発生部は燃料の酸化反応と酸化剤の還元反応反応を通じて電気を発生させる役割を果たす。
上記燃料供給部は燃料を上記電気発生部に供給する役割を果たし、上記酸化剤供給部は酸素または空気のような酸化剤を上記電気発生部に供給する役割を果たす。
本発明で燃料としては気体または液体状態の水素または炭化水素燃料を含むことができる。上記炭化水素燃料の代表的な例としてはメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたは天然ガスがある。
本発明の燃料電池システムの概略的な構造を図１に示し、これを参照してより詳しく説明する。図１に示す構造は燃料及び酸化剤をポンプを使用して電気発生部に供給するシステムを示したが、本発明の燃料電池システムがこのような構造に限定されるわけではなく、ポンプを使用しない拡散方式を利用する燃料電池システム構造に使用できることは当然である。
本発明の燃料電池システム１は燃料の酸化反応と酸化剤の還元反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも１つの電気発生部３と、上記燃料を供給する燃料供給部５と、酸化剤を上記電気発生部３に供給する酸化剤供給部７を含んで構成される。
また、上記燃料を供給する燃料供給部５は燃料を貯蔵する燃料タンク９、燃料タンク９に連結設置される燃料ポンプ１１を備えることができる。上記燃料ポンプ１１は所定のポンピング力によって燃料タンク９に貯蔵された燃料を排出させる機能をする。
上記電気発生部３に酸化剤を供給する酸化剤供給部７は所定のポンピング力で酸化剤を吸入する少なくとも１つの酸化剤ポンプ１３を備える。
上記電気発生部３は燃料と酸化剤を酸化及び還元反応させる膜−電極接合体１７と、この膜−電極接合体の両側に燃料と酸化剤を供給するためのセパレータ１９、１９’で構成され、このような電気発生部３が少なくとも１つ集まってスタック１５を構成する。
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明が下記の実施例によって限定されるわけではない。
［実施例１］
［化１３］
Figure 0005063642
［化１４］
Figure 0005063642
上記化学式１−１及び化学式１−１ａで、ｐとｑは出発物質のモル比によって決定される。
ビスフェノールＡ（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ：ＢＰＡ）６．１３ｇ、１，１０−ビス［４−フルオロベンゾイル）フェノキシ］デカン（１，１０−Ｂｉｓ［４−ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｏｙｌ）ｐｈｅｎｏｘｙ］ｄｅｃａｎｅ）８．１２ｇ、ジスルホネイテッドジフルオロフェニルケトン（ｄｉｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｄｉｆｌｕｏｒｏｐｈｅｎｙｌ ｋｅｔｏｎｅ）５．３３ｇ及び炭酸カリウム（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）４．８２ｇを混合し、温度計、機械式撹拌機、Ｎ２ガス注入口（ｉｎ−ｌｅｔ）、排出口（ｏｕｔ−ｌｅｔ）ディーン−スターク装置（ｄｅａｎ−ｓｔａｒｋ）が設けられた５００ｍｌの４口フラスコに入れ、溶媒としてＮ−メチルピロリドン１００ｍｌとトルエン５ｍｌを投入した後、１４０℃で４時間攪拌した。次に、反応溶液内のトルエンを蒸留して除去し、１７０℃で２４時間攪拌して重合を進めた。
反応が終わった後、得られた生成物の温度を６０℃まで下げた後、過剰のメタノールに沈殿させた。得られた生成物の中で高分子をフィルタリングして過剰の水で洗浄した後、真空オーブンで乾燥して上記化学式１−１のランダム高分子を製造した。
上記化学式１−１の高分子をジメチルアセトアミド有機溶媒に溶解した後、これをガラス板上で型取りし、真空乾燥して高分子膜を得た。このように得られた膜を１Ｍの硫酸溶液に２日間浸漬させて上記化学式１−１ａのランダム高分子を有する燃料電池用高分子電解質膜を製造した。
化学式１−１ａの高分子の重量平均分子量を知るために、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法によって粘度を測定した。粘度は２．０ｇ／ｄｌであった。
カソード電極基材にＰｔブラック（Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ）触媒及び５重量％濃度のナフィオン／Ｈ２Ｏ／２−プロパノール（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．）を８８：１２の重量比で混合したカソード電極用触媒組成物を塗布してカソード電極を製造した。
また、Ｐｔ−Ｒｕブラック（Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ）触媒及び５重量％濃度のナフィオン／Ｈ２Ｏ／２−プロパノール（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．）を８８：１２の重量比で混合したアノード電極用触媒組成物を炭素紙電極基材（ＳＧＬ ＧＤＬ １０ＤＡ）に塗布してアノード電極を製造した。
この時、アノード電極及びカソード電極で触媒のローディング量はそれぞれ４ｍｇ／ｃｍ２にした。
上記アノード電極、上記カソード電極及び上記高分子電解質膜を利用して通常の方法で単位電池を製造した。
［実施例２］
［化１５］
Figure 0005063642
上記化学式１−２ａで、ｐとｑは出発物質のモル比によって決定される。
ビスフェノールＡ（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ：ＢＰＡ）を４，４−（ヘキサフルオロイソプロピルリデン）ジフェノール（４，４−（ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｉｓｏｐｒｏｐｙｌｉｄｅｎｅ）ｄｉｐｈｅｎｏｌ：６Ｆ−ＢＰＡ）に変更したことを除いては、実施例１と同一に実施して燃料電池用高分子電解質膜及びこの高分子電解質膜を含む単位電池を製造した。この時、上記高分子電解質膜に含まれた高分子は上記化学式１−２ａで示されたランダム高分子であった。
化学式１−２ａの高分子の重量平均分子量を知るために、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法によって粘度を測定した。粘度は１．６ｇ／ｄｌであった。
［実施例３］
［化１６］
Figure 0005063642
上記化学式１−３ａで、ｐとｑは出発物質のモル比によって決定される。
ビスフェノールＡ（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ：ＢＰＡ）をフルオレン（ｆｌｕｏｒｅｎｅ）に変更したことを除いては実施例１と同一に実施して燃料電池用高分子電解質膜及びこの高分子電解質膜を含む単位電池を製造した。この時、上記高分子電解質膜に含まれた高分子は上記化学式１−３ａで示されたランダム高分子であった。
化学式１−３ａの高分子の重量平均分子量を知るために、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法によって粘度を測定した。粘度は２．２ｇ／ｄｌであった。
［実施例４］
［化１７］
Figure 0005063642
［化１８］
Figure 0005063642
１，１０−ビス［４−フルオロベンゾイル）フェノキシ］デカン（１，１０−Ｂｉｓ［４−ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｏｙｌ）ｐｈｅｎｏｘｙ］ｄｅｃａｎｅ）を１，６−ビス４−フルオロベンゾイル）シクロヘキサン（１，６−Ｂｉｓ４−ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｏｙｌ）ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ）に変更したことを除いては実施例１と同一に実施して上記化学式１−４ａで示されるランダム高分子及び１−４ａで示される高分子電解質膜を得た。
また、上記化学式１−４で示される高分子を１Ｍの硫酸溶液に２日間浸漬させて上記化学式１−４ａで示されるバインダーを製造した。
上記製造した化学式１−４ａのランダム高分子電解質膜及び化学式１−４ａのバインダーを利用して単位電池を製造した。
化学式１−４ａの高分子の重量平均分子量を知るために、 Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法によって粘度を測定した。粘度は１．５ｇ／ｄｌであった。
［実施例５］
［化１９］
Figure 0005063642
［化２０］
Figure 0005063642
上記化学式１−５及び化学式１−５ａで、ｐとｑは出発物質のモル比によって決定される。
１，１０−ビス［４−フルオロベンゾイル）フェノキシ］ブタン（１，１０−Ｂｉｓ［４−ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｏｙｌ）ｐｈｅｎｏｘｙ］butane）を１，４−ビス４−フルオロベンゾイル）ペルフルオロデカン（１，４−Ｂｉｓ４−ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｏｙｌ）ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃａｎｅ）に変更したことを除いては実施例１と同一に実施し、上記化学式１−５で示されるランダム高分子及び１−５ａで示される高分子電解質膜を得た。
また、上記化学式１−５で示される高分子を１Ｍの硫酸溶液に２日間浸漬させて、上記化学式１−５ａで示されるバインダーを製造した。
上記製造した、化学式１−５ａのランダム高分子電解質膜及び化学式１−５ａのバインダーを利用して単位電池を製造した。
化学式１−５ａの高分子の重量平均分子量を知るために、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法によって粘度を測定した。粘度は１．９ｇ／ｄｌであった。
［実施例６〜１０］
アノード触媒及びカソード触媒のローディング量をそれぞれ５ｍｇ／ｃｍ２に変更したことを除いては、実施例１〜５と同一に実施して実施例６〜１０の単位電池を製造した。より具体的には、実施例の６〜１０は、それぞれ、実施例６が実施例１に、実施例７が実施例２に、実施例８が実施例３に、実施例９が実施例４に、実施例１０が実施例５に、対応する。
［比較例１］
ナフィオン１１５（ペルフルオロスルホン酸）高分子電解質膜を利用したことを除いては、上記実施例１と同一に実施して単位電池を製造した。
［比較例２］
［化２１］
Figure 0005063642
上記化学式１−６で、ｎとｍは出発物質のモル比によって決定される。

１０−ビス（４−フルオロベンゾイル）フェノキシ）デカン（１，１０−Ｂｉｓ［４−ｆｌｕｒｏｂｅｎｚｏｙｌ）ｐｈｅｎｏｘｙ］ｄｅｃａｎｅ）を４，４−ジフルオロベンゾフェノン（４，４−ｄｉｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｏｐｈｅｎｏｎｅ）に変更したことを除いては、実施例１と同一に実施して上記化学式１−６のランダム高分子、これを利用した燃料電池用高分子電解質膜及びこの高分子電解質膜を含む単位電池を製造した。
化学式１−６の高分子の重量平均分子量を知るために、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法によって粘度を測定した。 粘度は１．４ｇ／ｄｌであった。
イオン交換能力、イオン伝導度、燃料透過度、膨張及び出力密度測定
上記実施例１〜１０及び比較例１〜２の単位電池に対してイオン交換能力（ｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ：ＩＥＣ）（Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法で測定）、イオン伝導度（Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２００５、４４、７６１７―７６２６に記載された方法で測定）、ＭｅＯＨ透過性（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ３３５（２００９）１３−２０に記載された方法で測定）、８０℃で８Ｍ濃度のＭｅＯＨを注入する時の膨張（（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）、初期対比厚さの変化）程度（Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９９、１４２１−１４２６（１９９８）に記載された方法で測定）及び０．４Ｖでの出力密度（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ（２００７）、１６７、７４−７８に記載された方法で測定）を測定し、この中で実施例１〜３、実施例５、比較例１及び比較例２の結果を下記表１に示した。
また、実施例６〜１０の単位電池に対して７０℃で１Ｍ濃度のＭｅＯＨを注入しながら電流／電圧特性及び出力密度を測定し、この中で実施例６に対するそれぞれの結果を図２及び図３にそれぞれ示した。
Figure 0005063642
上記表１を参照すると、実施例１〜３及び実施例５の単位電池はイオン交換能力、イオン伝導度及び出力密度が全て優れており、メタノール透過度及び膨張の問題が非常に改善されたことを確認することができた。これに反し、比較例１の電池は実施例１〜３及び実施例５と同等水準のイオン伝導度を示したが、イオン交換能力及び出力密度は低く示され、メタノール透過度及び膨張も深刻にであった。また、比較例２の電池は実施例１〜３及び実施例５と同等水準のイオン交換能力及びメタノール透過度を示したが、イオン伝導度及び出力密度は低く示され、特に膨張が深刻であることが分かった。
また、図２を参照すると、実施例６の単位電池は優れた電流／電圧特性を示すことを確認することができ、図３を参照すると出力密度も優れていることを確認することができた。
本発明は高分子、これを含む燃料電池用膜−電極接合体及びこれを含む燃料電池システムに関し、より詳しくは水素イオン伝導性、形態安定性及び長期安定性に優れた高分子、これを含む燃料電池用膜−電極接合体及びこれを含む燃料電池システムに関するものである。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
３ 電気発生部
７ 酸化剤供給部
９ 燃料タンク
１１ 燃料ポンプ
１３ 酸化剤ポンプ
１５ スタック
１７ 膜−電極接合体
１９、１９’ セパレータ

Claims (8)

  1. 下記の化学式１ａ、化学式１ｂ又は化学式１ｃで示されることを特徴とする、高分子。
    Figure 0005063642
    Figure 0005063642
    Figure 0005063642
    （前記化学式１ａ、１ｂ及び１ｃで、
    Ａ ２ 及びＡ ５ は同一であるか異なり、ＣＲ ７ Ｒ ８ 、置換されている又は置換されていないアルキレン基、置換されている又は置換されていないシクロアルキレン基、置換されている又は置換されていないフルオレニレン基及び置換されている又は置換されていないアリレン基からなる群より選択されるものであり、
    Ｘはシクロアルキレンであり、
    Ｒ ７ 及びＲ ８ は同一であるか異なり、水素；置換されている又は置換されていないアルキル基；置換されている又は置換されていないシクロアルキル基；置換されている又は置換されていないアルケニル基；置換されている又は置換されていないアルコキシ基；置換されている又は置換されていないアリール基；置換されている又は置換されていないヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるものであり、
    Ｒ １１ 及びＲ １２ は同一であるか異なり、水素；フルオロ基；置換されている又は置換されていないアルキル基；置換されている又は置換されていないアルケニル基；置換されている又は置換されていないアルコキシ基；置換されている又は置換されていないアリール基；置換されている又は置換されていないヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択されるものからなる群より選択される原子を含む置換されている又は置換されていないヘテロアルキル基からなる群より選択されるものであり、
    Ｙ １ 及びＹ ２ は同一であるか異なり、水素イオン伝導性基であり、
    ｍ １１ は１〜４０であり、
    ｐは１〜１０，０００であり、
    ｑは１〜１０，０００である。）
  2. 前記置換されたアルキレン基、置換されたシクロアルキレン基、置換されたフルオレニレン基、置換されたアリール基、置換されたアルキル基、置換されたアルケニル基、置換されたアルコキシ基、置換されたヘテロアリール基及び置換されたヘテロアルキル基は、少なくとも１つの水素原子が、ハロゲン；アルキル基；シクロアルキル基；アルケニル基；アルコキシ基；アリール基；ヘテロアリール基；及びＯ、Ｎ及びＳからなる群より選択されるヘテロ原子を含むヘテロアルキル基からなる群より選択されるもので置換されたことを特徴とする、請求項１に記載の高分子。
  3. 前記Ｙ１及びＹ２は同一であるか異なり、スルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基、ホスホニン酸基及びこれらの塩からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１または２に記載の高分子。
  4. 前記塩はナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、カルシウム塩及びこれらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする、請求項３に記載の高分子。
  5. 前記ｍ１１は１〜３０であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子。
  6. 前記高分子は燃料電池用バインダーまたは高分子電解質膜として使用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子。
  7. 互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極；及び
    前記アノード電極とカソード電極の間に位置する高分子電解質膜を含み、
    前記高分子電解質膜は請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子を含むことを特徴とする、燃料電池用膜−電極接合体。
  8. 互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極及び前記アノード電極とカソード電極の間に位置し、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子を含むものである高分子電解質膜を含む燃料電池用膜−電極接合体及び前記膜−電極接合体の両面に位置するセパレータを含み、燃料と酸化剤の電気化学的反応を通じて電気を生成させる少なくとも１つの電気発生部；
    燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部；及び
    酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含むことを特徴とする、燃料電池システム。
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