WO2011010742A1 - イオン伝導性複合電解質とこれを用いた膜電極接合体、及び膜電極接合体を用いた電気化学装置、並びにイオン伝導性複合電解質膜の製造方法 - Google Patents

イオン伝導性複合電解質とこれを用いた膜電極接合体、及び膜電極接合体を用いた電気化学装置、並びにイオン伝導性複合電解質膜の製造方法 Download PDF

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proton
conductive composite
electrolyte
composite electrolyte
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開本拓郎
福島和明
岸本健史
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ソニー株式会社
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/122—Ionic conductors
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an ion conductive composite electrolyte, a membrane electrode assembly using the same, an electrochemical device such as a fuel cell using the membrane electrode assembly, and a method for producing an ion conductive composite electrolyte membrane.
  • Fuel cells which are electrochemical devices that convert chemical energy into electrical energy, are efficient and do not generate environmental pollutants when the energy is converted. As a clean power source for portable information devices, home use, automobiles, etc. It is attracting attention and is being developed. Fuel cells are phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and polymer electrolyte fuel cells (PEFC) depending on the type of electrolyte used. And alkaline fuel cells (AFC). These fuel cells differ from each other in the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, the electrolyte, and the like.
  • PAFC phosphoric acid fuel cells
  • MCFC molten carbonate fuel cells
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • PEFC polymer electrolyte fuel cells
  • AFC alkaline fuel cells
  • a membrane electrode assembly which is the main part of PEFC, is usually a polymer electrolyte membrane made of a polymer electrolyte, and two electrodes (catalyst electrodes) that are provided on both sides and act as a cathode and an anode, respectively. ).
  • the polymer electrolyte membrane acts as a proton conductor, and further acts as a separator for preventing direct contact between the oxidizing agent and the reducing agent, and electrically insulates the two electrodes. is doing.
  • the polymer electrolyte membrane includes (1) high proton conductivity, (2) high electrical insulation, (3) low permeability to reactants and reaction products in the fuel cell, and (4) fuel cell operating conditions. Conditions such as good thermal, chemical and mechanical stability and (5) low cost are required. So far, many types of polymer electrolytes have been developed, and electrolytes based on perfluorosulfonic acid resins are considered to be excellent in durability and performance.
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • an aqueous methanol solution is supplied to the anode as a fuel. A part of the unreacted aqueous methanol solution penetrates into the polymer electrolyte membrane, and this penetrated methanol aqueous solution is passed through the electrolyte membrane.
  • methanol crossover causes direct oxidation of methanol at the cathode where an electrochemical reduction reaction between hydrogen ions (protons) and oxygen should occur. This causes a decrease in fuel cell performance.
  • This problem is common in fuel cells that use not only methanol but also other organic fuels.
  • electrode, noble metal catalyst, electrolyte membrane and other materials can be prevented from long-term degradation, the influence of water caused by electrochemical reactions can be suppressed, and fuel molecules can permeate the electrolyte membrane.
  • Patent Document 1 described later entitled “Ion conductive membrane and fuel cell using the same” has the following description.
  • Patent Document 1 is an ion conductive film composed of a complex of an ion conductive polymer and a nitrogen-containing compound, and the nitrogen-containing compound has an immobilization site to the ion conductive polymer, An ion conductive film characterized by exhibiting a tautomer structure when protonated, and capable of suppressing methanol crossover while maintaining ionic conductivity Is going to be offered. Further, Patent Document 2 below titled “Ion Conductive Membrane, Method for Producing the Same, and Electrochemical Device” has the following description. An object of the invention of Patent Document 2 is to provide an ion conductor that is insoluble in water and fuel and can conduct stable ion conduction of protons, a method for producing the same, and an electrochemical device.
  • Patent Document 2 an ion dissociative property is applied to at least one carbon substance selected from the group consisting of fullerene molecules, clusters mainly composed of carbon, and linear or cylindrical carbon structures.
  • the present invention relates to an ionic conductor having a derivative formed by bonding a group; and a polymer of a substance having a basic group.
  • Patent Document 3 described below entitled “Electrode, electrode composition, fuel cell using the same, and electrode manufacturing method” has the following description.
  • Patent Document 3 which contains the catalyst particles carrying platinum or catalytic metal particles made of the alloy on the catalyst carrier surface consisting primarily of SiO 2, and conductive particles, and proton conductive material
  • the catalyst carrier is preferably SiO 2 alone or a complex oxide exhibiting Lewis acidity containing 50 wt% or more of SiO 2 component.
  • Patent Document 4 described later entitled “Proton conductor, catalyst electrode, joined body of catalyst electrode and proton conductor, fuel cell, and method for producing proton conductor” has the following description.
  • a proton conductor is said to be provided.
  • Patent Document 5 titled “Electrode Material for Fuel Cell and Fuel Cell” has the following description.
  • the fuel cell electrode is provided on the front surface and / or the back surface of the electrolyte membrane, and is formed by including noble metal particles containing Pt with a porous inorganic material. Contains catalyst particles and proton conductive material. According to such a fuel cell electrode material, since the noble metal particles are enclosed by the porous inorganic material, Pt is prevented from eluting into the electrolyte membrane, and Pt is eluted into the electrolyte membrane. It is said that the performance degradation of the fuel cell can be suppressed.
  • porous inorganic material a material having any one of SiO 2 , ZrO 2 , and TiO 2 as a main component can be exemplified.
  • the porous inorganic material preferably has proton conductivity in order to function as a fuel cell electrode.
  • a material exhibiting Lewis acidity is used as the porous inorganic material.
  • proton conductivity can be given by the porous inorganic material.
  • Patent Document 6 below titled “Proton Conductive Substance” has the following description.
  • the invention of Patent Document 6 aims to provide an electrolyte material having a high proton conductivity and a simple production method thereof.
  • the invention of Patent Document 6 focuses on the borosiloxane skeleton as a structure that promotes dissociation of sulfonic acid, and prepares a borosiloxane polymer by a hydrolytic condensation method that is easy to manufacture and its As a result of studying the sulfonation method, an organic / inorganic hybrid proton conductor having high proton conductivity is obtained.
  • a polymer is formed by hydrolyzing an alkoxysilane derivative having a thiol group and a boric acid ester, and the thiol group is oxidized. This produces a borosiloxane polymer having sulfonic acid groups. Further, in the reaction mechanism 2, a polymer is generated by hydrolyzing an alkoxysilane derivative having a hydrocarbon group and a boric acid ester, and the hydrocarbon group is sulfonated to form a boronic acid having a sulfonic acid group. A siloxane polymer is produced.
  • the proton conductive material of the invention of Patent Document 6 can be produced by hydrolysis and condensation of an alkoxysilane derivative and a borate ester, followed by sulfonation, but by adopting appropriate reaction conditions. High proton conductivity may be obtained.
  • dissociation of a sulfonic acid group is promoted by introduction of Lewis acidic boron, the proton conductive material has high proton conductivity, and further doped with phosphoric acid at a high temperature (about 100 to about 180).
  • the proton conductivity at a temperature of about 100 ° C., particularly about 100 to about 150 ° C. can be increased.
  • Patent Document 7 below titled “Polymer Solid Electrolyte” has the following description.
  • the invention of Patent Document 7 is characterized in that a Lewis acid compound (boron trifluoride (BF 3 ), boroxine compound, etc.) is added to a composite material of a polyanionic lithium salt and an ether-based polymer material.
  • BF 3 has a strong interaction with the carboxylate anion and is considered to have an effect of improving ionic conductivity.
  • Patent Document 8 entitled “Ion Conductive Composition and Method for Producing the Same” has the following description.
  • One ion conductive composition provided by the invention of Patent Document 8 contains a lithium salt represented by the general formula LiM (OY) n X 4-n (where n is 1 to 3, M is An element belonging to Group 13 of the periodic table, Y may be an oligoether group, and X may be an electron withdrawing group).
  • the composition further contains an additive capable of coordinating to oxygen (ie capable of coordinating with oxygen). For example, it contains an additive capable of coordinating with at least one oxygen adjacent to M in the lithium salt (that is, directly bonded to M).
  • the additive in the composition is distributed to oxygen contained in the anion of the lithium salt (preferably mainly oxygen adjacent to M). Is ranked.
  • the additive and the lithium salt form a coordination compound.
  • Such a composition can have a higher degree of dissociation of the lithium salt than, for example, a composition not containing the additive. By this, it can become a composition which shows a more favorable characteristic (ionic conductivity etc.).
  • the additive is a strong Lewis acid.
  • the additive when the additive is a “strong Lewis acid”, the additive binds to oxygen preferentially over lithium ions in the composition or the bond between lithium ions and the additive is in equilibrium. Is what happens. In any case, the interaction between lithium ions and oxygen is weakened by containing the additive. Therefore, a composition containing such an additive can more effectively increase the degree of dissociation of the lithium salt.
  • boron halides such as boron trifluoride (BF 3 ) can be mentioned.
  • Patent Document 9 below titled “Electrolyte Membrane” has the following description.
  • An object of the invention of Patent Document 9 is to provide an electrolyte membrane with improved proton conductivity, particularly a hydrocarbon-based electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the membrane.
  • Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane that can improve proton conductivity and suppress / prevent deterioration of the electrolyte, particularly a hydrocarbon electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the membrane.
  • the above objects are achieved by an electrolyte membrane in which an additive is dispersed in an amount of 1 to 50% by mass with respect to the electrolyte.
  • the specific amount of additive present in the electrolyte membrane can significantly improve the proton conductivity of the electrolyte membrane even under relatively high humidity conditions.
  • the additive according to the invention of Patent Document 9 is preferably a fullerene derivative, a metal oxide, or the like.
  • fullerenol when fullerenol is used as the additive, fullerenol has an effect of improving proton conductivity, so that the conventional electrolyte membrane is used.
  • the additive according to the invention of Patent Document 9 is preferably a fullerene derivative, a metal oxide or the like.
  • the fullerene derivative is preferably a fullerenol, and the metal oxide is preferably an alkoxysilane or an alkoxytitanium. It is said.
  • Patent Document 10 below titled “Fullerene-based electrolyte for fuel cells” has the following description.
  • the proton conductive fullerene material is added to the polymer material by forming a covalent bond by doping, mechanical mixing, or chemical reaction.
  • the proton conductor thus produced can be used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell that operates at a wide range of relative humidity and a wide range of temperatures above the boiling point of water.
  • Preferred proton conductive fullerene materials include polyhydroxylated fullerene, polysulfonated fullerene, or polyhydroxylated polysulfonated fullerene.
  • Non-patent document 1 described later includes (3-mercatopropyl) methoxysilane (HS (CH 2 ) 3 Si (OCH) 3 ), triisopropyl borate (B (OCH (CH 3 ) 2 ) 3 ),
  • the thiol group (—SH) is oxidized to sulfonate group (—SO)
  • —SO sulfonate group
  • Non-patent document 2 described later includes (3-mercatopropyl) methoxysilane (HS (CH 2 ) 3 Si (OCH) 3 ), triisopropyl borate (B (OCH (CH 3 ) 2 ) 3 ),
  • the thiol group (—SH) is oxidized to sulfonate group (—SO)
  • SPES partially sulfonated polyethersulfone
  • Non-patent document 3 described later describes a method for introducing Lewis acidic boron into a side chain of an organic polymer.
  • Patent Document 11 below titled “Polymer-supported Lewis acid catalyst” has the following description.
  • a Lewis acid group represented by the general formula MX n (M represents a polyvalent element, X represents an anion group, and n represents an integer corresponding to the valence of M) is represented by SO 3 or SO 3.
  • MX n represents a polyvalent element
  • X represents an anion group
  • n represents an integer corresponding to the valence of M
  • the Lewis acid group-containing catalyst has the general formula -R 0 -MX n (M represents a polyvalent metal element, X represents an anionic group, and n represents an integer corresponding to the valence of M. And a Lewis acid-bonding group represented by R 0 represents SO 3 or SO 4 group) is supported on a polymer chain via a spacer molecular chain.
  • R 0 represents SO 3 or SO 4 group
  • a Lewis acid-bonding group represented by R 0 represents SO 3 or SO 4 group
  • the following patent document 12 entitled “Hydrophobic polymer-immobilized Lewis acid catalyst” includes the following description. (1) Hydrophobic, characterized in that a metal Lewis acid group is bonded and supported on an aromatic ring of a hydrophobic polymer mainly composed of an aromatic polymer through a SO 3 group at a controlled loading rate.
  • a polymer-immobilized Lewis acid group-containing catalyst is provided.
  • the electrolyte is used as an electrolyte membrane (see Patent Document 13 to Patent Document 17 described later). When the electrolyte is dispersed or dissolved in the solvent and then the solvent is removed by volatilization, if a three-dimensional structure is formed and a film is formed, the electrolyte membrane is formed without using a binder. .
  • JP 2002-105220 A (paragraphs 0008 and 0054) Japanese Patent Laying-Open No. 2005-322555 (paragraphs 0008 to 0009) JP 2002-246033 (paragraphs 0010 to 0011, 0028 to 0029) JP 2005-25943 A (paragraphs 0037 and 0046) JP 2007-5292 (paragraphs 0007 to 0008) JP 2002-184427 A (paragraphs 0004, 0009, 0022, FIGS.
  • JP 2006-318664 A (paragraphs 0011 to 0013) JP 2007-115527 A (paragraphs 0004 to 0005) JP 2007-265959 A (paragraphs 0014-0015, 0023, 0028-0029, 0033-0034) JP-T-2007-503707 (paragraphs 0008 to 0013) JP 2001-137710 A (paragraphs 0008 to 0009) JP 2005-254115 A (paragraph 0009) Japanese Patent Laying-Open No.
  • JP 2006-79944 A (paragraphs 0017 to 0019, paragraphs 0028 to 0029, paragraphs 0034 to 0035) JP 2007-257882 A (paragraphs 0009 to 0023) JP 2009-13377 A (paragraphs 0031 to 0032) JP 2009-43674 A (paragraphs 0028 to 0030) JP 2005-68124 A (paragraphs 0087 to 0106)
  • the performance to be satisfied by the electrolyte membrane used for PEFC is very diverse. That is, it has high proton conductivity, sufficient performance to block the permeation of fuel and oxygen (cross leak or crossover), excellent mechanical strength and heat resistance, water resistance and chemical stability It is required to be excellent.
  • none of the proton conductor materials for solid polymer electrolyte fuel cells that have been used in the past can produce membranes that can meet all these requirements with a single material, which is a major obstacle in the development and popularization of fuel cells. It was.
  • Nafion trade name; perfluorosulfonic acid resin manufactured by DuPont
  • perfluorosulfonic acid resin manufactured by DuPont
  • It has a perfluorinated structure that does not contain bonds, and is thermally and chemically stable, but loses the water necessary for the expression of proton conductivity that is occluded inside the resin in a dry or high temperature environment.
  • proton conductivity tends to decrease, and there is a problem that the performance of blocking fuel permeation (cross leak or crossover) is not sufficient.
  • Fullerene derivatives in which proton-dissociating groups such as sulfonic acid groups are introduced into carbonaceous materials such as fullerenes are promising materials in that they have proton conductivity even in a non-humidified state, and their application to fuel cells has been studied. ing. However, many fullerene derivatives having a proton-dissociable group introduced are water-soluble and have a property of being easily hydrolyzed.
  • the “proton dissociable group” means a functional group that can be ionized by leaving a hydrogen atom as a proton (H + ) from the group, and is represented by the formula —XH, where X is 2 An arbitrary atom or atomic group having a valence bond (hereinafter the same).
  • the proton conductivity increases as the number of proton dissociable groups introduced for one fullerene molecule increases.
  • the proton dissociable group is hydrophilic, the fullerene derivative becomes easier to hydrate and the solubility in water increases as the number of the proton dissociable groups introduced increases.
  • a water-soluble fullerene derivative is used as an electrolyte for a fuel cell, the electrolyte will be dissolved and washed away in the water produced by the electrode reaction in the fuel cell.
  • the electrolyte can be prevented from swelling or insolubilized by using the interaction between the proton and the basic compound, protons contributing to conduction are reduced and proton conductivity is lowered.
  • the conventional method uses a binder when the electrolyte is dispersed or dissolved in a solvent and then the solvent is volatilized and removed to form a three-dimensional structure and form a membrane. If the electrolyte membrane is not formed or is not in the form of a film, a resin such as a fluororesin is used as a binder, and the binder and electrolyte are dispersed or dissolved in a solvent.
  • the electrolyte membrane is formed by volatilizing and removing the solvent after forming the coating film or impregnating the porous membrane.
  • a solvent such as an organic solvent is used.
  • the solvent remains in the electrolyte membrane due to the interaction between the solvent and an ion dissociable group, for example, a proton dissociable group, and the solvent is volatilized. Removal may be insufficient, and the proton conductivity of the electrolyte membrane may decrease due to the interaction between the solvent and the proton dissociable group. As illustrated in FIGS.
  • the present invention contains an electrolyte having an ion dissociable group (for example, SO 3 H in an embodiment described later) and a compound having a Lewis acid group (for example, MR 2 in an embodiment described later).
  • the present invention relates to an ion conductive composite electrolyte in which an electron accepting atom constituting the Lewis acid group and an electron donating atom constituting the ion dissociable group are combined.
  • the “Lewis acid group” means a functional group that functions as a Lewis acid (the same applies hereinafter).
  • the present invention also includes an electrolyte membrane made of the above ion conductive composite electrolyte, and a catalyst electrode formed by supporting a catalytic metal on an electrically conductive carrier, and the catalyst electrode is disposed on both sides of the electrolyte membrane.
  • the present invention relates to a membrane electrode assembly. Further, the present invention uses the membrane electrode assembly described above, and moves ions generated in one of the pair of catalyst electrodes arranged on both sides of the electrolyte membrane to the other catalyst electrode by the electrolyte membrane.
  • the present invention relates to an electrochemical device that is configured to be made to operate.
  • the present invention also provides a first step of preparing a solution in which an ion-conductive composite electrolyte is added to a solvent having a donor number of 25 or less to be dispersed or / and dissolved, and a step of applying or impregnating the solution onto a substrate.
  • the present invention relates to a method for producing an ion conductive composite electrolyte membrane having two steps and a third step for volatilizing and removing the solution following the second step.
  • the ion conductive composite electrolyte is formed by bonding the electron accepting atom constituting the Lewis acid group and the electron donating atom constituting the ion dissociable group by interaction.
  • the ion dissociable group is a proton dissociable group, it is possible to suppress swelling by water and insolubilize in water, thereby suppressing crossover
  • An ion conductive composite electrolyte can be provided.
  • a membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane made of the above-described ion conductive composite electrolyte, and a catalyst electrode having a catalytic metal supported on an electrically conductive carrier, and the electrolyte membrane Since the catalyst electrodes are arranged on both sides of the substrate, ion dissociation is promoted to improve ion conductivity, and when the ion dissociable group is a proton dissociable group, swelling by water is suppressed.
  • an electrochemical device such as a fuel cell uses the membrane electrode assembly described above, so that ion dissociation is promoted and ion conductivity is improved.
  • an electrochemical device such as a fuel cell which can suppress swelling by water and insolubilize in water when it is a proton dissociable group, and reduce methanol crossover and the like by suppressing methanol crossover. Can do.
  • the third step of volatilizing and removing the solution following the second step After the solution is applied to the substrate made of a material not eroded by the solvent, the solvent is volatilized and removed. Then, the dried membrane can be peeled from the substrate to obtain an ion conductive composite electrolyte membrane, or after impregnating the porous substrate made of a material not eroded by the solvent with the solution, The solvent can be stripped off and dried to obtain an ion conductive composite electrolyte membrane.
  • the solvent having a donor number of 25 or less is used as the solvent, since the interaction between the ion conductive composite electrolyte and the solution is small, the solvent remaining in the electrolyte membrane can be reduced, An ion conductive composite electrolyte membrane that can increase the ionic conductivity of the conductive composite electrolyte membrane can be manufactured.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a proton-conductive composite electrolyte in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a Lewis acid and an example of a Lewis acid group.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a direct methanol fuel cell to which a polymer electrolyte having a Lewis acid group is applied.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration example of a polymer electrolyte fuel cell to which a polymer electrolyte having a Lewis acid group is applied.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a fullerene derivative having a proton dissociable group.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a proton-conductive composite electrolyte in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a Lewis acid and an example of a Lewis acid group.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example
  • FIG. 6 is a view for explaining a PVdF-HFP copolymer used as a binder.
  • FIG. 7 is a diagram showing the number of donors (DN) of various solvents including the solvent used in forming the electrolyte membrane.
  • FIG. 8 is a diagram showing chemical formulas of various solvents shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the influence on the ionic conductivity of the solvent remaining in the green compact of the fullerene derivative in the example of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the humidity dependence of the ionic conductivity of the green compact of the fullerene derivative.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the influence on the ionic conductivity of the solvent remaining in the green compact of the pitch material into which the sulfonic acid group is introduced.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the humidity dependence of the ionic conductivity of the electrolyte membrane using the fullerene derivative.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the characteristics of a fuel cell using an electrolyte membrane using a fullerene derivative.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a problem in the prior art.
  • the ion dissociable group is preferably a proton dissociable group. According to such a configuration, it is possible to provide a proton conductive composite electrolyte that promotes proton dissociation, improves proton conductivity, suppresses swelling due to water, and can be insolubilized in water.
  • the compound is preferably a polymer having a plurality of Lewis acid groups in the side chain, particularly a polymer. According to such a configuration, it is possible to provide a proton conductive composite electrolyte that promotes proton dissociation, improves proton conductivity, suppresses swelling due to water, and can be insolubilized in water.
  • s sort
  • the electron-accepting atom constituting the Lewis acid group may be boron (B) or aluminum (Al). According to such a configuration, proton dissociation is promoted and proton conductivity is improved.
  • the electrolyte includes a sulfonic acid group (—SO 3
  • the fullerene compound having the proton dissociable group such as H) is preferable. According to such a configuration, it is possible to provide a proton-conducting composite electrolyte that can promote proton dissociation and improve proton conductivity, and can suppress swelling due to water and make it insoluble in water.
  • the catalyst electrode preferably includes the ion conductive composite electrolyte. According to such a configuration, when the ion dissociable group is a proton dissociable group, ion dissociation is promoted, proton conduction becomes smooth, and a catalyst electrode having a stable structure can be realized.
  • the manufacturing method of the ion conductive composite electrolyte membrane of this invention it is good to set it as the structure which uses the said solvent whose said donor number is 8 or more in the said 1st process. According to such a configuration, since the interaction between the ion conductive composite electrolyte and the solvent is small, the solvent remaining in the electrolyte membrane can be reduced, and the proton conductivity is high, which is suitable for a fuel cell. An ion conductive composite electrolyte membrane can be obtained. Further, it is preferable to use the ion conductive composite electrolyte in which the electron accepting atom constituting the Lewis acid group and the electron donating atom constituting the ion dissociable group are bonded. .
  • ion dissociation is promoted and ion conductivity is improved, and since the interaction between the ion conductive composite electrolyte and the solution is small, the solvent remaining in the electrolyte membrane can be reduced.
  • an ion conductive composite electrolyte membrane that can increase the ion conductivity of the ion conductive composite electrolyte membrane can be obtained.
  • the ion dissociable group is a proton dissociable group, it is possible to obtain an ion conductive composite electrolyte membrane that can be inhibited from swelling by water and insolubilized in water, and can suppress crossover.
  • the ion conductive composite electrolyte is preferably a proton conductive composite electrolyte having a proton dissociable group. According to such a configuration, an ion conductive composite electrolyte membrane having high proton conductivity and suitable for a fuel cell can be obtained.
  • a polymer binder may be added to the solvent together with the ion conductive composite electrolyte. According to such a configuration, it is possible to obtain an ion conductive composite electrolyte membrane with increased strength and resistance to bending and improved reliability. Further, the ionic conductivity of a green compact formed by a powder obtained by vacuum drying the solvent at 100 ° C.
  • the solvent having S / cm is used in the first step. According to such a configuration, since the interaction between the ion conductive composite electrolyte and the solvent is small, the solvent remaining in the electrolyte membrane can be reduced, and the proton conductivity is high, which is suitable for a fuel cell. An ion conductive composite electrolyte membrane can be obtained.
  • n-1 Is formed by combining an atom M that accepts electrons and an atom that forms a proton dissociable group that is an anion group and donates electrons, and is preferably used in a fuel cell.
  • the compound having a Lewis acid group is, for example, the Lewis acid compound MX.
  • n Or Lewis acid group MX n-1 Is a polymer having a plurality of main chains or side chains (particularly side chains) bonded thereto.
  • Lewis acid group MX n-1 In view of reactivity, the atom M that constitutes and accepts electrons is preferably boron (B) or aluminum (Al), and X is preferably a halogen atom.
  • a plurality of such proton dissociable groups are preferably introduced into the side chain or fullerene of the polymer.
  • Examples of the electrolyte having a proton dissociable group include a fluorine electrolyte, a hydrocarbon resin, an inorganic resin, an electrolyte made of a hybrid resin of an organic resin and an inorganic resin, and a fullerene compound.
  • the composite electrolyte membrane-catalyst electrode (MEA, membrane electrode assembly) is suitably used for a fuel cell.
  • This proton-conducting composite electrolyte contains an electrolyte having a proton dissociable group and a compound having a Lewis acid group, and the Lewis acid group and the proton dissociable group are bonded to each other.
  • Proton conductivity can be improved, swelling by water can be suppressed, and water can be insolubilized.
  • Methanol permeability is small as an electrolyte, and heat resistant resin such as sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene (S By using -PPBP), methanol permeability can be reduced, methanol crossover can be suppressed, and heat resistance can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a proton conductive composite electrolyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 (A) shows an electrolyte (polymer) having a plurality of proton dissociable groups in the side chain; Compound with Lewis acid group (low molecular weight compound) MR 3 FIG.
  • FIG. 1B shows an electrolyte (polymer) having a plurality of proton dissociable groups in the side chain and a plurality of Lewis acid groups in the side chain.
  • FIG. 1 (C) shows a fullerene compound having a proton-dissociable group and a plurality of Lewis acid groups MR2 in the side chain.
  • 1 shows a proton-conducting composite electrolyte formed by interaction with a compound (polymer).
  • FIG. 1D shows a polymer electrolyte that can be used in place of the fullerene compound shown in FIG.
  • FIG. 1C (a) a polymer electrolyte having a plurality of fullerene compounds having proton-dissociable groups in the side chain; ) An electrolyte (polymer) formed by connecting a plurality of fullerene compounds having a proton dissociable group.
  • FIG. 1A shows a sulfonic acid group (—SO 4) as a proton dissociable group on the side chain of the polymer skeleton 10a.
  • 3 An electrolyte comprising a polymer having H) and a Lewis acid compound MR having a Lewis acid group 3 The proton conductive composite electrolyte formed by is shown.
  • Lewis acid compound MR 3 Is Lewis acid group MR 2 It is a compound having The proton conductive composite electrolyte is a polymer electrolyte having a Lewis acid group, and a membrane (polymer electrolyte membrane) is formed by this polymer electrolyte.
  • M is aluminum (Al) or boron (B)
  • R is (a) a pentafluorophenyl group (—C 6 F 5 ), (B) hexafluoroisopropoxyl group (—OCH (CF 3 ) 2 ).
  • FIG. 1 (A) Lewis acid compound MR 3
  • M is aluminum (Al) or boron (B)
  • R is (a) a pentafluorophenyl group (—C 6 F 5 ), (B) hexafluoroisopropoxyl group (—OCH (CF 3 ) 2 ).
  • FIG. 1B shows a sulfonic acid group (—SO 4) as a proton dissociable group on the side chain of the polymer skeleton 10a.
  • An electrolyte comprising a polymer having H) and a Lewis acid group MR on the side chain of the polymer skeleton 10b 2 1 shows a proton-conducting composite electrolyte formed by a compound comprising a polymer having Lewis acid group MR 2
  • R is the same as (a) or (b) shown in FIG. As shown in FIG.
  • a Lewis acid group MR is added to a polymer electrolyte having a plurality of sulfonic acid groups in the side chain. 2
  • the sulfonic acid group and Lewis acid group MR of the electrolyte 2 Interaction promotes proton dissociation of the sulfonic acid group, dissociates protons from the sulfonic acid group in the side chain of the polymer skeleton 10a, and Lewis acid group MR.
  • C 36 , C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 A fullerene derivative based on a fullerene molecule such as a spherical cluster molecule, and a proton dissociable group such as a sulfonic acid group is bonded to the carbon atom of the base directly or via a linking chain (linker).
  • Fullerene compounds can be used.
  • 1C shows fullerene (C 60 ) Is bonded to a proton dissociable group, and a sulfonic acid group (—SO 3 H) n
  • 2 1 shows a proton-conducting composite electrolyte formed by a polymer having a plurality of.
  • an electrolyte composed of a fullerene compound having a sulfonic acid group has a Lewis acid group MR in the side chain. 2
  • a polymer having a sulfonic acid group MR of the electrolyte and a Lewis acid group MR of the polymer 2 Interaction promotes proton dissociation of the sulfonic acid group, dissociates protons from the sulfonic acid group on the side chain of the fullerene compound, and forms a Lewis acid group MR.
  • FIG. 1 (C) a polymer having a plurality of fullerene compounds shown in FIG. 1 (C) can be used as an electrolyte.
  • a proton conductive composite electrolyte excellent in proton conductivity can be obtained.
  • FIG. 1D shows an example of an electrolyte made of a polymer having a plurality of fullerene compounds of FIG.
  • a sulfonic acid group (—SO 2) is used as a proton dissociable group.
  • H has been described as an example, the proton dissociable group may be as follows.
  • a proton-dissociable group is a functional group from which protons can be released by ionization, and is represented by the formula -XH, where X is an arbitrary divalent atom or atomic group.
  • Electrolyte with proton dissociable group Various electrolytes having a proton dissociable group can be used, and for example, an organic resin (organic polymer) can be used.
  • organic resin organic polymer
  • electrolytes having proton conductivity such as fluorine-based electrolytes and hydrocarbon-based electrolytes can be used, and an electrolyte membrane can be formed using these electrolytes. The formation of the electrolyte membrane will be described later.
  • Perfluorocarbon sulfonic acid polymer polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene Consists of sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, resin based on trifluorostyrene, etc.
  • a well-known fluorine-type electrolyte can be used.
  • hydrocarbon electrolytes having proton dissociable groups examples include sulfonated polyethersulfone (S-PES), PBI (polybenzimidazole), PBO (polybenzoxazole), and S-PPBP (sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene).
  • S-PES sulfonated polyethersulfone
  • PBI polybenzimidazole
  • PBO polybenzoxazole
  • S-PPBP sulfonated polyphenoxybenzoylphenylene
  • S-PEEK sulfonated polyether ether ketone
  • sulfonamide type polyether sulfone sulfonamide type polyether ether ketone
  • sulfonated crosslinked polystyrene sulfonamide type crosslinked polystyrene
  • sulfonamide type crosslinked polystyrene sulfonated polytrifluorostyrene
  • sulfonamide type poly Trifluorostyrene sulfonated polyaryletherketone
  • sulfonamide-type polyaryletherketone sulfonated poly (arylethersulfone), sulfonamide-type poly (arylether) Sulfone
  • polyimide sulfonated polyimide, sulfonamide type polyimide, sulfonated 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, sulfonamide type 4-phenoxybenzoyl-1,4-
  • the organic resin and / or the inorganic resin has a proton-dissociable group.
  • an organic silicon polymer having a Si—O bond as a main skeleton can be used as the inorganic resin.
  • a polysiloxane compound having a substituted group in the side chain can be used.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a Lewis acid and an example of a functional group (Lewis acid group) acting as a Lewis acid in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A shows an example of a Lewis acid: (a) Formula MX n (B) a compound represented by the general formula (BOX) 3
  • FIG. 2B shows a Lewis acid group (functional group) MX on the side chain of the polymer skeleton 12.
  • n-1 2C schematically shows an electrolyte made of a polymer having a Lewis acid group (functional group) MX on the side chain of the polymer skeleton 12a to 12e.
  • the polymer backbone with The general formula MX shown in FIG. n The Lewis acid compound represented by (n ⁇ 3) is an inorganic or organic compound.
  • X is Lewis acid MX n Selected from (1) a halogen group, (2) an aliphatic hydrocarbon group, (3) an alicyclic hydrocarbon group, (4) an aromatic hydrocarbon group, and (5) a heterocyclic group 1 type or 2 types or more.
  • the n Xs may all be different, or some or all of them may be the same. Further, two of the n Xs may be bonded to each other to form a ring, and this group may have a substituent.
  • the aliphatic hydrocarbon group is a monovalent group that is a residue obtained by removing one hydrogen (H) from an aliphatic hydrocarbon compound, and the aliphatic hydrocarbon group is substituted with an arbitrary substituent. It may be.
  • the alicyclic hydrocarbon group is a monovalent group that is a residue obtained by removing one hydrogen (H) from an alicyclic hydrocarbon compound, and the alicyclic hydrocarbon group is an arbitrary substituent. May be substituted.
  • An aromatic hydrocarbon group is a monovalent group that is a residue obtained by removing one hydrogen (H) from an aromatic hydrocarbon compound, and the aromatic hydrocarbon group is substituted with an arbitrary substituent. May be.
  • the heterocyclic group is a monovalent group that is a residue obtained by removing one hydrogen (H) from a ring of a heterocyclic compound, and the heterocyclic group may be substituted with any substituent. .
  • Formula MX n The halogen compound represented by, for example, BX 3 Boron halide represented by AlX 3 An aluminum halide represented by PX 5 Phosphorus halides represented by 4 A silicon halide represented by the formula: SnX 4 Tin halide represented by AsF 5 , VF 5 , SbF 5 Such as fluoride, FeCl, etc. 3 TiCl 4 , MoCl 5 , WCl 5 Etc.
  • Formula MX n The organic group X in the organic compound represented by the formula includes various organic acid groups such as a sulfonic acid group and a phosphoric acid group, and various organic groups, and the organic group may be substituted with an arbitrary substituent.
  • the organic group includes an alkyl group (for example, methyl group, ethyl group, propyl group, dodecyl group), cycloalkyl group (for example, cyclopropyl group, cyclohexyl group), alkoxy group (for example, methoxy group, ethoxy group), An alkenyl group (eg, vinyl group, allyl group, cyclohexenyl group), alkynyl group (eg, ethynyl group, 2-propenyl group, hexadecynyl group), aralkyl group (eg, benzyl group, diphenylmethyl group, naphthylmethyl group), An aryl group (for example, phenyl group, naphthyl group, anthryl group), halogen group (chlorine group, bromine group, fluorine group, iodine group), aryloxy group (for example, phenoxy group), alkylthio
  • heterocyclic group examples include a pyrrole group, an indole group, a furan group, a thiophene group, an imidazole group, a thiazole group, a pyridine group, a pyran group, a thiopyran group, an oxodiazole group, and a thiadiazole group.
  • aluminum alkoxide such as aluminum triethoxide, aluminum triisopropoxide, aluminum tris-butoxide, aluminum tri-t-butoxide, boron alkoxide such as trimethoxyborane and trisphenoxyborane, scandium triiso Scandium alkoxide such as propoxide, titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium tetra n-butoxide, titanium tetra t-butoxide, titanium tetraalkoxide and other titanium alkoxides, zirconium tetraisopropoxide, etc.
  • aluminum alkoxide such as aluminum triethoxide, aluminum triisopropoxide, aluminum tris-butoxide, aluminum tri-t-butoxide, boron alkoxide such as trimethoxyborane and trisphenoxyborane
  • scandium triiso Scandium alkoxide such as propoxid
  • the general formula (BOX) shown in FIG. 3 2 is a Lewis acid compound in which a substituent X is bonded to a boron B of a six-membered ring in which boron B and oxygen O are alternately bonded, and as in (a) of FIG. Is one or more selected from a halogen group, an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group, etc., and X is substituted with an arbitrary substituent. It may be.
  • three X in a boroxine compound may generally differ, and 2 or 3 of 3 may be the same.
  • General formula (BOX) 3 The group X in the boroxine compound represented by the formula is, for example, a halogen group such as an alkyl group or a fluorine group, a fluorine-substituted alkyl such as a cyano group, a nitro group, an acyl group, a sulfonyl group, an alkoxy group, an aryloxy group, or a trifluoromethyl group. Group, fluorine-substituted aryl group, heterocyclic group and the like.
  • Formula MX n The general formula MX shown in FIG. 2B is obtained by removing one X from the Lewis acid compound represented by n-1
  • the polymer having a Lewis acid group represented by the formula in the side chain acts as a Lewis acid.
  • Lewis acid group MX n-1 Is directly on the polymer chain or SO 3 (Sulfonic acid) group and SO 4 It is bound to the polymer chain via a (sulfuric acid) group.
  • the Lewis acid group is bonded to a connecting molecular chain bonded as a side chain of a polymer chain or a side chain of a polymer chain.
  • the polymer chain and the connecting molecular chain are hydrophobic and are not easily hydrolyzed.
  • the linking molecular chain may include a hydrocarbon group (which may have a substituent) including a hydrocarbon group, a cycloalkyl group, an aryl group, and the like.
  • the group X corresponds to the group R in FIGS. 1B and 1C.
  • Lewis acid group MX is present on the side chain of polymer skeleton 12 shown in FIG. n-1
  • a polymer having a sulfonic acid group is introduced into a side chain by reacting the polymer with chlorosulfonic acid, and the sulfonic acid group and Lewis acid compound MX are introduced.
  • n-1 Is introduced.
  • Lewis acid group MX n-1 Is the MX described with reference to FIG. n A compound obtained by removing one group X from a Lewis acid compound represented by (n ⁇ 3) MX n-1 Therefore, description of a specific example will not be repeated.
  • Lewis acid group MX n-1 Can be linked to the side chains of various polymer backbones.
  • the polymer chain to which is bonded is a hydrophobic polymer that is difficult to dissolve in water or an aqueous medium, and is a fluorine polymer, hydrocarbon polymer, hybrid polymer (organic polymer such as hydrocarbon polymer or fluorine polymer). And a hybrid of an inorganic polymer such as a siloxane polymer).
  • the skeleton of the polymer chain to which the Lewis acid group is bonded is, for example, (1) a polymer skeleton in which hydrogen (H) of polyethylene (PE) is substituted with a Lewis acid group, as shown in FIG.
  • the polymer skeleton may be a skeleton of an addition polymer such as styrene, ⁇ -methylene or divinylbenzene, or may be a skeleton of other various polymers.
  • Lewis acid group MX in the side chain 2 Lewis acid group MX in polymers having 2 Is in the range of 2 to 100,000.
  • Styrene polymer (polystyrene) skeleton ((-(C 6 H 5 ) CH-CH 2 ⁇ ) m ) And a phenyl group (-C 6 H 5 -H of Lewis acid group -B (C 6 F 5 ) 2
  • a polymer having a structure substituted with can be synthesized as follows.
  • This polymer has a polyethylene backbone ((-CH 2 -CH 2 ⁇ ) m ) -H is a group-(C 6 H 4 ) B (C 6 F 5 ) 2 Is equivalent to a polymer substituted with
  • the proton conductive composite electrolyte containing the electrolyte having a proton dissociable group and the compound having a Lewis acid group described with reference to FIGS. 1 and 2 is hereinafter referred to as “a proton conductive composite having a Lewis acid group”.
  • a proton conductive composite having a Lewis acid group formation of an electrolyte membrane using a proton conductive composite electrolyte having a Lewis acid group will be described.
  • the proton-conductive composite electrolyte having a Lewis acid group includes (1) a polymer electrolyte having a proton-dissociable group in the side chain, and a compound having a Lewis acid group (a compound that is not a polymer). (See FIG. 1A), (2) interaction between a polymer electrolyte having a proton dissociable group and a polymer having a Lewis acid group in the side chain (see FIG. 1B). ), (3) interaction between a fullerene compound having a proton dissociable group and a polymer having a Lewis acid group in the side chain (see FIG.
  • This proton conductive composite electrolyte having a Lewis acid group can be formed into an electrolyte membrane by the following (a) and (b). (A) After applying the mixture obtained by dispersing or / and dissolving the above polymer electrolyte or / and the polymer having a Lewis acid group in the side chain in a solvent, the above polymer is removed.
  • an electrolyte or / and a polymer having a Lewis acid group in the side chain are entangled to form a three-dimensional structure, or formed into a film by polymer polymerization to form an electrolyte film, polytetra
  • An electrolyte membrane can be formed without using a binder composed of a fluororesin such as fluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), PVdF-HFP (hexafluoropropylene) copolymer or the like.
  • PTFE fluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVdF-HFP hexafluoropropylene copolymer or the like.
  • the polymer electrolyte or / and the polymer having a Lewis acid group in the side chain are entangled to form a three-dimensional structure as in (a) above, or the polymer is polymerized.
  • the above-described binder When the film is not formed and is not formed into a film, the above-described binder is used and the polymer having a Lewis acid group in the side chain, the above-mentioned polymer electrolyte, and the above-mentioned binder are dispersed in a solvent according to a conventional method. And after making it melt
  • the solvent may remain in the electrolyte membrane due to the interaction with the proton dissociable group, and the volatilization and removal of the solvent may be insufficient, and the interaction between the solvent and the Lewis acid group or / and the proton dissociable group may The proton conductivity of the electrolyte membrane may decrease.
  • a solvent having a small interaction with the Lewis acid group and / or proton dissociable group is used.
  • a solvent having a donor number of 25 or less is used, and details will be described later.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a DMFC (direct methanol fuel cell) to which a proton conductive composite electrolyte having a Lewis acid group is applied in the embodiment of the present invention. As shown in FIG.
  • the methanol aqueous solution is flowed from the inlet 26a of the fuel supply section (separator) 50 having a flow path to the passage 27a as the fuel 25, through the conductive gas diffusion layer 24a as the base,
  • the catalyst electrode 22a held by the gas diffusion layer 24a is reached, and according to the anode reaction shown in the lower part of FIG. 3, methanol and water react on the catalyst electrode 22a to generate hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide.
  • the exhaust gas 29a containing is discharged from the outlet 28a.
  • the generated hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane 23 formed by the above proton-conducting composite electrolyte having a Lewis acid group, and the generated electrons pass through the gas diffusion layer 24a and the external circuit 70.
  • the catalyst electrode 22b held by the gas diffusion layer 24b is reached through the conductive gas diffusion layer 24b.
  • air or oxygen 35 flows from the inlet 26b of the air or oxygen supply section (separator) 60 having a flow path to the passage 27b, passes through the gas diffusion layer 24b, and passes through the gas diffusion layer 24b.
  • the retained catalyst electrode 22a hydrogen ions, electrons, and oxygen react on the catalyst electrode 22b according to the cathode reaction shown in the lower part of FIG. 3 to produce water, and the exhaust gas 29b containing water is discharged from the outlet 28b. Is done.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration example of a PEFC (polymer electrolyte fuel cell) to which a proton conductive composite electrolyte having a Lewis acid group is applied in the embodiment of the present invention.
  • the humidified hydrogen gas flows as fuel 25 from the inlet 26 a of the fuel supply unit 50 to the passage 27 a, reaches the catalyst electrode 22 a through the gas diffusion layer 24 a, and moves downward in FIG. 4.
  • the humidified hydrogen gas flows as fuel 25 from the inlet 26 a of the fuel supply unit 50 to the passage 27 a, reaches the catalyst electrode 22 a through the gas diffusion layer 24 a, and moves downward in FIG. 4.
  • the cathode reaction hydrogen ions, electrons, and oxygen react on the catalyst electrode 22b to produce water, and the exhaust gas 29b containing water is discharged from the outlet 28b.
  • the entire reaction is a hydrogen gas combustion reaction in which electric energy is extracted from hydrogen gas and oxygen and water is discharged.
  • the polymer electrolyte membrane 23 is formed by binding a proton conductive composite electrolyte with a binder (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.).
  • a binder for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.
  • the anode 20 and the cathode 30 are separated by the polymer electrolyte membrane 23, and hydrogen ions and water molecules move through the polymer electrolyte membrane 23.
  • the polymer electrolyte membrane 23 is a membrane having high hydrogen ion conductivity, preferably chemically stable and high in mechanical strength.
  • the catalyst electrodes 22a and 22b constitute a conductive substrate as a current collector and are formed in close contact with gas diffusion layers 24a and 24b that are permeable to gases and solutions.
  • the gas diffusion layers 24a and 24b are made of, for example, a porous substrate such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, and a foam metal.
  • the catalyst electrodes 22a and 22b are made of, for example, a carrier on which a catalyst made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or the like is supported by a binder (for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride ( PVDF), etc.)).
  • a binder for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride ( PVDF), etc.
  • the carrier for example, acetylene black, carbon such as graphite, inorganic fine particles such as alumina and silica are used.
  • a solution in which carbon particles (catalyst metal is supported) is dispersed in an organic solvent in which the binder is dissolved is applied to the gas diffusion layers 24a and 24b, and the organic solvent is evaporated and bound by the binder.
  • the attached film-like catalyst electrodes 22a and 22b are formed.
  • the polymer electrolyte membrane 23 is sandwiched between catalyst electrodes 22a and 22b formed in close contact with the gas diffusion layers 24a and 24b, and a membrane electrode assembly (MEA) 40 is formed.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the anode 20 is constituted by the catalyst electrode 22a and the gas diffusion layer 24a
  • the cathode 30 is constituted by the catalyst electrode 22b and the gas diffusion layer 24b.
  • the anode 20 and the cathode 30 are in close contact with the polymer electrolyte membrane 23, the proton conductor enters between the carbon particles, and the catalyst electrodes 22a and 22b are impregnated with the polymer electrolyte (proton conductor) to form the catalyst.
  • the electrodes 22a and 22 and the polymer electrolyte membrane 23 are closely bonded to each other, and high conductivity of hydrogen ions is maintained at the bonding interface, and electric resistance is kept low.
  • the catalyst electrode may include the above-described proton conductive composite electrolyte having a Lewis acid group, and proton conduction at the above-described junction interface becomes smooth. In the example shown in FIGS.
  • the openings of the inlet 26b of 35 and the outlet 28b of the exhaust gas 29b are disposed perpendicular to the surfaces of the polymer electrolyte membrane 23 and the catalyst electrodes 22a and 22b.
  • 23 and the catalyst electrodes 22a and 22b may be arranged parallel to the surfaces of the catalyst electrodes 22a and 22b, and various modifications can be made with respect to the arrangement of the openings.
  • the fuel cell shown in FIG. 3 and FIG. 4 can be manufactured by using general methods known in various literatures, and thus detailed description regarding the manufacture is omitted.
  • the proton conductive composite electrolyte membrane described below can also be applied to the fuel cells shown in FIGS. ⁇ Solvent used for forming electrolyte membrane>
  • the solvent used for forming the electrolyte membrane will be described.
  • fullerene (C 60 ) Is bonded to a proton dissociable group, and a sulfonic acid group (—SO 3
  • a polymer electrolyte which is a fullerene derivative in which a fullerene compound having H) is linked will be described as an example, and a proton conductive composite electrolyte membrane containing this fullerene derivative and a binder (fluorine resin) will be described as an example.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a fullerene derivative having a proton dissociable group in the embodiment of the present invention.
  • the fullerene derivative is a fullerene (C 60 ), A sulfonic acid group (—SO 3 H) terminal group, -CF 2 CF 2 -O-CF 2 CF 2 -SO 3 Fullerene matrix (C 60 ) Is m linking groups, -CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 -Have structures linked to each other.
  • C 60 A sulfonic acid group (—SO 3 H) terminal group
  • C 60 Is m linking groups
  • FIG. 6 is a view for explaining a PVdF-HFP copolymer used as a binder in the embodiment of the present invention.
  • the binder PVdF-HFP copolymer used to form the electrolyte membrane is polyvinylidene fluoride (PVdF) (CH 2 CF 2 ) n And hexafluoropropylene (HFP) (CF 2 CF (CF 3 )) m
  • the copolymer is an alternating copolymer, a periodic copolymer, a random copolymer, a block copolymer, or a mixture thereof.
  • FIG. 7 is a diagram showing the donor number (DN) of various solvents including the solvent used in forming the electrolyte membrane in the embodiment of the present invention, and FIG.
  • the solvent donor number (DN) is a solvent parameter defined by Gutmann as a measure of the electron donating properties of solvent molecules, and serves as a reference acceptor in dichloroethane. -3 M SbCl 5 And is defined as the molar enthalpy value (obtained by calorimetry) of the reaction with the donor. Solvents with larger donor numbers are more likely to solvate strongly with cationic species.
  • a basic solvent such as dimethylformamide or N-methylpyrrolidone is often used as a solvent capable of dissolving the polymer material as the binder and dispersing or dissolving the ion conductor.
  • bonding based on an on-dipole interaction will arise between N, N- dimethylformamide and the chloride MCl of the metal (M) which is electrolyte. Therefore, in order to suppress a decrease in the ionic conductivity of the electrolyte membrane, it is desirable that the interaction between the solvent used for forming the electrolyte membrane and the proton dissociable group of the electrolyte is smaller. It is desirable that the number of donors of the solvent used for forming the film is 25 or less.
  • the solvent having a donor number of 25 or less include tributyl phosphate, trimethyl phosphate, diphenyl phosphate chloride, dimethoxyethane, ethanol, tetrahydrofuran, diethyl ether, methanol, phenyl phosphate dichloride, gamma-butyrolactone, Water, ethyl acetate, acetone, N-butyronitrile, methyl acetate, ethylene carbonate, phenylphosphorous difluoride, propionitrile, benzophenone, isobutyronitrile, ethylene sulfite, propylene carbonate, benzyl cyanide, sulfolane, dioxane, Tetramethylene sulfone, acetonitrile, phenylacetonitrile, selenium oxychloride, benzonitrile, phosphorus oxychloride, 1,2-butylene carbonate, acetic anhydride,
  • solvents can be used alone or as a mixture of a plurality of types.
  • the ionic conductivity of the electrolyte membrane formed using such a solvent is very high, and it is possible to provide an electrochemical device such as a high-performance fuel cell.
  • an example in which the influence of the interaction between the ion conductor and the solvent, the influence of the solvent used to form the electrolyte membrane, the characteristics of the fuel cell and the influence of the solvent used to form the electrolyte membrane will be described. .
  • Example 1 the fullerene derivative mentioned above is used as an ionic conductor, and the influence of the interaction between this and various solvents will be described.
  • the solvent is removed from the dispersion by vacuum drying at 100 ° C., and then a green compact is prepared.
  • the green compact is sandwiched between gold electrodes and ionized using a complex impedance method. Conductivity ⁇ was measured. The measurement results are shown in FIG. This green compact does not contain a binder.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the influence on the ionic conductivity of the solvent remaining in the green compact of the fullerene derivative in the example of the present invention.
  • the horizontal axis indicates the number of solvent donors (DN), and the vertical axis indicates the ionic conductivity ⁇ (S / cm 2 ) of the green compact.
  • the name of the solvent used is shown.
  • the ionic conductivity ⁇ of the green compact becomes smaller as the solvent having a larger donor number (DN) is used, and the ionic conductivity ⁇ of the eight kinds of solvents used is 1.2 ⁇ 10 ⁇ 6 (S / cm 2 ). A wide range of values of ⁇ 3 ⁇ 10 -3 (S / cm 2 ) is shown. It is considered that the ionic conductivity ⁇ of an electrolyte membrane formed using a solvent having a large donor number (DN) is also low.
  • the fact that the ionic conductivity ⁇ of the green compact does not become a constant value unique to the fullerene derivative used depends on the type of solvent used to disperse the fullerene derivative, and the interaction with the fullerene derivative varies.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the humidity dependence of the ionic conductivity of the green compact of the fullerene derivative in the example of the present invention.
  • the horizontal axis represents relative humidity (%), and the vertical axis represents ionic conductivity (S / cm 2 ) of the green compact.
  • FIG. 10 it is shown that the ionic conductivity of the green compact varies greatly with humidity.
  • the change in the ionic conductivity of the green compact made using pyridine with humidity shows a significant change compared to the change in the ionic conductivity of the green compact made with THF with humidity. Yes.
  • the change due to the humidity of the ionic conductivity of the green compact made using THF is as small as 2 ⁇ 10 ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 ⁇ 2, and the amount of remaining THF is considered to be small.
  • the change in the ionic conductivity of the green compact produced using pyridine with humidity is as large as 4 ⁇ 10 ⁇ 5 to 5 ⁇ 10 ⁇ 3, and the amount of remaining pyridine is considered to be large.
  • the ionic conductivity of the green compact produced using THF pyridine shows a larger value than the ionic conductivity of the green compact produced using pyridine.
  • sulfonated pitch a pitch material into which a sulfonic acid group is introduced (hereinafter referred to as “sulfonated pitch”) is used as an ion conductor, and the influence of the interaction between this material and various solvents will be described.
  • the sulfonated pitch was synthesized as follows. Coal tar (manufactured by Wako Pure Chemicals, 10 g) is weighed into a round bottom flask, the inside of the flask is replaced with nitrogen flow, the flask is placed in an ice bath, and gently stirred with a stir bar. While keeping the flask in an ice bath, slowly add 200 mL of 25% fuming sulfuric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) slowly so as not to generate heat. Further, the flask is vigorously stirred at room temperature while being placed in an ice bath.
  • ion exchange water 500 mL
  • ion exchange water 500 mL
  • the resulting suspension is centrifuged and the supernatant is removed.
  • the operation (washing operation) of centrifuging the suspension obtained by adding ion-exchanged water (500 mL) and removing the supernatant (washing operation) is performed 5 times or more. After confirming that sulfate ions are sufficiently removed from the supernatant aqueous solution, the resulting precipitate is vacuum-dried at room temperature to obtain a black (slightly brown) aggregate (7 g).
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the influence on the ionic conductivity of a solvent remaining in a green compact of a pitch material (sulfonated pitch) into which a sulfonic acid group has been introduced in an example of the present invention.
  • pitch material sulfonated pitch
  • the horizontal axis indicates the number of donors (DN) of the solvent, and the vertical axis indicates the ionic conductivity (S / cm 2 ) of the green compact, which is used for producing the green compact in the vicinity of each measurement point in the figure.
  • the name of the solvent used is shown.
  • the measured value of the ionic conductivity ⁇ of the green compact is dispersed in an elliptical region, but the same approximation shown in FIG. 9 (Example 1) except for DMC (dimethyl carbonate).
  • the ionic conductivity ⁇ of the green compact is smaller as the solvent having a larger donor number (DN) is used, and the ionic conductivities ⁇ of the eight types of solvents used are Values in a wide range of 3 ⁇ 10 ⁇ 6 (S / cm 2 ) to 3 ⁇ 10 ⁇ 3 (S / cm 2 ) are shown. Also from this result, it is considered that the ionic conductivity ⁇ of the electrolyte membrane formed using a solvent having a large donor number (DN) is low.
  • the ionic conductivity ⁇ of the green compact does not become a constant value specific to the sulfonated pitch used depends on the type of solvent used to disperse the sulfonated pitch, and the magnitude of interaction with the sulfonated pitch varies. It is considered that the amount of the solvent remaining in the green compact is different. Such influence due to the difference in the interaction between the solvent and the sulfonated pitch is assumed to occur even when the electrolyte membrane is formed using the binder with a sulfonated pitch as an electrolyte, and is used for forming the electrolyte membrane. It is expected that the ionic conductivity of the electrolyte membrane varies depending on the solvent to be used. As described above with reference to FIGS.
  • the interaction between the proton conductive composite electrolyte and the solvent can be reduced by using the solvent having the donor number of 8 or more and 25 or less. Therefore, after the solution in which the proton conductive composite electrolyte is dispersed or / and dissolved is applied or impregnated on the substrate, the solvent is subsequently removed by evaporation to reduce the solvent remaining in the electrolyte membrane. In addition, a proton conductive composite electrolyte membrane having high proton conductivity and suitable for a fuel cell can be obtained.
  • the solvent having a donor number of 8 or more and 25 or less for example, dimethyl carbonate (DMC), dioxane, ⁇ -butyrolactone (GBL), methanol (MeOH), tetrahydrofuran (THF), formamide (FA) is preferably used. Can do.
  • DMC dimethyl carbonate
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • MeOH methanol
  • THF tetrahydrofuran
  • FA formamide
  • An electrolyte membrane formed using GBL ( ⁇ -butyrolactone) as a solvent and DMF (dimethylformamide) as a solvent was used as a comparative example.
  • the electrolyte membrane was produced as follows. The fullerene derivative was added to gamma butyrolactone and dispersed by stirring for 2 hours. To this dispersion, PVdF-HFP copolymer (PVdF (90 mol%), HFP (10 mol%) powder is added as a binder so that the binder content is 30 wt%. Gamma-butyrolactone was added and stirred at 80 ° C. for 3 hours or more to disperse the fullerene derivative uniformly.
  • a doctor blade is used on the base material (glass is used, but a polyimide film, a PET film, a PP film, etc. can also be used) for the dispersion containing the fullerene derivative and the binder thus obtained.
  • the film was uniformly stretched and slowly heated and dried in a clean bench to form a thin film.
  • the thin film was further dried under reduced pressure at 100 ° C. overnight, and then the dried thin film was peeled off from the substrate to obtain an electrolyte membrane.
  • the thickness of the electrolyte membrane is approximately 3 ⁇ m to 50 ⁇ m by changing the concentration of the binder in the above dispersion (concentration of the binder to the solvent, 1 wt% to 30 wt%) and the coating amount per unit area.
  • an electrolyte membrane having a thickness of 15 ⁇ m was fabricated in both of the present example and the comparative example.
  • An electrolyte membrane as a comparative example was similarly prepared by changing the solvent from gamma butyrolactone to dimethylformamide. The electrolyte membrane produced as described above was sandwiched between a pair of gold electrodes so that the torque became constant by tightening at three points, and a measurement cell was produced. This measurement cell was installed in a constant temperature / humidity chamber, and ion conductivity was measured using a complex impedance method.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the humidity dependence of the ionic conductivity of an electrolyte membrane using a fullerene derivative in an example of the present invention.
  • the horizontal axis represents relative humidity (%)
  • the vertical axis represents the ionic conductivity (S / cm 2 ) of the electrolyte membrane.
  • the upper curve indicated by ⁇ indicates the ionic conductivity of the electrolyte membrane of this example
  • the lower curve indicated by ⁇ indicates the ionic conductivity of the electrolyte membrane of the comparative example.
  • the ionic conductivity of the electrolyte membrane produced using the solvent DMF having a large donor number of 26.6 is measured by measuring the ionic conductivity of the electrolyte membrane produced using the solvent GBL having a small donor number of 18. It can be seen that there is a significant decrease in the entire measured humidity range. This is expected that the characteristics of a fuel cell on which such an electrolyte membrane is mounted are greatly different.
  • Example 4 The anode-side and cathode-side gas diffusion layers (each size is 10 mm ⁇ 10 mm) formed by applying the catalyst ink to carbon paper on the electrolyte membrane (size: 14 mm ⁇ 14 mm, thickness 15 ⁇ m) according to Example 3. Was joined at 130 ° C.
  • a membrane electrode assembly electrolyte membrane-catalyst electrode, MEA
  • MEA electrolyte membrane-catalyst electrode
  • This fuel cell has basically the same configuration as the direct fuel cell shown in FIG.
  • an electrolyte membrane according to the above-described comparative example was manufactured, and a fuel cell of a comparative example was manufactured. 100% methanol was supplied as fuel to the cathode gas diffusion layer of the fabricated fuel cell, and air was supplied to the gas diffusion layer on the cathode side by natural intake, and the characteristics of the fuel cell were measured. The result is shown in FIG. FIG.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating characteristics of a fuel cell using an electrolyte membrane using a fullerene derivative in an example of the present invention.
  • the horizontal axis represents current density (mA / cm 2 )
  • the left vertical axis represents output voltage (V)
  • the right vertical axis represents power density (mW / cm 2 ).
  • the upper curve indicated by “ ⁇ , ⁇ ” is a fuel cell using the electrolyte membrane of Example 3
  • the lower curve indicated by “ ⁇ , ⁇ ” is a fuel cell using the electrolyte membrane of the above-described comparative example. The characteristic about is shown. As shown in FIG.
  • the cell resistance of the fuel cell on which the electrolyte membrane of Example 3 manufactured using the solvent GBL having a small number of donors of 18 was mounted was prepared using the solvent DMF having a large number of donors of 26.6.
  • the output of the fuel cell mounted with the electrolyte membrane of Example 3 is significantly higher as the current density exceeds 100 mA / cm 2 compared with the output of the fuel cell mounted with the electrolyte membrane of the above-described comparative example.
  • the power density is greatly improved to about 1.4 times.
  • the type of the solvent used in forming the electrolyte membrane greatly affects the ionic conductivity of the formed electrolyte membrane, it is desirable that the number of donors is 25 or less.
  • the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
  • the ionic conductor used for forming the electrolyte membrane is not limited to a proton conductive composite electrolyte having a Lewis acid group and a fullerene derivative sulfonated pitch, but can be applied to an ionic conductor having a cation-dissociating functional group.
  • the binder used for forming the electrolyte membrane is not limited to a fluorine resin such as PTFE, PVDF, PVdF-HFP copolymer, and other polymer resins can be used.
  • the present invention can be suitably used for a power generation device such as a fuel cell based on an electrochemical reaction.

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Abstract

　イオン伝導度を向上させるイオン伝導性複合電解質とこれを用いた膜電極接合体及び電気化学装置、並びにイオン伝導性複合電解質膜の製造方法を提供すること。　プロトン伝導性複合電解質は、プロトン解離性基（－ＳＯ３Ｈ）を有する電解質と、ルイス酸基ＭＸｎ－１を有する化合物とを含有し、ルイス酸基とプロトン解離性基とが相互作用している。ルイス酸基をもつ化合物は、ルイス酸化合物ＭＸｎ、或いは、ルイス酸基ＭＸｎ－１をもつポリマーである。プロトン解離性基をもつ電解質は、例えば、フラーレン誘導体である。プロトン伝導性複合電解質膜はドナー数が２５以下である溶媒を用いて形成され、これを用いる膜電極接合体は、燃料電池に好適に使用される。

Description

イオン伝導性複合電解質とこれを用いた膜電極接合体、及び膜電極接合体を用いた電気化学装置、並びにイオン伝導性複合電解質膜の製造方法
　本発明は、イオン伝導性複合電解質とこれを用いた膜電極接合体、及び膜電極接合体を用いた燃料電池等の電気化学装置、並びにイオン伝導性複合電解質膜の製造方法に関する。
　化学エネルギーを電気エネルギーに転換する電気化学装置である燃料電池は、そのエネルギー転換時に、効率的でしかも環境汚染物質を発生しないので、携帯情報機器用、家庭用、自動車用等のクリーンな電源として注目され、開発が進められている。
　燃料電池は、使用される電解質の種類によって、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）等に分類される。これらの燃料電池は、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質等が互いに異なる。このうち、ＰＥＦＣは低温作動、高出力密度、迅速な駆動と出力応答等が得られるため、小規模な据置型発電装置だけでなく、自動車等の輸送システムに使用される発電装置に有望であるとされている。
　ＰＥＦＣの主要部である膜電極接合体（ＭＥＡ）は、通常、高分子電解質を膜状とした高分子電解質膜と、その両面に設けられそれぞれカソード及びアノードとして作用する２個の電極（触媒電極）とによって構成される。
　高分子電解質膜は、プロトン伝導体としての作用を有し、更に、酸化剤と還元剤との直接接触を防止するための隔離膜としての作用、２つの電極を電気的に絶縁する作用を有している。高分子電解質膜には、（１）高いプロトン伝導度、（２）高い電気絶縁性、（３）燃料電池における反応物及び反応生成物に対する低い透過性、（４）燃料電池の運転条件下で熱的、化学的、機械的安定性が良好であること、（５）低コストであること等の条件が要求される。
　これまで、多種類の高分子電解質が開発され、パーフロロスルホン酸系樹脂による電解質は、耐久性及び性能に優れるとされている。
　直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合、メタノール水溶液が燃料としてアノードに供給されるが、未反応メタノール水溶液のうち一部は、高分子電解質膜に浸透し、この浸透したメタノール水溶液は、電解質膜に広がってカソード触媒層まで到達する。このような現象はメタノールクロスオーバーと呼ばれており、メタノールクロスオーバーによって、水素イオン（プロトン）と酸素とによる電気化学的還元反応が生起すべきカソードにおいてメタノールの直接酸化を生じるので、カソード電位が低下し、燃料電池の性能を低下させる原因となる。この問題は、メタノールだけでなく、他の有機燃料を使用する燃料電池に共通する。
　燃料電池の実用化、普及には、電極、貴金属触媒、電解質膜等の材料の長時間運転における劣化の抑制、電気化学反応によって生じる水の影響の抑制、燃料分子が電解質膜を透過し、電極間でクロスオーバーすることによる燃料の損失の抑制、過酸化水素の発生の抑制、過酸化水素に由来するラジカル生成の抑制、ラジカルによる影響の抑制等を図り、燃料電池を長寿命化することが重要な課題となっている。このため、反応活性が高くて劣化の少ない触媒材料や、燃料分子の透過性が低くてプロトン伝導性に優れた電解質膜の開発が望まれている。
　電解質のプロトン伝導性の向上、電極間でのクロスオーバーの抑制に関しては、種々の方法が報告されている。
　先ず、「イオン導電性膜及びそれを用いた燃料電池」と題する後記の特許文献１には、次の記載がある。
　特許文献１の発明は、イオン導電性ポリマーと、窒素含有化合物との複合体からなるイオン導電性膜であって、前記窒素含有化合物は、前記イオン導電性ポリマーへの固定化部位を有し、プロトン化した際に互変異性体構造を示すことを特徴とするイオン導電性膜であって、イオン導電性を維持しつつ、メタノールのクロスオーバーを抑制することを可能にするイオン導電性膜が提供されるとしている。
　また、「イオン伝導膜及びその製造方法、並びに電気化学デバイス」と題する後記の特許文献２には、次の記載がある。
　特許文献２の発明は、水や燃料に不溶であり、安定したプロトン等のイオン伝導を行うことができるイオン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイスを提供することを目的としている。
　特許文献２の発明は、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスターと、線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも１種からなる炭素物質に、イオン解離性の基が結合してなる誘導体と；塩基性の基を有する物質のポリマーと；を有する、イオン伝導体に係るものである。
　また、「電極、電極用組成物、それを用いた燃料電池、及び電極の製造方法」と題する後記の特許文献３には、次の記載がある。
　特許文献３の発明における電極は、白金又はその合金からなる触媒金属粒子をＳｉＯ２を主成分とする触媒担体表面に担持する触媒粒子と、導電性粒子と、プロトン伝導性物質とを含有することを特徴とし、前記触媒担体は、ＳｉＯ２単独、或いはＳｉＯ２成分を５０ｗｔ％以上含有するルイス酸性を呈する複合酸化物であることが好ましいとしている。
　また、「プロトン伝導体、触媒電極、触媒電極とプロトン伝導体の接合体、燃料電池及びプロトン伝導体の製造方法」と題する後記の特許文献４には、次の記載がある。
　特許文献４の発明の一態様によれば、有機プロトン伝導性高分子、及び、無機固体酸と、無機固体酸の１００モル部に対し合計で４５０~２００００モル部の範囲にあるルイス酸性金属アルコキシドと、ケイ素酸化物前駆体とが縮合してなる無機プロトン伝導材料からなり、有機プロトン伝導性高分子の分子鎖と無機プロトン伝導材料の分子鎖とが相互に侵入して網目構造を形成しているプロトン伝導体が提供されるとしている。
　有機プロトン伝導性高分子と無機プロトン伝導材料との互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成することにより、水やメタノール等に対する膨潤が抑制され、高い寸法安定性が実現すると共に、可撓性のあるプロトン伝導体を得ることが可能となるとしている。
　また、「燃料電池用電極材料及び燃料電池」と題する後記の特許文献５には、次の記載がある。
　特許文献５の発明に係る燃料電池用電極材料では、燃料電池用電極が、電解質膜の表面及び／又は裏面に設けられ、Ｐｔを含む貴金属粒子を多孔性無機材料により包接することにより形成された触媒粒子とプロトン伝導性物質とを含有する。このような燃料電池用電極材料によれば、貴金属粒子は多孔性無機材料により包接されているので、Ｐｔが電解質膜中に溶出することを防ぎ、Ｐｔが電解質膜中に溶出することに伴う燃料電池の性能低下を抑制することができるとしている。
　なお、特許文献５の発明に係る燃料電池用電極材料においては、多孔性無機材料としてＳｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＴｉＯ２のうちの何れか主成分とする材料を例示することができる。また、多孔性無機材料は、燃料電池用電極として機能するために、プロトン伝導性を有することが望ましく、この場合、多孔性無機材料として、例えば、ルイス酸性を呈する材料（電子対受容体）を用いることにより、多孔性無機材料によりプロトン伝導性を持たせることができる。
　また、「プロトン導電性物質」と題する後記の特許文献６には、次の記載がある。
　特許文献６の発明は、プロトン導電率の高い電解質材料及びその簡便な製造方法を提供することを目的とする。高いプロトン導電率を得るために、特許文献６の発明ではスルホン酸の解離性を促進する構造としてボロシロキサン骨格に注目し、製造法が容易な加水分解縮合法によるボロシロキサン重合体の調製とそのスルホン化方法について研究した結果、高いプロトン導電率を有する有機・無機ハイブリッド型プロトン導電体を得たとしている。
　この特許文献６の発明のプロトン導電性物質の製法の反応機構１においては、チオール基を有するアルコキシシラン誘導体とホウ酸エステルとを加水分解反応させることにより重合体を生成させ、チオール基を酸化することにより、スルホン酸基を有するボロシロキサンポリマーを生成させる。また、反応機構２においては、炭化水素基を有するアルコキシシラン誘導体とホウ酸エステルとを加水分解反応させることにより重合体を生成させ、炭化水素基をスルホン化することにより、スルホン酸基を有するボロシロキサンポリマーを生成させる。即ち、特許文献６の発明のプロトン導電性物質は、アルコキシシラン誘導体とホウ酸エステルとの加水分解、縮合反応に続いてスルホン化することによって製造できるが、適当な反応条件を採用することによってより高いプロトン導電率が得られる可能性がある。
　特許文献６の発明のプロトン導電性物質は、ルイス酸性ホウ素の導入によってスルホン酸基の解離が促進され、高いプロトン導電性を有し、更にリン酸をドープすることにより高温（約１００~約１８０℃、特に約１００~約１５０℃）でのプロトン導電性を上げることができるとしている。
　また、「高分子固体電解質」と題する後記の特許文献７には、次の記載がある。
　特許文献７の発明は、ポリアニオン型リチウム塩とエーテル系高分子材との複合体材料にルイス酸化合物（三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ボロキシン化合物等）を添加したことを特徴とするリチウム二次イオン電池用高分子固体電解質、より好ましくは該ルイス酸化合物がＢＦ３であることを特徴とするリチウム二次イオン電池用高分子固体電解質に係る。ＢＦ３はカルボキシレートアニオンとの相互作用が強く、イオン導電性を改善する効果を有していると考えられる。
　また、「イオン伝導性組成物及びその製造方法」と題する後記の特許文献８には、次の記載がある。
　特許文献８の発明により提供される一つのイオン伝導性組成物は、一般式ＬｉＭ（ＯＹ）ｎＸ４−ｎで表されるリチウム塩を含有する（ここで、ｎは１~３、Ｍは周期表１３族に属する元素、Ｙはオリゴエーテル基、Ｘは電子求引性基であり得る）。この組成物は、更に、酸素に配位可能な（即ち、酸素と配位結合し得る）添加剤を含有する。例えば、上記リチウム塩中のＭに隣接する（即ち、Ｍに直接結合する）少なくとも一つの酸素に配位可能な添加剤を含有する。ここに開示される組成物の典型的な態様では、該組成物中において上記添加剤の少なくとも一部が、上記リチウム塩のアニオンに含まれる酸素（好ましくは、主としてＭに隣接する酸素）に配位している。換言すれば、該組成物中において、上記添加剤と上記リチウム塩（より詳しくは、該リチウム塩を構成するアニオン）とが配位化合物を形成している。このような組成物は、例えば上記添加剤を含有しない組成物に比べて、上記リチウム塩の解離度がより高いものとなり得る。このことによって、より良好な特性（イオン導電率等）を示す組成物となり得る。
　ここに開示される組成物の一つの好適な態様では、上記添加剤が強いルイス酸である。ここで、上記添加剤が「強いルイス酸」であるとは、上記組成物において該添加剤がリチウムイオンよりも優先的に酸素と結合するか、或いはリチウムイオンと該添加剤との結合が平衡的に起こることをいう。何れの場合にも、上記添加剤を含有することによってリチウムイオンと酸素との相互作用は弱まる。従って、かかる添加剤を含む組成物は、より効果的にリチウム塩の解離度が高められたものとなり得る。特許文献８の発明における好ましい添加剤として、例えば、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）等のハロゲン化ホウ素を挙げることができる。
　また、「電解質膜」と題する後記の特許文献９には、次の記載がある。
　特許文献９の発明は、プロトン伝導性が向上した電解質膜、特に固体高分子型燃料電池用の炭化水素系電解質膜及びその製造方法を提供することを目的とする。他の目的は、プロトン伝導性が向上し且つ電解質の劣化を抑制／防止できる電解質膜、特に固体高分子型燃料電池用の炭化水素系電解質膜及びその製造方法を提供することである。上記諸目的は、添加剤を、電解質に対して、１~５０質量％、分散させてなる電解質膜によって達成されるとしている。
　この特許文献９の発明によれば、電解質膜中に存在する特定量の添加剤により、電解質膜のプロトン伝導性が比較的高い湿度条件下であっても有意に向上でき、このため、燃料電池、特に水素−酸素型燃料電池用の電解質膜に炭化水素系電解質膜を使用しても、十分なプロトン伝導性を発揮することができるとしている。
　この特許文献９の発明に係る添加剤は、フラーレン誘導体、金属酸化物等が好ましく、例えば添加剤としてフラレノールを用いた場合、フラレノールはプロトン伝導性を向上させる効果があるため、従来の電解質膜に比して、比較的高い湿度（例えば、相対湿度が６０％以上であるような）条件下であっても、有意に高いプロトン伝導性を発揮できる電解質膜が得られ、このため、従来プロトン伝導性が低いという問題を有する炭化水素系の電解質膜に有用となる可能性がある。
　この特許文献９の発明に係る添加剤は、上記したようにフラーレン誘導体、金属酸化物等が好ましく、前記フラーレン誘導体としては、フラレノールが好ましく、前記金属酸化物としては、アルコキシシラン、アルコキシチタンが好ましいとしている。
　また、「燃料電池用のフラーレン系電解質」と題する後記の特許文献１０には、次の記載がある。
　プロトン伝導性フラーレン物質は、ドーピング、機械的混合、又は、化学反応により共有結合を形成することによって、高分子材料に添加される。そのようにして作成されたプロトン伝導体は、幅広い相対湿度、及び、水の沸点以上の幅広い温度で作動する燃料電池の高分子電解質膜として使用可能である。好ましいプロトン伝導性フラーレン物質としては、ポリ水酸化フラーレン、ポリスルホン酸化フラーレン、又は、ポリ水酸化ポリスルホン酸化フラーレンがある。
　また、後記の非特許文献１には、（３−メルカトプロピル）メトキシシラン（ＨＳ（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣＨ）３）、トリイソプロピルボレート（Ｂ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３）、（ｎ−ヘキシル）トリメトキシシラン（ＣＨ３（ＣＨ２）５Ｓｉ（ＯＣＨ）３）の加水分解重縮合により得られる生成物において、チオール基（−ＳＨ）を酸化してスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）に転化して得られるボロシロキサン固体電解質、このボロシロキサン固体電解質とナフイオン（登録商標）との複合フィルムの調製に関する記載がある。
　また、後記の非特許文献２には、（３−メルカトプロピル）メトキシシラン（ＨＳ（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣＨ）３）、トリイソプロピルボレート（Ｂ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３）、（ｎ−ヘキシル）トリメトキシシラン（ＣＨ３（ＣＨ２）５Ｓｉ（ＯＣＨ）３）の加水分解重縮合により得られる生成物において、チオール基（−ＳＨ）を酸化してスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）に転化して得られるボロシロキサン固体電解質、このボロシロキサン固体電解質と部分スルホン化ポリエーテルスルホン（ＳＰＥＳ：ｐａｒｔｉａｌｌｙ　ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ　ｐｏｌｙ（ｅｔｈｅｒ−ｓｕｌｆｏｎｅ））との複合膜の調製に関する記載がある。
　なお、後記の非特許文献３は、有機ポリマーの側鎖にルイス酸性ボロンの導入方法についての記載がある。
　また、「高分子担持ルイス酸触媒」と題する後記の特許文献１１には、次の記載がある。
　第１には、一般式ＭＸｎ（Ｍは多価元素を示し、Ｘはアニオン基を示し、ｎはＭの原子価に対応する整数を示す）で表わされるルイス酸基が、ＳＯ３又はＳＯ４基を介して高分子膜に結合担持されていることを特徴とする高分子担持ルイス酸基含有触媒を提供する。
　第２には、上記ルイス酸基含有触媒であって、一般式−Ｒ０−ＭＸｎ（Ｍは多価金属元素を示し、Ｘはアニオン基を示し、ｎはＭの原子価に対応する整数を示し、Ｒ０はＳＯ３又はＳＯ４基を示す）で表わされるルイス酸結合基が、スペーサー分子鎖を介して高分子鎖に結合担持されていることを特徴とする高分子担持ルイス酸触媒を提供する。
　更に、「疎水性高分子固定化ルイス酸触媒」と題する後記の特許文献１２には、次の記載がある。
　（１）芳香族重合体を主とする疎水性高分子の芳香族環に、ＳＯ３基を介して金属ルイス酸基が制御された担持率で結合担持されていることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸基含有触媒を提供する。（２）ルイス酸基は、希土類金属塩であることを特徴とする（１）の疎水性高分子固定化ルイス酸基含有触媒を提供する。（３）ルイス酸基は希土類金属トリフラートであることを特徴とする（２）の疎水性高分子固定化ルイス酸基含有触媒を提供する。
　なお、燃料電池では、電解質は電解質膜とされ使用される（後記の特許文献１３~特許文献１７を参照。）。電解質を溶媒に分散又は溶解させた後、溶媒を揮散除去した場合に三次元構造を形成し膜状となる場合には、結着剤（バインダー）を使用しないで電界質膜を形成している。しかし、三次元構造を形成し膜状とならない場合には、フッ素系樹脂等の樹脂を結着剤として使用して、この結着剤及び電解質を溶媒に分散又は溶解させたものを用いて、塗膜を形成した後、或いは、多孔性膜に含浸させた後に溶媒を揮散除去させることによって、電解質膜を形成している。従来、多くの場合、溶媒としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドンといった塩基性溶媒が用いられている。また、Ｃ６０フラーレンを用いたプロトン伝導体重合体の合成は知られている（後記の特許文献１３、特許文献１８を参照。）。
特開２００２−１０５２２０号公報（段落０００８、００５４） 特開２００５−３２２５５５号公報（段落０００８~０００９） 特開２００２−２４６０３３号公報（段落００１０~００１１、００２８~００２９） 特開２００５−２５９４３号公報（段落００３７、００４６） 特開２００７−５２９２号公報（段落０００７~０００８） 特開２００２−１８４４２７号公報（段落０００４、０００９、００２２、図１、図２） 特開２００６−３１８６７４号公報（段落００１１~００１３） 特開２００７−１１５５２７号公報（段落０００４~０００５） 特開２００７−２６５９５９号公報（段落００１４~００１５、００２３、００２８~００２９、００３３~００３４） 特表２００７−５０３７０７号公報（段落０００８~００１３） 特開２００１−１３７７１０号公報（段落０００８~０００９） 特開２００５−２５４１１５号公報（段落０００９） 特開２００５−９３４１７号公報（段落００５６~００７２） 特開２００６−７９９４４号公報（段落００１７~００１９、段落００２８~００２９、段落００３４~００３５） 特開２００７−２５７８８２号公報（段落０００９~００２３） 特開２００９−１３３７７号公報（段落００３１~００３２） 特開２００９−４３６７４号公報（段落００２８~００３０） 特開２００５−６８１２４号公報（段落００８７~０１０６）
Ｈ．Ｓｕｚｕｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｐｒｏｔｏｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｂｏｒｏｓｉｌｏｘａｎｅ　ｓｏｌｉｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｎａｆｉｏｎ．"，Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ，２００２，２，Ｎｏ．１，４６−５１（２　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ） Ｔ．Ｆｕｊｉｎａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｐｒｏｔｏｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｂｏｒｏｓｉｌｏｘａｎｅ−ｐｏｌｙ（ｅｔｈｅｒ−ｓｕｌｆｏｎｅ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ　Ａｃｔａ　５０（２００４）６２７−６３１（２　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ，３　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ） Ｙ．Ｑｉｎ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｗｅｌｌ−ｄｅｆｉｎｅｄ　Ｂｏｒｏｎ−Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ　Ｌｅｗｉｓ　Ａｃｉｄｓ"，Ｊ．ＡＭ．ＣＨＥＭ．ＳＯＣ．，ＶＯＬ．１２４，ＮＯ．４３，２００２，１２６７２−１２６７３（Ｓｃｈｅｍｅ　１）
　ＰＥＦＣ等に用いられる電解質膜が満たすべき性能は非常に多岐にわたる。即ち、プロトン伝導性が高いこと、燃料や酸素の透過（クロスリーク又はクロスオーバー）を遮断する性能が十分であること、機械的強度や耐熱性に優れていること、耐水性や化学的安定性に優れていること等が要求される。
　しかし、従来使用されてきた固体高分子電解質型燃料電池用のプロトン伝導体材料では、１つの材料でこれらの要求すべてに応え得る膜を作製できるものは無く、燃料電池の開発と普及における大きな障害となっていた。ＰＥＦＣ等に広く使用されているプロトン伝導体の１つはＮａｆｉｏｎ（商品名；ＤｕＰｏｎｔ社製パーフルオロスルホン酸樹脂）であり、これはパーフルオロ化されたスルホン酸系高分子樹脂であり、不飽和結合を含まずパーフルオロ化された構造を有し、熱的、化学的に安定であるが、乾燥雰囲気下や高温下では、樹脂内部に吸蔵された、プロトン伝導性発現に必要な水を失い、プロトン伝導度が低下しやすいという問題があり、また、燃料の透過（クロスリーク又はクロスオーバー）を遮断する性能が十分ではないという問題がある。
　燃料が水素である場合、燃料電極に供給された水素ガスが酸素電極側へ透過するのを防止するためには、膜を厚くする必要があり、その結果、膜抵抗が大きくなり、電池の出力が低下するという問題点がある。
　パーフルオロスルホン酸系樹脂では、スルホン酸基とその周囲に吸着された水がクラスター構造を形成し、このクラスター内の水をチャネルとしてプロトンが移動することにより、プロトン伝導性が発現する。従って、この樹脂に高いプロトン伝導性を発揮させるには、内部に十分な量の水を保水させる必要があるが、このようにすると、燃料がメタノールである場合、親水性の強いメタノールは、樹脂内部の水に溶解して膜を透過しやすくなる。
　フラーレン等の炭素質材料にプロトン解離性基、例えば、スルホン酸基が導入されたフラーレン誘導体は、無加湿状態でもプロトン伝導能を有する点で有望な材料であり、燃料電池への適用が検討されている。しかし、プロトン解離性基が導入されたフラーレン誘導体の多くが水溶性であり、加水分解されやすいという性質を持っている。
　なお、ここで、「プロトン解離性基」とは、その基から水素原子がプロトン（Ｈ＋）として電離し、離脱し得る官能基を意味するものとし、式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であるものとする（以下、同様）。
　フラーレン誘導体において、フラーレン分子１個について導入されたプロトン解離性の基の数が多いほど、プロトン伝導性が高くなることが知られている。しかし、プロトン解離性の基は親水性であるため、導入されたプロトン解離性の基の数が多いほどフラーレン誘導体は水和しやすくなり、水への溶解性が増加する。水溶性のフラーレン誘導体を燃料電池の電解質として用いると、燃料電池における電極反応により生成する水に電解質が溶け出して流失してしまうので、フラーレン誘導体を単独で電解質として使用するには、プロトン伝導性が大きく、且つ、難水溶性のフラーレン誘導体を用いる必要があり、材料設計・材料選択に際して非常に制約が多くなる。
　電解質のプロトン伝導性の向上と、電解質のメタノール透過性の抑制や不溶化とを両立させることは困難である。プロトン−塩基性化合物間の相互作用を用いて電解質の膨潤抑制や不溶化を行うことができるが、伝導に寄与するプロトンが減少してしまい、プロトン伝導性が低下してしまう。
　メタノールクロスオーバーを減らし、且つ、イオン伝導度が良好な高分子電解質膜の開発のため、電解質に関する種々の検討がなされているが、十分な性能を有する高分子電解質膜はまだ得られていない。
　電解質膜を形成する場合には、従来方法では、電解質を溶媒に分散又は溶解させた後、溶媒を揮散除去した場合に三次元構造を形成し膜状となる場合には、結着剤を使用しないで電界質膜を形成、或いは、膜状とならない場合には、フッ素系樹脂等の樹脂を結着剤として使用して、この結着剤及び電解質を溶媒に分散又は溶解させたものを用いて、塗膜を形成した後、或いは、多孔性膜に含浸させた後に溶媒を揮散除去させることによって電解質膜を形成している。この従来方法では、有機溶媒等の溶媒を使用するが、溶媒の種類によっては、溶媒とイオン解離性基、例えば、プロトン解離性基との相互作用によって電解質膜に溶媒が残存し、溶媒の揮散除去が不十分となることがあり、溶媒とプロトン解離性基との相互作用によって電解質膜のプロトン伝導度が低下する場合がある。
　この相互作用は、従来技術における課題を説明する図１４の（Ａ）、（Ｂ）に例示するように、例えば、有機溶媒（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）（ＣＨ３）２ＮＣＨＯと、（Ａ）電解質のスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）との間での水素結合、（Ｂ）電解質である金属（Ｍ）の塩化物ＭＣｌとの間でのオン双極子相互作用に基づく結合によって生じるものと考えられ、電解質膜に溶媒が残存する原因と考えられ、電解質膜における電解質のイオン解離の進行を妨げるものとなっており、イオン伝導度の低下の原因となる。
　従来、電解質膜の形成に際して使用されていた、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドンといった塩基性溶媒は、イオン解離性と相互作用してしまうため除去が困難であり、形成された電解質膜に溶媒が残存するためイオン伝導を阻害してしまう。このような電解質膜を電気化学デバイスへ応用しようとした際、イオン伝導度が低いため、高性能デバイスの作成が困難である。
　本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、イオン伝導度を向上させることができ、メタノール等のクロスオーバーの抑制及び不溶化を併せて実現することができるイオン伝導性複合電解質とこれを用いた膜電極接合体、及び膜電極接合体を用いた燃料電池等の電気化学装置、並びにイオン伝導性複合電解質膜の製造方法を提供することにある。
　即ち、本発明は、イオン解離性基（例えば、後述の実施の形態におけるＳＯ３Ｈ）を有する電解質と、ルイス酸基（例えば、後述の実施の形態におけるＭＲ２）を有する化合物とを含有し、前記ルイス酸基を構成する電子受容性の原子と、前記イオン解離性基を構成する電子供与性の原子とが結合してなるイオン伝導性複合電解質に係るものである。ここで、「ルイス酸基」とは、ルイス酸として機能する官能基を意味する（以下、同様）。
　また、本発明は、上記のイオン伝導性複合電解質よりなる電解質膜と、触媒金属を電気伝導性の担体に担持してなる触媒電極とを有し、前記電解質膜の両側に前記触媒電極が配置されてなる膜電極接合体に係るものである。
　また、本発明は、上記の膜電極接合体を使用してなり、前記電解質膜の両側に配された一対の前記触媒電極の一方で発生させたイオンを前記電解質膜によって他方の触媒電極へ移動させるように構成された電気化学装置に係るものである。
　また、本発明は、イオン伝導性複合電解質をドナー数が２５以下である溶媒に添加して分散又は／及び溶解させた溶液を調製する第１工程と、前記溶液を基体に塗布又は含浸させる第２工程と、この第２工程に続いて前記溶液を揮散除去させる第３工程とを有するイオン伝導性複合電解質膜の製造方法に係るものである。
　本発明によれば、イオン伝導性複合電解質は、前記ルイス酸基を構成する電子受容性の原子と、前記イオン解離性基を構成する電子供与性の原子とが相互作用により結合してなるので、イオン解離を促進させ、イオン伝導性を向上させると共に、前記イオン解離性基がプロトン解離性基である場合、水による膨潤を抑制して水に対して不溶化し得、クロスオーバーの抑制が可能なイオン伝導性複合電解質を提供することができる。
　また、本発明によれば、膜電極接合体は、上記のイオン伝導性複合電解質よりなる電解質膜と、触媒金属を電気伝導性の担体に担持してなる触媒電極とを有し、前記電解質膜の両側に前記触媒電極が配置されてなるので、イオン解離を促進させ、イオン伝導性を向上させると共に、前記イオン解離性基がプロトン解離性基である場合、水による膨潤を抑制して水に対して不溶化とし、メタノール等の透過性を小さくしてメタノールクロスオーバー等を抑制し得る燃料電池に好適な膜電極接合体を提供することができる。
　また、本発明によれば、燃料電池等の電気化学装置は、上記の膜電極接合体を使用してなるので、イオン解離を促進させ、イオン伝導性を向上させると共に、前記イオン解離性基がプロトン解離性基である場合、水による膨潤を抑制して水に対して不溶化とし、メタノール等の透過性を小さくしてメタノールクロスオーバー等を抑制し得る燃料電池等の電気化学装置を提供することができる。
　また、本発明によれば、イオン伝導性複合電解質をドナー数が２５以下である溶媒に添加して分散又は／及び溶解させた溶液を調製する第１工程と、前記溶液を基体に塗布又は含浸させる第２工程と、この第２工程に続いて前記溶液を揮散除去させる第３工程とを有するので、前記溶液を前記溶媒によって侵食されない材質からなる前記基体に塗布した後、前記溶媒を揮散除去し、乾燥された膜を前記基体から剥離して、イオン伝導性複合電解質膜を得ることができる、或いは、前記溶液を前記溶媒によって侵食されない材質からなる多孔性の前記基体に含浸させた後、前記溶媒を揮散除去し乾燥させて、イオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。前記溶媒としてドナー数が２５以下であるものを使用しているので、前記イオン伝導性複合電解質と前記溶液との相互作用が少ないため、電解質膜に残存する前記溶媒を低下させることができ、イオン伝導性複合電解質膜のイオン伝導度を高くすることができるイオン伝導性複合電解質膜を製造することができる。
　図１は、本発明の実施の形態における、プロトン伝導性複合電解質を説明するための図である。
　図２は、同上、ルイス酸の例、及び、ルイス酸基の例を説明する図である。
　図３は、同上、ルイス酸基をもつ高分子電解質が適用される直接型メタノール燃料電池の構成例を示す断面図である。
　図４は、同上、ルイス酸基をもつ高分子電解質が適用される高分子電解質型燃料電池の構成例を示す断面図である。
　図５は、同上、プロトン解離性基を有するフラーレン誘導体を説明する図である。
　図６は、同上、結着剤として使用するＰＶｄＦ−ＨＦＰ共重合体を説明する図である。
　図７は、同上、電解質膜の形成に際して使用される溶媒を含む各種溶媒のドナー数（ＤＮ）を示す図である。
　図８は、同上、図７に示す各種溶媒の化学式を示す図である。
　図９は、本発明の実施例において、フラーレン誘導体の圧粉体に残留する溶媒のイオン伝導度に及ぼす影響を説明する図である。
　図１０は、同上、フラーレン誘導体の圧粉体のイオン伝導度の湿度依存性を説明する図である。
　図１１は、同上、スルホン酸基を導入したピッチ材料の圧粉体に残留する溶媒のイオン伝導度に及ぼす影響を説明する図である。
　図１２は、同上、フラーレン誘導体を用いた電解質膜のイオン伝導度の湿度依存性を説明する図である。
　図１３は、同上、フラーレン誘導体を用いた電解質膜を用いた燃料電池の特性を説明する図である。
　図１４は、従来技術における課題を説明する図である。
　本発明のプロトン伝導性複合電解質では、前記イオン解離性基がプロトン解離性基である構成とするのがよい。このような構成によれば、プロトン解離を促進させ、プロトン伝導性を向上させると共に、水による膨潤を抑制し、水に対して不溶化とし得るプロトン伝導性複合電解質を提供することができる。
　また、前記化合物は、前記ルイス酸基を側鎖に複数個もつ重合体、特にポリマーである構成とするのがよい。このような構成によれば、プロトン解離を促進させ、プロトン伝導性を向上させると共に、水による膨潤を抑制し、水に対して不溶化とし得るプロトン伝導性複合電解質を提供することができる。
　また、前記プロトン解離性基が、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、ホスホン基（−ＰＯ（ＯＨ）２）、ビススルホンイミド基（−ＳＯ２ＮＨＳＯ２−）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＨ２）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ジホスホノメタノ基（＝Ｃ（ＰＯ（ＯＨ）２）２）、及び、ジスルホノメタノ基（＝Ｃ（ＳＯ３Ｈ）２）からなる群より選ばれた少なくとも１種である構成とするのがよい。このような構成によれば、プロトン解離を促進させ、プロトン伝導性を向上させる。
　また、前記ルイス酸基を構成する電子受容性の原子がホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）である構成とするのがよい。このような構成によれば、プロトン解離を促進させ、プロトン伝導性を向上させる。
　また、前記電解質は、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）等の上記プロトン解離性基を有するフラーレン化合物である構成とするのがよい。このような構成によれば、プロトン解離を促進させ、プロトン伝導性を向上させると共に、水による膨潤を抑制して水に対して不溶化とし得るプロトン伝導性複合電解質を提供することができる。こうしたフラーレン化合物と共に、前記プロトン解離性基を有するフラーレン化合物を側鎖に複数個もつ重合体、前記プロトン解離性基を有するフラーレン化合物の複数個が連結されてなる重合体、及び、前記プロトン解離性基を側鎖に複数個もつ重合体からなる群より選ばれた少なくとも１種も採用可能である。
　本発明の膜電極接合体では、前記触媒電極は、前記イオン伝導性複合電解質を含む構成とするのがよい。このような構成によれば、前記イオン解離性基がプロトン解離性基である場合、イオン解離を促進させ、プロトン伝導がスムーズになり、且つ、構造が安定した触媒電極が実現可能となる。
　本発明のイオン伝導性複合電解質膜の製造方法では、前記第１工程において、前記ドナー数が８以上である前記溶媒を使用する構成とするのがよい。このような構成によれば、前記イオン伝導性複合電解質と前記溶媒との相互作用が小さいので、電解質膜に残存する前記溶媒を低下させることができ、プロトン伝導度が高く、燃料電池に好適なイオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。
　また、前記ルイス酸基を構成する電子受容性の原子と、前記イオン解離性基を構成する電子供与性の原子とが結合してなる前記イオン伝導性複合電解質を使用する構成とするのがよい。このような構成によれば、イオン解離を促進させイオン伝導性を向上させると共に、前記イオン伝導性複合電解質と前記溶液との相互作用が少ないため、電解質膜に残存する前記溶媒を低下させることができ、イオン伝導性複合電解質膜のイオン伝導度を高くすることができるイオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。また、前記イオン解離性基がプロトン解離性基である場合、水による膨潤を抑制して水に対して不溶化し得、クロスオーバーの抑制が可能なイオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。
　また、前記イオン伝導性複合電解質は、プロトン解離性基を有するプロトン伝導性複合電解質である構成とするのがよい。このような構成によれば、プロトン伝導度が高く、燃料電池に好適なイオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。
　また、前記第１工程において、前記イオン伝導性複合電解質と共に高分子バインダを前記溶媒に添加する構成とするのがよい。このような構成によれば、強度が増大され屈曲に耐え信頼性が向上したイオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。
　また、前記イオン伝導性複合電解質を前記溶媒に分散させた分散液から前記溶媒を１００℃で真空乾燥させて得られる粉体によって形成された圧粉体のイオン伝導度が１×１０−４Ｓ／ｃｍとなるような前記溶媒が前記第１工程において使用される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記イオン伝導性複合電解質と前記溶媒との相互作用が小さいので、電解質膜に残存する前記溶媒を低下させることができ、プロトン伝導度が高く、燃料電池に好適なイオン伝導性複合電解質膜を得ることができる。
　発明を実施するための形態
　以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態をプロトン伝導性複合電解質について詳細に説明する。
　＜プロトン解離性基をもつ電解質と、ルイス酸基をもつ化合物とを含有するプロトン伝導性複合電解質＞
　以下の説明において、一般式ＭＸｎ（ｎ≧３）（Ｍを多価元素、Ｘをアニオン基とする。）で表わされるルイス酸から１個のＸを除いたＭＸｎ−１をルイス酸基という。なお、アニオン基ＸをＲによって示すこともある。
　本発明に基づくプロトン伝導性複合電解質は、プロトン解離性基を有する電解質と、ルイス酸基を有する化合物とを含有し、ルイス酸基ＭＸｎ−１を構成して電子を受容する原子Ｍと、アニオン基であるプロトン解離性基を構成して電子を供与する原子とが結合されることによって形成され、燃料電池に好適に使用される。
　ルイス酸基をもつ化合物は、例えば、ルイス酸化合物ＭＸｎ、或いは、ルイス酸基ＭＸｎ−１が主鎖又は側鎖（特に側鎖）に複数個結合されたポリマーである。
　ルイス酸基ＭＸｎ−１を構成して電子を受容する原子Ｍは、反応性の点から、ホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）であることが望ましく、またＸはハロゲン原子であることが望ましい。
　また、プロトン解離性基は、プロトンの解離性が大きなスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）であることが好ましいが、ホスホン基（−ＰＯ（ＯＨ）２）、ビススルホンイミド基（−ＳＯ２ＮＨＳＯ２−）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＨ２）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ジホスホノメタノ基（＝Ｃ（ＰＯ（ＯＨ）２）２）、ジスルホノメタノ基（＝Ｃ（ＳＯ３Ｈ）２）であってもよい。こうしたプロトン解離性基は、ポリマーの側鎖やフラーレンに複数個導入されているのがよい。
　プロトン解離性基をもつ電解質は、例えば、フッ素系電解質、炭化水素系樹脂、無機系樹脂、有機樹脂と無機系樹脂とのハイブリッド樹脂等からなる電解質、フラーレン化合物である。
　本発明に基づくプロトン伝導性複合電解質を膜状とし、この膜の両側に密着するように触媒電極（触媒金属が電気伝導性の担体に担持され、膜状とした電極）が設けられたプロトン伝導性複合電解質膜−触媒電極（ＭＥＡ、膜電極接合体）は、燃料電池に好適に使用される。
　このプロトン伝導性複合電解質は、プロトン解離性基をもつ電解質と、ルイス酸基をもつ化合物とを含有し、ルイス酸基とプロトン解離性基とが結合されてなるので、プロトン解離を促進させ、プロトン伝導性を向上させると共に、水による膨潤を抑制し、水に対して不溶化とすることができ、電解質としてメタノール透過性が小さく、耐熱性をもつ樹脂、例えば、スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン（Ｓ−ＰＰＢＰ）を使用することによって、メタノール透過性を小さくしてメタノールクロスオーバーを抑制し、耐熱性を向上させることができる。
　このプロトン伝導性複合電解質を燃料電池用の電解質膜として用いることにより、セル抵抗が小さく、且つ、メタノールクロスオーバーの少ない燃料電池が実現可能となる。
　更に、このプロトン伝導性複合電解質を燃料電池用の触媒電極中の電解質として用いた場合、プロトン伝導がスムーズになり、且つ、構造が安定した触媒電極が実現可能となる。
　図１は、本発明の実施の形態におけるプロトン伝導性複合電解質を説明するための図であり、図１（Ａ）は、複数個のプロトン解離性基を側鎖にもつ電解質（ポリマー）と、ルイス酸基をもつ化合物（低分子化合物）ＭＲ３との相互作用によって形成されるプロトン伝導性複合電解質を示し、図１（Ｂ）は、複数個のプロトン解離性基を側鎖にもつ電解質（ポリマー）と、複数個のルイス酸基を側鎖にもつ化合物（ポリマー）との相互作用によって形成されるプロトン伝導性複合電解質を示し、図１（Ｃ）は、プロトン解離性基をもつフラーレン化合物と、複数個のルイス酸基ＭＲ２を側鎖にもつ化合物（ポリマー）との相互作用によって形成されるプロトン伝導性複合電解質を示す。図１（Ｄ）は、図１（Ｃ）に示されるフラーレン化合物に換えて使用することができる、（ａ）プロトン解離性基をもつフラーレン化合物の複数個を側鎖にもつポリマー電解質、（ｂ）プロトン解離性基をもつフラーレン化合物の複数個が連結されてなる電解質（ポリマー）を示す。
　図１（Ａ）は、ポリマー骨格１０ａの側鎖にプロトン解離性基としてスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を有するポリマーからなる電解質と、ルイス酸基を有するルイス酸化合物ＭＲ３とによって形成されるプロトン伝導性複合電解質を示している。
　なお、図１において、ルイス酸化合物ＭＲ３から１個のＲを除いたＭＲ２をルイス酸基と称する。従って、ルイス酸化合物ＭＲ３はルイス酸基ＭＲ２をもつ化合物である。また、プロトン伝導性複合電解質はルイス酸基をもつ高分子電解質であり、この高分子電解質によって膜（高分子電解質膜）が形成される。
　図１（Ａ）に示す例では、ルイス酸化合物ＭＲ３において、Ｍはアルミニウム（Ａｌ）又はホウ素（Ｂ）であり、Ｒは、（ａ）ペンタフルオロフェニル基（−Ｃ６Ｆ５）、（ｂ）ヘキサフルオロイソプロポキシル基（−ＯＣＨ（ＣＦ３）２）である。
　図１（Ａ）に示すように、スルホン酸基を側鎖に複数個もつポリマー電解質にルイス酸化合物を添加することによって、電解質のスルホン酸基とルイス酸化合物ＭＲ３との相互作用（電子の授受）により、スルホン酸基のプロトン解離が促進され、ポリマー骨格１０ａの側鎖のスルホン酸基からプロトンが解離し、ルイス酸化合物ＭＲ３の中心元素であるＭ（電子受容体）と、プロトンが解離したスルホン酸基のＯ−（電子供与体）との間に配位結合を形成し、プロトン伝導性複合電解質を形成する。従って、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性複合電解質を得ることができる。しかも、電解質がポリマーからなるので、水に対して不溶化された電解質となる。
　図１（Ｂ）は、ポリマー骨格１０ａの側鎖にプロトン解離性基としてスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）をもつポリマーからなる電解質と、ポリマー骨格１０ｂの側鎖にルイス酸基ＭＲ２をもつポリマーからなる化合物とによって形成されるプロトン伝導性複合電解質を示している。ルイス酸基ＭＲ２におけるＲは、例えば、図１（Ａ）に示す（ａ）又は（ｂ）と同じものである。
　図１（Ｂ）に示すように、スルホン酸基を側鎖に複数個もつポリマー電解質に、ルイス酸基ＭＲ２を側鎖に複数個もつポリマーを添加することによって、電解質のスルホン酸基とルイス酸基ＭＲ２との相互作用により、スルホン酸基のプロトン解離が促進され、ポリマー骨格１０ａの側鎖のスルホン酸基からプロトンが解離し、ルイス酸基ＭＲ２の中心元素であるＭ（電子受容体）と、プロトンが解離したスルホン酸基のＯ−（電子供与体）との間に配位結合を形成し、プロトン伝導性複合電解質を形成する。従って、図１（Ａ）の場合と同様に、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性複合電解質を得ることができると共に、両ポリマーの結合によって更に耐水性が向上する。
　側鎖にプロトン解離性基をもつポリマーを電解質として使用せず、プロトン解離性基を有し、ポリマーを形成しない化合物を使用して、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性複合電解質を形成することもできる。
　例えば、Ｃ３６、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４等のフラーレン分子（球状クラスター分子をなす）を母体とするフラーレン誘導体であり、直接、或いは、連結鎖（リンカー）を介して、母体の炭素原子にスルホン酸基等のプロトン解離性基が結合されたフラーレン化合物を使用することができる。
　図１（Ｃ）は、フラーレン（Ｃ６０）にプロトン解離性基が結合され、プロトン解離性基としてスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）ｎを有するフラーレン化合物からなり、ポリマーを形成しない電解質と、ポリマー骨格１０ｃの側鎖にルイス酸基ＭＲ２を複数個有するポリマーとによって形成されるプロトン伝導性複合電解質を示している。
　なお、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）において、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）ｎは、フラーレン化合物の母体の炭素原子に、直接、或いは、連結鎖（リンカー）を介して、ｎ個（ｎ＝１~１２）のスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）が結合されていることを示す。スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）に換えて、他のプロトン解離性基がフラーレン化合物の母体の炭素原子に結合されていてもよい（上記の例においても同様）。
　図１（Ｃ）に示すように、スルホン酸基を有するフラーレン化合物からなる電解質に、側鎖にルイス酸基ＭＲ２を有するポリマーを添加することによって、電解質のスルホン酸基とポリマーのルイス酸基ＭＲ２との相互作用により、スルホン酸基のプロトン解離が促進され、フラーレン化合物の側鎖のスルホン酸基からプロトンが解離し、ルイス酸基ＭＲ２の中心元素であるＭ（電子受容体）と、プロトンが解離したスルホン酸基のＯ−（電子供与体）との間に配位結合を形成し、プロトン伝導性複合電解質を形成する。従って、図１（Ａ）、図１（Ｂ）の場合と同様に、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性複合電解質を得ることができる。フラーレン化合物が水に可溶である場合でも、ルイス酸基をもつポリマーの結合によって水に対して不溶化されたプロトン伝導性複合電解質を得ることができる。
　図１（Ｃ）に示されるフラーレン化合物に換えて、図１（Ｃ）のフラーレン化合物を複数個もつポリマーを電解質として使用することもでき、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）の場合と同様に、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性複合電解質を得ることができる。
　図１（Ｄ）は、図１（Ｃ）のフラーレン化合物を側鎖に複数個もつポリマーからなる電解質の例を示し、（ａ）スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）ｎを有するフラーレン化合物をポリマー骨格１０ｄの側鎖に複数個もつポリマーからなる電解質、（ｂ）スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）ｎを有するフラーレン化合物の複数個が連結鎖１０ｅによって連結されてポリマー化されてなる電解質を示している。フラーレン化合物が水に可溶である場合でも、図１（Ｄ）に示すフラーレン化合物を含むポリマーからなる電解質は、水に対して不溶性となる。
　図１では、プロトン解離性基としてスルホン酸基を（−ＳＯ３Ｈ）を例にとって説明したが、プロトン解離性基は以下に示すものであってもよい。
　（プロトン解離性基）
　プロトン解離性基は、プロトンが電離により離脱し得る官能基であって、式−ＸＨで表され、Ｘは２価の任意の原子もしくは原子団であり、上記したものを含め列記すると、例えば、ヒドロキシル基−ＯＨ、メルカプト基−ＳＨ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、スルホン酸基−ＳＯ２ＯＨ、スルホンアミド基−ＳＯ２ＮＨ２、ビススルホンイミド基−ＳＯ２ＮＨＳＯ２−、ビススルホンイミド基−ＳＯ２ＮＨＳＯ２−、スルホンカルボイミド基−ＳＯ２ＮＨＣＯ−、ビスカルボンイミド基−ＣＯＮＨＣＯ−、ホスホノメタノ基＝ＣＨ（ＰＯ（ＯＨ）２）、ジホスホノメタノ基＝Ｃ（ＰＯ（ＯＨ）２）２、ジスルホノメタノ基（＝Ｃ（ＳＯ３Ｈ）２）、ホスホノメチル基−ＣＨ２（ＰＯ（ＯＨ）２）、ジホスホノメチル基−ＣＨ（ＰＯ（ＯＨ）２）２、スルフィノ基−ＳＯ（ＯＨ）、スルフェノ基−Ｓ（ＯＨ）、硫酸基−ＯＳＯ２ＯＨ、ホスホン酸基−ＰＯ（ＯＨ）２、ホスフィン基−ＨＰＯ（ＯＨ）、リン酸基−Ｏ−ＰＯ（ＯＨ）２、−ＯＰＯ（ＯＨ）Ｏ−、ホスフォニル基−ＨＰＯ、ホスフィニル基−Ｈ２ＰＯ等であり、これらのプロトン解離性基が置換基によって置換されてなる誘導体であってもよい。
　（プロトン解離性基をもつ電解質）
　プロトン解離性基をもつ電解質として、各種のものを使用することができ、例えば、有機樹脂（有機ポリマー）を使用することができる。
　フッ素系電解質、炭化水素系電解質等のプロトン伝導性をもつ公知の電解質を用いることができ、これら電解質を用いて電解質膜を形成することができる。この電解質膜の形成については後述する。
　プロトン解離性基をもつフッ素系電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、エチレン−四フッ化エチレン共重合体、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂等から構成される公知のフッ素系電解質を使用することができる。
　プロトン解離性基をもつ炭化水素系電解質として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、ＰＢＩ（ポリベンズイミダゾール）、ＰＢＯ（ポリベンズオキサゾール）、Ｓ−ＰＰＢＰ（スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン）、Ｓ−ＰＥＥＫ（スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）、スルホンアミド型ポリエーテルスルホン、スルホンアミド型ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化架橋ポリスチレン、スルホンアミド型架橋ポリスチレン、スルホン化ポリトリフルオロスチレン、スルホンアミド型ポリトリフルオロスチレン、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホンアミド型ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリ（アリールエーテルスルホン）、スルホンアミド型ポリ（アリールエーテルスルホン）、ポリイミド、スルホン化ポリイミド、スルホンアミド型ポリイミド、スルホン化４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン、スルホンアミド型４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン、ホスホン酸型４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホンアミド型ポリベンゾイミダゾール、ホスホン酸型ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホンアミド型ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリビフェニレンスルフィド、スルホンアミド型ポリビフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンスルホン、スルホンアミド型ポリフェニレンスルホン、スルホン化ポリフェノキシベンゾイルフェニレン、スルホン化ポリスチレン−エチレン−プロピレン、スルホン化ポリフェニレンイミド、ポリベンズイミダゾール−アルキルスルホン酸、スルホアリル化ポリベンズイミダゾール等から構成される公知の炭化水素系電解質を使用することができる。
　また、炭化水素系電解質やフッ素系電解質等の有機樹脂と無機系樹脂とのハイブリッドポリマーであり、ハイブリッドポリマーから構成される電解質を使用することもできる。この場合、有機樹脂及び／又は無機系樹脂はプロトン解離性基を有しており、例えば、無機系樹脂として、Ｓｉ−Ｏ結合を主骨格にもつ有機ケイ素ポリマーを使用することができ、スルホン酸置換された基を側鎖にもつポリシロキサン化合物を使用することができる。
　＜ルイス酸、ルイス酸基＞
　次に、図１に示したプロトン伝導性複合電解質の形成に使用することができるルイス酸の例、及び、ルイス酸として作用する官能基（ルイス酸基）の例について説明する。
　図２は、本発明の実施の形態における、ルイス酸の例、及び、ルイス酸として作用する官能基（ルイス酸基）の例を説明する図である。
　図２（Ａ）は、ルイス酸の例として、（ａ）一般式ＭＸｎで表わされる化合物、（ｂ）一般式（ＢＯＸ）３で表わされる化合物例を示し、図２（Ｂ）は、ポリマー骨格１２の側鎖にルイス酸基（官能基）ＭＸｎ−１をもつポリマーからなる電解質を模式的に示し、図２（Ｃ）は、ポリマー骨格１２ａ~１２ｅの側鎖にルイス酸基（官能基）ＭＸｎ−１をもつポリマー骨格を示している。
　図２（Ａ）の（ａ）に示す、一般式ＭＸｎ（ｎ≧３）で表わされるルイス酸化合物は、無機又は有機化合物である。Ｍはルイス酸ＭＸｎの中心原子である多価元素であり、好ましくは、ｎ＝３、４、５であり、例えば、Ａｌ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｅ、ランタノイド元素（Ｓｃ、Ｙｂ、Ｌａ等）等の元素である。
　Ｘはルイス酸ＭＸｎを構成するアニオン基であり、（１）ハロゲン基、（２）脂肪族炭化水素基、（３）脂環式炭化水素基、（４）芳香族炭化水素基、（５）複素環基から選択される一種又は二種以上である。ｎ個のＸは、その全部が異なっていてもよいし、その一部又は全部が同じであってもよい。また、ｎ個のＸのうちの２個が互いに結合して環を形成してもよく、更に、この基は置換基を有してもよい。
　ここで、脂肪族炭化水素基は、脂肪族炭化水素化合物から１個の水素（Ｈ）を除いた残基である１価の基であり、脂肪族炭化水素基は任意の置換基で置換されていてもよい。
　また、脂環式炭化水素基は、脂環式炭化水素化合物から１個の水素（Ｈ）を除いた残基である１価の基であり、脂環式炭化水素基は任意の置換基で置換されていてもよい。
　また、芳香族炭化水素基は、芳香族炭化水素化合物から１個の水素（Ｈ）を除いた残基である１価の基であり、芳香族炭化水素基は任意の置換基で置換されていてもよい。
　また、複素環基は、複素環式化合物の環から１個の水素（Ｈ）を除いた残基である１価の基であり、複素環基は任意の置換基で置換されていてもよい。
　一般式ＭＸｎで表わされるハロゲン化合物は、例えば、ＢＸ３で表されるハロゲン化ホウ素、ＡｌＸ３で表されるハロゲン化アルミニウム、ＰＸ５で表される等のハロゲン化リン、ＳｉＸ４で表されるハロゲン化ケイ素、ＳｎＸ４で表されるハロゲン化スズ、ＡｓＦ５、ＶＦ５、ＳｂＦ５等のフッ化物、その他、ＦｅＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＭｏＣｌ５、ＷＣｌ５等である。
　一般式ＭＸｎで表わされる有機化合物における有機基Ｘは、スルホン酸基、リン酸基等の各種の有機酸基、各種の有機基を含み、有機基は、任意の置換基で置換されていてもよい。
　例えば、有機基は、アルキル基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ドデシル基）、シクロアルキル基（例えば、シクロプロピル基、シクロヘキシル基）、アルコキシ基（例えば、メトキシ基、エトキシ基）、アルケニル基（例えば、ビニル基、アリル基、シクロヘキセニル基）、アルキニル基（例えば、エチニル基、２−プロペニル基、ヘキサデシニル基）、アラルキル基（例えば、ベンジル基、ジフェニルメチル基、ナフチルメチル基）、アリール基（例えば、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基）、ハロゲン基（塩素基、臭素基、フッ素基、沃素基）、アリールオキシ基（例えば、フェノキシ基）、アルキルチオ基（例えば、メチルチオ基）、アリールチオ基（例えば、フェニルチオ基）、アシルオキシ基（例えば、アセトキシ基）、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、ホルミル基、アルキルアミノ基（例えば、メチルアミノ基、ブチルアミノ基）、アリールアミノ基（例えば、フェニルアミノ基）、カルボンアミド基（例えば、アセチルアミノ基、プロパノイルアミノ基）、スルホンアミド基（例えば、メタンスルホンアミド基、ベンゼンスルホンアミド基）、アシル基（例えば、アセチル基、ベンゾイル基、ピバロイル基）、スルホニル基（例えば、メタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基）、スルフィニル基（例えば、メタンスルフィニル基）、カルボン酸基、スルホン酸基、ホスホン酸基、トリフレート基（トリフルオロメタンスルホネート基、ＣＦ３ＳＯ３基）、複素環基等である。複素環基は、例えば、ピロール基、インドール基、フラン基、チオフェン基、イミダゾール基、チアゾール基、ピリジン基、ピラン基、チオピラン基、オキソジアゾール基、チアジアゾール基等である。
　より具体的には、例えば、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド、アルミニウムトリｓ−ブトキシド、アルミニウムトリｔ−ブトキシド等のアルミニウムアルコキシド、トリメトキシボラン、トリスフェノキシボラン等のホウ素アルコキシド、スカンジウムトリイソプロポキシド等のスカンジウムアルコキシド、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラｎ−ブトキシド、チタンテトラｔ−ブトキシド、チタンテトラフェノキシド等のチタンアルコキシド、ジルコニウムテトライソプロポキシド等のジルコニウムアルコキシド、スズテトライソプロポキシド等のスズアルコキシド、イッテルビウムトリフラート等の金属トリラート等である。
　図２（Ａ）の（ｂ）に示す一般式（ＢＯＸ）３で表わされるボロキシン化合物は、ホウ素Ｂと酸素Ｏが交互に結合した６員環のホウ素Ｂに置換基Ｘが結合したルイス酸化合物であり、図２（Ａ）の（ａ）と同様に、Ｘは、ハロゲン基、脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基、複素環基等から選択される一種又は二種以上であり、Ｘは、任意の置換基で置換されていてもよい。また、ボロキシン化合物における３個のＸは、一般に異なっていてもよいし、３個のうち２個又は３個が同じであってもよい。
　一般式（ＢＯＸ）３で表わされるボロキシン化合物における基Ｘは、例えば、アルキル基、フッ素基等のハロゲン基、シアノ基、ニトロ基、アシル基、スルホニル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、トリフルオロメチル基等のフッ素置換アルキル基、フッ素置換アリール基、複素環基等である。
　より具体的には、例えば、トリメチルボロキシン、２，４，６‐トリエチルボロキシン、トリブチルボロキシン、２，４，６‐トリ‐ｔｅｒｔ‐ブチルボロキシン、２，４，６‐トリシクロヘキシルボロキシン、トリメトキシボロキシン、２，４，６‐トリフェニルボロキシン、２，４，６‐トリス［３‐（トリフルオロメチル）フェニル］ボロキシン等である。
　一般式ＭＸｎで表わされるルイス酸化合物から１個のＸを除いた、図２（Ｂ）に示す一般式ＭＸｎ−１で表わされるルイス酸基を側鎖にもつポリマーは、ルイス酸として作用する。ルイス酸基ＭＸｎ−１は、高分子鎖に直接、或いは、ＳＯ３（スルホン酸）基やＳＯ４（硫酸）基を介して高分子鎖に結合されている。或いは、ルイス酸基は、高分子鎖の側鎖又は高分子鎖の側鎖として結合された連結用分子鎖に結合されている。高分子鎖、連結用分子鎖は疎水性であり、加水分解され難いものとする。連結用分子鎖は、炭化水素基、シクロアルキル基、アリール基等を含む炭化水素基（置換基を有していてもよい。）を含んでもよい。なお、基Ｘは図１（Ｂ）、図１（Ｃ）における基Ｒに対応するものである。
　図２（Ｂ）に示すポリマー骨格１２の側鎖にルイス酸基ＭＸｎ−１をもつポリマーは、例えば、ポリマーとクロルスルホン酸を反応させ側鎖にスルホン酸基を導入して、このスルホン酸基とルイス酸化合物ＭＸｎを反応させて、側鎖にルイス酸基ＭＸｎ−１を導入する。
　ルイス酸基ＭＸｎ−１は、図２（Ａ）の（ａ）によって説明したＭＸｎ（ｎ≧３）で表わされるルイス酸化合物から、１個の基Ｘを除いたものＭＸｎ−１であるので、具体的な例について説明を繰り返さない。
　ルイス酸基ＭＸｎ−１を種々のポリマー骨格の側鎖に連結することが可能である。上記したようにルイス酸基ＭＸｎ−１が結合される高分子鎖は、水又は水性媒体中に溶解し難い疎水性のポリマーであり、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、ハイブリッドポリマー（炭化水素系ポリマーやフッ素系ポリマー等の有機系ポリマーとシロキサン系ポリマー等の無機系ポリマーとのハイブリッド体）等の公知のポリマーである。
　ルイス酸基が結合される高分子鎖の骨格は、例えば、図２（Ｃ）に示すような、（１）ポリエチレン（ＰＥ）の水素（Ｈ）をルイス酸基に置換したポリマー骨格、（２）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のフッ素（Ｆ）をルイス酸基に置換したポリマー骨格、（３）ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の水素（Ｈ）をルイス酸基に置換したポリマー、（４）ポリ−ｐ−キシレンの水素（Ｈ）をルイス酸基に置換したポリマー骨格、（５）アルキルポリシロキサンのアルキル基（Ａ）をルイス酸基に置換したポリマー骨格等である。ポリマー骨格が、スチレン、α−メチレン、ジビニルベンゼン等の付加重合体の骨格であってもよく、その他の各種のポリマーの骨格であってもよい。
　なお、図２（Ｃ）に示すｍは、その前のカッコ〔〕内の単位構造（ポリマー骨格の繰り返しの単位）の繰り返し数（重合度）を示し、ｍ＝２~１０万である。また、側鎖にルイス酸基ＭＸ２を有するポリマーにおけるルイス酸基ＭＸ２の数は、２~１０万である。
　ポリマー骨格としてスチレン重合体（ポリスチレン）の骨格（（−（Ｃ６Ｈ５）ＣＨ−ＣＨ２−）ｍ）を有し、このポリスチレン骨格のフェニル基（−Ｃ６Ｈ５）の−Ｈをルイス酸基−Ｂ（Ｃ６Ｆ５）２に置換した構造を有するポリマーは、次のようにして合成することができる。例えば、４−トリメチルシリルスチレン（（ＣＨ３）３Ｓｉ−Ｃ６Ｈ４−ＣＨ＝ＣＨ２）に重合開始剤（１−フェニルエチルブロマイド）及び触媒（臭化銅（ＣｕＢｒ）／ペンタメチルジエチレントリアミン）を添加してアニソール（Ｃ６Ｈ５ＯＣＨ３）中で１１０℃でラジカル重合を行ない、ポリスチレン骨格のフェニル基（−Ｃ６Ｈ５）の−Ｈを−Ｓｉ（ＣＨ３）３に置換した構造を有するポリマーとし、次に、このポリマーの−Ｓｉ（ＣＨ３）３を、ジクロロメタン（ＣＨ２Ｃｌ２）中で三臭化ホウ素（ＢＢｒ３）を用いて、ルイス酸基−ＢＢｒ２で置換する。ルイス酸基−ＢＢｒ２で置換されたポリマーとペンタフルオロフェニル銅（Ｃｕ（Ｃ６Ｆ５））をジクロロメタン（ＣＨ２Ｃｌ２）中で反応させて、ポリスチレン骨格のフェニル基（−Ｃ６Ｈ５）の−Ｈをルイス酸基−Ｂ（Ｃ６Ｆ５）２で置換した構造を有する目的とするポリマーを得ることができる。このポリマーは、ポリエチレンの骨格（（−ＣＨ２−ＣＨ２−）ｍ）の−Ｈが基−（Ｃ６Ｈ４）Ｂ（Ｃ６Ｆ５）２に置換されたポリマーと等価なものである。
　図１及び図２を参照して説明した、プロトン解離性基をもつ電解質と、ルイス酸基をもつ化合物とを含有するプロトン伝導性複合電解質を、以下、「ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質」と呼ぶこととし、次に、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質を用いた電解質膜の形成について、説明する。
　＜ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質を用いた電解質膜の形成＞
　ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質は、先に説明したように、（１）プロトン解離性基を側鎖に有するポリマー電解質と、ルイス酸基をもつ化合物（ポリマーではない化合物である。）との相互作用（図１（Ａ）を参照。）、（２）プロトン解離性基を有するポリマー電解質と、ルイス酸基を側鎖に有するポリマーとの相互作用（図１（Ｂ）を参照。）、（３）プロトン解離性基をもつフラーレン化合物と、ルイス酸基を側鎖に有するポリマーとの相互作用（図１（Ｃ）を参照。）、（４）プロトン解離性基をもつフラーレン化合物を側鎖に有してなるポリマー電解質、或いは、プロトン解離性基をもつフラーレン化合物が連結されてなるポリマー電解質と、ルイス酸基を側鎖に有するポリマーとの相互作用（図１（Ｄ）を参照。）によって形成される。
　上述の（１）~（４）のように、上述のポリマー電解質と、ルイス酸基を有する化合物（ポリマーではない化合物である。）との相互作用、或いは、上述のポリマー電解質と、ルイス酸基を側鎖に有するポリマーとの相互作用によって、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質は形成される。
　このルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質は次の（ａ）、（ｂ）によって成膜され電解質膜とすることができる。（ａ）上述のポリマー電解質又は／及びルイス酸基を側鎖に有するポリマーを溶媒に分散又は／及び溶解して得られる混合体を塗布した後に、溶媒を揮散除去させた場合に、上述のポリマー電解質又は／及びルイス酸基を側鎖に有するポリマーが絡み合って三次元構造を形成し、或いは、ポリマーの重合によって膜状をなして成膜され、電解質膜が形成される場合には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＶｄＦ−ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）共重合体等のフッ素系樹脂からなる結着剤を使用することなく、電解質膜を形成することができる。
　また、（ｂ）上述のポリマー電解質又は／及びルイス酸基を側鎖に有するポリマーが、上述の（ａ）のように、絡み合って３次元構造を形成して、或いは、ポリマーの重合によって、膜状をなさず成膜されない場合には、上述の結着剤を使用して従来方法に従って、ルイス酸基を側鎖に有するポリマー、上述のポリマー電解質、上述の結着剤を溶媒に分散又は／及び溶解させ、塗膜を形成した後に溶媒を揮散除去させて、電解質膜を形成することができる。
　上述の（ａ）、（ｂ）の何れの場合にも、電解質膜を形成する際に溶媒を必要とし、塗膜を形成した後に、溶媒の揮散除去を行ったとしても、溶媒とルイス酸基又は／及びプロトン解離性基との相互作用によって電解質膜に溶媒が残存し、溶媒の揮散除去が不十分となることがあり、溶媒とルイス酸基又は／及びプロトン解離性基との相互作用によって、電解質膜のプロトン伝導度が低下する場合がある。
　本発明では、電解質膜の形成に際して、ルイス酸基又は／及びプロトン解離性基との相互作用が小さい溶媒を使用する。このような溶媒として、ドナー数が２５以下である溶媒を使用するが、詳細については、後述する。
　次に、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質が適用される燃料電池の構成例について、説明する。
　＜本発明による、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質が適用される燃料電池＞
　（直接型メタノール燃料電池）
　図３は、本発明の実施の形態における、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質が適用されるＤＭＦＣ（直接型メタノール燃料電池）の構成例を示す断面図である。
　図３に示すように、メタノール水溶液が燃料２５として、流路をもつ燃料供給部（セパレータ）５０の入口２６ａから通路２７ａへと流され、基体である導電性のガス拡散層２４ａを通って、ガス拡散層２４ａによって保持された触媒電極２２ａに到達し、図３の下方に示すアノード反応に従って、触媒電極２２ａ上でメタノールと水が反応し、水素イオン、電子、二酸化炭素が生成され、二酸化炭素を含む排ガス２９ａが出口２８ａから排出される。生成された水素イオンは、ルイス酸基をもつ上述のプロトン伝導性複合電解質によって形成された高分子電解質膜２３中を、生成された電子はガス拡散層２４ａ、外部回路７０を通り、更に、基体である導電性のガス拡散層２４ｂを通って、ガス拡散層２４ｂによって保持された触媒電極２２ｂに到達する。
　図３に示すように、空気又は酸素３５が、流路をもつ空気又は酸素供給部（セパレータ）６０の入口２６ｂから通路２７ｂへと流され、ガス拡散層２４ｂを通って、ガス拡散層２４ｂによって保持された触媒電極２２ａに到達し、図３の下方に示すカソード反応に従って、触媒電極２２ｂ上で水素イオン、電子、酸素が反応し、水が生成され、水を含む排ガス２９ｂが出口２８ｂから排出される。図３の下方に示すように全反応は、メタノールと酸素から電気エネルギーを取り出して水と二酸化炭素を排出するというメタノールの燃焼反応となる。
　（高分子電解質型燃料電池）
　図４は、本発明の実施の形態における、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質が適用されるＰＥＦＣ（高分子電解質型燃料電池）の構成例を示す断面図である。
　図４に示すように、加湿された水素ガスが燃料２５として、燃料供給部５０の入口２６ａから通路２７ａへと流されガス拡散層２４ａを通って、触媒電極２２ａに到達し、図４の下方に示すアノード反応に従って、触媒電極２２ａ上で水素ガスから水素イオン、電子が生成され、余剰の水素ガスを含む排ガス２９ａが出口２８ａから排出される。生成された水素イオンは、ルイス酸基をもつ上述のプロトン伝導性複合電解質によって形成された高分子電解質膜２３中を、生成された電子はガス拡散層２４ａ、外部回路７０を通り、更に、ガス拡散層２４ｂを通って触媒電極２２ｂに到達する。
　図４に示すように、空気又は酸素３５が、空気又は酸素供給部６０の入口２６ｂから通路２７ｂへと流され、ガス拡散層２４ｂを通って触媒電極２２ａに到達し、図４の下方に示すカソード反応に従って、触媒電極２２ｂ上で水素イオン、電子、酸素が反応し、水が生成され、水を含む排ガス２９ｂが出口２８ｂから排出される。図４の下方に示すように全反応は、水素ガスと酸素から電気エネルギーを取り出して水を排出するという水素ガスの燃焼反応となる。
　図３、図４において、高分子電解質膜２３は、プロトン伝導性複合電解質が結着剤（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、等…）によって結着されて形成されている。高分子電解質膜２３によって、アノード２０とカソード３０が隔てられ、高分子電解質膜２３を通して水素イオンや水分子が移動する。高分子電解質膜２３は、水素イオンの伝導性が高い膜であり、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
　図３、図４において、触媒電極２２ａ、２２ｂは、集電体である導電性の基体を構成し、ガスや溶液に対して透過性をもったガス拡散層２４ａ、２４ｂ上に密着して形成されている。ガス拡散層２４ａ、２４ｂは、例えば、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体から構成される。燃料電池の駆動によって生じる水によるガス拡散効率の低下を防止するために、ガス拡散層は、フッ素樹脂等で撥水処理されている。
　触媒電極２２ａ、２２ｂは、例えば、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金等からなる触媒が担持された担体が、結着剤（例えば、ポリテトラフロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、等…）によって結着され形成されている。担体として、例えば、アセチレンブラック、黒鉛のような炭素、アルミナ、シリカ等の無機物微粒子が使用される。結着剤を溶解させた有機溶剤に炭素粒子（触媒金属が担持されている。）が分散された溶液を、ガス拡散層２４ａ、２４ｂに塗布し、有機溶剤を蒸発させて結着剤によって結着された膜状の触媒電極２２ａ、２２ｂが形成される。
　高分子電解質膜２３が、ガス拡散層２４ａ、２４ｂ上に密着して形成された触媒電極２２ａ、２２ｂによって挟持され、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）４０が形成されている。触媒電極２２ａ、ガス拡散層２４ａによってアノード２０が構成され、触媒電極２２ｂ、ガス拡散層２４ｂによってカソード３０が構成されている。アノード２０及びカソード３０は高分子電解質膜２３に密着し、炭素粒子の間にプロトン伝導体が入り込み、触媒電極２２ａ、２２ｂに高分子電解質（プロトン伝導体）を含浸させた状態となって、触媒電極２２ａ、２２と高分子電解質膜２３とが密着して接合され、接合界面で水素イオンの高い伝導性が保持され、電気抵抗が低く保持される。なお、触媒電極は、ルイス酸基をもつ上述のプロトン伝導性複合電解質を含んでいてもよく、上記の接合界面でのプロトン伝導がスムーズになる。
　なお、図３、図４に示した例では、燃料２５の入口２６ａ、排ガス２９ａの出口２８ａ、空気又は酸素（Ｏ２）３５の入口２６ｂ、排ガス２９ｂの出口２８ｂの各開口部が、高分子電解質膜２３、触媒電極２２ａ、２２ｂの面に垂直に配置されているが、上記の各開口部が、高分子電解質膜２３、触媒電極２２ａ、２２ｂの面に平行に配置されている構成とすることもでき、上記の各開口部の配置に関して種々の変形が可能である。
　図３、図４に示す燃料電池の製造は、各種文献に公知されている一般的な方法を利用できるので、製造に関する詳細な説明は省略する。
　なお、図３、図４に示す燃料電池に対しても、以下で説明するプロトン伝導性複合電解質膜を適用することができることは言うまでもない。
　＜電解質膜の形成に使用される溶媒＞
　次に、電解質膜の形成に際して使用される溶媒について説明する。以下では、フラーレン（Ｃ６０）にプロトン解離性基が結合され、プロトン解離性基としてスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を有するフラーレン化合物が連結されたフラーレン誘導体であるポリマー電解質を例にとり、このフラーレン誘導体と結着剤（フッ素系樹脂）を含むプロトン伝導性複合電解質膜を例にとって説明する。
　（電解質：フラーレン誘導体）
　図５は、本発明の実施の形態において、プロトン解離性基を有するフラーレン誘導体を説明する図である。
　図５（Ａ）に示すように、フラーレン誘導体は、フラーレン（Ｃ６０）に、プロトン解離性基としてスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を末端に有する基、−ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ２ＣＦ２−ＳＯ３Ｈがｎ個結合されたフラーレン母体（Ｃ６０）が、ｍ個の連結基、−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−によって相互に結合された構造を有している。
　図５（Ｂ）に示すように、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を末端に有する基、−ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ２ＣＦ２−ＳＯ３Ｈを−ＧｒＨ、連結基、−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−を−Ｌｉｎｋ−のように略記すると、フラーレン誘導体は、フラーレン母体（Ｃ６０）がＬｉｎｋによって連結され、各フラーレン母体（Ｃ６０）に複数のＧｒＨが結合された構造を有するポリマーである。
　（結着剤）
　図６は、本発明の実施の形態において、結着剤として使用するＰＶｄＦ−ＨＦＰ共重合体を説明する図である。
　図６に示すように、電解質膜の形成に使用される結着剤ＰＶｄＦ−ＨＦＰ共重合体は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）（ＣＨ２ＣＦ２）ｎとヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）（ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｍとの共重合体であり、この共重合体は、交互共重合体、周期的共重合体、ランダム共重合体、ブロック共重合体の何れか、或いは、これらの混合体である。
　（電解質膜の形成に使用された溶媒の影響）
　図７は、本発明の実施の形態において、電解質膜の形成に際して使用される溶媒を含む各種溶媒のドナー数（ＤＮ）を示す図であり、図８は、図７に示す各種溶媒の化学式を示す図である。
　溶媒のドナー数（ＤＮ）は溶媒分子の電子供与性の尺度としてＧｕｔｍａｎｎによって定義された溶媒パラメータであり、基準のアクセプターとし、ジクロロエタン中１０−３ＭのＳｂＣｌ５を選び、ドナーとの反応のモルエンタルピー値（熱量測定によって得られる。）として定義されている。ドナー数の大きな溶媒ほどカチオン種に強く溶媒和しやすい。
　電解質膜の形成において、結着剤である高分子材料を溶解可能であり、イオン伝導体を分散又は溶解可能な溶媒として、例えば、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドンのような塩基性溶媒がしばしば使用されるが、このようなドナー数の大きな塩基性溶媒はカチオンとの相互作用が強いため、解離したカチオンを溶媒和してしまい、イオン伝導の妨げとなってしまう。
　図１４に示すように、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドは、電解質のスルホン酸基と相互作用して水素結合を形成するため、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを使用して形成された電解質膜を真空乾燥したとしても、この相互作用のため容易に除去することはできず溶媒が残蔵するため、電解質膜のイオン伝導度が低下する原因となる。このような相互作用の影響を除去するためには、例えば、酸処理が必要となってしまう。また、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドと、電解質である金属（Ｍ）の塩化物ＭＣｌとの間では、オン双極子相互作用に基づく結合が生じてしまう。
　従って、電解質膜のイオン伝導度の低下を抑制するためには、電解質膜の形成に使用する溶媒と、電解質のプロトン解離性基との相互作用がより小さなことが望ましく、後述するように、電解質膜の形成に使用する溶媒のドナー数が２５以下であることが望ましい。
　ドナー数が２５以下である溶媒の具体例として、リン酸トリブチル、リン酸トリメチル、ジフェニルリン酸塩化物、ジメトキシエタン、エタノール、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、メタノール、フェニルリン酸二塩化物、ガンマ−ブチロラクトン、水、酢酸エチル、アセトン、Ｎ−ブチロニトリル、酢酸メチル、炭酸エチレン、フェニル亜リン酸二フッ化物、プロピオニトリル、ベンゾフェノン、イソブチロニトリル、亜硫酸エチレン、プロピレンカーボネート、シアン化ベンジル、スルホラン、ジオキサン、テトラメチレンスルホン、アセトニトリル、フェニルアセトニトリル、オキシ塩化セレン、ベンゾニトリル、オキシ塩化リン、炭酸１，２−ブチレン、無水酢酸、炭酸ジメチル、炭酸エチルイソプロピル、炭酸メチルブチル、炭酸ジエチル、炭酸メチルプロピル、炭酸エチルブチル、炭酸ジイソプロピル、炭酸メチルイソプロピル、炭酸ジプロピル、炭酸メチルエチル、炭酸エチルプロピル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、塩化ベンゾイル、フッ化ベンゾイル、炭酸テトラクロロエチレン、塩化アセチル、塩化チオニル、ベンゼン、１，２−ジクロロエタンを挙げることができる。これらの溶媒は、単独、或いは、複数種類を混合して使用することができる。
　このような溶媒を用いて形成された電解質膜のイオン伝導度は非常に高く、高性能な燃料電池等の電気化学デバイスを提供することが可能となる。
　次に、イオン伝導体と溶媒の相互作用の影響、電解質膜の形成に使用した溶媒の影響、燃料電池の特性とその電解質膜の形成に使用された溶媒の影響を検討した実施例について説明する。
　先ず、イオン伝導体と溶媒の相互作用の影響について説明する。
　（イオン伝導体と溶媒の相互作用の影響）
　［実施例１］
　ここでは、イオン伝導体として先述したフラーレン誘導体を使用し、これと各種の溶媒との相互作用の影響について説明する。
　フラーレン誘導体を各種の溶媒にそれぞれ分散した後、分散液から溶媒を１００℃で真空乾燥によって除去した後に、圧粉体を作成し、この圧粉体を金電極に挟み複素インピーダンス法を用いてイオン伝導度σを測定した。測定結果を図９に示す。なお、この圧粉体は結着剤は含んでいない。
　図９は、本発明の実施例において、フラーレン誘導体の圧粉体に残留する溶媒のイオン伝導度に及ぼす影響を説明する図である。図９において、横軸は溶媒のドナー数（ＤＮ）、縦軸は圧粉体のイオン伝導度σ（Ｓ／ｃｍ２）を示し、図中の各測定点の近傍に圧粉体の作製に使用した溶媒の名称を示す。
　図９に示すように、圧粉体のイオン伝導度σの測定値は、楕円状の領域に分散しているが、Ｃを正の定数とするとき、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）を除き、近似直線、ｌｏｇσ＝−Ｃ×ＤＮによって示される。圧粉体のイオン伝導度σは、ドナー数（ＤＮ）の大きな溶媒を使用したほど小さく、使用した８種類の溶媒のイオン伝導度σは、１．２×１０−６（Ｓ／ｃｍ２）~３×１０−３（Ｓ／ｃｍ２）の広い範囲の値を示している。ドナー数（ＤＮ）の大きな溶媒を使用して形成した電解質膜のイオン伝導度σも低いものとなると考えられる。
　圧粉体のイオン伝導度σが使用したフラーレン誘導体に固有な一定値とならないことは、フラーレン誘導体の分散に使用した溶媒の種類によって、フラーレン誘導体との相互作用の大きさが異なり、圧粉体に残留する溶媒の量が異なっているものと考えられる。
　このような溶媒とフラーレン誘導体との相互作用の相違による影響は、フラーレン誘導体を電解質とし結着剤を使用して電解質膜を形成する場合にも生じると想定され、電解質膜の形成に使用する溶媒によって、電解質膜のイオン伝導度に差を生じるものと予想される。
　次に、図９に示した圧粉体のうち、溶媒としてピリジン、ＴＨＦ（テトラヒドロフラン）をそれぞれ使用して作製された圧粉体について、イオン伝導度の湿度依存性を測定した。
　図１０は、本発明の実施例において、フラーレン誘導体の圧粉体のイオン伝導度の湿度依存性を説明する図である。図１０において、横軸は相対湿度（％）、縦軸は圧粉体のイオン伝導度（Ｓ／ｃｍ２）を示す。
　図１０に示すように、圧粉体のイオン伝導度は、湿度によって大きく変化することを示している。ピリジンを使用して作製された圧粉体のイオン伝導度の湿度による変化は、ＴＨＦを使用して作製された圧粉体のイオン伝導度の湿度による変化と比較して、大きな変化を示している。
　ＴＨＦを使用して作製された圧粉体のイオン伝導度の湿度による変化は、２×１０−３~５×１０−２と小さく、残存するＴＨＦの量が少ないと考えられるのに対して、ピリジンを使用して作製された圧粉体のイオン伝導度の湿度による変化は、４×１０−５~５×１０−３と大きく、残存するピリジンの量が多いと考えられる。また、ＴＨＦピリジンを使用して作製された圧粉体のイオン伝導度は、ピリジンを使用して作製された圧粉体のイオン伝導度よりも大きな値を示している。
　このように、圧粉体に残留する溶媒の種類によって、イオン伝導度の値、その湿度による変化の様相が大きく異なるものと予想される。
　同様なことは、フラーレン誘導体を電解質とし結着剤を使用して形成された電解質膜に関しても生じると想定され、電解質膜の形成に使用する溶媒によって、電解質膜のイオン伝導度の湿度による変化に差を生じるものと予想され、電解質膜の残留する溶媒は、電解質膜中に水が存在しても電解質膜のイオン伝導度に大きく影響を与えると考えられる。
　［実施例２］
　ここでは、イオン伝導体として、スルホン酸基を導入したピッチ材料（以下、「スルホン化ピッチ」と呼ぶ。）を使用し、これと各種の溶媒との相互作用の影響について説明する。スルホン化ピッチは次のようにして合成されたものである。
　コールタール（和光純薬製、１０ｇ）を丸底フラスコに量り取り、フラスコ内部を窒素フローにより置換し、フラスコごと氷浴につけ、攪拌子で緩やかに攪拌する。フラスコをよく氷浴させたまま、これにゆっくりと２５％発煙硫酸（和光純薬製）２００ｍＬを発熱しないように注意深く滴下する。更に、フラスコを氷浴に付けたまま室温下にて激しく攪拌する。３時間後、フラスコを氷浴につけたまま、温度が過熱しないように注意深くイオン交換水（５００ｍＬ）を加える。得られた懸濁液の遠心分離を行い、上澄みを除去する。このような、イオン交換水（５００ｍＬ）を加え得られた懸濁液の遠心分離を行い上澄みを除去する操作（洗浄操作）を５回以上行う。上澄み水溶液から硫酸イオンが十分に除去されていることを確認した上で、得られた沈殿物を常温にて真空乾燥させることによって、黒色（やや茶褐色）の凝集物（７ｇ）を得る。得られた凝集物を、ボールミル（フリッチュ社製）を用いて粉砕し、３２μｍのメッシュパスにより微粉末を回収した。
　このようにして得られたスルホン化ピッチの有機元素分析の結果は、炭素（Ｃ）が４４．５ｗｔ％、水素（Ｈ）が３．３８ｗｔ％、硫黄（Ｓ）が１４．９７ｗｔ％、窒素（Ｎ）が０ｗｔ％であった。この分析結果から、硫黄（Ｓ）が全てスルホン化している場合にはスルホン酸密度が４．６８ｍｍｏｌ／ｇであると計算された。
　実施例１と同様にして、実施例１で使用した図９に示した同種の各種溶媒のそれぞれに、スルホン化ピッチを分散した後、分散液から溶媒を１００℃で真空乾燥によって除去した後に、圧粉体を作成し、この圧粉体を金電極に挟み複素インピーダンス法を用いてイオン伝導度σを測定した。測定結果を図１０に示す。なお、この圧粉体は結着剤は含んでいない。
　図１１は、本発明の実施例において、スルホン酸基を導入したピッチ材料（スルホン化ピッチ）の圧粉体に残留する溶媒のイオン伝導度に及ぼす影響を説明する図である。図１１において、横軸は溶媒のドナー数（ＤＮ）、縦軸は圧粉体のイオン伝導度（Ｓ／ｃｍ２）を示し、図中の各測定点の近傍に圧粉体の作製に使用した溶媒の名称を示す。
　図１１に示すように、圧粉体のイオン伝導度σの測定値は、楕円状の領域に分散しているが、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）を除き、図９（実施例１）に示す同じ近似直線、σ＝−Ｃ×ＤＮによって示される。図９（実施例１）に示す結果と同様に、圧粉体のイオン伝導度σは、ドナー数（ＤＮ）の大きな溶媒を使用したほど小さく、使用した８種類の溶媒のイオン伝導度σは、３×１０−６（Ｓ／ｃｍ２）~３×１０−３（Ｓ／ｃｍ２）の広い範囲の値を示している。この結果からも、ドナー数（ＤＮ）の大きな溶媒を使用して形成した電解質膜のイオン伝導度σも低いものとなると考えられる。
　圧粉体のイオン伝導度σが使用したスルホン化ピッチに固有な一定値とならないことは、スルホン化ピッチの分散に使用した溶媒の種類によって、スルホン化ピッチとの相互作用の大きさが異なり、圧粉体に残留する溶媒の量が異なっているものと考えられる。
　このような溶媒とスルホン化ピッチとの相互作用の相違による影響は、スルホン化ピッチを電解質とし結着剤を使用して電解質膜を形成する場合にも生じると想定され、電解質膜の形成に使用する溶媒によって、電解質膜のイオン伝導度に差を生じるものと予想される。
　以上、図９、図１０、図１１によって説明したように、ドナー数が８以上、２５以下である溶媒を使用することによって、プロトン伝導性複合電解質と溶媒との相互作用を小さくすることができるので、プロトン伝導性複合電解質を分散又は／及び溶解させた溶液を基体に塗布又は含浸させた後、引き続いて溶液を揮散除去させ電解質膜を形成した場合に、電解質膜に残存する溶媒を低下させることができ、プロトン伝導度が高く、燃料電池に好適なプロトン伝導性複合電解質膜を得ることができる。ドナー数が８以上、２５以下である溶媒として、例えば、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジオキサン、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、メタノール（ＭｅＯＨ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ホルムアミド（ＦＡ）を好適に使用することができる。
　次に、電解質膜の形成に使用した溶媒の影響について説明する。
　（電解質膜の形成に使用した溶媒の影響）
　［実施例３］
　ここでは、イオン伝導体として先述したフラーレン誘導体を使用し、フラーレン誘導体を使用した電解質膜の形成に使用した溶媒の影響について説明する。溶媒としてＧＢＬ（γ−ブチロラクトン）を使用し、溶媒としてＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）を使用して形成された電解質膜を比較例とした。
　電解質膜は次のようにして作製した。フラーレン誘導体をガンマブチロラクトンに添加し２時間攪拌して分散させた。この分散液に対し、結着剤の含有量が３０ｗｔ％になるように、結着剤としてＰＶｄＦ−ＨＦＰ共重合体（ＰＶｄＦ（９０ｍｏｌ％）、ＨＦＰ（１０ｍｏｌ％）粉末を添加し、必要に応じてガンマブチロラクトンを添加して、８０℃で３時間以上攪拌し、フラーレン誘導体を均一に分散させた。
　このようにして得られたフラーレン誘導体及び結着剤を含む分散液を基材（ガラスを使用したが、ポリイミドフィルム、ＰＥＴフィルム、ＰＰフィルム等も使用することができる。）上にドクターブレードを用いて均一に伸ばし、クリーンベンチ中でゆっくりと加熱乾燥させ薄膜を形成させた。この薄膜を更に一晩１００℃で減圧乾燥させた後、乾燥された薄膜を基材からはがして電解質膜を得た。
　電解質膜の厚さは、上述の分散液中の結着剤の濃度（溶媒に対する結着剤の濃度、１ｗｔ％~３０ｗｔ％）、単位面積当たりの塗布量を変化させることによって、３μｍ~５０μｍ程度の範囲で制御することができる。なお、本実施例、比較例として共に、厚さ１５μｍの電解質膜を作製した。
　溶媒を、ガンマブチロラクトンからジメチルホルムアミドに変更して、同様にして比較例とする電解質膜を作製した。
　上記のようにして作製された電解質膜を、３点締めでトルクが一定になるように１対の金電極の間に挟み、測定セルを作製した。この測定セルを恒温・恒湿槽内に設置し、複素インピーダンス法を用いてイオン伝導度を測定した。イオン伝導度測定結果は、各湿度において恒温・恒湿槽内に設置後の、インピーダンスデータの時間変化がなくなるまで少なくとも３時間程度静置した後の値として採用した。この測定結果を図１２に示す。
　図１２は、本発明の実施例において、フラーレン誘導体を用いた電解質膜のイオン伝導度の湿度依存性を説明する図である。図１２において、横軸は相対湿度（％）、縦軸は電解質膜のイオン伝導度（Ｓ／ｃｍ２）を示す。図１２中、△で示す上部の曲線が本実施例の電解質膜、□で示す下部の曲線が比較例の電解質膜に関するイオン伝導度を示す。
　図１２に示すように、ドナー数が２６．６と大きい溶媒ＤＭＦを用いて作製した電解質膜のイオン伝導度は、ドナー数が１８と小さい溶媒ＧＢＬを用いて作製した電解質膜のイオン伝導度測定と比較して、測定した湿度範囲の全域において大きく低下していることが分かる。このことは、このような電解質膜を実装した燃料電池の特性は大きく異なるものと予想される。
　次に、本実施例、比較例による電解質膜を実装した燃料電池の特性と、電解質膜の形成に使用された溶媒の影響について説明する。
　（燃料電池の特性とその電解質膜の形成に使用された溶媒の影響）
　［実施例４］
　実施例３による電解質膜（サイズ：１４ｍｍ×１４ｍｍ、厚さ１５μｍ）に、触媒インクをカーボンペーパーに塗布して形成されたアノード側及びカソード側のガス拡散層（それぞれのサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。）を、１３０℃で１５分間、０．５ｋＮの圧力で接合して、膜電極接合体（電解質膜−触媒電極、ＭＥＡ）を形成し、燃料電池を作成した。この燃料電池は、先述した図３に示す直接型燃料電池と基本的に同じ構成を有する。
　同様にして、上述の比較例による電解質膜を作製して、比較例の燃料電池を作製した。
　作製された燃料電池のカソード側のガス拡散層に１００％のメタノールを燃料として供給し、カソード側のガス拡散層に空気を自然吸気により供給して、燃料電池の特性を測定した。この結果を図１３に示す。
　図１３は、本発明の実施例において、フラーレン誘導体を用いた電解質膜を用いた燃料電池の特性を説明する図である。図１３において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、左側縦軸は出力電圧（Ｖ）、右側縦軸は電力密度（ｍＷ／ｃｍ２）示す。図１３中、「△、▲」で示す上部の曲線が実施例３の電解質膜を使用した燃料電池、「□、■」で示す下部の曲線が上述の比較例の電解質膜を使用した燃料電池に関する特性を示す。
　図１３に示すように、ドナー数が１８と小さい溶媒ＧＢＬを用いて作製した実施例３の電解質膜を実装した燃料電池のセル抵抗は、ドナー数が２６．６と大きい溶媒ＤＭＦを用いて作製した上述の比較例の電解質膜を実装した燃料電池のセル抵抗と比較して、電解質膜のイオン伝導度の違いにより、大きく変化しており、燃料電池の出力が向上している。
　実施例３の電解質膜を実装した燃料電池の出力は、上述の比較例の電解質膜を実装した燃料電池の出力と比較すると、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ２を超えるに従って顕著に上回っており、電流密度３２０ｍＡ／ｃｍ２では、電力密度は約１．４倍と大幅に向上している。
　以上説明したように、電解質膜の形成に際して使用される溶媒の種類は、形成された電解質膜のイオン伝導度に大きく影響するので、溶媒の種類としてはドナー数が２５以下のものが望ましい。このような溶媒を用いて電解質膜を形成することによって、電解質膜のイオン伝導性に影響を及ぼす、溶媒と電解質との相互作用を抑制することができ、電解質膜のイオン伝導度は非常に高くすることができ、このような電解質膜を使用した高性能な電気化学デバイスを提供することが可能となる。
　なお、以上の説明では、フラーレン誘導体であるポリマー電解質を例にとって、電解質膜の形成に際して使用される溶媒として、電解質との相互作用が少ない、ドナー数が２５以下である溶媒を使用することについて説明したが、電解質として、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質を用いた電解質膜の形成に際して使用される溶媒に関しても、同じように、プロトン伝導度の低下を抑制するために、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質との相互作用が少ない、ドナー数が２５以下である溶媒が使用される。
　以上、本発明を実施の形態、実施例について説明したが、本発明は上述の実施の形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形が可能である。
　例えば、電解質膜の形成に使用するイオン伝導体として、ルイス酸基をもつプロトン伝導性複合電解質、フラーレン誘導体スルホン化ピッチに限らず、カチオン解離性官能基を有するイオン伝導体に適用することができる。また、電解質膜の形成に使用する結着剤として、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＶｄＦ−ＨＦＰ共重合体等のフッ素系樹脂に限らず、その他の高分子樹脂を使用することができる。
　本発明は、電気化学反応に基づく燃料電池等の発電装置に好適に使用することができる。
１０ａ~１０ｄ、１２ａ~１２ｅ　ポリマー骨格
１０ｅ　　　　　　　　　　　　　連結鎖
２０　　　　　　　　　　　　　　アノード
２２ａ、２２ｂ　　　　　　　　　触媒電極
２３　　　　　　　　　　　　　　高分子電解質膜
２４ａ、２４ｂ　　　　　　　　　ガス拡散層
２５　　　　　　　　　　　　　　燃料
２６ａ、２６ｂ　　　　　　　　　入口
２７ａ、２７ｂ　　　　　　　　　通路
２８ａ、２８ｂ　　　　　　　　　出口
２９ａ、２９ｂ　　　　　　　　　排ガス
３０　　　　　　　　　　　　　　カソード
３５　　　　　　　　　　　　　　空気又は酸素
４０　　　　　　　　　　　　　　膜電極接合体
５０　　　　　　　　　　　　　　燃料供給部
６０　　　　　　　　　　　　　　空気又は酸素供給部

Claims (16)

  1. 　イオン解離性基を有する電解質と、
    　ルイス酸基を有する化合物と
    を含有し、前記ルイス酸基を構成する電子受容性の原子と、前記イオン解離性基を構成する電子供与性の原子とが結合してなるイオン伝導性複合電解質。
  2. 　前記イオン解離性基がプロトン解離性基である、請求項１に記載のイオン伝導性複合電解質。
  3. 　前記化合物は、前記ルイス酸基を側鎖に複数個もつ重合体である、請求項２に記載のイオン伝導性複合電解質。
  4. 　前記プロトン解離性基が、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、ホスホン基（−ＰＯ（ＯＨ）２）、ビススルホンイミド基（−ＳＯ２ＮＨＳＯ２−）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＨ２）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ジホスホノメタノ基（＝Ｃ（ＰＯ（ＯＨ）２）２）、及び、ジスルホノメタノ基（＝Ｃ（ＳＯ３Ｈ）２）からなる群より選ばれた少なくとも１種である、請求項２に記載のイオン伝導性複合電解質。
  5. 　前記ルイス酸基を構成する電子受容性の原子がホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）である、請求項２に記載のイオン伝導性複合電解質。
  6. 　前記電解質は、前記プロトン解離性基を有するフラーレン化合物、前記プロトン解離性基を有するフラーレン化合物を側鎖に複数個もつ重合体、前記プロトン解離性基を有するフラーレン化合物の複数個が連結されてなる重合体、及び、前記プロトン解離性基を側鎖に複数個もつ重合体からなる群より選ばれた少なくとも１種である、請求項４に記載のイオン伝導性複合電解質。
  7. 　請求項１に記載のイオン伝導性複合電解質よりなる電解質膜と、触媒金属を電気伝導性の担体に担持してなる触媒電極とを有し、前記電解質膜の両側に前記触媒電極が配置されてなる膜電極接合体。
  8. 　前記触媒電極は、前記イオン伝導性複合電解質を含む、請求項７に記載の膜電極接合体。
  9. 　請求項７又は請求項８に記載の膜電極接合体を使用してなり、前記電解質膜の両側に配された一対の前記触媒電極の一方で発生させたイオンを前記電解質膜によって他方の触媒電極へ移動させるように構成された電気化学装置。
  10. 　燃料電池として構成された、請求項９に記載の電気化学装置。
  11. 　イオン伝導性複合電解質をドナー数が２５以下である溶媒に添加して分散又は／及び
    　溶解させた溶液を調製する第１工程と、
    　前記溶液を基体に塗布又は含浸させる第２工程と、
    　この第２工程に続いて前記溶液を揮散除去させる第３工程と
    を有するイオン伝導性複合電解質膜の製造方法。
  12. 　前記第１工程において、前記ドナー数が８以上である前記溶媒を使用する、請求項１１に記載のイオン伝導性複合電解質膜の製造方法。
  13. 　請求項１から請求項６の何れか１項に記載のイオン伝導性複合電解質を使用する、請求項１１に記載のイオン伝導性複合電解質膜の製造方法。
  14. 　前記イオン伝導性複合電解質は、プロトン解離性基を有するプロトン伝導性複合電解質である、請求項１１に記載のイオン伝導性複合電解質膜の製造方法。
  15. 　前記第１工程において、前記イオン伝導性複合電解質と共に高分子バインダを前記溶媒に添加する、請求項１１に記載のイオン伝導性複合電解質膜の製造方法。
  16. 　前記イオン伝導性複合電解質を前記溶媒に分散させた分散液から前記溶媒を１００℃で真空乾燥させて得られる粉体によって形成された圧粉体のイオン伝導度が１×１０−４Ｓ／ｃｍとなるような前記溶媒が前記第１工程において使用される、請求項１１から請求項１５の何れか１項に記載のイオン伝導性複合電解質膜の製造方法。
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