(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側鎖を有する固体高分子化合物と、
前記側鎖の末端にある１又は２以上の末端酸基と、
該末端酸基がある側鎖と同一の側鎖内にある１又は２以上の中間酸基及び／又は変性酸基とを備えた多官能化電解質。
【請求項２】
前記中間酸基は、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基又はビスカルボニルイミド基の内のいずれか１種又は２種以上である請求項１に記載の多官能化電解質。
【請求項３】
前記末端酸基は、スルホン酸基、カルボン酸基又はホスホン酸基の内のいずれか１種又は２種以上である請求項１に記載の多官能化電解質。
【請求項４】
前記固体高分子化合物は、フッ素系化合物である請求項１に記載の多官能化電解質。
【請求項５】
前記フッ素系化合物は、パーフルオロ系化合物である請求項４に記載の多官能化電解質。
【請求項６】
前記固体高分子化合物は、炭化水素系化合物である請求項１に記載の多官能化電解質。
【請求項７】
前記炭化水素系化合物は、芳香族炭化水素系化合物である請求項６に記載の多官能化電解質。
【請求項８】
前記炭化水素系化合物は、全芳香族炭化水素系化合物である請求項６に記載の多官能化電解質。
【請求項９】
前記固体高分子化合物間を架橋する架橋基をさらに備えている請求項１に記載の多官能化電解質。
【請求項１０】
前記架橋基は、酸性架橋基である請求項９に記載の多官能化電解質。
【請求項１１】
前記酸性架橋基は、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基又はビスカルボニルイミド基の内のいずれか１種又は２種以上である請求項１０に記載の多官能化電解質。
【請求項１２】
電気伝導度が０．０５Ｓ／ｃｍ以上である請求項１から１１までのいずれかに記載の多官能化電解質。
【請求項１３】
１６０℃において０．８ＭＰａの応力を４分間かけたときに生ずるクリープ伸びが、１５０％以下である請求項１から１２までのいずれかに記載の多官能化電解質。
【請求項１４】
官能基Ａを有する前記固体高分子化合物に対して、前記官能基Ａと反応して第１の中間酸基となり得る１又は２以上の官能基Ｂ及び前記末端酸基又は第２の中間酸基となり得る１又は２以上の官能基Ｃを備えた第１変性剤を導入し、前記官能基Ａの２０％〜１００％を前記官能基Ｂと反応させることにより得られる請求項１から１３までのいずれかに記載の多官能化電解質。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれかに記載の多官能化電解質を用いた電気化学デバイス。
【請求項１６】
請求項１から１４までのいずれかに記載の多官能化電解質を用いた固体高分子型燃料電池。
【請求項１７】
官能基Ａを有する固体高分子化合物に対して、前記官能基Ａと反応して第１の中間酸基となり得る１又は２以上の官能基Ｂ及び末端酸基又は第２の中間酸基となりうる１又は２以上の官能基Ｃを備えた第１変性剤を導入し、前記官能基Ａと前記官能基Ｂとを反応させる工程を備えた多官能化電解質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多官能化電解質及びこれを用いた電気化学デバイス並びに多官能化電解質の製造方法に関し、さらに詳しくは、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、水素及び／又は酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いられる電解質膜等として好適な多官能化電解質及びこれを用いた電気化学デバイス並びに多官能化電解質の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、各種の用途に利用されている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極を設け、改質ガス等の水素を含む燃料ガスを一方の電極（燃料極）へ供給し、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを他方の電極（空気極）へ供給し、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを、直接電気エネルギーとして取り出す電池である。固体高分子型燃料電池には、電解質膜として、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられている。
【０００４】
また、ＳＰＥ電解法は、水を電気分解することにより水素と酸素を製造する方法であり、電解質として、従来のアルカリ水溶液に代えて、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられている。
【０００５】
このような用途に用いられる固体高分子電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）に代表される非架橋のパーフルオロ系電解質が知られている。パーフルオロ系電解質は、化学的安定性が非常に高いことから、燃料電池、ＳＰＥ電解等、過酷な条件下で使用される電解質膜として賞用されているものである。
【０００６】
また、ジャーナル・オブ・フルオリン・ケミストリ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｏｒｉｎｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）第７２巻（１９９５年）２０３〜２０８頁には、新規な酸基として、ビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミド基が提案されており、エーテル部分に２つのビススルホニルイミド基を有するパーフロオロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの共重合により合成されたナフィオンに類似の構造を有するビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドポリマが開示されている。
【０００７】
さらに、特開２０００−１８８０１３号公報には、ビススルホニルイミド、スルホニルカルボニルイミド、ビスカルボニルイミド、ビススルホニルメチレン等からなる強酸性架橋基を介して、パーフルオロ系高分子化合物を架橋させた高耐熱性高分子電解質が本件出願人により開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池は、電池の作動温度が高くなるほど、発電効率が高くなることが知られている。また、固体高分子電解質の両面に接合される電極には、白金系の電極触媒が含まれているが、白金は、微量の一酸化炭素であっても被毒され、燃料電池の出力を低下させる原因となる。しかも、電極触媒の一酸化炭素による被毒は、低温ほど著しくなることが知られている。
【０００９】
そのため、メタノール改質ガス等、微量の一酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用いる固体高分子型燃料電池においては、高効率化と電極触媒の一酸化炭素被毒の低減のために、作動温度を高くすることが望まれている。
【００１０】
また、水電解において、水の電気分解に必要な全エネルギーは温度によってさほど変化しないが、水の電気分解に必要な最低の電圧、すなわち理論分解電圧は、高温になるほど小さくなることが知られている。そのため、外部から熱エネルギーを系に供給し、高温において電気分解反応を行わせることができれば、高価な電気エネルギーの消費を減らすことができ、効率の点で有利である。
【００１１】
さらに、従来の固体高分子電解質は、いずれもプロトン伝導性を発現するには水を必要とする。従って、固体高分子型燃料電池において、運転条件がドライ条件になると、電解質膜の乾燥によって膜抵抗が増加し、出力が低下する。従来の固体高分子型燃料電池においては、これを回避するために、補機を用いて電解質膜の加湿を行っているが、補機による加湿は、燃料電池の効率低下とシステムの大型化を招く。そのため、燃料電池においては、高い電池性能を得るために、低加湿・高温条件下でも高い電気伝導度を示す電解質膜が望まれている。
【００１２】
しかしながら、ナフィオンに代表されるパーフルオロ系電解質は、非架橋であるために耐熱性が低く、ガラス転移温度近傍である１３０℃以上でクリープするという性質がある。そのため、パーフルオロ系電解質を燃料電池やＳＰＥ電解装置に用いた場合には、作動温度を１００℃以下とする必要があり、一酸化炭素による電極触媒の被毒の防止や効率の点で有利な高温で使用できないという問題がある。
【００１３】
また、ナフィオン等の１つの極性基を有するモノマから合成された電解質膜を用いた燃料電池の場合、電解質膜の電気伝導度が不十分であるので、低加湿・高温条件下において高い電池性能は得られない。一方、電解質膜の電気伝導度を上げるために極性基を有するモノマの割合を増やすと、主鎖の結晶性が低下する。そのため、電解質膜の強度が低下したり、あるいは、電解質膜が水に著しく膨潤又は可溶化し、形状を維持できなくなるという問題がある。
【００１４】
また、ジャーナル・オブ・フルオリン・ケミストリ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｏｒｉｎｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）第７２巻（１９９５年）２０３〜２０８頁に開示されているビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドポリマの場合、テトラフルオロエチレンに比してパーフルオロビニルエーテルが嵩高いために、これらを共重合させても十分な分子量が得られず、膜強度が不足する懸念がある。
【００１５】
また、ビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドポリマは非架橋であるために、ナフィオンと同様、耐熱性に問題がある。この問題を解決するために、イミドポリマを共重合させる時に架橋構造を導入することも考えられる。しかしながら、共重合時に架橋構造を導入すると、ポリマが不溶性となるので、膜等に成形するのが非常に困難となり、均質な膜は得られない。
【００１６】
これに対し、本件出願人により提案された高耐熱性高分子電解質は、強酸性架橋基を介してパーフルオロ系電解質が架橋されているので、電解質基の量を大きく減らすことなく、強度を向上させることができる。しかしながら、燃料電池、ＳＰＥ電解装置等の過酷な条件下で使用される電気化学デバイスの性能をさらに高めるためには、これに用いられる電解質の耐熱性、強度及び電気伝導性をさらに向上させることが望まれる。
【００１７】
本発明が解決しようとする課題は、耐熱性、強度及び電気伝導性に優れた多官能化電解質及びその製造方法を提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、過酷な条件下で使用される場合であっても高い性能を発揮する電気化学デバイスを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る多官能化電解質は、側鎖を有する固体高分子化合物と、前記側鎖の末端にある１又は２以上の末端酸基と、該末端酸基がある側鎖と同一の側鎖内にある１又は２以上の中間酸基及び／又は変性酸基とを備えていることを要旨とするものである。
【００１９】
本発明に係る多官能化電解質は、固体高分子化合物を構成する１つの側鎖内に２個以上の酸基が導入されるので、主鎖構造が類似し、かつ、側鎖に１個の酸基が導入された従来の固体高分子電解質に比べて、高い電気伝導度を示す。また、電解質全体の酸基量は、側鎖に導入される酸基の個数によって制御でき、その際に主鎖構造の変化を伴わない。そのため、多官能化電解質の強度を担う主鎖部分の結晶性を低下させることなく、電気伝導度を高めることができる。
【００２０】
また、同一側鎖内に末端酸基並びに中間酸基及び／又は変性酸基が導入された多官能化電解質に対して、さらに架橋構造を導入すると、高温における分子の流動が抑制され、耐高温クリープ性が大幅に向上する。そのため、これを高温で使用される各種の電気化学デバイスに用いた場合には、デバイスの作動温度を高めることができ、効率を飛躍的に向上させることができる。また、これを燃料電池用の電解質膜として用いた場合には、低加湿・高温条件下であっても安定して作動する燃料電池が得られる。
【００２１】
このような構造を備えた多官能化電解質は、官能基Ａを有する固体高分子化合物に対して、官能基Ａと反応して第１の中間酸基となり得る１又は２以上の官能基Ｂ及び末端酸基又は第２の中間酸基となり得る１又は２以上の官能基Ｃを備えた第１変性剤を導入し、官能基Ａと官能基Ｂとを反応させることにより製造することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明の第１の実施の形態に係る多官能化電解質は、固体高分子化合物と、末端酸基と、中間酸基及び／又は変性酸基とを備えている。
【００２３】
初めに、固体高分子化合物について説明する。固体高分子化合物は、本発明に係る多官能化電解質の主要部分をなすものであり、多官能化電解質の強度を担う主鎖と、主鎖に結合している側鎖とを備えている。側鎖の構造は、直鎖状あるいは分岐状のいずれであっても良く、特に限定されるものではない。
【００２４】
固体高分子化合物は、高分子鎖中にＣ−Ｆ結合を含むフッ素系化合物、あるいは、高分子鎖中にＣ−Ｈ結合のみを含む炭化水素系化合物のいずれであっても良い。また、フッ素系化合物は、高分子鎖中にＣ−Ｆ結合及びＣ−Ｈ結合の双方を有するもの（以下、これを「フッ素・炭化水素系化合物」という。）、あるいは、高分子鎖中にＣ−Ｆ結合を含み、かつＣ−Ｈ結合を含まないもの（以下、これを「パーフルオロ系化合物」という。）のいずれであっても良い。なお、フッ素系化合物には、Ｃ−Ｆ結合の他、Ｃ−Ｃｌ結合やその他の結合（例えば、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｃ（＝Ｏ）−、−Ｎ（Ｒ）−等）が含まれていても良い。
【００２５】
また、炭化水素系化合物は、高分子鎖中に芳香環を有しないもの（以下、これを「脂肪族炭化水素系化合物」という。）、あるいは、高分子鎖のいずれかに芳香環を有するもの（以下、これを「芳香族炭化水素系化合物」という。）のいずれであっても良い。また、芳香族炭化水素系化合物は、結合連鎖の一部にアルキレン鎖（−（ＣＨ２）ｎ−、ｎ≧１）や分岐炭素構造（例えば、−ＣＨＣＨ３−、−Ｃ（ＣＨ３）２−等）を含むもの（以下、これを「部分芳香族炭化水素系化合物」という。）であっても良く、あるいは、結合連鎖の中にアルキレン鎖や分岐炭素構造を含まないもの（以下、これを「全芳香族炭化水素系化合物」という。）でも良い。
【００２６】
これらの中で、フッ素系化合物は、Ｃ−Ｆ結合を有しているために、耐熱性及び耐酸化性に優れている。また、後述するように、中間酸基は、パーフルオロ骨格との相互作用によって強酸基として機能する。そのため、耐熱性、耐酸化性及び高電気伝導性を有する多官能化電解質を得るためには、固体高分子化合物として、フッ素系化合物、特に、パーフルオロ系化合物を用いるのが好ましい。
【００２７】
また、炭化水素系化合物の中でも、芳香族炭化水素系化合物は、酸基を備えた側鎖の導入が比較的容易である。そのため、高電気伝導性を有する多官能化電解質を得るためには、固体高分子化合物として、芳香族炭化水素系化合物、特に、全芳香族炭化水素系化合物を用いるのが好ましい。
【００２８】
なお、本発明に係る多官能化電解質は、固体高分子化合物を構成する１つの側鎖に複数の酸基が導入されていることを特徴とする。そのため、主鎖に結合している側鎖の数が相対的に少ない場合であっても、高電気伝導性が得られる。また、主鎖に結合している側鎖の数が多くなるほど、電解質全体に導入可能な総酸基量が多くなる。
【００２９】
次に、末端酸基について説明する。末端酸基とは、側鎖の末端に結合している酸基をいう。末端酸基は、固体高分子化合物を構成する側鎖の内、一部の側鎖の末端に結合していても良く、あるいは、すべての側鎖の末端に結合していても良い。また、側鎖が分岐構造を有している場合、末端酸基は、分岐した枝のいずれか１つの末端に結合していても良く、あるいは、２個以上の枝の末端に結合していても良い。一般に、末端酸基が結合している側鎖の数、及び／又は、側鎖に結合している末端酸基の数が多くなるほど、高電気伝導性を示す。
【００３０】
末端酸基としては、具体的には、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等が好適な一例として挙げられる。また、１個の側鎖に複数個の末端酸基が結合している場合、これらの末端酸基は、すべて同種であっても良く、あるいは、２種以上の組み合わせであっても良い。さらに、末端酸基の種類は、側鎖ごとに異なっていても良い。
【００３１】
次に、中間酸基及び変性酸基について説明する。中間酸基とは、側鎖の結合連鎖の一部をなしている酸基をいう。また、変性酸基とは、中間酸基を構成する元素の一部が１又は２以上の酸基を備えた原子団により置換されたものをいう。この場合、原子団に備えられる酸基は、特に限定されるものではなく、上述した末端酸基、又は、中間酸基もしくは変性酸基と同様の構造を有するもののいずれであっても良い。また、原子団は、直鎖状又は分岐状のいずれの構造を有していても良く、さらに、フッ素系あるいは炭化水素系のいずれであっても良い。
【００３２】
また、本発明において、中間酸基又は変性酸基の少なくとも一部は、１又は２以上の末端酸基がある側鎖と同一の側鎖内にあることを特徴とする。この場合、固体高分子化合物を構成する一部の側鎖が、このような末端酸基及び中間酸基又は変性酸基の双方を備えた側鎖（以下、これを「多官能側鎖」という。）であっても良く、あるいは、すべての側鎖が多官能側鎖であっても良い。
【００３３】
また、多官能側鎖は、１個の中間酸基又は変性酸基を有するものであっても良く、あるいは、２個以上の中間酸基及び／又は変性酸基を有するものであっても良い。一般に、多官能側鎖の数、及び／又は、多官能側鎖に結合している、末端酸基、中間酸基もしくは変性酸基の数が多くなるほど、高電気伝導性を示す。また、末端酸基、中間酸基及び変性酸基の種類、並びに固体高分子化合物に対するこれらの導入量を適宜制御することによって、電気伝導度が０．０５Ｓ／ｃｍ以上である多官能化電解質を得ることができる。
【００３４】
さらに、１個の多官能側鎖に複数個の中間酸基及び／又は変性酸基が結合している場合、これらは、すべて同種であっても良く、あるいは、２種以上の組み合わせであっても良い。さらに、中間酸基及び／又は変性酸基の種類は、多官能側鎖ごとに異なっていても良い。
【００３５】
中間酸基としては、具体的には、ビススルホニルイミド基（−ＳＯ２−ＮＨ−ＳＯ２−）、スルホニルカルボニルイミド基（−ＣＯ−ＮＨ−ＳＯ２−）、ビスカルボニルイミド基（−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−）等が好適な一例として挙げられる。また、変性酸基としては、具体的には、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基又はビスカルボニルイミド基の水素がスルホン酸基等を有するパーフルオロアルキレン鎖に置換したもの等が好適な一例として挙げられる。
【００３６】
なお、中間酸基が上述したビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基又はビスカルボニルイミド基である場合、これらは、その両端が炭化水素骨格に結合している場合であっても酸基として機能する。しかしながら、中間酸基の一端又は両端がパーフルオロ骨格に結合している場合には、中間酸基が強酸基として機能し、多官能化電解質に高電気伝導性が付与される。これは、Ｎ−Ｈ結合に寄与する電子が、電気陰性度の大きなＦに引っ張られてパーフルオロ骨格側に移動し、Ｎに結合しているＨがプロトンとして放出されやすくなるためである。
【００３７】
次に、本実施の形態に係る多官能化電解質の製造方法について説明する。本実施の形態に係る多官能化電解質は、官能基Ａを有する固体高分子化合物と、変性剤とを反応させることにより得ることができる。
【００３８】
固体高分子化合物は、官能基Ａを有しているもの、あるいは、官能基Ａを導入可能なものであれば良い。従って、反応前の固体高分子化合物の構造は、直鎖状であっても良く、あるいは、分岐状でも良い。また、固体高分子化合物は、フッ素系化合物あるいは炭化水素系化合物のいずれであっても良い。
【００３９】
中でも、高電気伝導性を備えた多官能化電解質を得るためには、固体高分子化合物は、芳香族系炭化水素化合物が好ましく、全芳香族系炭化水素化合物が特に好適である。また、耐熱性、耐酸化性及び高電気伝導性を備えた多官能電解質を得るためには、固体高分子化合物は、フッ素系化合物が好ましく、パーフルオロ系化合物が特に好適である。
【００４０】
官能基Ａとは、後述する変性剤の官能基Ｂと反応することによって中間酸基となり得る官能基をいう。官能基Ａは、固体高分子化合物のいずれの部分に導入されていても良い。すなわち、官能基Ａは、直鎖状を呈する固体高分子化合物に直接結合していても良く、あるいは、固体高分子化合物を構成する側鎖の中間又は末端に結合していても良い。
【００４１】
官能基Ａとしては、具体的には、スルホニルハライド基、スルホンアミド基、スルホンアミド金属塩、Ｎ−アルキルシリルスルホンアミド基、Ｎ−アルキルシリルスルホンアミド金属塩、カルボニルハライド基、カルボン酸エステル基、カルボニルアミド基、ホスホニルハライド基、ホスホン酸エステル基、ホスホニルアミド基、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。特に、スルホニルハライド基及びその誘導体は、変性剤との反応に消費されなかった場合であっても、これを加水分解すれば容易に強酸基となり、多官能化電解質に高電気伝導性を付与することができるので、官能基Ａとして好適である。
また、官能基Ａとして、スルホニルハライド基とアンモニアとを反応させて得られるスルホンアミド基を用いることが好ましい。この場合、スルホニルハライド基とアンモニアとの反応率は、２０〜１００％が好ましい。反応率は、さらに好ましくは、３０〜１００％、さらに好ましくは、５０〜１００％、特に好ましくは、７０〜１００％である。
【００４２】
なお、固体高分子化合物には、１種類の官能基Ａが含まれていても良く、あるいは、２種以上の官能基Ａが含まれていても良い。さらに、１種又は２種以上の官能基Ａを有する単一の固体高分子化合物と変性剤とを反応させてもよく、あるいは、同一又は異なる官能基Ａを備えた２種以上の固体高分子化合物を任意の比率で混合し、これと変性剤とを反応させても良い。
【００４３】
官能基Ａを有するパーフルオロ系化合物としては、具体的には、デュポン社製ナフィオン（登録商標）、旭化成（株）製アシプレックス（登録商標）、旭硝子（株）製フレミオン（登録商標）、ゴア社製ゴア膜等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００４４】
また、官能基Ａを導入可能なフッ素・炭化水素系化合物としては、具体的には、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（以下、これを「ＰＳ−ｇ−ＥＴＦＥ」という。）、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００４５】
また、官能基Ａを導入可能な脂肪族炭化水素系化合物としては、具体的には、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテル等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００４６】
また、官能基Ａを導入可能な部分芳香族炭化水素系化合物としては、具体的には、ポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００４７】
また、官能基Ａを導入可能な全芳香族炭化水素系化合物としては、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
さらに、官能基Ａを有する、又は官能基Ａが導入されたこれらの化合物（電解質）は、多孔性ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート、フィブリルＰＴＦＥ繊維等の補強材により補強されていても良い。
【００４８】
なお、出発原料として用いる固体高分子化合物中の官能基Ａの濃度又は官能基Ａを有する側鎖の数は、特に限定されるものではなく、多官能化電解質に要求される強度、電気伝導性等に応じて、最適な濃度又は側鎖数を有する化合物を用いればよい。一般的には、官能基Ａの濃度が高くなるほど、又は、官能基Ａを有する側鎖の数が多くなるほど、電解質全体に導入可能な総酸基量が多くなる。従って、高電気伝導性を示す多官能化電解質を得るには、主鎖構造の結晶性を損なわない限り、官能基Ａの濃度は高いほど良く、また、官能基Ａを有する側鎖の数は多い程良い。官能基Ａの濃度は、具体的には、０．２５ｍｍｏｌ／ｇ以上１０ｍｍｏｌ／ｇ以下が好ましく、さらに好ましくは０．５ｍｍｏｌ／ｇ以上４ｍｍｏｌ／ｇ以下である。
【００４９】
次に、変性剤について説明する。固体高分子化合物の側鎖に中間酸基を導入するための変性剤（以下、これを「第１変性剤」という。）は、１分子中に、１又は２以上の官能基Ｂと、１又は２以上の官能基Ｃとを備えている必要がある。
【００５０】
官能基Ｂとは、固体高分子化合物の官能基Ａと反応して第１の中間酸基となり得る官能基をいう。官能基Ｂとしては、具体的には、スルホニルハライド基、スルホンアミド基、スルホンアミド金属塩、Ｎ−アルキルシリルスルホンアミド基、Ｎ−アルキルシリルスルホンアミド金属塩、カルボニルハライド基、カルボン酸エステル基、カルボニルアミド基、ホスホニルハライド基、ホスホン酸エステル基、ホスホニルアミド基、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
官能基Ｂとしては、スルホニルハライド基、カルボニルハライド基、ホスホニルハライド基、スルホン酸エステル基、カルボン酸エステル基、ホスホン酸エステル基が特に好適である。
【００５１】
また、官能基Ｃとは、末端酸基又は第２の中間酸基となり得る官能基をいう。すなわち、官能基Ｃには、末端酸基又は第２の中間酸基そのものの他、加水分解、置換反応等により末端酸基又は第２の中間酸基となるものも含まれる。官能基Ｃとしては、具体的には、ハロゲン、スルホニルハライド基、スルホンアミド基、スルホンアミド金属塩、Ｎ−アルキルシリルスルホンアミド基、Ｎ−アルキルシリルスルホンアミド金属塩、カルボニルハライド基、カルボン酸エステル基、カルボニルアミド基、ホスホニルハライド基、ホスホン酸エステル基、ホスホンアミド基等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００５２】
このような官能基Ｂ及び官能基Ｃを備えた第１変性剤としては、具体的には、１，１，２，２−テトラフルオロエチル−１，３−ジスルホニルフルオライド、１，１，２，２，３，３，−ヘキサフルオロプロピル−１，３−ジスルホニルフルオライド、１，１，２，２，３，３，４，４−オクタフルオロブチル−１，３−ジスルホニルフルオライド、１，１，２，２，３，３，４，４，５，５−パーフルオロブチル−１，３−ジスルホニルフルオライド等のフッ素系スルホニルフルオライド、及びその誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００５３】
また、第１変性剤として、１，１，２，２−テトラフルオロエチル−１，３−ジスルホニルクロライド、１，１，２，２，３，３，−ヘキサフルオロプロピル−１，３−ジスルホニルクロライド、１，１，２，２，３，３，４，４−オクタフルオロブチル−１，３−ジスルホニルクロライド、１，１，２，２，３，３，４，４，５，５−パーフルオロブチル−１，３−ジスルホニルクロライド等のフッ素系スルホニルクロライド、及びその誘導体、１，４−ベンゼンジスルホニルクロライド、４，４’−ビフェニルジスルホニルクロライドを用いても良い。
【００５４】
さらに、第１変性剤の他の具体例としては、１，１，２，２，３，３，−ヘキサフルオロプロピル−３−アイオド−１−スルホニルフルオライド、１，１，２，２，３，３，４，４，−オクタフルオロブチル−４−アイオド−１−スルホニルフルオライド等、及びその誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００５５】
固体高分子化合物の側鎖に変性酸基を導入するための変性剤（以下、これを「第２変性剤」という。）は、１又は２以上の官能基Ｄと、１又は２以上の官能基Ｅとを備えている必要がある。
【００５６】
官能基Ｄとは、側鎖に導入された第１又は第２の中間酸基と反応可能な官能基をいう。官能基Ｄとしては、具体的には、ハライド、スルホニルハライド基、カルボニルハライド基、ホスホニルハライド基等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００５７】
また、官能基Ｅとは、末端酸基又は第３の中間酸基となり得る官能基をいう。すなわち、官能基Ｅには、末端酸基又は第３の中間酸基そのものの他、加水分解、置換反応等により末端酸基又は第３の中間酸基となるものも含まれる。官能基Ｅとしては、具体的には、スルホニルハライド基、カルボニルハライド基、カルボン酸エステル基、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基、ビスカルボニルイミド基、ハロゲン等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００５８】
このような官能基Ｄ及び官能基Ｅを備えた第２変性剤としては、具体的には、１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロ−１，３−ジアイオダイド、１，１，２，２，３，３，４，４−オクタフルオロ−１，４−ジアイオダイド等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
【００５９】
なお、第１変性剤としてフッ素系スルホニルハライドを用いる場合、スルホニルハライド基間の炭素数は、１〜２０が好ましい。また、フッ素系スルホニルハライドは、直鎖構造を有するものでも良く、あるいは分岐構造を有するものでもよい。また、多官能化電解質に高電気伝導性を付与するためには、分岐構造を有し、かつ、２個以上のスルホニルハライド基を有するものが特に好適である。
【００６０】
また、第１変性剤には、上述のような各１種類の官能基Ｂ及び官能基Ｃが含まれていても良く、あるいは、各２種以上の官能基Ｂ及び官能基Ｃが含まれていても良い。また、１種又は２種以上の官能基Ｂ及び官能基Ｃを備えた単一の化合物を第１変性剤として用いても良く、あるいは、同一又は異なる官能基Ｂ及び官能基Ｃを備えた２種以上の化合物を任意の比率で混合し、これを第１変性剤として用いても良い。これらの点は、第２変性剤についても同様である。
【００６１】
官能基Ａを有する固体高分子化合物、並びに、第１変性剤及び／又は第２変性剤に対して、必要に応じて前処理を施した後、これらをその組み合わせに応じた最適な条件下で反応させると、多官能側鎖を有する多官能化電解質が得られる。特に、固体高分子化合物の官能基Ａをアミド化した後、これと変性剤とを最適な条件下で反応させると、高電気伝導度を示す多官能化電解質が得られる。
この場合、第１変性剤及び第２変性剤の導入量、これらと固体高分子化合物との反応率等は、多官能化電解質に要求される電気伝導度、機械的特性等に応じて選択すればよい。一般に、変性剤と反応している官能基Ａの割合が多くなるほど、高い電気伝導度を有する多官能化電解質が得られる。
具体的には、官能基Ａを有する前記固体高分子化合物に対して、１又は２以上の官能基Ｂ及び１又は２以上の官能基Ｃを備えた第１変性剤を導入し、官能基Ａの２０％〜１００％を官能基Ｂと反応させることが好ましい。官能基Ａの反応率は、さらに好ましくは、３０〜１００％、さらに好ましくは、５０〜１００％、特に好ましくは、７０〜１００％である。
また、官能基Ａを有する固体高分子化合物と第１変性剤との反応物に対してさらに第２変性剤を反応させると、その反応率に応じて酸基導入量が増大し、電気伝導度をさらに向上させることができる。
【００６２】
例えば、図１に示すように、側鎖１２の末端にスルホニルフルオライド基（官能基Ａ）を有するパーフルオロ系化合物１０と、両端に所定の官能基を有する直鎖状の変性剤（図示せず）とを適当な条件下で反応させると、側鎖１２の一部が多官能側鎖２２、２４に変性され、多官能化電解質２０となる。
【００６３】
この内、多官能側鎖２２は、側鎖１２の一部が第１変性剤により変性されたものであり、スルホン酸基（末端酸基）とビススルホニルイミド基（中間酸基）の２個の酸基を備えている。また、多官能側鎖２４は、多官能側鎖２２がさらに第２変性剤により変性されたものであり、末端酸基であるスルホン酸基と、ビススルホニルイミド基の水素がスルホン酸基を有する原子団に置換された変性酸基の２個の酸基を備えている。
【００６４】
次に、本実施の形態に係る多官能化電解質の作用について説明する。固体高分子電解質は、一般に、強度を担う主鎖と、電解質基を有する側鎖からなる。側鎖にある電解質基は、会合してクラスタを形成し、これが狭いチャネルでつながることによって伝導パスを形成する。従って、固体高分子電解質の電気伝導度を高めるためには、太い伝導パスを形成する必要があり、そのためには、固体高分子電解質中の電解質基の濃度を増加させる必要がある。
【００６５】
一方、ナフィオンに代表される従来のパーフルオロ系電解質は、一般に、１つの極性基を有するモノマ（以下、これを「極性基モノマ」という。）と、主鎖を構成するモノマの共重合体からなる。従って、パーフルオロ系電解質に含まれる電解質基の濃度を増加させるためには、合成時に極性基モノマの割合を増加させる必要がある。しかしながら、極性基モノマの割合を増加させると、電気伝導度は高くなるが、主鎖の結晶性が低下し、強度を維持できない。
【００６６】
これに対し、例えば、側鎖に１個の官能基Ａを有する固体高分子化合物と、直鎖状の変性剤とを反応させると、図２（ａ）に示すように、末端酸基（スルホン酸基）及び中間酸基（図２中、「Ｓ」と表示。）を有する多官能側鎖２２ａを備えた多官能化電解質２０ａが得られる。同様に、この固体高分子化合物と、３個の官能基を有する分岐状の変性剤とを反応させると、図２（ｂ）に示すように、２個の末端酸基及び１個の中間酸基を有する多官能側鎖２２ｂを備えた多官能化電解質２０ｂが得られる。さらに、この固体高分子化合物と、多数の分岐を備えた変性剤とを反応させるか、あるいは、変性剤との反応を複数回繰り返すと、多数の末端酸基、中間酸基及び変性酸基（図２中、中間酸基から水素が取れたものを「Ｓ’」と表示。）を有する多官能側鎖２２ｃを備えた多官能化電解質２０ｃが得られる。
【００６７】
このようにして得られた多官能化電解質２０ａ〜２０ｃの断面模式図を、それぞれ、図２（ｄ）〜図２（ｆ）に示す。多官能化電解質２０ａ〜２０ｃは、酸基量の増加によって伝導パス３０ａ〜３０ｃが太くなるので、変性前より高い電気伝導性を示す。しかも、側鎖に導入される酸基量が多くなるほど伝導パス３０ａ〜３０ｃは太くなるので、電気伝導度もこれに応じて高くなる。
【００６８】
一方、多官能化電解質２０ａ〜２０ｃは、変性の際に強度を担う主鎖骨格３２ａ〜３２ｃの構造の変化を伴わない。そのため、多官能化電解質２０ａ〜２０ｃは、側鎖に導入する酸基量を増加させても、変性前と同等の強度が維持され、しかも、水に対して著しく膨潤又は可溶化することもない。
【００６９】
また、エーテル部分に２以上の酸基を有するモノマを用いて電解質を合成する場合、モノマの嵩高さのために十分な分子量が得られず、膜強度が不足する懸念がある。また、嵩高いモノマほど共重合されにくいので、１分子当たりに導入される側鎖数（すなわち、酸基数）にも限界がある。これに対し、本実施の形態に係る多官能化電解質は、固体高分子化合物の官能基Ａと変性剤とを反応させることにより製造できるので、従来の方法に比して、１分子当たりの側鎖数及び側鎖当たりの酸基数の制御範囲が広い。そのため、従来の方法では得られない高強度かつ高い電気伝導度を有する多官能化電解質が得られる。
【００７０】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る多官能化電解質について説明する。本実施の形態に係る多官能化電解質は、側鎖を有する高分子化合物と、側鎖の末端にある１又は２以上の末端酸基と、末端酸基がある側鎖と同一側鎖内にある１又は２以上の中間酸基及び／又は変性酸基とを備えていることに加え、さらに固体高分子化合物間を架橋する架橋基を備えていることを特徴とするものである。
【００７１】
本実施の形態において、固体高分子化合物は、主鎖及び側鎖のいずれで架橋されていても良い。また、一般に、高分子化合物の架橋方法には、種々の方法があり、架橋基は、使用する架橋方法に応じて種々の構造を取る。本実施の形態においては、固体高分子化合物は、いずれの方法で架橋されていても良く、また、架橋基の構造も、特に限定されるものではない。
【００７２】
但し、末端酸基は他の部分に比して反応性が高いので、これを介して固体高分子化合物を架橋させるのが好ましい。また、末端酸基を用いて架橋させる場合、固体高分子化合物に１個の架橋構造を導入する毎に２個の末端酸基が消費される。従って、高電気伝導性を示す多官能化電解質を得るためには、固体高分子化合物は、酸性架橋基を介して架橋されていることが好ましい。
【００７３】
酸性架橋基とは、水を含んだ状態で酸性を呈する架橋基をいう。そのためには、酸性架橋基は、架橋点から電子を移動させやすい構造を備えている必要がある。このような酸性架橋基としては、具体的には、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基、ビスカルボニルイミド基等が好適な一例として挙げられる。固体高分子化合物は、これらの内、１種類の酸性架橋基を介して架橋されていても良く、あるいは、２種以上の酸性架橋基により架橋されていても良い。
【００７４】
なお、一般に、架橋密度が大きくなるほど、耐熱性に優れた多官能化電解質が得られるが、架橋密度が過大になると、含水及び水分子の移動を妨げ、かえってプロトン導電性を低下させる傾向がある。従って、架橋密度は、多官能化電解質に要求される耐熱性、電気伝導性等に応じて、最適な値を選択すればよい。架橋密度は、具体的には、反応溶液中の水分量を調節することにより制御することができる。一般に、反応溶液中の水分量が多くなるほど架橋密度は小さくなり、可能な限り水分量を少なくすると、架橋密度は大きくなる。
【００７５】
また、酸性架橋基は、その一端又は両端がパーフルオロ骨格に結合している場合に強酸性を示す点は、上述した中間酸基と同様である。また、固体高分子化合物、末端酸基、中間酸基及び変性酸基の構成については、第１の実施の形態と同一であるので、説明を省略する。
【００７６】
本実施の形態に係る多官能化電解質は、種々の方法を用いて製造することができる。この内、酸性架橋基を介して架橋された多官能化電解質は、上述した官能基Ａを備えた固体高分子化合物と、上述した変性剤の内、官能基Ｂを２個以上備えたものとを反応させることにより製造することができる。
【００７７】
このような固体高分子化合物及び変性剤に対して、必要に応じて前処理を行った後、これらをその組み合わせに応じた最適な条件下で反応させると、一部の変性剤は、１個の官能基Ｂが１個の官能基Ａと反応し、多官能側鎖の一部となる。また、他の変性剤は、少なくとも２個の官能基Ｂがそれぞれ別個の固体高分子化合物の官能基Ａと反応し、固体高分子化合物間を繋ぐ架橋構造の一部となる。しかも、架橋点は、官能基Ａと官能基Ｂの反応により生じた酸性架橋基となる。この場合、多官能側鎖と酸性架橋基の生成比率は、反応条件を適正化することによって、制御することができる。
高強度及び高電気伝導度を示す多官能化電解質を得るためには、官能基Ａを有する固体高分子化合物に対して、２個以上の官能基Ｂを備えた第１変性剤を導入し、官能基Ａの２０％〜１００％を官能基Ｂと反応させることが望ましい。官能基Ａの反応率は、さらに好ましくは、３０〜１００％、さらに好ましくは、５０〜１００％、特に好ましくは、７０〜１００％である。
【００７８】
本実施の形態に係る多官能化電解質は、多官能側鎖を備えているので、高強度、かつ、高電気伝導度を示す。また、固体高分子化合物間を繋ぐ架橋構造を備えているので、高温における分子の流動が抑制され、耐高温クリープ性が大幅に向上する。特に、固体高分子化合物が酸性架橋基を介して架橋されている場合には、架橋反応に消費された末端酸基が酸性架橋基により補われるので、強度、電気伝導性及び耐高温クリープ性に優れた多官能化電解質が得られる。
また、官能基Ａの濃度、官能基Ａの反応率、官能基Ａ及び官能基Ｂの種類、製造条件等を制御することによって、電気伝導度が０．０５Ｓ／ｃｍ以上、クリープ伸び（試験温度：１６０℃、付加応力：０．８ＭＰａ、試験時間：４分間）が１５０％以下である多官能化電解質が得られる。
【００７９】
さらに、本実施の形態に係る多官能化電解質は、非架橋の状態で膜等に成形した後、架橋構造を導入することができるので、重合時に架橋構造を導入する方法に比して、成形が容易化する。また、電解質基の濃度（又は、側鎖数）が相対的に多く、水に膨潤又は可溶化しやすい固体高分子化合物を出発原料に用いる場合であっても、架橋構造を導入することによって、多官能化電解質を水に対して不溶化することができる。そのため、電解質の設計自由度が大幅に向上し、耐熱性、強度及び電気伝導度の異なる種々の多官能化電解質が得られる。
【００８０】
【実施例】
（実施例１）
以下の手順に従い、多官能化電解質膜を作製した。固体高分子化合物及び変性剤には、それぞれ、化１の式に示すナフィオン１１２Ｆ膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）、及び、化２の式に示す１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロピル−１，３−ジスルホニルフルオライドを用いた。なお、化１の式中、波線は、ナフィオンのエーテル側鎖を略示したものである。
【００８１】
【化１】
0003630306.tif 000002
【００８２】
【化２】
0003630306.tif 000003
【００８３】
まず、化１の式に示すナフィオン１１２Ｆ膜をアンモニアガスと共に容器に封入し、２５℃で２時間放置することによって、ナフィオン１１２Ｆ膜のスルホニルフルオライド基をアミド化した。このアンモニアガス処理により、膜中のすべてのスルホニルフルオライド基がスルホンアミド基に変換された。化３の式に、アミド化されたナフィオン１１２Ｆ膜の分子構造を示す。
【００８４】
【化３】
0003630306.tif 000004
【００８５】
次に、窒素置換した容器に、テトラヒドロキシフラン２００ｍｌ、トリエチルアミン１５ｍｌ、及び、化２の式に示す１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロピル−１，３−ジスルホニルフルオライド１０ｇ（以下、これを「変性剤溶液Ａ」という。）を入れ、この変性剤溶液Ａに化３の式に示すアミド化されたナフィオン１１２Ｆを５０℃で２４時間浸積し、ナフィオン１１２Ｆ膜と変性剤とを反応させた。本実施例の場合、変性剤と反応した膜中のスルホンアミド基の割合（反応率）は、９２％であった。
【００８６】
次に、反応後のナフィオン１１２Ｆ膜を、ＫＯＨ／ジメチルスルオキシド／水＝１５／３５／５０の溶液に８０℃で８時間浸漬し、膜に含まれるスルホニルフルオライド基を加水分解した。さらに、この膜を１０％硝酸水溶液で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、加水分解されたスルホニルフルオライド基を完全なプロトン型に変換した。化４の式に、得られた多官能化電解質膜の分子構造を示す。
【００８７】
【化４】
0003630306.tif 000005
【００８８】
本実施例で得られた多官能化電解質膜は、化４の式に示すように、スルホン酸基（末端酸基）及びビススルホニルイミド基（中間酸基）を有する多官能側鎖と、２個のビススルホニルイミド基（酸性架橋基）を有する架橋構造とを備えている。なお、化４の式は、ナフィオン１１２Ｆ膜に含まれる側鎖の内、ｍ個が変性剤との反応によって多官能側鎖となり、ｐ個が他のナフィオン分子（化４の式中、波線で略示）との架橋に消費され、ｑ個が変性剤との反応に消費されなかったことを模式的に示したものである。
【００８９】
（実施例２）
変性剤溶液Ａへの浸漬時間を４８時間に変えた以外は、実施例１と同一の手順に従い、多官能化電解質膜を作製した。本実施例の場合、反応時間を４８時間に変えたことにより、変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、１００％であった。
【００９０】
（実施例３）
固体高分子電解質として、ナフィオン１１１Ｆ膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ２５μｍ）を用いた以外は、実施例１と同一の手順に従い、多官能化電解質膜を作製した。本実施例の場合、変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、９５％であった。
【００９１】
（実施例４）
固体高分子電解質として、ナフィオン１１１Ｆ膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ２５μｍ）を用い、変性剤溶液Ａへの浸漬時間を４８時間に変えた以外は、実施例１と同一の手順に従い、多官能化電解質膜を作製した。本実施例の場合、反応時間を４８時間に変えたことにより、変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、１００％であった。
【００９２】
（実施例５）
以下の手順に従い、多官能化電解質膜を作製した。固体高分子化合物には、ナフィオン１１１Ｆ膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）を用いた。また、変性剤には、次の化５の式に示す１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロピル−３−アイオド−１スルホニルフルオライドを用いた。
【００９３】
【化５】
0003630306.tif 000006
【００９４】
まず、実施例１と同一の手順に従い、ナフィオン１１１Ｆ膜をアミド化した。次に、窒素置換した容器に、テトラヒドロキシフラン２００ｍｌ、トリエチルアミン１５ｍｌ、及び、化５の式に示す１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロピル−３−アイオド−１−スルホニルフルオライド１０ｇ（以下、これを「変性剤溶液Ｂ」という。）を入れ、この変性剤溶液Ｂにアミド化されたナフィオン１１１Ｆを５０℃で４８時間浸漬し、ナフィオン１１１Ｆ膜と変性剤とを反応させた。本実施例の場合、変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、１００％であった。化６の式に、変性されたナフィオン１１１Ｆ膜の分子構造を示す。
【００９５】
【化６】
0003630306.tif 000007
【００９６】
次に、変性されたナフィオン１１１Ｆ膜を、アセトニトリル２００ｍｌ、炭酸水素ナトリウム８２ｇ、ハイドロサルファイトナトリウム１００ｇ、水３００ｍｌの反応溶液に４０℃で２０時間浸漬した。反応後、この膜をＮａＣｌ水溶液で洗浄し、側鎖の末端にスルホニルナトリウム（−ＳＯ２Ｎａ）を導入した。
【００９７】
次に、この膜を２００ｍｌの水に浸漬し、０℃で塩素ガスを２時間バブリングし、スルホニルナトリウムをスルホニルクロライドに変換した。反応後、膜を炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄した。次いで、この膜を、ＫＯＨ／ジメチルスルオキシド／水＝１５／３５／５０の溶液に８０℃で８時間浸漬し、多官能側鎖に含まれるスルホニルクロライド基を加水分解した。さらに、この膜を１０％硝酸水溶液で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、加水分解されたスルホニルクロライド基を完全なプロトン型に変換した。化７の式に、得られた多官能化電解質膜の分子構造を示す。
【００９８】
【化７】
0003630306.tif 000008
【００９９】
本実施例で得られた多官能化電解質膜は、化７の式に示すように、スルホン酸基（末端酸基）及びビススルホニルイミド基（中間酸基）を有する多官能側鎖を備えている。
【０１００】
（比較例１）
実施例１で用いたナフィオン１１２Ｆ膜をＫＯＨ／ジメチルスルオキシド／水＝１５／３５／５０の溶液に８０℃で８時間浸漬し、スルホニルフルオライド基を加水分解した。次に、この膜を１０％硝酸水溶液で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、ナフィオン１１２膜を得た。
【０１０１】
（比較例２）
実施例３で用いたナフィオン１１１Ｆ膜を用いた以外は、比較例１と同一の手順に従い、ナフィオン１１１膜を得た。
【０１０２】
実施例１〜５で得られた多官能化電解質膜及び比較例１、２で得られたナフィオン膜について、電気伝導度及びクリープ特性を評価した。また、得られた電解質膜の両面に白金カーボン電極を接合した後、これを用いて燃料電池を作製し、出力特性を評価した。表１に、アンモニアとの反応率、変性剤との反応率、電気伝導度、クリープ伸び及び出力電圧を示す。
【０１０３】
【表１】
0003630306.tif 000009
【０１０４】
なお、電気伝導度は、２５℃の純水中において交流法（測定周波数１０ｋＨｚ）により求めた膜抵抗と、膜厚から算出した。また、クリープ特性は、１６０℃において膜に０．８ＭＰａの応力をかけ、４分間経過後のクリープ伸びで評価した。さらに、出力特性は、セル温度を１０５℃、加湿バブラー温度を６０℃とし、表２に示す反応ガス供給条件下で定常運転を行い、電流密度０．５Ａ／ｃｍ２での出力電圧で評価した。
【０１０５】
【表２】
0003630306.tif 000010
【０１０６】
比較例１及び比較例２で得られたナフィオン膜の場合、電気伝導度は、いずれも０．１Ｓ／ｃｍ未満であり、クリープ伸びは、３００％以上であった。また、ナフィオン膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下では作動せず、出力電圧は、いずれも０Ｖであった。
【０１０７】
これに対し、多官能側鎖のみを導入した実施例５の多官能化電解質の場合、クリープ伸びは２２０％となり、比較例２に比して、耐クリープ性の大幅な向上は認められなかった。しかしながら、電気伝導度は０．１５２Ｓ／ｃｍとなり、比較例２の約２倍に向上した。また、作製した燃料電池は、表２の低加湿・高温条件下においても安定して作動し、０．７２Ｖの出力電圧が得られた。
【０１０８】
また、多官能側鎖と架橋構造の双方が導入された実施例１〜４の多官能化電解質の場合、電気伝導度は、いずれも０．１Ｓ／ｃｍ以上となり、比較例１より向上した。また、クリープ伸びは、５３〜６２％となり、比較例１の約１／５以下であった。これは、多官能側鎖が導入されることに加え、酸性架橋基を介して高分子間が架橋されたことによって、酸基量が増大し、かつ、高温における分子の流動が抑制されたためである。
【０１０９】
さらに、実施例１〜４で得られた膜を用いた燃料電池は、いずれも、表２の低加湿・高温条件下においても安定して作動し、膜の製造条件に応じて０．４８〜０．７２Ｖの出力電圧が得られた。変性剤溶液との反応時間が長くなるほど出力電圧が高くなるのは、反応時間が長くなるほど多官能側鎖の導入量が増えるためと考えられる。また、膜厚が薄くなるほど出力電圧が高くなるのは、膜厚が薄くなるほどカソードにおいて生成した水のアノード側への拡散が容易となり、膜が適正な含水状態に維持されるためと考えられる。
【０１１０】
図３に、実施例２及び比較例１で得られた電解質膜を用いた燃料電池のセル温度と電流密度０．５Ａ／ｃｍ２での出力電圧との関係を示す。図３より、比較例１の場合、セル温度が１００℃を超えると出力電圧が急激に低下するのに対し、実施例２の場合、セル温度が１００℃を超える低加湿・高温条件下であっても、安定して作動することがわかる。
【０１１１】
（実施例６）
まず、実施例１と同一の手順に従い、ナフィオン１１２Ｆ膜に含まれるスルホニルフルオライド基のアミド化、及び、アミド化されたナフィオン１１２Ｆ膜と変性剤溶液Ａとの反応を行い、膜に多官能側鎖及び架橋構造を導入した。反応後、この膜をテトラヒドロキシフラン２００ｍｌに浸漬し、未反応試薬を除去した。
【０１１２】
次に、得られた膜に対して、再度、実施例１と同一の手順に従い、膜に含まれるスルホニルフルオライド基のアミド化、及び、アミド化された膜と変性剤溶液Ａとの反応を行った。本実施例の場合、スルホニルフルオライド基とアンモニアとの反応率及び変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、いずれも１００％であった。反応後、この膜を、ＫＯＨ／ジメチルスルオキシド／水＝１５／３５／５０の溶液に８０℃で８時間浸漬し、加水分解を行った。さらに、この膜を１０％硝酸水溶液で洗浄した後、さらに蒸留水で洗浄し、多官能化電解質膜を得た。
【０１１３】
得られた多官能化電解質膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１６５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは４９％であった。また、この多官能化電解質膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．６９Ｖの出力電圧が得られた。
【０１１４】
（実施例７）
ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン、三井化学（株）製）１０ｇを１００ｍｌの濃硫酸に溶かし、室温で１００時間反応させた。次いで、得られた反応液を１ｌの水にあけ、スルホン化されたＰＥＥＫ（以下、「ｓ−ＰＥＥＫ」という。）を析出させた。さらに、析出物を濾過し、これを水で洗浄した。得られたｓ−ＰＥＥＫのスルホン化率は８０％であった。
【０１１５】
次に、ｓ−ＰＥＥＫの水／エタノール溶液から厚さ５０μｍのｓ−ＰＥＥＫ膜を製膜した。次いで、塩化チオニル３０ｇ、テトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に、この膜（８ｃｍ×８ｃｍ）を５０℃で１０時間浸漬し、ｓ−ＰＥＥＫ膜のスルホン酸基をクロロ化した。反応後、膜をテトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に浸漬し、未反応の塩化チオニルを除去した。
【０１１６】
さらに、得られた膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で、膜のアミド化処理、変性剤溶液Ａとの反応、加水分解及びプロトン化処理を行った。本実施例の場合、スルホニルクロライド基とアンモニアとの反応率及び変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１１７】
得られた多官能化電解質膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１６５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは５％であった。また、この多官能化電解質膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．５６Ｖの出力電圧が得られた。
【０１１８】
（実施例８）
４，４’−ジアミノ−２，２’−ビフェニルジスルホン酸と、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物をモル比で１：１になるようにクレゾールに溶解し、８０℃で１０時間反応させ、ポリイミドを合成した。この溶液をキャストし、厚さ５０μｍのポリイミド膜Ａを製膜した。次に、この膜（８ｃｍ×８ｃｍ）を、塩化チオニル３０ｇ、テトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に５０℃で１０時間浸漬し、ポリイミド膜Ａのスルホン酸基をクロロ化した。反応後、膜をテトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に浸漬し、未反応の塩化チオニルを除去した。
【０１１９】
さらに、得られた膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で、膜のアミド化処理、変性剤溶液Ａとの反応、加水分解及びプロトン化処理を行った。本実施例の場合、スルホニルクロライド基とアンモニアとの反応率及び変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１２０】
得られた多官能化電解質膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１７０Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは５％であった。また、この多官能化電解質膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．５５Ｖの出力電圧が得られた。
【０１２１】
（実施例９）
４，４’−ジアミノ−２，２’−ビフェニルジスルホン酸と、４，４’−（９−フルオレニリデンジアミン）と、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物とをモル比で０．９５：０．０５：１になるようにクレゾールに溶解し、８０℃で１０時間反応させ、ポリイミドを合成した。この溶液をキャストし、厚さ５０μｍのポリイミド膜Ｂを製膜した。次に、塩化チオニル３０ｇ、テトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に、この膜（８ｃｍ×８ｃｍ）を５０℃で１０時間浸漬し、ポリイミド膜Ｂのスルホン酸基をクロロ化した。反応後、膜をテトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に浸漬し、未反応の塩化チオニルを除去した。
【０１２２】
さらに、得られた膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で、膜のアミド化処理、変性剤溶液Ａとの反応、加水分解及びプロトン化処理を行った。本実施例の場合、スルホニルクロライド基とアンモニアの反応率及び変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１２３】
得られた多官能化電解質膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１７５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは６％であった。また、この多官能化電解質膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．５６Ｖの出力電圧が得られた。
【０１２４】
（実施例１０）
４，４’−ジアミノ−２，２’−ビフェニルジスルホン酸と、４，４’−オキシジアニリンと、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物とをモル比で０．９５：０．０５：１になるようにクレゾールに溶解し、８０℃で１０時間反応させ、ポリイミドを合成した。この溶液をキャストし、厚さ５０μｍのポリイミド膜Ｃを製膜した。次に、塩化チオニル３０ｇ、テトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に、この膜（８ｃｍ×８ｃｍ）を５０℃で１０時間浸漬し、ポリイミド膜Ｃのスルホン酸基をクロロ化した。反応後、膜をテトラヒドロフラン３００ｍｌの溶液に浸漬し、未反応の塩化チオニルを除去した。
【０１２５】
さらに、得られた膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で、膜のアミド化処理、変性剤溶液Ａとの反応、加水分解及びプロトン化処理を行った。本実施例の場合、スルホニルクロライド基とアンモニアとの反応率及び変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１２６】
得られた多官能化電解質膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１７６Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは７％であった。また、この多官能化電解質膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．５５Ｖの出力電圧が得られた。
【０１２７】
（実施例１１）
電子線を照射したＥＴＦＥ膜（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体。８ｃｍ×８ｃｍ、膜厚５０μｍ）を、スチレン５８８ｍｌ、ジビニルベンゼン１２ｍｌ、キシレン３００ｍｌからなる溶液に６０℃で５時間浸漬することにより、ポリスチレンがグラフト重合したＰＳ−ｇ−ＥＴＦＥ膜を得た。グラフト率は４５％であった。この膜を、クロロスルホン酸２０ｍｌ、ジクロロエタン５００ｍｌからなる溶液に６０℃で１時間浸漬し、ポリスチレン部分をスルホン化した。この後、膜をジクロロエタン５００ｍｌに浸漬し、未反応試薬を除去した。
【０１２８】
さらに、得られた膜（８ｃｍ×８ｃｍ、厚さ５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で、膜のアミド化処理、変性剤溶液Ａとの反応、加水分解及びプロトン化処理を行った。本実施例の場合、スルホニルクロライド基とアンモニアとの反応率及び変性剤と膜中のスルホンアミド基との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１２９】
得られた多官能化電解質膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１９０Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは３％であった。また、この多官能化電解質膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．５０Ｖの出力電圧が得られた。
【０１３０】
（比較例３）
実施例７で合成したｓ−ＰＥＥＫ膜（膜厚５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１０５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは１５％であった。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において作動せず、出力電圧は得られなかった。
【０１３１】
（比較例４）
実施例８で合成したポリイミド膜Ａ（膜厚５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１１５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは１０％であった。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において作動せず、出力電圧は得られなかった。
【０１３２】
（比較例５）
実施例９で合成したポリイミド膜Ｂ（膜厚５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１２０Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは１０％であった。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において作動せず、出力電圧は得られなかった。
【０１３３】
（比較例６）
実施例１０で合成したポリイミド膜Ｃ（膜厚５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１２１Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは１２％であった。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において作動せず、出力電圧は得られなかった。
【０１３４】
（比較例７）
実施例１１で合成したスルホン化したＰＳ−ｇ−ＥＴＦＥ膜（膜厚５０μｍ）について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。その結果、電気伝導度は０．１３５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは１０％であった。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において作動せず、出力電圧は得られなかった。
【０１３５】
表３に、実施例６〜１１及び比較例３〜７で得られた膜のアンモニアとの反応率、変性剤との反応率、電気伝導度、クリープ伸び、出力電圧を示す。
【０１３６】
【表３】
0003630306.tif 000011
【０１３７】
（実施例１２）
アンモニアガスによる処理時間を４５分とし、スルホニルフロライド基からスルホンアミド基への変換率（アンモニアとの反応率）を７２％に変えた以外は、実施例４と同一の手順に従い、多官能化電解質を作製した。
【０１３８】
（実施例１３）
アンモニアガスによる処理時間を３０分とし、スルホニルフロライド基からスルホンアミド基への変換率を５１％に変えた以外は、実施例４と同一の手順に従い、多官能化電解質を作製した。
【０１３９】
（実施例１４）
アンモニアガスによる処理時間を１５分とし、スルホニルフロライド基からスルホンアミド基への変換率を３０％に変えた以外は、実施例４と同一の手順に従い、多官能化電解質を作製した。
【０１４０】
（実施例１５）
アンモニアガスによる処理時間を１０分とし、スルホニルフロライド基からスルホンアミド基への変換率を２０％に変えた以外は、実施例４と同一の手順に従い、多官能化電解質を作製した。
【０１４１】
（実施例１６）
電解質膜として、多孔質ＰＴＦＥシートにより補強されたパーフルオロ系電解質膜（ゴア社製、膜厚３０μｍ）のフルオロ体を用いた以外は、実施例４と同一の手順に従い、多官能化電解質を作製した。本実施例の場合、アンモニアとの反応率及び変性剤との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１４２】
（実施例１７）
変性剤としてとして、トリ（３−フルオロスルホニルヘキサフルオロプロピル）アミン（Ｎ（ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＳＯ２Ｆ）３）を用いた以外は、実施例４と同一の手順に従い、多官能化電解質を作製した。本実施例の場合、アンモニアとの反応率及び変性剤との反応率は、いずれも１００％であった。
【０１４３】
（比較例８）
電解質膜として、多孔質ＰＴＦＥシートにより補強されたパーフルオロ系電解質膜（ゴア社製、膜厚３０μｍ）をそのまま実験に用いた。
【０１４４】
実施例１２〜１７及び比較例８で得られた膜について、実施例１と同一条件下で電気伝導度、クリープ伸び及び出力特性を測定した。表４に、アンモニアとの反応率、変性剤との反応率、電気伝導度、クリープ伸び及び出力電圧を示す。
【０１４５】
【表４】
0003630306.tif 000012
【０１４６】
実施例１２〜１５より、ナフィオン１１１Ｆとアンモニアガスとを反応させる場合において、アンモニアガスによる処理時間が長くなるほど、電気伝導度が大きくなり、かつクリープ伸びも小さくなることがわかる。これは、アンモニアガスによる処理時間が長くなるほど、膜中のスルホニルフロライド基のスルホンアミド基への変換率が大きくなり、これによって、より多くの多官能側鎖及び架橋基が膜中に導入されるためと考えられる。また、これらの膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、膜の製造条件に応じて、０．４２〜０．６８Ｖの出力電圧が得られた。
【０１４７】
一方、多孔質ＰＴＦＥシートにより補強されたパーフルオロ系電解質膜（比較例８）の場合、電気伝導率は０．０７５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは２５％であった。しかしながら、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において作動せず、出力電圧は得られなかった。
【０１４８】
これに対し、比較例８の電解質膜に対して多官能側鎖を導入した実施例１６の場合、電気伝導率は０．１３５Ｓ／ｃｍ、クリープ伸びは２０％であり、いずれも比較例８に比して向上した。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．６９Ｖの出力電圧が得られた。
【０１４９】
さらに、変性剤としてトリ（３−フルオロスルホニルヘキサフルオロプロピル）アミンを用いた実施例１７の場合、クリープ伸びは６４％であり、実施例４とほぼ同等であったが、電気伝導度は０．１６５Ｓ／ｃｍとなり、実施例４より向上した。これは、３個のスルホニルフルオライド基を有する３官能試薬を変性剤として用いたために、１側鎖当たりの酸基導入量が増大したためと考えられる。また、この膜を用いた燃料電池は、表２に示す低加湿・高温条件下において安定して作動し、０．７５Ｖの出力電圧が得られた。
【０１５０】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【０１５１】
例えば、本発明に係る多官能化電解質の製造方法は、相対的に少数の官能基Ａを備えた固体高分子化合物と変性剤とを反応させることによって、多官能側鎖を形成し、電解質全体の酸基数を増加させる点に特徴がある。従って、本発明に係る方法を応用すれば、多官能側鎖のみならず、２個又は３個以上の中間酸基のみを有する側鎖を備えた固体高分子電解質も製造することができる。
【０１５２】
また、上記実施の形態では、多官能側鎖及び架橋構造を備えた多官能化電解質の製造方法として、所定の変性剤を用いる方法について説明したが、架橋構造の導入方法はこれに限定されるものではない。例えば、変性剤を用いて固体高分子化合物に多官能側鎖を導入した後、通常の架橋剤（例えば、ＵＶ効果型のアミン系架橋剤）と反応させ、これによって架橋構造を導入しても良い。
【０１５３】
さらに、本発明に係る多官能化電解質は、燃料電池やＳＰＥ装置等、過酷な条件下で使用される電気化学デバイスに用いられる電解質として特に好適であるが、本発明の用途は、燃料電池あるいはＳＰＥ電解装置に限定されるものではなく、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、水素及び／又は酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種の電気化学デバイスに用いられる電解質としても用いることができる。
【０１５４】
【発明の効果】
本発明に係る多官能化電解質は、側鎖を有する固体高分子化合物と、側鎖の末端にある１又は２以上の末端酸基と、末端酸基がある側鎖と同一の側鎖内にある１又は２以上の中間酸基及び／又は変性酸基とを備えているので、高強度かつ高電気伝導度を示すという効果がある。
【０１５５】
また、固体高分子化合物がフッ素系化合物、特に全フッ素系化合物である場合には、多官能化電解質の耐熱性、耐酸化性が向上することに加え、中間酸基が強酸基として機能するので、多官能化電解質の電気伝導度がさらに向上するという効果がある。
【０１５６】
また、固体高分子化合物が芳香族炭化水素系化合物、特に全芳香族炭化水素系化合物である場合には、多官能側鎖の導入が容易となり、高電気伝導性を示す多官能化電解質が得られるという効果がある。
【０１５７】
また、固体高分子化合物間を架橋する架橋基をさらに備えている場合には、高温における分子の流動が抑制され、多官能化電解質の耐熱性が向上するという効果がある。特に、固体高分子化合物間が酸性架橋基を介して架橋されている場合には、架橋点が酸基として機能し、耐熱性、強度及び電気伝導性に優れた多官能化電解質が得られるという効果がある。
【０１５８】
以上のように本発明に係る多官能化電解質は、電気伝導性に優れているので、これを各種の電気化学デバイスに用いた場合には、高性能を発揮する。また、高電気伝導性に加えて、耐熱性及び強度に優れているので、これを例えば車載動力源用燃料電池やＳＰＥ電解装置等に用いた場合には、過酷な条件下であっても安定して作動し、高出力、高効率が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多官能化電解質の概念図である。
【図２】多官能側鎖に導入される酸基量と伝導パスの太さの関係を説明する概念図である。
【図３】本発明に係る多官能化電解質及び従来の固体高分子電解質を用いた燃料電池のセル温度と出力電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
２０              多官能化電解質
２２、２４        側鎖（多官能側鎖）
【図１】
0003630306.tif 000013
【図２】
0003630306.tif 000014
【図３】
0003630306.tif 000015