(57)【要約】      （修正有）【課題】高イオン伝導性と高耐酸化劣化特性が両立する炭化水素系高分子電解質、それを用いた電解質膜、膜／電極接合体、燃料電池及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基やホスホン酸基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入することにより得られるホスホアルキル基含有ポリアゾール電解質であり、前記ホスホアルキル基含有ポリアゾール電解質は、ホスホアルキル基やホスホン酸基を含有する芳香族系のポリオキサゾール類、ポリチアゾール類、ポリイミダゾール類及びそれらが混在する組成物や共重合体である。【選択図】図４
2008218327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式１及び／又は式２の構造単位を有することを特徴とする炭化水素系高分子電解質。
【化１】
2008218327.tif 000044
（ここで、Ａｒ１、Ａｒ２は、芳香族単位を示し、置換基を有しても良く、ヘテロ環系芳香族単位でもよい。これら芳香族単位は、単環系単位、縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上結合して繋がった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成するものとする。ＸはＯ、Ｓ、ＮＨいずれかを表わす。Ａ１はＯ又はＳを表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）
【請求項２】
前記炭化水素系高分子電解質の主鎖にホスホン酸基、ホスホアルキル基、ホスホアルキルエーテル基及びホスホアルキルチオエーテル基からなる群から選ばれた基を有する請求項１記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項３】
前記炭化水素系高分子電解質の主鎖に可撓性基を有する請求項１又は２記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項４】
前記式１及び又は式２の構造単位が、下記式３及び又は式４の構造単位（ここで、ＸはＯ、Ｓ、ＮＨのいずれかを表わし、Ｙ、Ｚはそれぞれ独立にＮ又はＣＨのいずれかを表わし、Ａ１は芳香族環のＣに直接接合、又はＯ、Ｓによる結合を表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、Ｃは炭素を表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）である請求項１ないし３のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質。
【化２】
2008218327.tif 000045
【請求項５】
イオン伝導度が０．０７Ｓ／ｃｍ以上で、６０℃の温度で３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に２４時間浸漬しても引張強度が初期の７５％以上を保持している請求項１ないし４のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項６】
イオン交換容量が０．５〜２．５ミリ当量／ｇである請求項１ないし５のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項７】
下記式５又は式６で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と、下記式７で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させることによって得られた重合体と、式５又は式６で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩からなる群から選択される少なくとも１種と、式８で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させて得られた重合体をブロック重合させて得られたことを特徴とする炭化水素系高分子電解質。
【化３】
2008218327.tif 000046
（ＸはＯ、Ｓ、ＮＨのいずれかを表し、Ａｒ１は炭素数０〜４の４価の芳香族基を表わし、Ａｒ２は炭素数６〜２０の芳香族基、Ａ１は直接接合、Ｏ又はＳを表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）
【請求項８】
イミダゾール環の窒素原子にアルキル基、スルホアルキル基又はホスホアルキル基が導入されている請求項１ないし７のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項９】
前記高分子電解質の主鎖の芳香環にスルホン酸基又はスルホアルキル基を導入した請求項１ないし８のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項１０】
前記高分子電解質の主鎖に可撓性成分を導入した請求項１ないし９のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質を成膜してなる炭化水素系高分子電解質膜。
【請求項１２】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むカソード電極及びアノード電極とを有し、前記カソード電極及びアノード電極が、カーボンブラックに担持された電極触媒と高分子電解質を含む膜電極接合体において、前記高分子電解質膜が下記式１及び／又は式２の構造単位を有する炭化水素系高分子電解質であることを特徴とする膜電極接合体。
【化４】
2008218327.tif 000047
（ここで、Ａｒ１、Ａｒ２は、芳香族単位を示し、置換基を有しても良く、ヘテロ環系芳香族単位でもよい。これら芳香族単位は、単環系単位、縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上結合して繋がった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成するものとする。ＸはＯ、Ｓ、ＮＨいずれかを表わす。Ａ１はＯ又はＳを表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）
【請求項１３】
前記式１及び又は式２の構造単位が、下記式３及び又は式４の構造単位（ここで、ＸはＯ、Ｓ、ＮＨのいずれかを表わし、Ｙ、Ｚはそれぞれ独立にＮ又はＣＨのいずれかを表わし、Ａ１は芳香族環のＣに直接接合、又はＯ、Ｓによる結合を表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、Ｃは炭素を表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）である請求項１２に記載の膜電極接合体。
【化５】
2008218327.tif 000048
【請求項１４】
前記高分子電解質が、下記式５又は式６で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と、下記式７で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させることによって得られた重合体と、式５又は式６で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩からなる群から選択される少なくとも１種と、式８で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させて得られた重合体をブロック重合させて得られる請求項１２記載の膜電極接合体。
【化６】
2008218327.tif 000049
（ＸはＯ、Ｓ、ＮＨのいずれかを表し、Ａｒ１は炭素数０〜４の４価の芳香族基を表わし、Ａｒ２は炭素数６〜２０の芳香族基、Ａ１は直接接合、Ｏ又はＳを表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）
【請求項１５】
請求項１２ないし１４のいずれかに記載の膜電極接合体を組み込んだことを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池を組み込んだことを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項１７】
請求項１６の燃料電池電源システムを組み込んだことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素やメタノール等を燃料とする燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いられる電解質膜等に好適な、特にメタノール直接型燃料電池に最適な、耐酸化性、イオン伝導性等に優れた低コスト高耐久性高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜、電極触媒被覆溶液、膜／電極接合体、燃料電池、燃料電池電源及び燃料電池電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質は高分子鎖中にホスホン酸基、ホスホアルキル基、スルホン基、ホスホアルキル基等のイオン交換基を有する高分子材料であり、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したりする性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜等の各種の用途に利用されている。
【０００３】
水素を燃料とする固体高分子形燃料電池やメタノール、ジメチルエーテルやエチレングリコール等の液体を燃料とする固体高分子形燃料電池は、高出力密度、低温作動、環境調和性が高いという特長を持つことから、自動車などの移動体用電源、分散型電源やモバイル機器用電源等として実用化に向けた開発が進められている。また、水電解は、高分子電解質膜を用いて水を電気分解することにより水素と酸素を製造するものである。
【０００４】
安価な高分子電解質膜としてエンジニアリングプラスチックに代表される芳香族炭化水素系高分子にスルホン基を導入した、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の電解質膜が提案された。これらエンジニアプラスチックをスルホン化した芳香族炭化水素系電解質膜はナフィオン（登録商標）に代表されるふっ素系電解質膜と比較すると、製造が容易で低コストになりうる利点がある。しかし、その一方、「（１）スルホン酸基が直接芳香環に結合しているため、酸または熱によりスルホン酸基の脱離が起こり、イオン伝導率が低下する、（２）スルホン酸基の近傍にエーテル結合等の電子供与性基が存在するとそこから酸化劣化が起こり、強度が低下する、」と言う欠点があった。特に、メタノール直接型燃料電池ではカソード電位が低いため、カソードで過酸化水素が発生し易く、上記（２）の解決が課題であった。
【０００５】
前記（１）の解決法としてスルホン酸基の代わりにスルホアルキル基を導入することが提案された（特許文献１、２）。又、前記（２）の解決方法として主鎖の芳香族炭化水高分子の一部にアゾール系高分子を用いることが提案された（特許文献３〜１０）。特許文献３、４は主鎖の一部にポリベンゾイミダゾールを導入し、イオン伝導性を付与するため、従来の主鎖の芳香環の一部にスルホン酸基を導入している。しかし、主鎖の耐酸化劣化特性は向上したが、スルホン酸基が直接芳香環に結合しているため、酸または熱によりスルホン酸基の脱離が起こってイオン伝導度が低下して抵抗が高くなる現象が起こり、電源としての耐久性は低かった。
【０００６】
特許文献５〜８は主鎖にポリベンゾイミダゾールを採用して耐酸化劣化特性を向上させ、イオン伝導性をイミダゾール環の窒素原子にスルホン酸基、スルホアルキル基やホスホアルキル基を導入することによってイオン伝導性を発揮させたものである。特許文献５〜８は、いずれもイミダゾール環の窒素原子にイオン伝導性基を導入しているため、導入できるイオン伝導性基の導入量が限定され、８０℃という高温でもイオン伝導度は０．０７Ｓ／ｃｍ以下と、比較的低温で作動するメタノール直接型燃料電池や高電流密度で使用する移動体用固体高分子形燃料電池等に使用するには、イオン伝導性は低いものであった。
【０００７】
前記特許文献１〜８を踏まえて、前記（１）及び（２）の同時解決方法として芳香族環のＣに水酸基が結合したアゾール系高分子電解質膜が提案された（特許文献１０）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１１０１７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１８７８２６号公報
【特許文献３】特開２００２−１４６０１８号公報
【特許文献４】特表２００６−５０７３７２号公報
【特許文献５】特開平０９−７３９０８号公報
【特許文献６】特開平０９−１１０９８２号公報
【特許文献７】特開２００３−０５５４５７号公報
【特許文献８】特開２００３−１７８７７２号公報
【特許文献９】特開２００３−０２２７０９号公報
【特許文献１０】特開２００５−２９０３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、フェノール性水酸基のイオン解離度はスルホン酸基やスルホアルキル基に比べて小さいので、燃料電池に必要なイオン伝導度を保持するため、水酸基をスルホン酸基等と比較して多量に導入しなければならない。多量に導入すると耐酸化劣化性が低下したり、メタノール水溶液や水に膨潤したり、溶解してした。また、電子供与性のフェノール性水酸基が結合した芳香族環は耐酸化性が悪く、カソード電位が低く過酸化水素が発生し易いメタノール直接型燃料電池用途には適していなかった。
【００１０】
本発明の目的は、高イオン伝導性と高耐酸化劣化特性が両立する炭化水素系の高分子電解質、それを用いた電解質膜、膜／電極接合体、燃料電池及び燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環のＣにホスホアルキル基やホスホン酸基を導入する方法を詳細に鋭意検討した結果、本発明に至った。
【００１２】
前記課題を解決するための手段の１つは、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基やホスホン酸基を直接、又は酸素原子、硫黄原子等を介して導入することによりイオン伝導性と耐酸化劣化特性を両立させたことにある。
【００１３】
他の手段は、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基やホスホン酸基を直接、又は酸素原子、硫黄原子等を介して導入すると共に、イオン伝導性を更に上げるためにホスホン酸基、又はホスホアルキル基を導入することにより高イオン伝導性と高耐久性を両立させたことにある。
【００１４】
更に他の手段は、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基やホスホン酸基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入し、主鎖に可撓性成分を導入することによりイオン伝導性、耐酸化劣化特性と機械特性を両立させたことにある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高イオン伝導度で耐酸化劣化性に優れた低コスト高出力高耐久性の炭化水素系高分子電解質、電解質膜、膜／電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
本発明の第一の実施形態は、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基やホスホン酸基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入することによる、イオン伝導性と耐酸化劣化特性を両立したホスホアルキル基含有ポリアゾール電解質にある。本発明のホスホアルキル基含有ポリアゾール電解質とは、ホスホアルキル基やホスホン酸基を含有する芳香族系のポリオキサゾール類、ポリチアゾール類、ポリイミダゾール類及びそれらが混在する組成物や共重合体を指す。一般的には下記の式１又は式２で表される繰り返し構造単位を含む電解質である。この高分子電解質の分子量が５０００ないし１０００００であるものが適し、５０００未満では膜としての諸特性特に機械的強度にかけ、１０００００を超えると溶剤溶解性や膜化の困難性が懸念される。
【００１８】
【化１】
2008218327.tif 000003
【００１９】
（ここで、Ａｒ１、Ａｒ２は、芳香族単位を示し、各種脂肪族基、芳香族基、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基等の置換基を有していても良い。これら芳香族単位は、ベンゼン環などの単環系単位、ナフタレン、アントラセン、ピレンなどの縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上任意の結合を介して繋がった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成できる配置であれば特に限定されるものではない。さらに、これらは炭化水素系芳香族単位だけでなく、芳香環内にＮ、Ｏ、Ｓ等を含んだヘテロ環系芳香族単位でも良い。ＸはＯ、Ｓ、ＮＨいずれかを表わす。Ａ１は芳香族環のＣに直接接合、又はＯ、Ｓによる結合を表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）。前記Ａｒ１は下記式３、式４で表わされるものが好ましい。
【００２０】
【化２】
2008218327.tif 000004
【００２１】
（ここで、Ｙ１、Ｙ２はＣＨ又はＮを示し、Ｚは直接結合、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＳＯ２−、−Ｃ（ＣＨ３）２−、−Ｃ（ＣＦ３）２−、−ＣＯ−を表わす）。
【００２２】
前記Ａｒ２は下記式５〜式１５で表わされるものが好ましい。
【００２３】
【化３】
2008218327.tif 000005
【００２４】
（ここで、Ｙ３は−Ｏ−、−Ｓ−、−ＳＯ２−、−Ｃ（ＣＨ３）２−、−Ｃ（ＣＦ３）２−、−ＣＯ−を表わす）。
【００２５】
更に具体的には下記式１５〜式２６等が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
【化４−１】
2008218327.tif 000006
【００２７】
【化４−２】
2008218327.tif 000007
【００２８】
【化４−３】
2008218327.tif 000008
【００２９】
（ここで、Ａ１は芳香族環のＣに直接接合、又はＯ、Ｓによる結合を表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、Ａ３、Ａ４は水素、アルキル基、ホスホアルキル基、スルホアルキル基を表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）。
【００３０】
前記ホスホアルキル基含有ポリアゾール電解質の合成方法として、ポリアゾールにホスホアルキル基を導入するか、ホスホアルキル基を含有するモノマを重縮合してポリアゾールとする方法がある。
【００３１】
ポリアゾールにホスホアルキル基を導入する方法として、例えば、下記反応式に示す様に、式２７に例示するフェノール性の水酸基を有しているポリアゾールのフェノール性水酸基の水素を式２８に示す様に金属塩に変換し、クロロアルキルホスホン酸と反応させ、式２９に示すホスホアルキル基を含有するポリアゾールにする方法がある。
【００３２】
【化５】
2008218327.tif 000009
【００３３】
（ここで、Ａｒ１、Ａｒ２は、芳香族単位を示し、各種脂肪族基、芳香族基、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基等の置換基を有していても良い。これら芳香族単位は、ベンゼン環などの単環系単位、ナフタレン、アントラセン、ピレンなどの縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上任意の結合を介して繋がった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成できる配置であれば特に限定されるものではない。さらに、これらは炭化水素系芳香族単位だけでなく、芳香環内にＮ、Ｏ、Ｓ等を含んだヘテロ環系芳香族単位でも良い。ＸはＯ、Ｓ、ＮＨいずれかを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）。
【００３４】
ホスホアルキル基を含有するモノマを重縮合してポリアゾールとする方法としては、例えば、下記式３０、式３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と、下記式３２で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させることによって得ることが出来る。又、下記式３３で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させて得られたアゾールのＡｒ２をホスホアルキル化、ホスホアルキルエーテル化、ホスホアルキルチオエーテル化、ホスホパーフルオロアルキル化、ホスホパーフルオロアルキルエーテル化、ホスホパーフルオロアルキルチオエーテル化しても良い。
【００３５】
【化６】
2008218327.tif 000010
【００３６】
（ＸはＯ、Ｓ、ＮＨいずれかを表し、Ａｒ１は炭素数４〜０の４価の芳香族基を表わす）。
（Ａｒ２は炭素数６〜２０の芳香族基、Ａ１は直接接合、Ｏ、Ｓを表わし、Ａ２はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす）。
【００３７】
上記芳香族基の具体例は、フェニレン基、ナフタレン基、アントラセン基、ビフェニル基、イソプロピリデンジフェニル基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルフィッド基、ジフェニルホスホン基、ジフェニルケトン基等があり、これら芳香族基の水素原子のうち１つ又は複数が、アルキル基、シクロアルキル基等で置換されていてもよい。これらのうち、ナフタレン基、アントラセン基、ビフェニル基等の疎水性の基が分子間の凝集を起こし、分子間の擬似橋架けを起こし、イオン導電性基を多く導入しても、膨潤や溶解等が起こらず、好都合である。
【００３８】
式３０、式３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と式３２で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種とを反応させて得られた重合体と、式３０、式３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と式３３で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種とを反応させて得られた重合体をブロック重合させる方法は、イオン伝導性部と疎水性部を高精度に制御できて好ましい。
【００３９】
イオン交換基容量は０．８〜２．５ｍ当量／ｇであることが好ましい。この範囲より多いと燃料や水に対して膨潤や溶解しやすくなり、逆に少なくなるとイオン伝導度が低くなる傾向にある。イオン交換基の導入量は式３２で表される芳香族ジカルボン酸誘導体と式３３で表される芳香族ジカルボン酸誘体の配合量を変えて、式３０、３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と反応させることにより、調整出来る。又、式３０、式３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と下記式３２で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種と反応させて得られたアゾールのＡｒ２のイオン伝導性基付与条件を変えることによっても可能である。
【００４０】
式１や式２の構造単位にＮＨ結合を含む場合、Ｈをアルキル基、ホスホアルキル基、ホスホアルキル基等で置換しておく方が電解質膜の塩基性を減じる意味で好ましい。
【００４１】
反応は、通常、無触媒でも進行するが、必要に応じてエステル交換触媒を用いてもよい。本発明で用いるエステル交換触媒としては三酸化アンチモン等のアンチモン化合物、酢酸第一錫、塩化錫、オクチル酸錫、ジブチル錫オキシド、ジブチル錫ジアセテート等の錫化合物、酢酸カルシウム等のアルカリ土類金属塩、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム等のアルカリ金属塩、亜リン酸ジフェニル、亜リン酸トリフェニル等の亜リン酸エステル等を使うことが出来る。反応に際して必要に応じてポリリン酸、ホスホラン、ジフェニルホスホン、ジメチルホスホキシド、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド等の溶媒を使うことが出来る。又、反応に際して乾燥不活性ガス雰囲気下で行うことが分解や着色を抑える意味で好ましい。
【００４２】
本発明の第二の実施形態は、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入すると共にスルホン酸基、又はスルホアルキル基を導入することによる、イオン伝導性と耐酸化劣化特性を両立したホスホアルキル基含有ポリアゾール電解質を得ることにある。具体的には、式３４や式３５に例示するようにホスホアルキル基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入すると共に、スルホン酸基、又はスルホアルキル基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入したポリアゾールである。
【００４３】
【化７】
2008218327.tif 000011
【００４４】
（ここで、Ａｒ１、Ａｒ２は、芳香族単位を示し、各種脂肪族基、芳香族基、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基等の置換基を有していても良い。これら芳香族単位は、ベンゼン環などの単環系単位、ナフタレン、アントラセン、ピレンなどの縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上任意の結合を介して繋がった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成できる配置であれば特に限定されるものではない。さらに、これらは炭化水素系芳香族単位だけでなく、芳香環内にＮ、Ｏ、Ｓ等を含んだヘテロ環系芳香族単位でも良い。ＸはＯ、Ｓ、ＮＨいずれかを表わす。又、Ａ１、Ａ４は芳香族環のＣに直接接合、又はＯ、Ｓによる結合を表わし、Ａ２、Ａ３はＦ又はＨを表わし、ｎ、ｑは１〜１２を表わし、Ｌ、ｍは１〜４を表わす）。
【００４５】
前記反応式においてクロロアルキルホスホンの一部をクロロアルキルスルホン酸に置き換えることにより、ポリアゾールにホスホアルキル基とスルホアルキル基を同時に導入することが出来る。又、ホスホアルキル基を導入したポリアゾールにスルホアルキル基を導入するか、直接スルホン化しても良い。
【００４６】
又、式３２の一部を式３６の化合物に置き換えて重縮合させても良い。例えば、式３０、式３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と式３２、式３３、式３６で表される芳香族ジカルボン酸誘導体とを反応させても良い。又、式３０、式３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と式３２で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種とを反応させて得られた重合体、式３０、３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と式３３で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種とを反応させて得られた重合体と、式３０、３１で表される芳香族ジアミン誘導体及びその塩酸塩等からなる群から選択される少なくとも１種と式３６で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の少なくとも１種とを反応させて得られた重合体をブロック重合させる方法は、イオン伝導性部と疎水性部を高精度に制御できて好ましい。
【００４７】
【化８】
2008218327.tif 000012
【００４８】
（Ａｒ２は炭素数６〜２０の芳香族基、Ａ５は直接接合、Ｏ、Ｓを表わし、Ａ６はＦ又はＨを表わし、ｎは１〜１２を表わし、ｍは１〜４を表わす。）
本発明の第三の実施形態は、イオン伝導性、耐酸化劣化特性と機械特性を両立させるため、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環にホスホアルキル基を直接、又は酸素、硫黄等の原子を介して導入し、主鎖に可撓性成分を導入したポリアゾールである。
【００４９】
主鎖に導入する可撓性成分としてはゴム成分又はエラストマ成分を含むオレフィン系エラストマ、ふっ素系エラストマ、ポリアミド系エラストマ、ポリエステル系エラストマ、ウレタン系エラストマ等の熱可塑性エラストマ、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ポリエチレン・プロピレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ふっ素系ゴム等のゴム成分等がある。このうち、対酸化性の観点からシリコーン系とふっ素系が好ましい。
【００５０】
本発明の電解質を燃料電池用に使用する場合、電解質膜及び電極バインダとして使用することが好適である。本発明の電解質を膜化する場合、その方法には特に制限は無いが、溶液状態より成膜する方法（溶液キャスト法）が利用できる。例えば、電解質溶液をガラス板上に流延し、溶媒を除去することにより成膜することができる。成膜に用いる溶媒は、電解質を溶解し、流延後除去できるものであれば特に制限は無く、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルホスホキシド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミド等の非プロトン極性溶媒や、ポリリン酸、メタンホスホン酸、硫酸、トリフルオロ酢酸等の強酸を用いることができる。これらの溶媒は単独、若しくは混合して用いることが出来る。又、溶解性を向上させるため、臭化リチウム、塩化リチウム、塩化アルミニウム等のルイス酸を有機溶媒に添加してもよい。溶液中の電解質濃度は５〜４０重量％の範囲であることが好ましい。濃度が低すぎると成形性が悪化し、高すぎると加工性が悪化する。
【００５１】
タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、タングストリン酸、モリブデン酸などのイオン伝導性の無機物をアゾール系電解質膜にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによってより高温域まで運転できる燃料電池とすることもできる。上記した水和型の酸性電解質膜は一般に乾燥時と湿潤時とでは膨潤によって膜の変形が発生し、十分にイオン伝導性の高い膜では機械強度が十分でない場合が生じる。このような場合には、機械強度、耐久性、耐熱性に優れた不織布或いは織布状の繊維を芯材として用いたり、電解質膜製造時にこれらの繊維をフィラーとして添加、補強したり、細孔が貫通した膜を芯材として用いたりすることは電池性能の信頼性を高める上で有効な方法である。又、電解質膜の水や燃料の保持性を高めるため、ポリアゾール類に硫酸、リン酸、ホスホン酸類やホスホン酸類をドープした膜を使用することもできる。
【００５２】
また、本発明に用いられる高分子電解質膜を製造する際に、通常の高分子に使用される可塑剤、酸化防止剤、過酸化水素分解剤、金属捕捉材、界面活性剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。酸化防止剤としては２，６−ジ（ｔ−ブチル）  −ｐ−クレゾール、２，６−ジ（ｔ−ブチル）  −ｐ−フェノール、２，４−ジメチル−６−（ｔ−ブチル  ）−フェノール、ｐ−ヒドロキシフェニルシクロヘキサン、ジ−ｐ−ヒドロキシフェニルシクロヘキサン、スチレン化フェノール、１，１’−メチレンビス（４−ヒドロキシ−３，５−ｔ−ブチルフェノール）等のフェノール系酸化防止剤、トリノリルフェニルホスファイト、トリオクタデシルホスファイト、トリデシルホスファイト、トリラウリトリチオホスファイト等の燐系酸化防止剤がある。
【００５３】
過酸化水素分解剤としては、過酸化物を分解する触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、前記酸化防止剤のほかに、金属、金属酸化物、金属リン酸塩、金属フッ化物、大環状金属錯体等が挙げられる。これらから選ばれる一種を単独で用いるか、あるいは二種以上を併用すればよい。なかでも、金属としてはＲｕ、Ａｇ等、金属酸化物としては、酸化チタン、ＲｕＯ、ＷＯ３、ＣｅＯ２、Ｆｅ３Ｏ４等、金属リン酸塩としてはＣｅＰＯ４、ＣｒＰＯ４、ＡＬＰＯ４、ＦｅＰＯ４等、金属フッ化物としてはＣｅＦ３、ＦｅＦ３等、大環状金属錯体としてはＦｅ−ポルフィリン、Ｃｏ−ポルフィリン、ヘム、カタラーゼ等が好適である。特に、過酸化物の分解性能が高いという理由から、酸化チタン、ＲｕＯ２、ＣｅＰＯ４を用いるとよい。
【００５４】
また、金属捕捉剤としてはＦｅ＋＋やＣｕ＋＋イオン等の金属イオンと反応して錯体を作り、金属イオンを不活性化し、金属イオンの持つ劣化促進作用を抑制するものであれば特に制限は無い。そのような金属捕捉剤としてテノイルトリフルオロアセトン、ジエチルチオカルバミン酸ナトリウム（ＤＤＴＣ）や１，５−ジフェニル−３−チオカルバゾン、さらには１，４，７，１０，１３−ペンタオキシシクロペンタデカンや１，４，７，１０，１３，１６−ヘキサオキシシクロペンタデカン等のクラウンエーテル、４，７，１３，１６−テトラオキサ−１，１０−ジアザシクロオクタデカンや４，７，１３，１６，２１，２４−ヘキサオキシ−１，１０−ジアザシクロヘキサコサン等のクリプタンド、また更にはテトラフェニルポルフィリン等のポルフィリン系の材料でも構わない。また、それら材料の混合量は実施例に記載したものに限定されるものではない。これらのうち、特にフェノール系酸化防止剤と燐系酸化防止剤の併用系が、少量で効果があり、燃料電池の諸特性に悪影響を及ぼす程度が少ないので好ましい。これらの酸化防止剤、過酸化水素分解剤、金属捕捉材は電解質膜、電極に加えても、或いは、膜と電極の間に配しても良い。特に、カソード電極、或いはカソード電極と電解質膜の間に配するのが少量で効果があり、燃料電池の諸特性に悪影響を及ぼす程度が少ないので好ましい。
【００５５】
該高分子電解質膜の厚みは特に制限はないが１０〜３００μｍが好ましい。特に１５〜２００μｍが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには１０μｍより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには２００μｍより薄い方が好ましい。溶液キャスト法の場合、膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。
【００５６】
前記高分子電解質膜とアノード触媒を担持させたカーボン粉末、或いはアノード触媒を担持させたカーボン粉末同士を接着させ、プロトンを伝導する高分子電解質として本願のアゾール系電解質の他に、従来のふっ素系高分子電解質や炭化水素系電解質を使用できる。そのような炭化水素系電解質としては例えば、ホスホン化ポリエーテルエーテルケトン、ホスホン化ポリエーテルスルホン、ホスホン化アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー、ホスホン化ポリスルフィッド、ホスホン化ポリフェニレン等のホスホン化エンジニアプラスチック系電解質、ホスホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、ホスホアルキル化ポリエーテルスルホン、ホスホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、ホスホアルキル化ポリスルホン、ホスホアルキル化ポリスルフィッド、ホスホアルキル化ポリフェニレン等のホスホアルキル化エンジニアプラスチック系電解質、ホスホアルキルエーテル化ポリフェニレン等の炭化水素系電解質等が挙げられる。
【００５７】
このうち、耐酸化性が良好で、耐メタノール水溶液に優れた炭化水素系高分子が好ましい。かかる高分子電解質膜のイオン交換当量は０．５〜２．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂、更には０．８〜１．８ミリ当量／ｇ乾燥樹脂の範囲が好ましい。かかる高分子電解質のイオン交換当量は高分子電解質膜の当量より大きいことがイオン伝導性の観点から好ましい。かかる高分子電解質膜の耐酸化性付与基は０．５〜２．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂、更には０．８〜１．８ミリ当量／ｇ乾燥樹脂の範囲が好ましい。ふっ素系高分子電解質としてふっ素系電解質であれば特に制限はない。そのようなふっ素系電解質としてポリパーフルオロホスホン酸等が用いられる。
【００５８】
その代表的なものとしてＮａｆｉｏｎ（登録商標：米国Ｄｕｐｏｎｔ社製）、ＡｃｉｐＬｅｘ（登録商標：旭化成工業株式会社製）、ＦＬｅｍｉｏｎ（登録商標：旭硝子株式会社製）がある。かかる電解質のホスホン酸当量は高分子電解質膜の当量より大きいことがイオン伝導性の観点から好ましい。炭化水素系電解質膜との接着性の観点から炭化水素系電解質が好ましい。特に、耐酸化劣化性の観点からポリアゾール系電解質が好ましい。通常の高分子に使用される可塑剤、酸化防止剤、過酸化水素分解剤、金属捕捉材、界面活性剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。
【００５９】
アノード触媒やカソード触媒として燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、チタンあるいはそれらの合金が挙げられる。このような触媒の中で、特にカソード電極用触媒として白金（Ｐｔ）が、アノード電極用触媒として白金／ルテニウム触媒（Ｐｔ／Ｒｕ）が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は２〜３０ｎｍである。これらの触媒はカーボン等の担体に付着させた方が触媒の使用量が少なくコスト的に有利である。触媒の担持量は電極が成形された状態で０．０１〜２０ｍｇ／ｃｍ２が好ましい。
【００６０】
膜電極接合体に使用される電極は、触媒金属の微粒子を担持した導電材により構成されるものであり、必要に応じて撥水剤や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を担持していない導電材と必要に応じて含まれる撥水剤や結着剤とからなる層を、触媒層の外側に形成してもよい。触媒金属を担持させる導電材としては、電子導伝性物質であればいずれのものでも良く、例えば各種金属や炭素材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素あるいは活性炭、黒鉛等を用いることができ、これらは単独あるいは混合して使用することができる。
【００６１】
撥水剤として例えばふっ素化カーボン等が使用される。バインダとしては電解質膜と同系統の炭化水素電解質の溶液を用いることが接着性の観点から好ましいが、他の各種樹脂を用いても差し支えない。また、撥水性を有する含ふっ素樹脂、例えばポリテトラフロロエチレン、テトラフロロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体、およびテトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体を加えてもよい。
【００６２】
燃料用電池として用いる際の高分子電解質膜と電極を接合する方法についても特に制限はなく、公知の方法を適用することが可能である。膜電極接合体の製作方法として、例えば、導電材、例えば、カーボンに担持させたＰｔ触媒粉とポリテトラフロロエチレン懸濁液とを混ぜ、カーボンペーパーに塗布、熱処理して触媒層を形成する。次いで、バインダとして高分子電解質膜と同系統の高分子電解質溶液或いはふっ素系電解質を触媒層に塗布し、高分子電解質膜とホットプレスで一体化する方法がある。この他、高分子電解質と同一の高分子電解質溶液を予めＰｔ触媒粉にコーテイングする方法、触媒ペーストを印刷法、スプレー法、インクジェット法で高分子電解質膜に塗布する方法、高分子電解質膜に電極を無電解鍍金する方法、高分子電解質膜に白金族の金属錯イオンを吸着させた後、還元する方法等がある。このうち、触媒ペーストをインクジェット法で高分子電解質膜に塗布する方法が触媒のロスが少なく優れている。
【００６３】
燃料電池は、高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が上がり電極過電圧が減少するため望ましいが、特に作動温度には制限は無い。液体燃料を気化させて高温で作動させることも可能である。本願の電解質膜は、特に高温作動に適している。
【００６４】
燃料電池は、膜電極接合体の外側に燃料流路と酸化剤流路を形成する溝付きの集電体としての燃料配流板と酸化剤配流板を配したものを単セルとし、このような単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより構成される。単セルを接続するのに積層する以外に平面で接続する方法がある。単セルを接続する方法はそのどちらでも特に制限は無い。小型軽量化を志向する製品には平面で接続し、補機を使用せずに、カートリッジ等で燃料を供給し、自然呼気を利用して空気を供給する、所謂、パッシブ型とする方が好ましい。アノ−ド、電解質膜、カソ−ドから構成される複数の単電池を作製し、それを平面に配列し、各単電池を導電性のインターコネクタで直列に接続することで高電圧化を図かり、燃料や酸化剤を強制供給する補機を用いることなく、又、燃料電池を強制冷却するための補機を用いることなく運転し、燃料には体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を液体燃料として用いることによって長い時間発電を継続できる小型電源を実現することができる。
【００６５】
この小型電源を例えば携帯電話器、ノートＰＣや携帯用ビデオカメラなどの電源として内蔵することによって駆動することができ、予め用意された燃料を逐次補給することによって長時間の連続使用が可能となる。又、前記の場合よりも燃料補給の頻度を大幅に少なく使用する目的で、この小型電源を例えば二次電池搭載の携帯電話器、ノートＰＣや携帯用ビデオカメラの充電器と結合してそれらの収納ケースの一部に装着することによってバッテリーチャージャーとして用いることも有効である。この場合、携帯用電子機器使用時には収納ケースより取り出して二次電池で駆動し、使用しない時にはケースに収納することによってケースに内蔵された小型燃料電池発電装置が充電器を介して結合されて二次電池を充電する。こうすることによって燃料タンクの容積を大きくでき、燃料補給の頻度は大幅に少なくすることができる。
【００６６】
直接型メタノール燃料電池等の燃料電池は、それに使用されている電解質膜や電極が酸化劣化するか或いはイオン伝導性基の脱離によって短時間で使用できなくなる問題点がある。以下の実施例と比較例とから分かるように、耐酸化劣化特性の優れたポリイミダゾール類、ポリオキサゾール類やポリチアゾール類等のポリアゾール系高分子の芳香環のカーボンに直接、或いは酸素原子、硫黄原子を介してホスホアルキル基を導入することにより、低コスト高イオン伝導性で高耐久性の電解質、電解質膜、膜電極接合体を得ることができ、モバイル用電池電源、分散用電池電源、移動体用電池電源を長時間連続使用が可能となる。
【００６７】
以下実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明の趣旨とするところはここに開示した実施例のみに限定されるものではない。尚、各物性の測定条件は次の通りである。
【００６８】
（１）イオン伝導度測定
イオン交換水中に３０℃で約１５時間保管していた５ｍｍ×２５ｍｍの短冊状電解質膜の表面付着水をろ紙で拭き取り、図１に示す様に短冊状電解質膜の表面に直径０．２ｍｍの白金線を５ｍｍ間隔で５本押し当てて３０℃、９５％ＲＨ恒温恒湿槽中に静置した。交流抵抗は白金電極間の１０ｋＨｚにおける交流インピーダンス測定から求めた。白金電極と電解質膜との間に接触による抵抗が生じるが、白金電極間の距離を５、１０、１５、２０ｍｍに変化させてそれぞれの交流抵抗を測定し、電極間距離と交流抵抗の勾配から式１により比抵抗を計算し、接触による抵抗の影響を除外した。抵抗測定装置はＡｇｉＬｅｎｔ社製４２８４ＡＬＣＲメータを、恒温恒湿槽はタバイエスペック（株）製ＳＨ−２２０を使用した。電極間距離と交流抵抗値には良い直線関係が得られ、数式１により比抵抗を計算し、接触による抵抗の影響を除外した。又、イオン伝導度は数式２により計算した。
比抵抗〔Ω・ｃｍ〕＝
幅〔ｃｍ〕×膜厚〔ｃｍ〕×交流抵抗勾配〔Ω／ｃｍ〕      （数式１）
イオン伝導度〔Ｓ／ｃｍ〕＝１／比抵抗                                  （数式２）
（２）耐酸化性試験
３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に保ち、電解質膜が溶解するまでの時間を求めた。
【００６９】
（３）直接型メタノール燃料電池の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて拡散層付ＭＥＡを組み込んで電池性能を測定した。図２において、１は高分子電解質膜、２はアノード電極、３はカソード電極、４はアノード拡散層、５はカソード拡散層、６はアノード集電体、７はカソード集電体、８は燃料、９は空気、１０はアノード端子、１１はカソード端子、１２はアノード端板、１３はカソード端板、１４はガスケット、１５はＯ−リング、１６はボルト／ナットである。燃料としてアノードに２０ｗｔ％のメタノール水溶液を循環させ、カソードに空気を自然呼気で供給し、電流−出力電圧を測定した。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷をかけながら３０℃で連続運転し、４，０００時間経過後の出力電圧を求めた。
【００７０】
〔実施例１〕
（１）ポリヒドロキシベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに８．０３５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルと１３．１３７ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジヒドロキシイソフタル酸ジフェニルを２００ｍＬのホスホランに溶解し、窒素ガスを通気させて脱酸素した。窒素気流下で９６時間加熱還流し、室温で冷却後、メタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入した。沈殿したポリマを濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式３７に示す構造単位を含むポリヒドロキシベンゾイミダゾールを得た。
【００７１】
【化９】
2008218327.tif 000013
【００７２】
（２）ポリホスホブトキシベンゾイミダゾールの合成
前記式３７のポリヒドロキシベンゾイミダゾール１０．６ｇと８７ｇのＮ−メチル−ピロリドン入れ、窒素ガスを通気させながら溶解させた。この溶液に１０．０ｇのエトキシナトリウムのエタノール溶液を攪拌しながら添加した。この溶液に２５．７２ｇのクロロブチルホスホン酸を滴下し、滴下終了後、８０℃に３時間保持した。その後、冷却し、メタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入した。沈殿物を濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式３８に示す構造単位を含むポリホスホブトキシベンゾイミダゾールを得た。
【００７３】
【化１０】
2008218327.tif 000014
【００７４】
（３）ポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに前記式３８のポリホスホブトキシベンゾイミダゾール１０．６ｇと８７ｇのＮ−メチル−ピロリドン入れ、窒素ガスを通気させながら溶解させた。次いで、１．５ｇの水素化リチウムを加え、７０℃の温度に１２時間保持した。気泡の発生が止んだ後、５１．４５ｇのクロロブチルスルホン酸をゆっくり滴下した。その後、７０℃で１２時間保持したのち、冷却しメタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入した。沈殿物を濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式３９に示す構造単位を含むポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾールを得た。
【００７５】
【化１１】
2008218327.tif 000015
【００７６】
（４）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式３８に示す構造単位を含むポリホスホブトキシベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜１）を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．１１Ｓ／ｃｍであった。
【００７７】
この電解質膜１）を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜１）を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【００７８】
又、前記（３）で得られた式３９に示す構造単位を含むポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜２）を作成した。この電解質膜２）のイオン伝導率は０．１８Ｓ／ｃｍであった。電解質膜２）のメタノールに対する溶解性や耐酸化性は前記（２）で得られた式３８に示す構造単位を含むポリホスホブトキシベンゾイミダゾールと同様に良好であった。
【００７９】
（５）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と５ｗｔ％のポリパーフロロホスホン酸電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と５ｗｔ％のポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【００８０】
アノ−ド電極表面に５重量％のポリパーフロロホスホン酸電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（４）で作製したポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜２）に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％のポリパーフロロホスホン酸電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜２）のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１）を作製した。
【００８１】
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０重量％の前記（３）で得られたポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【００８２】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリスルホメチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（４）で作製したポリスルホブチルベンゾイミダゾール電解質膜２）に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％のポリパーフロロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ２）を作製した。
【００８３】
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（３）のポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極２）を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（３）のポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極２）を作製した。
【００８４】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（４）で作製したポリホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜１）、又はポリスルホブチルベンゾイミダゾール電解質膜２）に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。
【００８５】
次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリスルホブチルホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（４）で作製したポリホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜１）、又はポリスルホブチルベンゾイミダゾール電解質膜２）に接合したアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ３）又は４）を作製した。
【００８６】
炭素粉末に焼成後の重量で４０ｗｔ％となるように撥水剤ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）微粒子の水性分散液（デイスパージョンＤ−１：ダイキン工業製）を添加して混練してペースト状になったものを、厚さ約３５０μｍ、空隙率８７％のカーボンクロスの片面に塗布し、室温で乾燥した後２７０℃で３時間焼成して炭素シートを形成した。ＰＴＦＥ量はカーボンクロス布に対して５〜２０ｗｔ％となるようにした。
【００８７】
得られたシートを上記ＭＥＡの電極サイズと同じ形状に切り出してカソード拡散層とした。厚さ約３５０μｍ、空隙率８７％のカーボンクロスを発煙硫酸（濃度６０％）に浸たし、窒素気流下２日間６０℃の温度に保持した。
【００８８】
次いで、フラスコの温度を室温迄冷却した。発煙硫酸を除去し、カーボンクロスを蒸留水が中性になるまでよく洗浄した。次いで、メタノールで浸漬、乾燥した。得られたカーボンクロスの赤外線分光吸収スペクトルの１２２５ｃｍ−１及び１４１３ｃｍ−１に−ＯＳＯ３Ｈ基に基づく吸収が認められた。又、１０４９ｃｍ−１に−ＯＨ基に基づく吸収が認められた。このことから、カーボンクロスの表面に−ＯＳＯ３Ｈ基や−ＯＨ基が導入され、発煙硫酸処理されていないカーボンクロスとメタノール水溶液との接触角８１°より小さく、親水性であった。又、導電性にも優れていた。これを上記ＭＥＡ１）〜４）の電極サイズと同じ形状に切り出してアノード拡散層とした。
【００８９】
（６）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ１）、２）、３）又は４）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図４に示す。ここで、ａ１（白抜き丸）、ａ２（白抜き菱形）、ａ３（白抜き四角）、ａ４（白抜き三角）は、それぞれＭＥＡ１）、２）、３）、４）の電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｂ１（黒丸）、ｂ２（黒菱形）、ｂ３（黒四角）、ｂ４（黒三角）は、それぞれＭＥＡ１）、２）、３）、４）の電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧はそれぞれ０．４９Ｖ、０．４９Ｖ、０．５４Ｖ、０．７０Ｖであった。最大出力密度はそれぞれ５２ｍＷ／ｃｍ２、６３ｍＷ／ｃｍ２、６７ｍＷ／ｃｍ２、８０ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．４７Ｖ、０．４７Ｖ、０．５３Ｖ、０．６９Ｖと、いずれも初期の９５％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本願発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【００９０】
〔実施例２〕
（１）ポリホスホメチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに８．０３５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルと１０．０８ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジカルボキシ−１，４−ホスホメチルベンゼンモノナトリウム塩、１１０ｇのポリリン酸（五酸化リン含量７５％）、８７．９ｇの五酸化リンを入れた。窒素ガスを通気させながら１００℃迄ゆっくり昇温した。１００℃の温度に１．５時間保持した後、１５０℃の温度に昇温して、１５０℃で１時間保持した。次いで、２００℃に昇温して４時間２００℃に保持した。室温迄冷却後、水を加えて内容物を取り出し、ミキサーで粉砕し、濾液がｐＨ試験紙で中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマを減圧乾燥し、式４０に示す構造単位を含むポリホスホメチルベンゾイミダゾールを得た。
【００９１】
【化１２】
2008218327.tif 000016
【００９２】
（２）ポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに２００ｍＬのジメチルアセトアミド、１６．２ｇ（１１３ｍｍｏｌ）の２−クロロエチルホスホン酸、１１．４ｇ（１１３ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを入れ、窒素気流下、室温で約１時間攪拌し、２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液とした。１５．７５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の前記（１）で得た式４０に示す構造単位を含むポリホスホメチルベンゾイミダゾールを窒素気流下２００ｍＬのジメチルアセトアミドに溶かし、これに１．３５ｇ（１７０ｍｍｏｌ）の水素化リチウムを入れ、８５℃で４時間攪拌した。これに２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液を滴下し、２４時間攪拌した。得られた反応溶液をアセトン中に投じ、生じた沈殿を、濾過、減圧乾燥し、式４１に示す構造単位を含むポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを得た。
【００９３】
【化１３】
2008218327.tif 000017
【００９４】
（３）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式４０に示す構造単位を含むポリホスホメチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホメチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．０７Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【００９５】
又、（２）で得られた式４１に示す構造単位を含むポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．１３Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【００９６】
（４）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【００９７】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（３）で作製したポリホスホメチルベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホメチルベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ５）を作製した。
【００９８】
式４０に示す構造単位のポリホスホメチルベンゾイミダゾール電解質膜の代わりに（２）で式４１に示す構造単位を含むポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を用いた以外全く同じ実験を行い、図３に示すようなＭＥＡ６）を作製した。
【００９９】
（５）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ５）、又は６）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図５に示す。ここで、ｃ１（白抜き菱形）はＭＥＡ５）の電流密度−出力電圧の関係を、ｃ２（白抜き丸）はＭＥＡ６）の電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｄ１（黒菱形）はＭＥＡ５）の電流密度−出力密度の関係を、ｄ２（黒丸）はＭＥＡ６）の電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧はそれぞれ０．５９Ｖ、０．６５Ｖであった。最高出力密度は４４ｍＷ／ｃｍ２と５４ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．５７Ｖ、０．６３Ｖで初期の９５％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本願発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１００】
〔実施例３〕
（１）ポリメルカプトベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに５．１７５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノベンゼンと１４．３４０ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジメルカプトイソフタル酸ジフェニルを２００ｍＬのホスホランに溶解し、窒素ガスを通気させて脱酸素する。窒素気流下で９６時間加熱還流し、室温で冷却後、メタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入する。沈殿物を濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式４２に示す構造単位を含むポリメルカプトベンゾイミダゾールを得た。
【０１０１】
【化１４】
2008218327.tif 000018
【０１０２】
（２）ポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾールの合成
前記式４２に示す構造単位を含むポリメルカプトベンゾイミダゾール９．２３ｇと８７ｇのＮ−メチル−ピロリドン入れ、窒素ガスを通気させながら溶解させた。この溶液に１０ｇのエトキシナトリウムのエタノール溶液を攪拌しながら添加した。この反応溶液に２７．８２ｇのクロロプロピルホスホン酸を滴下し、滴下終了後、８０℃に３時間保持した。その後、冷却し、メタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入した。沈殿物を濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式４３に示す構造単位を含むポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾールを得た。
【０１０３】
【化１５】
2008218327.tif 000019
【０１０４】
（３）ポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに２００ｍＬのジメチルアセトアミド、１６．２ｇ（１１３ｍｍｏｌ）の２−クロロエチルホスホン酸、１１．４ｇ（１１３ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを入れ、窒素気流下、室温で約１時間攪拌し、２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液とした。１５．７５ｇの前記（２）で得た式４３に示す構造単位を含むポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾールを窒素気流下２００ｍＬのジメチルアセトアミドに溶かし、これに１．３５ｇの水素化リチウムを入れ、８５℃で４時間攪拌した。これに２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液を滴下し、２４時間攪拌した。得られた反応溶液をアセトン中に投じ、生じた沈殿を、濾過、減圧乾燥し、式４４に示す構造単位を含むポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１０５】
【化１６】
2008218327.tif 000020
【０１０６】
（４）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式３１に示す構造単位を含むポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾール、又は前記（３）で得られた式３２に示す構造単位を含むポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾール電解質膜、及びポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この電解質膜の室温におけるイオン伝導率は、それぞれ０．１３Ｓ／ｃｍ、０．２２Ｓ／ｃｍであった。これらの電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、いずれも初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。
【０１０７】
又、３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１０８】
（５）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（３）のポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【０１０９】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（４）で作製したポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾール電解質膜、及びポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリホスホプロピルチオ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホプロピルチオベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接）し、ＭＥＡ７）及びＭＥＡ８）を作製した。
【０１１０】
（６）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ７）、又はＭＥＡ８）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図６に示す。ここで、ｅ１（白抜き菱形）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｆ１（黒菱形）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．５７Ｖ、最高出力密度は６４ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．５６Ｖで初期の９５％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本願発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１１１】
〔比較例１〕
（１）ポリホスホブチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに９．６２ｇのポリ２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−ビベンゾイミダゾールと８７ｇのＮ−メチル−ピロリドンを入れ、窒素ガスを通気させながら溶解させた。次いで、０．６ｇの水素化リチウムを加え、７０℃の温度に１２時間保持した。気泡の発生が止んだ後、９ｇのブタンスルトンをゆっくり滴下した。その後、７０℃で１２時間保持したのち、冷却しメタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入した。沈殿したポリマを濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式４５に示す構造単位を含むポリホスホブチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１１２】
【化１７】
2008218327.tif 000021
【０１１３】
（２）ポリホスホブチルベンゾイミダゾール電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式４５に示す構造単位を含むポリホスホブチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホブチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．００８Ｓ／ｃｍであった。本願の電解質膜のイオン伝導率は、比較例１のポリホスホブチルベンゾイミダゾール電解質膜より高く、燃料電池用途に適している。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。それぞれ初期の８５％、７０％と劣化していた。
【０１１４】
（３）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％ポリパーフルオロホスホン酸電解質をバインダとして水／アルコール混合溶媒（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で２０：４０：４０の混合溶媒）のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。
【０１１５】
次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と３０ｗｔ％ポリパーフルオロホスホン酸をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。アノ−ド電極表面に５重量％のポリパーフルオロホスホン酸アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で２０：４０：４０の混合溶媒）を前記（２）のポリホスホブチルベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。
【０１１６】
次にカソ−ド電極表面に５重量％のポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記高分子電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによってＭＥＡ８）を作製した。
【０１１７】
（４）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ８）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図７に示す。ここで、ｇ１（白抜き四角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｈ１（黒四角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．３７Ｖであった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．２５Ｖであった。
【０１１８】
以上のことから、本願の炭化水素系電解質膜は、従来のポリホスホアルキルベンゾイミダゾール系炭化水素系電解質膜より、イオン伝導度が高く、燃料電池用途として優れていることが分かる。
【０１１９】
〔比較例２〕
（１）ポリホスホベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに８．０３５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルと９．６４５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジカルボキシベンゼンホスホン酸モノナトリウム塩、１１０ｇのポリリン酸（五酸化リン含量７５％）、８７．９ｇの五酸化リンを入れた。窒素ガスを通気させながら１００℃迄ゆっくり昇温した。１００℃の温度に１．５時間保持した後、１５０℃の温度に昇温して、１５０℃で１時間保持した。次いで、２００℃に昇温して４時間２００℃に保持した。室温迄冷却後、水を加えて内容物を取り出し、ミキサーで粉砕し、濾液がｐＨ試験紙で中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマを減圧乾燥し、式４６に示す構造単位を含むポリホスホベンゾイミダゾールを得た。
【０１２０】
【化１８】
2008218327.tif 000022
【０１２１】
（２）ポリホスホベンゾイミダゾール電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式４６に示す構造単位を含むポリホスホベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．０１Ｓ／ｃｍであった。本発明の電解質膜のイオン伝導率は、比較例２のポリホスホベンゾイミダゾール電解質膜より高く、燃料電池用途に適している。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。それぞれ初期の４５％、２５％と劣化していた。
【０１２２】
（３）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％ポリパーフルオロホスホン酸電解質をバインダとして水／アルコール混合溶媒（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で２０：４０：４０の混合溶媒）のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。
【０１２３】
次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と３０ｗｔ％ポリパーフルオロホスホン酸をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。アノ−ド電極表面に５重量％のポリパーフルオロホスホン酸アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で２０：４０：４０の混合溶媒）を前記（２）のポリホスホベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次にカソ−ド電極表面に５重量％のポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記高分子電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによってＭＥＡ９）を作製した。
【０１２４】
（４）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ９）を組み込んで電池性能を測定した。その電流−出力電圧測定結果は図７と略同様であった。ｇ２（白抜き丸）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｈ２（黒丸）は電流密度−出力密度の関係を示す。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．１３Ｖで初期の約５０％の値であった。
【０１２５】
以上のことから、本願の炭化水素系電解質膜は、従来のポリホスホベンゾイミダゾール系炭化水素系電解質膜より、イオン伝導度が高く、耐久性に優れ、燃料電池用途として優れていることが分かる。
【０１２６】
〔比較例３〕
（１）高分子電解質膜の作製とその特性
前記実施例３の（１）で合成した式４２のポリヒドロキシベンゾイミダゾール電解質を５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリヒドロキシベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．００３Ｓ／ｃｍと本願の電解質膜と比べて低く、本願の電解質膜が燃料電池用途に最適であることが分かる。ポリヒドロキシベンゾイミダゾール電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に１時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。それぞれ初期の４５％、４０％と低下していた。本願の電解質膜の耐酸化性は比較例よりも優れていた。
【０１２７】
（２）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と５ｗｔ％のポリパーフロロホスホン酸電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。
【０１２８】
次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と５ｗｔ％のポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。アノ−ド電極表面に５重量％のポリパーフロロホスホン酸電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリヒドロキシベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。
【０１２９】
次に、カソ−ド電極表面に５重量％のポリパーフロロホスホン酸電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリヒドロキシベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１０）を作製した。
【０１３０】
（３）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記ＭＥＡ１０）を組み込んで電池性能を測定した。その電流−出力電圧測定結果は図７と略同様であった。ｇ３（白抜き三角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｈ３（黒三角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．４５Ｖであった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後に燃料電池の出力は出なかった。
【０１３１】
以上のことから、本願の炭化水素系電解質膜は、従来のポリホスホベンゾイミダゾール系炭化水素系電解質膜より、イオン伝導度が高く、耐久性に優れ、燃料電池用途として優れていることが分かる。
【０１３２】
〔実施例４〕
（１）３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルの合成
かき混ぜ機、窒素導入管、塩化カルシウム管の付いた三口フラスコに４．３２ｇ（２０ｍｍｏｌ）の４，４’−ジアミノ−３，３’−ジヒドロキシビフェニルと８．５０ｇ（８４ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを８０ｍＬ乾燥テトラヒドロフランに溶解した。この溶液に９．１２ｇ（８４ｍｍｏｌ）のトリメチルシリルクロライドを２０℃の温度で攪拌しながら徐々に加える。この温度で１時間、６０℃で４時間攪拌し、生成したトリエチルアミン塩酸塩を窒素雰囲気下でろ過した。更に、２００〜２３０℃／０．５Ｔｏｒｒの溜分を分離した。次いで、リグロインを用いて再結晶して下記式４７の３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを得た。
【０１３３】
【化１９】
2008218327.tif 000023
【０１３４】
（２）ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに１．３２５ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式４８に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１３５】
【化２０】
2008218327.tif 000024
【０１３６】
（３）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式４８に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２５Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１３７】
（４）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（２）のポリホスホヘキサメチレンオベンゾオキサゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【０１３８】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（３）で作製したポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１１）を作製した。
【０１３９】
（５）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ１１）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図８に示す。ここで、ｊ１(白抜き三角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、k1(黒三角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．５６Ｖ、最高出力密度は６４ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．５５Ｖで初期の９０％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１４０】
〔実施例５〕
（１）２，５−ビス［（トリメトキシカルボニル）エチルチオ］−１，４−フェニレンジアミンの合成
かき混ぜ機、窒素導入管、塩化カルシウム管の付いた三口フラスコ中で２１．６ｇ（０．５４ｍｏの水酸化ナトリウムを３００ｍＬの水に溶解した後、窒素気流下で３０．０ｇ（１２２ｍｍｏｌ）の２，５−ジアミノ−１，４’−ベンゼンジチオール二塩酸塩を加えて溶解した。内溶液を５℃に冷却し、２９．４ｍＬ（０．２６９ｍｏｌ）の３−ブロモプロピオン酸メチルと１．０ｇ（３．１２ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを８０ｍＬ乾燥テトラヒドロフランに溶解した。この溶液に９．１２ｇ（８４ｍｍｏｌ）のセチルトリメチルアンモニウムクロライドを加え、５℃の温度で１時間、更に、室温で４時間激しく攪拌した。得られた沈殿をろ過し、水でよく洗浄して乾燥し、ヘキサンを用いて再結晶し、２，５−ビス［（トリメトキシカルボニル）エチルチオ］−１，４−フェニレンジアミンを得た。
【０１４１】
（２）ポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに０．８６１ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−ビス［（トリメトキシカルボニル）エチルチオ］−１，４−フェニレンジアミンを５ｍＬのＮ−メチルピロリドンに溶解し、１．３２５ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−ビスホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドを０℃の温度で一度に加えた。次いで、室温で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥し、下記式４９に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾールを得た。
【０１４２】
【化２１】
2008218327.tif 000025
【０１４３】
（３）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式３７に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．１８Ｓ／ｃｍであった。ポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾール電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率の保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１４４】
（４）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（２）のポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【０１４５】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（３）で作製したポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホヘキサメチレンベンゾチアゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１２）を作製した。
【０１４６】
（５）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記拡散層付ＭＥＡ１２）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図９に示す。ここで、m1((白抜き三角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、n1(黒三角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．５９Ｖ、最高出力密度は６８ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．５７Ｖで初期の９５％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本願発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１４７】
〔実施例６〕
（１）ポリホスホエチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１０．５３３ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノジフェニルホスホンと１５．４９ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジカルボキシ−１，４−ビスホスホエチルベンゼンジナトリウム塩、１１０ｇのポリリン酸（五酸化リン含量７５％）、８７．９ｇの五酸化リンを入れた。窒素ガスを通気させながら１００℃迄ゆっくり昇温した。１００℃の温度に１．５時間保持した後、１５０℃の温度に昇温して、１５０℃で１時間保持した。次いで、２００℃に昇温して４時間２００℃に保持した。室温迄冷却後、水を加えて内容物を取り出し、ミキサーで粉砕し、濾液がｐＨ試験紙で中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマを減圧乾燥し、式５０に示す構造単位を含むポリホスホエチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１４８】
【化２２】
2008218327.tif 000026
【０１４９】
（２）ポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに２００ｍＬのジメチルアセトアミド、１６．２ｇ（１１３ｍｍｏｌ）の２−クロロエチルホスホン酸、１１．４ｇ（１１３ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを入れ、窒素気流下、室温で約１時間攪拌し、２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液とした。１５．７５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の前記（１）で得た式５０に示す構造単位を含むポリホスホエチルベンゾイミダゾールを窒素気流下２００ｍＬのジメチルアセトアミドに溶かし、これに１．３５ｇ（１７０ｍｍｏｌ）の水素化リチウムを入れ、８５℃で４時間攪拌した。これに２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液を滴下し、２４時間攪拌した。得られた反応溶液をアセトン中に投じ、生じた沈殿を、濾過、減圧乾燥し、式５１に示す構造単位を含むポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１５０】
【化２３】
2008218327.tif 000027
【０１５１】
（３）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式５１に示す構造単位を含むポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。このポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２２Ｓ／ｃｍであった。
【０１５２】
ポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率の保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１５３】
（４）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（２）のポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。
【０１５４】
次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。アノ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（２）で作製したポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。
【０１５５】
次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１３）を作製した。
【０１５６】
（５）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記ＭＥＡ１３）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図１０に示す。ここで、ｐ1(白抜き三角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｑ１（黒三角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．７５Ｖ、最高出力密度は６０ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．７６Ｖで初期の９５％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１５７】
〔実施例７〕
（１）ポリヒドロキシベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに５．２１３ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノピリジンと１３．１３７ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジヒドロキシイソフタル酸ジフェニルを２００ｍＬのホスホランに溶解し、窒素ガスを通気させて脱酸素する。窒素気流下で９６時間加熱還流し、室温で冷却後、メタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入する。沈殿物を濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式５２に示す構造単位を含むポリヒドロキシベンゾイミダゾールを得た。
【０１５８】
【化２４】
2008218327.tif 000028
【０１５９】
（２）ポリホスホブトキシベンゾイミダゾールの合成
前記式５２のポリヒドロキシベンゾイミダゾール１０．６ｇと８７ｇのＮ−メチル−ピロリドン入れ、窒素ガスを通気させながら溶解させた。この溶液に１０ｇのエトキシナトリウムのエタノール溶液を攪拌しながら添加した。この反応溶液に１０ｇのクロロブチルホスホン酸を滴下し、滴下終了後、８０℃に３時間保持した。その後、冷却し、メタノール１Ｌとアセトン０．５Ｌの混合溶液に投入した。沈殿物を濾過後、蒸留水、アセトンで洗浄、乾燥し、式５３に示す構造単位を含むポリホスホブトキシベンゾイミダゾールを得た。
【０１６０】
【化２５】
2008218327.tif 000029
【０１６１】
（３）ポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに２００ｍＬのジメチルアセトアミド、１６．２ｇ（１１３ｍｍｏｌ）の２−クロロエチルホスホン酸、１１．４ｇ（１１３ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを入れ、窒素気流下、室温で約１時間攪拌し、２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液とした。１５．７５ｇの前記（１）で得た式５３に示す構造単位を含むポリホスホブトキシベンゾイミダゾールを窒素気流下２００ｍＬのジメチルアセトアミドに溶かし、これに１．３５ｇ（１７０ｍｍｏｌ）の水素化リチウムを入れ、８５℃で４時間攪拌した。これに２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液を滴下し、２４時間攪拌した。得られた反応溶液をアセトン中に投じ、生じた沈殿を、濾過、減圧乾燥し、式４０に示す構造単位を含むポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１６２】
【化２６】
2008218327.tif 000030
【０１６３】
（４）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式４２に示す構造単位を含むポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．１６Ｓ／ｃｍであった。ポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率の保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１６４】
（５）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（３）のポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【０１６５】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（３）で作製したポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（３）で得られたポリホスホブトキシ−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホブトキシベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１４）を作製した。
【０１６６】
（５）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記ＭＥＡ１４）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図１１に示す。ここで、ｒ１（白抜き三角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｓ１（黒三角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．５０Ｖ、最高出力密度は３８ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．４９Ｖで初期の９５％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本願発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１６７】
〔実施例８〕
（１）ポリホスホメチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに８．０３５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルと６．７２５ｇ（２５．０ｍｍｏｌ）の２，５−ジカルボキシ−１，４−ホスホメチルベンゼンモノナトリウム塩、２．０７５ｇ（１２．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジカルボキシベンゼン、１１０ｇのポリリン酸（五酸化リン含量７５％）、８７．９ｇの五酸化リンを入れた。窒素ガスを通気させながら１００℃迄ゆっくり昇温した。１００℃の温度に１．５時間保持した後、１５０℃の温度に昇温して、１５０℃で１時間保持した。次いで、２００℃に昇温して４時間２００℃に保持した。室温迄冷却後、水を加えて内容物を取り出し、ミキサーで粉砕し、濾液がｐＨ試験紙で中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマを減圧乾燥し、式５５に示す構造単位を含むポリホスホメチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１６８】
【化２７】
2008218327.tif 000031
【０１６９】
（２）ポリホスホエチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに２００ｍＬのジメチルアセトアミド、１６．２ｇ（１１３ｍｍｏｌ）の２−クロロエチルホスホン酸、１１．４ｇ（１１３ｍｍｏｌ）のトリエチルアミンを入れ、窒素気流下、室温で約１時間攪拌し、２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液とした。１５．７５ｇ（３７．５ｍｍｏｌ）の前記（１）で得た式５５に示す構造単位を含むポリホスホメチルベンゾイミダゾールを窒素気流下２００ｍＬのジメチルアセトアミドに溶かし、これに１．３５ｇ（１７０ｍｍｏｌ）の水素化リチウムを入れ、８５℃で４時間攪拌した。
【０１７０】
これに２−クロロエチルホスホン酸のトリエチルアミン塩溶液を滴下し、２４時間攪拌した。得られた反応溶液をアセトン中に投じ、生じた沈殿を、濾過、減圧乾燥し、式４４に示す構造単位を含むポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを得た。
【０１７１】
【化２８】
2008218327.tif 000032
【０１７２】
（３）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（２）で得られた式５６に示す構造単位を含むポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２５Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。３０％の過酸化水素水２０ｍＬに硫酸鉄７水和物１．９ｍｇを加えたフェントン試薬に電解質膜を浸漬して６０℃の温度に２４時間保ったのち、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１７３】
（４）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１／１の白金／ルテニウム合金微粒子を５０ｗｔ％分散担持した触媒粉末と３０ｗｔ％の前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約１２５μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアノ−ド電極を作製した。次に、炭素担体上に３０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロホスホン酸の１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒をバインダとして水／アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約２０μｍ、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍのカソ−ド電極を作製した。
【０１７４】
アノ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記（３）で作製したポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜に接合し、約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥した。
【０１７５】
次に、カソ−ド電極表面に５重量％の前記（２）で得られたポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾールの１−プロパノール、２−プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約０．５ｍＬ浸透させた後に前記ポリホスホメチル−Ｎ−ホスホエチルベンゾイミダゾール電解質膜のアノード層と反対側の面に、先に接合したアノ−ド層と重なるような位置に接合して約１ｋｇの荷重をかけて８０℃で３時間乾燥することによって図３に示すようなＭＥＡ１５）を作製した。
【０１７６】
（５）燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電性能
図２に示す固体高分子形燃料電池発電装置単セルを用いて前記ＭＥＡ１５）を組み込んで電池性能を測定した。電流−出力電圧測定結果を図１２に示す。ここで、ｔ１（白抜き三角）は電流密度−出力電圧の関係を示す。又、ｕ１（黒三角）は電流密度−出力密度の関係を示す。５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における出力電圧は０．４６Ｖ、最高出力密度は３３ｍＷ／ｃｍ２であった。又、５０ｍＡ／ｃｍ２の電流負荷における４，０００時間稼動後の出力電圧はそれぞれ０．４２Ｖで初期の９０％以上の出力を示し、安定であった。燃料電池の出力と耐久性が優れていることは、本願発明の電解質がイオン伝導性、耐酸化劣化特性に優れていることによる。
【０１７７】
〔実施例９〕
（１）ホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の実施例４の（１）で合成した３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに１．３２５ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式５７に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１７８】
【化２９】
2008218327.tif 000033
【０１７９】
又、かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに０．５８７ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式５８に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１８０】
【化３０】
2008218327.tif 000034
【０１８１】
式５７及び式５８の末端カルボン酸の−ＯＨ基を−ＣＬに変換した。次いで、かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これにそれぞれ１．３３ｇの末端カルボン酸の−ＯＨ基を−ＣＬに変換した式５７及び式５８の酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式５９に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を得た。
【０１８２】
【化３１】
2008218327.tif 000035
【０１８３】
（２）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式５９に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜（１）を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．３５Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１８４】
〔実施例１０〕
（１）ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の実施例４の（１）で合成した３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに０．６６３ｇ（１．２５ｍｍｏｌ）の２，５−ジホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドと０．３１６ｇ（１．２５ｍｍｏｌ）の２，５−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６０に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１８５】
【化３２】
2008218327.tif 000036
【０１８６】
（２）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式６０に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜（１）を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２５Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１８７】
〔実施例１１〕
（１）ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の実施例４の（１）で合成した３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに０．４４３ｇ（０．８３３ｍｍｏｌ）の２，５−ジホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライド、０．１９５ｇ（０．８３３ｍｍｏｌ）の２，５−イソフタル酸クロライドと０．４３６ｇ（０．８３３ｍｍｏｌ）の２，５−ジスルホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６１に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１８８】
【化３３】
2008218327.tif 000037
【０１８９】
（２）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式６１に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜（１）を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．３０Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１９０】
〔実施例１２〕
（１）ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の実施例４の（１）で合成した３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに１．３２５ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−ジホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６２に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１９１】
【化３４】
2008218327.tif 000038
【０１９２】
又、かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに０．５８７ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の２，５−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６３に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１９３】
【化３５】
2008218327.tif 000039
【０１９４】
次いで、かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これにそれぞれ１．３３ｇの末端カルボン酸の−ＯＨ基を−ＣＬに変換した式４９及び式５０の酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６４に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を得た。
【０１９５】
【化３６】
2008218327.tif 000040
【０１９６】
（２）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式６４に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜（１）を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２７Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０１９７】
〔実施例１３〕
（１）ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の実施例４の（１）で合成した３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに０．４４１ｇ（１．２５ｍｍｏｌ）の２，５−ジホスホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライド、０．１９６ｇ（１．２５ｍｍｏｌ）の２，５−イソフタル酸クロライドと０．４４３ｇ（０．８３３ｍｍｏｌ）の２，５−ジスルホヘキサメチレン−イソフタル酸クロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６５に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０１９８】
【化３７】
2008218327.tif 000041
【０１９９】
（２）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式６５に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール（１）を５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜（１）を作成した。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２６Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０２００】
〔実施例１４〕
（１）ポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールの合成
かき混ぜ機、窒素導入管の付いた三口フラスコに１．２６３ｇ（２．５ｍｍｏｌ）の実施例４の（１）で合成した３，３’−ビス（トリメチルシロキシ）−４，４’−ビス（トリメチルシリルアミノ）ビフェニルを５ｍＬのＮ，Ｎ’−ジメチルホルムアミドに溶解し、ドライアイス−アセトン浴で固化させた。これに２．５ｇの式６６に示すメチルフェニルシリコーン変性２，５−ジホスホヘキサメチレン−ベンゼンカルボニルクロライドを一度に加え、浴を水浴に変えて、０〜５℃で８時間攪拌した。
【０２０１】
【化３８】
2008218327.tif 000042
【０２０２】
この内容物をメタノール５００ｍＬに投入して、濾過、洗浄、乾燥した。これを減圧下、２５℃で３０時間保持することにより、下記式６７に示す化学構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを得た。
【０２０３】
【化３９】
2008218327.tif 000043
【０２０４】
（２）高分子電解質膜の作製とその特性
前記（１）で得られた式６７に示す構造単位を含むポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾールを５重量％の濃度になるようにＮ−メチルピロリドンに溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、８０℃で真空乾燥して膜厚４５μｍのポリホスホヘキサメチレンベンゾオキサゾール電解質膜を作成した。この高分子電解質膜は可撓性があった。
【０２０５】
又、この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は０．２８Ｓ／ｃｍであった。高分子電解質膜を６０℃の４０ｗｔ％のメタノール水溶液に７２時間浸漬し、減圧乾燥した後の膜の重量は、初期の乾燥重量と変わらず、メタノールに難溶であった。８０℃の塩化第二鉄を２０ｐｐｍ添加した３ｗｔ％の過酸化水素水溶液に２４時間浸漬し、水洗し減圧乾燥した後、膜の重量保持率及びイオン伝導率保持率を求めた。いずれも初期と殆ど変わらず、耐酸化性は良好であった。
【０２０６】
〔実施例１５〕
図１３に示す水素を燃料とする小型単電池セルを用いて実施例１のＭＥＡ１）を組み込んで電池性能を測定した。図１３において、１は高分子電解質膜、２はアノード電極、３はカソード電極、４はアノード拡散層、５はカソード拡散層、１７は極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ（バイポーラプレート）の燃料導路、１８は極室分離と電極へのガス供給導路の役割を兼ねた導電性のセパレータ（バイポーラプレート）の空気用流路、１９は燃料の水素と水、２０は水素、２１は水、２２は空気、２３は空気と水である。小型単電池セルを恒温槽に設置し、セパレータ内に挿入した熱電対（図示していない）による温度が７０℃になるよう恒温槽の温度を制御した。
【０２０７】
アノード及びカソードの加湿は外部加湿器を用い、加湿器出口付近の露点が７０℃になるように加湿器の温度を７０〜７３℃の間で制御した。露点は露点計による計測の他、加湿水の消費量を常時計測し、反応ガスの流量、温度、圧力から求められる露点が所定の値であることを確認している。負荷電流密度を２５０ｍＡ／ｃｍ２とし、水素利用率を７０％、空気利用率を４０％とし、約８時間／日発電し、残りをホットキープ運転した。７，０００時間経過後でも初期電圧の９４％以上の出力があり、本願の膜電極接合体は水素を燃料としても耐久性が優れていることが分かった。
【０２０８】
〔実施例１６〕
（１）燃料電池の製造
実施例１で作成した膜電極接合体を組み込んだ燃料電池１０１の組み立ての一例を図１４に示す。燃料電池１０１は、１０３はカソード端板、１０４はカソード集電体、１０５は実施例１で作成した拡散層付膜電極接合体搭載部、１０６はパッキング、１０７はアノード端板、１０８は燃料タンク部、１０９はアノード端板の順にボルトとナットで締め付け、組み立てたものである。
【０２０９】
（２）燃料電池電源システムの製造
前記燃料電池１０１を組み込んだ電源システムの一例を図１５に示す。図１５で１０１は燃料電池、１１０は電気二重層コンデンサ、１１１はＤＣ／ＤＣコンバータ、１１２は負荷遮断スイッチ１１３のＯＮ、ＯＦＦを制御する判別制御手段である。この図では電気二重層コンデンサを二直列にしている。燃料電池１０１で発生する電気を電気二重層コンデンサ１１０に一時蓄える。判別制御手段１１２が電気二重層コンデンサ内の電気量を測定し、規定量の電気が蓄えられると負荷遮断スイッチ１１３をＯＮにして、ＤＣ／ＤＣコンバータで所定の電圧に昇圧した電気を電子機器に供給する。
【０２１０】
（３）携帯用情報端末の製造
前記（２）の燃料電池電源システムを携帯用情報端末に実装した例を図１６に示す。この携帯用情報端末は、タッチパネル式入力装置が一体化された表示装置２０１とアンテナ２０３を内蔵した部分と燃料電池１０１、プロセッサ、揮発及び不揮発メモリ、電力制御部、燃料電池及び二次電池ハイブリッド制御、燃料モニタなどの電子機器及び電子回路などを実装したメインボード２０２、リチウムイオン二次電池２０６を搭載する部分が燃料カートリッジ１０２のホルダーをかねたカートリッジホルダー付ヒンジ２０４で連結された折たたみ式の構造をとっている。
【０２１１】
電源実装部は、隔壁２０５によって区分され、下部にメインボード２０２及びリチウムイオン二次電池２０６が収納されて、上部に燃料電池電源システムが配置されている。筐体の上及び側壁部には空気及び電池排ガス拡散のためのスリット１２２ｃが設けられ、筐体内のスリット１２２ｃの表面には空気フィルタ２０７が、隔壁面には吸水性速乾材料２０８が設けられている。空気フィルタは気体の拡散性が高く、粉塵などの進入を防ぐ材料であれば特に限定は無いが、合成樹脂の単糸をメッシュ状、または、織布のものは目詰まりを起こすことなく好適である。本実施例においては、撥水生の高いポリテトラフルオロエチレン単糸メッシュを用いる。この携帯用情報端末は２，０００時間以上安定に稼動した。
【０２１２】
本発明にかかる膜電極接合体を用いた直接型メタノール燃料電池電源システムは小型軽量化、低コスト化で長時間使用でき、燃料の補給によって連続使用できる。そのため、携帯電話器、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯用オーデイオ、ビジュアル機器、その他の携帯用情報端末に付設するバッテリーチャージャーとして有用である、或いは二次電池を搭載することなく直接内蔵電源とすることが可能である。また、本発明による膜電極接合体を用いた水素を燃料とした高分子形燃料電池は小型軽量化、低コスト化で長時間使用が可能なため、家庭用及び業務用コジェネレーション分散電源、移動体用電池電源、モバイル用電池電源として有用である。
【０２１３】
本発明による高分子電解質は、メタノール等の液体や水素等の気体を燃料とする燃料電池のほか、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０２１４】
【図１】イオン伝導率測定配置を示す図。
【図２】本発明の実施例に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルを示す側面断面図。
【図３】本発明の実施例に関わる膜電極接合体を示す断面図。
【図４】本発明の実施例１に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例２に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図６】本発明の実施例３に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図７】比較例１に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例４に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図９】本発明の実施例５に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施例６に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図１１】本発明の実施例７に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図１２】本発明の実施例８に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルの発電性能を示すグラフ。
【図１３】本発明の実施例に関わる固体高分子形燃料電池発電装置単電池セルを示す展開斜視図。
【図１４】本発明の実施例に関わる単位燃料電池を示す展開斜視図。
【図１５】本発明の実施例による膜電極接合体を使用した燃料電池を搭載した燃料電池電源システムを示す線図。
【図１６】本発明の実施例による膜電極接合体を使用した燃料電池を使った燃料電池電源システムを搭載した携帯情報端末を表す断面図。
【符号の説明】
【０２１５】
１…高分子電解質膜、２…アノ−ド電極、３…カソード電極、４…アノード拡散層、５…カソ−ド拡散層、６…アノード集電体、７…カソード集電体、８…燃料、９…空気、１０…アノード端子、１１…カソード端子、１２…アノード端板、１３…カソード端板、１４…ガスケット、１５…Ｏ−リング、１６…ボルト／ナット、１７…セパレータの燃料導路、１８…セパレータの空気導路、１９…水素＋水、２０…水素、２１…水、２２…空気、２３…空気＋水、１０１…燃料電池、１０２…燃料カートリッジ、１０３…カソード端板、１０４…カソード集電体、１０５…拡散層付ＭＥＡ搭載部、１０６…パッキング、１０７…アノード端板、１０８…燃料タンク部、１０９…アノード端板、１１０…電気二重層コンデンサ、１１１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１１２…判別制御手段、１１３…負荷遮断スイッチ、１２２ｃ…スリット、２０１…表示装置、２０２…メインボード、２０３…アンテナ、２０４…カートリッジホルダー付ヒンジ、２０５…隔壁、２０６…リチウムイオン電池、２０７…空気フィルタ、２０８…吸水性速乾材料、２１０…筐体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008218327.tif 000059
【図１１】
2008218327.tif 000060
【図１２】
2008218327.tif 000061
【図１３】
2008218327.tif 000062
【図１４】
2008218327.tif 000063
【図１５】
2008218327.tif 000064
【図１６】
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