(57)【要約】【課題】プロトン伝導度が優れたプロトン伝導性高分子固体電解質を提供する。【解決手段】例えば、ポリベンズイミダゾール等の塩基性固体高分子に、イミダゾール（含窒素複素環化合物）等の非共有電子対を有する物質を分散させる。なお、イミダゾールは、ポリベンズイミダゾール１ｇ当たりに対するモル数が０．００１４ｍｏｌ未満、好ましくは０．０００６ｍｏｌ未満の割合で存在させる。さらに、この塩基性固体高分子に、リン酸や硫酸等を含浸させてプロトン伝導性高分子固体電解質１０とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩基性の固体高分子を母材とするとともに、前記母材中に酸性を示す酸性無機液体が含浸されたプロトン伝導性高分子固体電解質であって、
非共有電子対を有する有非共有電子対物質が前記母材中に分散し、
かつ前記有非共有電子対物質は、前記母材１ｇ当たりに対する該有非共有電子対物質のモル数が０．００１４ｍｏｌ未満の割合で存在することを特徴とするプロトン伝導性高分子固体電解質。
【請求項２】
請求項１記載のプロトン伝導性高分子固体電解質において、前記母材である固体高分子は、第二級アミンのモノマーを構造単位に有する高分子であることを特徴とするプロトン伝導性高分子固体電解質。
【請求項３】
請求項２記載のプロトン伝導性高分子固体電解質において、第二級アミンのモノマーを構造単位に有する前記高分子が、以下の化学式（１）〜化学式（４）に示される高分子の少なくともいずれか１種であることを特徴とするプロトン伝導性高分子固体電解質。
【化１】
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【化２】
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【化３】
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【化４】
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【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプロトン伝導性高分子固体電解質において、前記有非共有電子対物質は、含窒素複素環化合物基、アミノ基あるいはイミノ基を有する化合物、または含窒素複素環化合物の少なくともいずれか１種であることを特徴とするプロトン伝導性高分子固体電解質。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のプロトン伝導性高分子固体電解質において、前記酸性無機液体がリン酸または硫酸であることを特徴とするプロトン伝導性高分子固体電解質。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池や、水を電気分解して水素および酸素を発生させる水素酸素発生装置等をはじめとする電気化学セルに用いられるプロトン伝導性高分子固体電解質に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、燃料電池では、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード側電極と、空気等の酸素含有ガスが供給されるカソード側電極との間に電解質が介装されている。この電解質は、燃料ガス中の水素がアノード側電極上で電離することによって生成した水素イオン（プロトン）をカソード側電極側に移動させる役割を担う。換言すれば、燃料電池においては、電解質はプロトン伝導体である。
【０００３】
燃料電池の電解質としての機能を営むプロトン伝導体の一例としては、パーフルオロスルホン酸高分子膜を液体水で湿潤化したものが広汎に知られているが、この膜におけるプロトン伝導度は、該膜が乾燥するほど低下する。このため、燃料電池の発電特性を維持するために、燃料ガスや酸素含有ガスに水蒸気を含ませて膜に継続的に水分を補給するとともに、燃料電池の内部に冷却媒体を供給して運転温度を８０〜９０℃に保持することによって、該膜が乾燥することを回避するようにしている。
【０００４】
しかしながら、この場合、ガスに水蒸気を含ませるための加湿器や、燃料電池を効率よく冷却させるべく多量の冷却媒体を循環させるための大規模な冷却システムが必要である。結局、燃料電池システム全体が大型化するという不具合がある。
【０００５】
そこで、近年では、ポリベンズイミダゾール等の塩基性固体高分子を母材とし、該母材にリン酸等の無機強酸液体が含浸されてなる複合電解質（米国特許第５，５２５，４３６号公報および特表平１１−５０３２６２号公報参照）や、メタ型ポリアニリンを母材として同様に構成された複合電解質（特開２００１−１６０４０７号公報参照）が提案されている。
【０００６】
２種の前記複合電解質は、乾燥状態であってもプロトン伝導度が高い。このため、加湿器が不要である。しかも、燃料電池の運転温度を高く設定することが可能となるので、冷却システムも小規模なものでよい。したがって、燃料電池システムを簡素な構成でかつ小型化することができるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池の発電性能を向上させるには、プロトン伝導度が優れた電解質を採用する必要があるが、上記した２種の複合電解質におけるプロトン伝導度は必ずしも充分であるとは言い難い。そこで、プロトン伝導度が優れた電解質を開発する試みが盛んになされている。
【０００８】
例えば、Ｋ．　Ｄ．　Ｋｒｅｕｅｒらは、　Ｊ．　Ｍａｉｅｒ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ　の１９９８年版第４３巻第１２８１頁〜第１２８８頁において、酸性高分子であるポリエーテルケトンスルホン酸にイミダゾールを添加したもののプロトン伝導度が、乾燥状態下で１６０℃にておよそ０．０１Ｓ／ｃｍであったことを報告している。
【０００９】
また、Ｃ．　Ｙａｎｇらは、　Ｊ．　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　の２００１年版第１０３巻第１頁〜第９頁にて、酸性高分子であるナフィオン（デュポン社製のパーフルオロスルホン酸高分子膜の商品名）にイミダゾールを添加したものでは、乾燥状態下、１６０℃で０．０８〜０．０９Ｓ／ｃｍのプロトン伝導度を示すことを報告している。
【００１０】
さらに、特開２００１−２３６９７３号公報には、酸性または塩基性である主高分子に対し、該主高分子とともに酸／塩基複合構造を形成することが可能な副高分子を、主高分子の酸性または塩基性部位以外に導入してなる固体高分子電解質が開示されている。一例として、ナフィオンにポリエチレンイミンを含浸させたものは、１５０℃で１．７×１０−３Ｓ／ｃｍを示すとのことである。
【００１１】
しかしながら、以上のものよりも一層優れたプロトン伝導度を有する電解質が希求されている。
【００１２】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、優れたプロトン伝導度を有し、このために電気化学セルの特性を向上させることが可能なプロトン伝導性高分子固体電解質を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記とは別に、Ａ．　Ｓｃｈｅｃｈｔｅｒらは、　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｉｏｎｉｃｓ　の２００２年版第１４７巻第１８１頁〜第１８７頁で、塩基性固体高分子であるポリベンズイミダゾールの膜に、１−メチルイミダゾールを濃度８５％のリン酸に添加したイミダゾリウム塩溶液を該膜１ｇ当たり０．００１９〜０．０１１７ｍｏｌ含浸させて複合化した複合電解質のプロトン伝導度に関する研究結果を報告している。この報告によれば、ポリベンズイミダゾールおよびリン酸に１−メチルイミダゾールを添加することは、プロトン伝導度を向上させるのに寄与しないとのことである。
【００１４】
しかしながら、１−メチルイミダゾールは非共有電子対を有している。この非共有電子対がプロトンアクセプタとして作用することから、ポリベンズイミダゾールに対して１−メチルイミダゾールを添加した場合、本来は、プロトン伝導度が向上するものと推察される。
【００１５】
本発明者らは、このような観点に立脚して鋭意検討を行ったところ、プロトンアクセプタとして作用する物質の高分子膜への添加量を制御することによって、該高分子膜のプロトン伝導度を向上させ得ることを見出し、本発明をするに至った。
【００１６】
すなわち、本発明は、塩基性の固体高分子を母材とするとともに、前記母材中に酸性を示す酸性無機液体が含浸されたプロトン伝導性高分子固体電解質であって、
非共有電子対を有する有非共有電子対物質が前記母材中に分散し、
かつ前記有非共有電子対物質は、前記母材１ｇ当たりに対する該有非共有電子対物質のモル数が０．００１４ｍｏｌ未満の割合で存在することを特徴とする。
【００１７】
このような構成とすることにより、優れたプロトン伝導度を有する固体電解質とすることができる。この理由は、有非共有電子対物質が有する非共有電子対にプロトンが順次引き寄せられるために、プロトンが移動することが支援されるからである。
【００１８】
プロトン伝導度が優れた固体電解質においては、プロトンが迅速に移動する。このため、本発明に係るプロトン伝導性高分子固体電解質を電解質として採用する燃料電池や電気分解装置等では、内部抵抗が低減するので、発電特性や分解効率を向上させることができる。
【００１９】
ここで、固体高分子としては、酸性無機液体を保持する能力に優れ、ガスが透過し難く、かつ高強度であるという点から、第二級アミンのモノマーを構造単位に有する高分子が好適である。
【００２０】
第二級アミンのモノマーを構造単位に有する高分子の具体例としては、下記の化学式（１）〜化学式（４）に示される高分子を挙げることができる。
【００２１】
【化５】
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【００２２】
【化６】
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【００２３】
【化７】
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【００２４】
【化８】
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【００２５】
一方、有非共有電子対物質の好適な例としては、含窒素複素環化合物基、アミノ基あるいはイミノ基を有する化合物を挙げることができる。または、含窒素複素環化合物であってもよい。勿論、２種以上の物質を同時に使用してもよい。
【００２６】
また、酸性無機液体としては、リン酸または硫酸を選定することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプロトン伝導性高分子固体電解質につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
本実施の形態に係るプロトン伝導性高分子固体電解質を、図１に示す。このプロトン伝導性高分子固体電解質１０は、母材としての塩基性固体高分子中に図示しない酸性無機液体が含浸されてなる薄膜状の複合電解質である。
【００２９】
母材である塩基性固体高分子は、その内部に液状電解質を含浸して保持することができる固体状のものであれば特に限定されるものではないが、酸性無機液体を保持する能力に優れること、ガスが透過し難いこと、高強度であるということ等から、第二級アミンのモノマーを構成単位として有するものが好適である。そのような塩基性固体高分子としては、例えば、下記の化学式（１）〜化学式（４）に示す物質を挙げることができる。
【００３０】
【化９】
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【００３１】
【化１０】
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【００３２】
【化１１】
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【００３３】
【化１２】
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【００３４】
ここで、母材中には、有非共有電子対物質（図示せず）が分散されている。後述するように、この有非共有電子対物質は、母材中でプロトンアクセプタとして機能する。
【００３５】
有非共有電子対物質は、１００℃以上でも化学的に安定でかつ揮発しないものであれば特に限定されるものではないが、好適な例としては、含窒素複素環化合物基、アミノ基（−ＮＨ２）あるいはイミノ基（−ＮＨ）を有する化合物を挙げることができる。なお、有非共有電子対物質は、液体であってもよいし、固体であってもよい。
【００３６】
含窒素複素環化合物基の具体例としては、下記の化学式（５）〜化学式（７）に示されるイミダゾール基、ピラゾール基、ピリジン基が挙げられる。なお、以下の説明において、有非共有電子対物質の化学式を示す場合には、該物質が有する主要な非共有電子対も併せて示す。
【００３７】
【化１３】
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【００３８】
【化１４】
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【００３９】
【化１５】
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【００４０】
イミダゾール基、ピラゾール基あるいはピリジン基を有する化合物としては、下記の化学式（８）〜化学式（１０）に示されるポリビニルイミダゾール、ポリビニルピラゾール、ポリビニルピリジンが例示される。
【００４１】
【化１６】
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【００４２】
【化１７】
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【００４３】
【化１８】
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【００４４】
また、イミノ基を有する化合物としては、下記の化学式（１１）に示されるポリエチレンイミンが例示される。
【００４５】
【化１９】
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【００４６】
有非共有電子対物質の他の好適な例としては、含窒素複素環化合物を挙げることができる。すなわち、有非共有電子対物質は、下記の化学式（１２）〜化学式（１４）に示されるイミダゾール、ピラゾール、ピリジンであってもよい。勿論、ジアジン（ピリダジン、ピリミジン、ピラジン）であってもよいし、キノリン、イソキノリン、インドール、プリン等であってもよい。
【００４７】
【化２０】
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【００４８】
【化２１】
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【００４９】
【化２２】
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【００５０】
ここで、上記したような有非共有電子対物質は、塩基性固体高分子１ｇ当たりに含まれるモル数が０．００１４ｍｏｌ未満となる割合で添加されている。０．００１４ｍｏｌ以上となる割合で有非共有電子対物質を添加すると、プロトン伝導性高分子固体電解質１０におけるプロトン伝導度が低下する。塩基性固体高分子１ｇ当たりに対するより好ましいモル数は、０．０００６ｍｏｌ以下である。
【００５１】
以上のような有非共有電子対物質が分散された塩基性固体高分子（母材）中には、さらに、酸性無機液体が含浸されている。酸性無機液体は、プロトンが移動することを妨げないものであればよく、例えば、リン酸または硫酸等を選定することができる。
【００５２】
このように構成されたプロトン伝導性高分子固体電解質１０の一端面にプロトンが到達した場合、該プロトンは、まず、該一端面の近傍に存在する第１の有非共有電子対物質が有する非共有電子対によって引き寄せられ、この非共有電子対とファンデルワールス力によって結合する。その後、第１の有非共有電子対物質の近傍に存在する第２の有非共有電子対物質が有する非共有電子対に引き寄せられ、その結果、第１の有非共有電子対物質から離脱するとともに、第２の有非共有電子対物質の非共有電子対とファンデルワールス力によって結合する。この離脱・結合が順次繰り返されることにより、プロトンがプロトン伝導性高分子固体電解質１０の一端面から他端面まで移動することが支援され、結局、プロトン伝導度が向上する。
【００５３】
したがって、このプロトン伝導性高分子固体電解質１０を燃料電池の固体電解質として採用した場合には、プロトンがアノード側電極からカソード側電極に速やかに移動するので、例えば、内部抵抗が減少する。このため、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００５４】
なお、水を電気分解して水素および酸素を発生させる水素酸素発生装置等、燃料電池以外の電気化学セルであっても、固体電解質として該プロトン伝導性高分子固体電解質１０を使用することができることは勿論である。
【００５５】
このプロトン伝導性高分子固体電解質１０は、以下のようにして作製することができる。
【００５６】
まず、塩基性固体高分子を溶媒に溶解させる。塩基性固体高分子が上記したような第二級アミンのモノマーを構成単位として有するものである場合、ジメチルアセトアミド、ジメチルフォルムアミドを使用し、塩基性固体高分子の割合が５〜１５重量％となるように溶解すればよい。
【００５７】
次に、この溶媒に、塩基性固体高分子１ｇに対するモル数が０．００１４ｍｏｌ未満、好ましくは０．０００６ｍｏｌ以下となるように、有非共有電子対物質を添加して溶解する。
【００５８】
以上のようにして塩基性固体高分子および有非共有電子対物質を溶解した溶媒をガラス板等の平滑面上にキャストした後、加熱ないし真空引き等によって溶媒を揮発除去する。これにより、塩基性固体高分子に有非共有電子対物質が分散した膜が得られる。
【００５９】
この膜をガラス板から剥離させた後、リン酸や硫酸等の酸性無機液体中に浸漬して該膜中に酸性無機液体を浸透させる。所定時間が経過した後に膜を酸性無機液体中から取り出し、表面に余剰に付着したリン酸や硫酸等の酸性無機液体を除去すれば、プロトン伝導性高分子固体電解質１０が得られるに至る。
【００６０】
【実施例】
ポリベンズイミダゾール（以下、ＰＢＩと表記する）の粉末を、２５℃のジメチルアセトアミドに１０重量％溶解した。この溶液に、ＰＢＩ１ｇ当たりに対して０．０００１２ｍｏｌとなる量のイミダゾールを添加した後、温度を２５℃に保持しながら撹拌してイミダゾールを溶解させた。
【００６１】
次に、この溶液がキャストされたガラス板をホットプレート上に載置し、４０℃で１２時間保持した。さらに、このガラス板を、真空乾燥器内において１２０℃で６時間保持し、溶媒であるジメチルアセトアミドを揮発除去させ、厚み５０μｍの膜を得た。
【００６２】
この膜をガラス板から剥離した後、該膜から縦横５０ｍｍの寸法の試験片を切り出した。この試験片を濃度８５％のリン酸２００ｍｌ中に浸漬した。なお、この浸漬は、リン酸が吸湿するのを防ぐために、リン酸を収容した容器をシールして行った。
【００６３】
４８時間後にリン酸から膜を取り出し、膜表面に過剰に付着したリン酸をエアブローにて除去した。この膜を実施例１とする。
【００６４】
また、イミダゾールの添加量をＰＢＩ１ｇ当たりに対して０．０００２５ｍｏｌまたは０．０００５１ｍｏｌとなるようにしたことを除いては上記と同様にして、リン酸が含浸された膜を作製した。これらを、実施例２、３とする。
【００６５】
比較のために、イミダゾールを添加しなかったことを除いては実施例１〜３に準拠して、ＰＢＩからなり、かつリン酸が含浸された膜を作製した。これを比較例とする。
【００６６】
以上の実施例１〜３、比較例の各膜につき、ＰＢＩの繰り返し単位当たりのリン酸モル数を求めた。すなわち、まず、得られた膜から直径３０ｍｍの円盤状試験片を切り出した。
【００６７】
次に、各円盤状試験片を純水１５０ｍｌ中に浸漬し、この状態で５分間撹拌して膜中のリン酸を純水中に溶出させ、水溶液を得た。この水溶液を０．０２Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で滴定した結果から、溶出したリン酸、換言すれば、膜中に含浸されていたリン酸のモル数を求めた。
【００６８】
その一方で、前記の滴定後に水溶液中から膜を取り出し、該膜を純水で洗浄した後に真空乾燥器にて真空乾燥した。乾燥後の膜の質量と、膜中に含浸されていたリン酸のモル数と、ＰＢＩにおける繰り返し構造の分子量（３０８）とから、ＰＢＩの繰り返し単位当たりのリン酸モル数を算出したところ、実施例１〜３、比較例の膜の順に、１２．７、１２．９、１２．９、１２．９であった。すなわち、各膜において、ＰＢＩの繰り返し単位当たりのリン酸モル数は略同等であった。
【００６９】
以上とは別に、実施例１〜３および比較例の各膜につき、プロトン伝導性を評価した。具体的には、図２に示すように、実施例１〜３および比較例の各膜から１０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の試験片１２を切り出し、各試験片１２に作用極１４、第１参照極１６、第２参照極１８および対極２０を接合した。
【００７０】
これらの電極１４、１６、１８、２０をソーラートロン社製のインピーダンスアナライザＳ−１２６０に電気的に接続して、交流複素インピーダンス法に基づき、１６０℃にて各試験片１２の直流抵抗成分を測定した。各々の測定結果と、下記の（Ａ）式とから、プロトン伝導度δ（単位：Ｓ／ｃｍ）を求めた。なお、（Ａ）式において、Ｎは膜厚、Ｍは幅、Ｌは電極間距離、Ｒは抵抗を表す。
【００７１】
【数１】
2004047232.tif 000021
【００７２】
結果を図３に一括して示す。この図３から、実施例１〜３の膜のプロトン伝導度δが比較例の膜に比して高いことが明らかである。上記したように、各膜におけるＰＢＩの繰り返し単位当たりのリン酸モル数が略同等であることから、プロトン伝導度δが向上した理由は、ＰＢＩ（塩基性固体高分子）にイミダゾールを添加・分散させたためであるといえる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るプロトン伝導性高分子固体電解質によれば、塩基性の固体高分子に分散された有非共有電子対物質が有する非共有電子対によってプロトンが移動することが支援される。このため、プロトン伝導度が優れた伝導体を構成することができる。
【００７４】
このようなプロトン伝導性高分子固体電解質は、例えば、燃料電池の固体電解質として採用することができる。この場合、プロトンが速やかにアノード側電極からカソード側電極に移動するので、燃料電池の発電性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るプロトン伝導性高分子固体電解質の全体概略斜視図である。
【図２】プロトン伝導度を測定するための電極を試験片に接合した状態を示す全体概略斜視図である。
【図３】各試験片におけるプロトン伝導度を示す図表である。
【符号の説明】
１０…プロトン伝導性高分子固体電解質　　　１２…試験片
１４…作用極　　　　　　　　　　　　　　　１６、１８…参照極
２０…対極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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