(57)【要約】フタラジノン及びフェノール基を含むモノマーと少くとも１個のスルホン化芳香族化合物との反応生成物。フタラジノン及びフェノール基を含むモノマーは、スルホン化芳香族化合物と反応させるために使用して、驚くべきことに望ましい性質を有するイオノマーが製造される。一つの態様として、新規なイオノマーはスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）（以下、ＰＰＥＫという）である。他の態様として、新規なイオノマーはスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）（以下、ＳＰＰＥＳという）である。更に他の態様として、新規なイオノマーは他のスルホン化芳香族重合体化合物である。本発明は更にこれらの重合体を膜に成形し、そして燃料電池の重合体電解質膜（ＰＥＭＦＣ）、特に、メタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ）に使用できる。本発明の重合体は膜の形態に製造することができ、続いて溶液に溶解することができ、そして多孔質サブストレートに浸漬して、良好な性質を有する複合重合体電解質膜を形成できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の式のモノマーＡとモノマーＢ及びモノマーＣとの反応生成物を含むイオノマーであって、ここでモノマーＢ及びモノマーＣの合計したモル数がモノマーＡのモル数に等しく、また下記の式において、いずれのＲ1〜4は独立して水素、線状若しくは枝分れしたアルキル基、芳香族基、又はハロゲン；
Ｘ1及びＸ2は独立してカルボニル若しくはスルホン残基であり、又はケトン若しくはスルホン結合によって結合した芳香族基；
Ｙは独立してハロゲン；そして
Ｍはアルカリ金属である、前記イオノマー。
【化１】
2004534890.tif 000027
【請求項２】
モノマーＡは４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノンを含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項３】
モノマーＢは３，３’−スルホニル（４，４’−ジフルオロベンゾフェノン）ジナトリウム塩を含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項４】
モノマーＣは４，４’−ジフルオロベンゾフェノンを含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項５】
モノマーＡは４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、モノマーＢは３，３’−スルホニル（４，４’−ジフルオロベンゾフェノン）ジナトリウム塩、そしてモノマーＣは４，４’−ジフルオロベンゾフェノンを含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項６】
モノマーＢは３，３’−スルホニルビス（４−フルオロフェニルスルホン）ジナトリウム塩を含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項７】
モノマーＣはビス（４−フルオロフェニル）スルホンを含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項８】
モノマーＡは４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、モノマーＢは３，３’−スルホニルビス（４−フルオロフェニルスルホン）ジナトリウム塩、そしてモノマーＣはビス（４−フルオロフェニル）スルホンを含む請求項１記載のイオノマー。
【請求項９】
下記の式のモノマーＡとモノマーＢ及びモノマーＣとをモノマーＡ１モルに対して少なくとも２モルのアルカリ金属塩基を含む不活性中性溶媒と混合した共沸溶剤中で反応させて得た反応混合物を含むイオノマーであって、ここでモノマーＢ及びモノマーＣの合計したモル数がモノマーＡのモル数に等しく、この反応は水の存在下共沸溶剤の共沸点より高い温度で水の共沸物を除去することによって行われ、また、下記の式において、いずれのＲ1〜4は独立して水素、線状若しくは枝分れしたアルキル基、芳香族基、又はハロゲン；
Ｘ1及びＸ2は独立してカルボニル若しくはスルホン残基であり、又はケトン若しくはスルホン結合によって結合した芳香族基；
Ｙはハロゲン；そして
Ｍはアルカリ金属である、前記イオノマー。
【化２】
2004534890.tif 000028
【請求項１０】
下記の式を有するモノマーＡとイオノマー寄与モノマーとの反応生成物を含むイオノマー
【化３】
2004534890.tif 000029
ここで、いずれのＲ1〜4は独立して水素、線状若しくは枝分れしたアルキル基、芳香族基又はハロゲンである。
【請求項１１】
該イオノマー寄与モノマーはスルホン酸を含む請求項１０記載のイオノマー。
【請求項１２】
該イオノマー寄与モノマーはカルボン酸を含む請求項１０記載のイオノマー。
【請求項１３】
下記の式で示される反復単位の重合体を含むスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）。
【化４】
2004534890.tif 000030
ここで、Ｒ1及びＲ2は水素原子、アルキル基又は芳香族基から選ばれ、Ｍは金属イオンそして  ｍ＋ｎは２０以上である。
【請求項１４】
（ａ）ベンゾフェノンの４，４’−ジハロ（又はジニトロ）−３，３’−ジスルホン酸塩、ジハロ（又はジニトロ）ベンゾフェノン、及びフタラジノンとフェノール残基を含むモノマーを極性溶剤又は主として極性溶剤を含む反応媒体中金属塩基（又はその塩）を含む触媒の存在下共重合させて、生成物を製造し；
（ｂ）この生成物を共沸脱水剤を用いて高温で脱水し；
（ｃ）この生成物を溶剤で希釈し；
（ｄ）この生成物を凝固剤を用いて凝固し；
（ｅ）この生成物を分離し；
（ｆ）この生成物を乾燥し；そして
（ｇ）工程（ｃ）から（ｆ）を更に２回行ってスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）を製造する方法。
【請求項１５】
反応温度は１５０−２２０℃そして反応時間は４−３２時間である請求項１４記載の製造方法。
【請求項１６】
極性溶剤はジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、フェニルスルホン、１−メチル−２−ピロリジノン及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドである請求項１４記載の製造方法。
【請求項１７】
共沸脱水剤はトルエン、キシレン及びクロロホルムから成る群から選ばれる請求項１４記載の製造方法。
【請求項１８】
凝固剤は水、及びメタノール若しくはエタノールである請求項１４記載の製造方法。
【請求項１９】
下記の式で示される反復単位の重合体を含むスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）。
【化５】
2004534890.tif 000031
ここで、Ｒ1及びＲ2は水素原子、Ｃ1〜Ｃ4の線状又は枝分かれしたアルキル基又は芳香族基、Ｍはナトリウム又はカリウムイオンそしてｍ＋ｎは２０以上である。
【請求項２０】
（ａ）フェニルスルホンの４，４’−ジハロ（又はジニトロ）−３，３’−ジスルホン酸塩、ジハロ（又はジニトロ）フェニルスルホン、及びフタラジノンとフェノール残基を含むモノマーを極性溶剤又は主として極性溶剤を含む反応媒体中金属塩基（又はその塩）を含む触媒の存在下共重合させて、生成物を製造し；
（ｂ）この生成物を共沸脱水剤を用いて高温で脱水し；
（ｃ）この生成物を溶剤で希釈し；
（ｄ）この生成物を凝固剤を用いて凝固し；
（ｅ）この生成物を凝固剤から分離し；
（ｆ）この生成物を乾燥し；そして
（ｇ）工程（ｃ）から（ｆ）を更に２回行ってスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）を製造する方法。
【請求項２１】
フタラジノン及びフェノール残基を含むモノマーは次に示す式を有する請求項２０記載の製造方法。
【化６】
2004534890.tif 000032
ここで、Ｒ1及びＲ2は水素原子、Ｃ1〜Ｃ4の線状又は枝分れしたアルキル基、又は芳香族基から選ばれる。
【請求項２２】
反応温度は１４０−２２０℃そして反応時間は１−３６時間である請求項２０記載の製造方法。
【請求項２３】
極性溶剤はジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、フェニルスルホン、１−メチル−２−ピロリジノン及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドである請求項２０記載の製造方法。
【請求項２４】
共沸脱水剤はトルエン、キシレン及びクロロホルムである請求項２０記載の製造方法。
【請求項２５】
凝固剤は水、及びメタノール若しくはエタノールである請求項２０記載の製造方法。
【請求項２６】
（ａ）アノードを準備し；
（ｂ）カソードを準備し；
（ｃ）上記アノードとカソードの間に重合体電解質膜を設けてアノードとカソードとを通意し、ここで重合体電解質膜は請求項１記載のイオノマーを酸の型で含み；
（ｄ）上記カソードに燃料を供給し、ここでの燃料は分解してプロトンとエレクトロンを放出し；
（ｅ）このプロトンを重合体電解質膜を通してアノードに送り；そして
（ｆ）このエレクトロンを電力発生容器に回収する；各工程を含む電力を発生させる方法。
【請求項２７】
重合体電解質膜は重合体に実質的に吸蔵されている相互に連絡した流路及び通路を有する重合体支持体を含む請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
重合体支持体は延伸膨張したポリテトラフルオロエチレンである請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
燃料はメタノールである請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
燃料は水素である請求項２６記載の方法。
【請求項３１】
燃料はメタノールである請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
燃料は水素である請求項２７記載の方法。
【請求項３３】
燃料はメタノールである請求項２８記載の方法。
【請求項３４】
燃料は水素である請求項２８記載の方法。
【請求項３５】
膜は請求項１記載の酸の型であるイオノマーを含有する重合体電解質膜。
【請求項３６】
イオノマーに実質的に吸蔵されている相互に連絡した流路及び通路を有する重合体支持体を更に含む請求項３５記載重合体電解質膜。
【請求項３７】
重合体支持体は延伸膨張したポリテトラフルオロエチレンである請求項３６記載の重合体電解質膜。
【請求項３８】
（ａ）アノード；
（ｂ）カソード；及び
（ｃ）重合体電解質膜であって上記アノードとカソードの間に存在してアノードとカソードとを通意し、ここでの重合体電解質膜は請求項１記載のイオノマーを酸の型で含んでいる；を包含する膜電極アセンブリー。
【請求項３９】
重合体電解質膜はイオノマーに実質的に吸蔵されている相互に連絡した流路及び通路を有する重合体支持体を含む請求項３８記載の膜電極アセンブリー。
【請求項４０】
（ａ）アノード；
（ｂ）カソード；及び
（ｃ）重合体電解質膜であって上記アノードとカソードの間に存在してアノードとカソードとが通意し、ここで少なくともアノード及びカソードの一つは請求項１記載のイオノマーを含んでいる；を包含する膜電極アセンブリー。
【請求項４１】
（ａ）アノード；
（ｂ）カソード；及び
（ｃ）重合体電解質膜であって上記アノードとカソードの間に存在してアノードとカソードとを通意し、ここでの重合体電解質膜は請求項１記載のイオノマーを酸の型で含み；
（ｄ）ここでの重合体電解質膜は１．０より大きい相対選択係数（relative selectivity factor）を有している、膜電極アセンブリー。
【請求項４２】
相対選択係数は凡そ１．３である請求項４１記載の膜電極アセンブリー。
【請求項４３】
（ａ）アノード；
（ｂ）カソード；及び
（ｃ）上記アノードとカソードの間に重合体電解質膜を設けてアノードとカソードとを通意し、ここで重合体電解質膜は請求項５記載のイオノマーを酸の型で含み；これらを包含する膜電極アセンブリー。
【請求項４４】
膜電極アセンブリーは収電装置と電子的に通意して第１のガス拡散媒体及び第２のガス拡散媒体の間にサンドウィッチされて存在している請求項３８記載の膜電極アセンブリーを含む燃料電池。
【請求項４５】
重合体電解質膜はイオノマーに実質的に吸蔵されている相互に連絡した流路及び通路を有する重合体支持体を含む請求項４４記載の燃料電池。
【請求項４６】
重合体支持体は延伸膨張したポリテトラフルオロエチレンである請求項４５記載の燃料電池。
【請求項４７】
燃料電池はメタノール直接型燃料電池である請求項４４記載の燃料電池。
【請求項４８】
燃料電池は燃料として水素を用いる請求項４４記載の燃料電池。
【請求項４９】
燃料電池はメタノール直接型燃料電池である請求項４５記載の燃料電池。
【請求項５０】
燃料電池は燃料として水素を用いる請求項４５記載の燃料電池。
【請求項５１】
燃料電池はメタノール直接型燃料電池である請求項４６記載の燃料電池。
【請求項５２】
燃料電池は燃料として水素を用いる請求項４６記載の燃料電池。
【請求項５３】
０．７０４Ｖのオープン回路電位を有する請求項４４記載の燃料電池。
【請求項５４】
平均メタノールクロスオーバが凡そ０．１２４Ｖの測定値を有する請求項４４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオノマーに関し、また燃料電池、特にメタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ）における電解質及び電極部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体重合体電解質又はフィルムは長い間当業者において良く知られていることである。この重合体は一般に１×１０-6ｓ／cmより大きい高イオン導電率を有することが特徴的である。このような高導電率値は、例えば燃料電池においてプロトンの如きイオンを急速に移行させるのに有用である分野で価値がある。更に、このようなイオン導電性重合体は、膜又は薄いフィルムの形体に製造できるので望ましいものである。このようなことから、フィルムの厚さを関数として、イオンの移行の抵抗を軽減することができる。これらの物質は、また利用に関し、低い室温から高い重合体の主要留分の融点までの温度範囲で機能する必要がある。更に、この重合体は物理的に丈夫なので、燃料電池に組み込んでも、またその使用においても割れることがない。
【０００３】
燃料電池における固体重合体電解質としてのイオノマーの使用は、１９６０年代米国のゲミニィ宇宙開発計画において発展したものである。歴史的には、機械的化学的安定性に欠けるフェノールスルホン酸物質から、依然として化学的には劣るが機械的に安定性が改善されたポリスチレンスルホン酸重合体へ、また機械的には劣るが化学的に安定性が改善されたポリ（トリフルオロスチレン）スルホン酸、そして機械的化学的に安定性が改善されたペルフルオロスルホン酸物質（市場において、登録商標ＮＡＦＩＯＮとして入手できる）へと工業的に移行してきている（例えば、A.J.Appleby and F.R.Foulkes, Fuel Cell Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York, 1989 ; Table 10-1, 268頁参照）。
【０００４】
米国特許第３，２８２，８７５、同第４，３５８，５４５及び同第４，９４０，５２５には、例えばペルフルオロスルホン酸物質が記載されているが、依然として理想的なイオノマーからは遠い存在である。これらはプロトンとして満足に用いるには、水和しなくてはならない。この結果、乾燥状態又は１００℃より高い温度において、これらは水素−酸素又は水素−空気燃料電池としては働きが悪い。更には、これらを製造するために必要なフッソ化単量体は本来的に高価であるため、フルオロポリマーイオノマーの製造は高価になる。更には、以下により詳細に述べるが、これらはメタノールに対して高い透過性を示し、それ故メタノール直接型燃料電池での電解質として使用するのには不十分である。
【０００５】
このようなことから、芳香族又は線状の重合体を基本とする実質的にはフッ素化されていない種々の種類のイオノマーへと発展することになった。米国特許第４，０８３，７６８には、不溶性架橋結合した芳香族重合体を含む事前膨潤膜から得られた高分子電解質膜が示されている。この膜は低いイオン抵抗を有するが、製造の過程で官能基の侵入を抑制することによって生産を困難にしている。米国特許第５，５２５，４３６、同第６，０２５，０８５及び同第６，０９９，９８８には、イオノマーとしてポリベンズイミデゾール膜の製造及び使用が開示されている。これらの重合体は１００℃より高い温度での使用に特に好ましいと開示されている。米国特許第６，０８７，０３１には、燃料電池の使用に好ましいとされるスルホン化ポリエーテルスルホンを含むイオノマーが開示されている。米国特許第６，３９９，２５４において、Kono氏等は活性放射線及び／又は熱によって急速に硬化することのできる非架橋結合単量体を少量含み高導電性である固体電解質を開示している。最後に、ＷＯ０２２５７６４において、Wang氏等はスルホン化ポリスルホン又はポリイミド重合体の直接重合によってイオノマーが得られたと開示している。
【０００６】
他の実質的に非フッ素化イオノマーはスルホン化ポリ（アリールエーテルケトン）の類である。スルホン化ポリ（アリールエーテルケトン）は後の工程でスルホン化して得られるので便利である。しかしながら、後工程のスルホン化はスルホン酸基が活性芳香族エーテル結合のオルト位に置換し、このスルホン化基は比較的容易に加水分解される。更には、繰返し単位当りわずか１個のみのスルホン酸である。この限界を乗り越えて、ジハライド単量体をスルホン化して得た複数のスルホネート基を含む単量体を用い、スルホン化ポリ（アリールエーテルスルホン）を製造する新たなルートが発展してきた。４，４−ジハロベンゾフェノン及び４，４’−ジハロジフェニルスルホンであるジハライド単量体をスルホン化すると、ハロゲン成分の不活性化されたフェニール環の二つのオルト位にスルホン酸官能基が導入され、このものは脱スルホン化に対して化学的により安定であり、そして得られた重合体の繰り返し単位当り二個のスルホン酸基を有するものを与えることになる。このこころみは、段階的な分解及び架橋結合が無く、そしてスルホン化ジハライド単量体に対してジハライド単量体の割合を調節することによってスルホン化基の量を容易に調整することができる、という有利さが存在する。
【０００７】
物理的化学的に優れた性能を有し、しかも安価に重合体電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ）用のイオン交換膜を製造するために、スルホン化ポリ（芳香族エーテルスルホン）及びスルホン化ポリ（芳香族エーテルケトン）を用いて種々の試みがなされている。これらの膜は二つの方法によって製造することができる。第一は重合体の直接のスルホン化であって、ポリ（芳香族エーテルケトン）の直接のスルホン化によりスルホン化ポリ（芳香族エーテルケトン）が製造されたと報告されている（Polym. V28, P1009 (1987)）。この方法は簡単であるが、しかし分解と架橋結合とが生ずる。スルホン化の程度はまた調整するのにむずかしい。更には、ビスフェノールＡに直接結合しているスルホン化基は高温度で長い間使用していると加水分解され、そして重合体の構造から解離する。他の方法はまず始めにスルホン化された単量体を準備し、その後重合を行う。この方法は、Macrom. Chem. Phy., (1997), P1421 (1998）に報告されている。まず、スルホン化ジフルオロ−ベンゾフェノンはジフルオロ−ベンゾフェノンをスルホン化して得られ、次いでこれをジフルオロ−ベンゾフェノンとビスフェノールＡとで混合し、共重合してスルホン化ポリ（芳香族エーテルケトン）に変える。この重合体の構造は次の構造式によって示される。
【化１】
2004534890.tif 000002
この重合反応は分解もまた架橋結合の副反応を誘発することがなく、そしてスルホン化反応の程度を調節することもできる。ベンゾフェノンの芳香族環に存在するスルホン酸基は、ビスフェノールＡ環のそれらと比較してより大変安定である。しかしながら、重合体構造の中にメチル基が存在するので、その抗酸化性は減少する。更には、スルホン化基の量が増えるので、水中での膨潤が大変問題となってくる。
【０００８】
近年、ビスフェノールＡベース、フェノールフタレンベースそして４，４’−チオジフェノールベースのスルホン化ポリ（アリールエーテルケトン）が他の別の方法で製造されている。一般に、殆んどの均質イオノマーは、かなりの導電性を有する組成からして、相当程度膨潤性である障害が存在する。それ故に、この重合体を他の成分と混合して、膨潤性の低いイオノマー膜を得るように試みている。
【０００９】
これら多くの重合体の一つの問題解決点は、イオン導電性を所望するようには余り期待しないことである。イオン導電性がより高いと、イオノマーの高いイオン導電性は望ましいが、燃料電池の電解質としてこの重合体を用いると電池抵抗はより低くなる。電池抵抗がより低いと燃料電池の効率がより高くなり、従ってより低い抵抗（又は高い電導度）はより好ましい。これらのイオノマーの抵抗を減少させる一つの試みは、抵抗は直接的に厚さに比例するので、その厚さを薄くすることである。困ったことに、これらのイオノマーはより薄くすると、電池のアセンブリー又は電池として用いている課程で物理的又は化学的に損傷し易いので、イオノマーを薄く作ることができない。この問題解決を扱った一つの試みは、ＲＥ３７，７０７、ＲＥ３７，７５６及びＲＥ３７，７０１に開示されていて、ここでは延伸膨張されたポリテトラフルオロエチレン膜にイオン交換物質をしみ込ませた極端に薄い複合膜が記載されている。イオノマー複合膜はまた米国特許第６，２５８，８６１に記載されている。
【００１０】
燃料電池に関し固体重合体電解質としてイオノマーを使用する他の更なる複雑さは、燃料を透過させないバリヤーとして働く電解質が必要である。もし、燃料が電解質を透過すると、電解質を透過する燃料は排出ガス流に流れ去り、又は酸化体側で化学的に反応して混合した電位極となり、この結果電池の効率が悪くなる。いずれの場合にも、燃料は電気の発生に利用されないことになる。更には、電解質を透過した燃料は酸化体側の触媒を被毒させ、電池の効率を更に低下させることになる。燃料のクロスオーバといわれるこのことは、メタノールを燃料として用いた場合、特に問題となる。
【００１１】
メタノールが重合体に吸収及び透過すると同様に水分子も同じ働きをするので、メタノールのクロスオーバ率は多くの固体重合体電解質において高くなる傾向にある。多くの重合体電解質は水を容易に輸送するので、またメタノールも容易に輸送する傾向になる。メタノールのクロスオーバを減少させる一つの試みは、メタノールの輸送抵抗（下で述べる）は膜を厚くすることによって増加するので、簡単にはより厚い膜を使用することである。しかしながら、厚くすれば膜のイオン抵抗が同様に増加するので、この解決法は実用的に限界がある。膜の中により高いイオン抵抗が存在すると内部抵抗がより高くなり、従ってより高い（ｉＲ）電力を消費することになって燃料電池の効率を損じる。それ故に、メタノール直接型燃料電池の理想的な膜は、メタノール輸送の非常に高い抵抗と同時に低いイオン抵抗を有するものになるであろう。これら二つの特性の組み合せは、より薄い膜を使用して膜抵抗による電力損失を低くし、同時にメタノールのクロスオーバを最小限にすることである。
【００１２】
種々の重合体を使用して、このメタノールのクロスオーバ問題を解決するよう提案されている。ＷＯ９６／１３８７２には、ポリベンズイミダゾールを使用したメタノール直接型燃料電池が提案されている。ＷＯ９８／２２９８９には、ポリスチレン／スルホン酸（ＰＳＳＡ）及びポリ（弗化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）から成る重合体電解質膜がメタノールのクロスオーバを低下すると報告されている。ＷＯ００／７７８７４及び米国特許第６，３６５，２９４には、スルホン化ポリホスファジンベースの重合体がメタノール直接型燃料電池の好ましいイオノマーとして提案されている。最後に、ポリ（アリーレンエーテルスルホン）は低いメタノール透過性を有すると報告されている（Y.S.Kim, F.Wang, M.Hickner, T.A.Zawodinski, and J.E.McGrath, Abstract No. 182, The Electrochemical Society Meeting Abstracts, Vol.2002-1, The Electrochemical Society, Pennington, NJ,2002）。このような種々の試みにもかかわらず、低いメタノールクロスオーバと共に許容できる高いイオン導電性を有するイオノマーの存在が依然として必要とされている。
【００１３】
本発明の一つの目的は、従って燃料電池の重合体電解質膜及び電極成分として使用できる改善されたイオノマーの長い間必要とされ要望されていたことを満足させることである。また、本発明の他の目的は、新規な重合体を使用して燃料電池を製造する改善された方法を提供することである。更に、本発明の目的は、新規な重合体と支持体とを含む改善された性能を有する複合固体重合体電解質を製造することである。本発明の他の目的は、新規な重合体を含むメタノール直接型燃料電池の性能を改善することである。最後に、本発明の目的は、新規な重合体を含んだ電極を有する燃料電池を提供することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明はフタラジノンとフェノール基を含む単量体及び少なくとも１つのスルホン化芳香族化合物との反応生成物を含むものである。フタラジノンとフェノール基を含む単量体はスルホン化芳香族化合物と反応するために使用され、驚くべきことにまた非常に望ましい性質を有するイオノマーが生成される。一つの例として、新規なイオノマーはスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）であり、以後本件においてｓＰＰＥＫと呼ぶ。他の例として、新規なイオノマーはスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）であり、以後本件においてｓＰＰＥＳと呼ぶ。他の例として、新規なイオノマーは他のスルホン化芳香族重合体化合物である。更に本件発明はこれら重合体の膜を形成すること及びＰＥＭＦＣ、特にＤＭＦＣに使用することを包含する。新規な重合体は膜の型に成形され、溶液に溶解され、そして多孔質支持体に合浸して改善された性質を有する複合固体重合体電解質を製造する。
【００１５】
本発明は一つの態様として単量体Ａ（後述する）と単量体Ｂ及び単量体Ｃ（後述する）との反応生成物を含むイオノマーを提供するもので、ここで単量体Ｂ及びＣを加えたモル数がＡのモル数に等しく、ここにおいていずれのＲ1〜4は独立して水素、線状若しくは枝分れしたアルキル基、芳香族基又はハロゲン；Ｘ1及びＸ2は独立してカルボニル基若しくはスルホン残基、又はケトン若しくはスルホン結合を通して結合した芳香族基；Ｙは独立してハロゲンそしてＭはアルカリ金属である。
【化２】
2004534890.tif 000003
【００１６】
本発明は他の態様として、単量体Ａを単量体Ｂ及び単量体Ｃとを単量体Ａに対して少くとも２モルのアルカリ金属塩基を含む不活性非プロトン性溶媒と混合した共沸溶媒中で反応して生成したものを含むイオノマーを提供するものであって、ここで単量体Ｂ及び単量体Ｃを加えたモル数はＡのモル数に等しく、ここでの反応は水の存在下共沸溶媒の共沸点より高い温度で水の共沸物を除去することによって反応が完了し、ここにおいていずれのＲ1〜4は独立して水素、線状若しくは枝分れしたアルキル基、芳香族基又はハロゲン；Ｘ1及びＸ2は独立してカルボニル基若しくはスルホン基、又はケトン若しくはスルホン結合を通して結合した芳香族基；そしてＹはハロゲンである。
【００１７】
本発明は他の態様として、単量体Ａとイオノマー寄与単量体との反応生成物を含むイオノマーを提供する。
【００１８】
本発明は他の態様として、
（ａ）ベンゾフェノンの４，４’−ジハロ（又はジニトロ）−３，３’−ジスルホネート塩、ジハロ（又はジニトロ）ベンゾフェノン及びフタラジノンとフェノール基を含む単量体と極性溶剤若しくは主として極性溶剤を含む反応媒体中、金属塩基（又はその塩）を含む生成物を得るための触媒の存在下共重合し；
（ｂ）共沸脱水剤を用いて高温度において生成物を脱水し；
（ｃ）この生成物を溶剤で希釈し；
（ｄ）凝固剤を用いて生成物を凝固し；
（ｅ）生成物を分離し；
（ｆ）この生成物を乾燥し；そして
（ｇ）工程（ｃ）から（ｆ）を更に２回行ってスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）を得る各工程を含むスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）を製造する方法を提供する。
【００１９】
本発明は他の態様として、
（ａ）フェニルスルホンの４，４’−ジハロ（又はジニトロ）−３，３’−ジスルホネート塩、ジハロ（又はジニトロ）フェニルスルホン及びフタラジノンとフェノール基を含む単量体とを極性溶剤若しくは主として極性溶剤を含む反応媒体中、金属塩基（又はその塩）を含む生成物を得るための触媒の存在下共重合し；
（ｂ）共沸脱水剤を用いて高温度において生成物を脱水し；
（ｃ）この生成物を溶剤で希釈し；
（ｄ）凝固剤を用いて生成物を凝固し；
（ｅ）生成物を分離し；
（ｆ）この生成物を乾燥し；そして
（ｇ）工程（ｃ）から（ｆ）を更に２回行ってスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）を得る各工程を含むスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）を製造する方法を提供する。
【００２０】
本発明は他の態様として、
（ａ）アノードを準備し；
（ｂ）カソードを準備し；
（ｃ）上記アノードとカソードの間に重合体電解質膜を設けてアノードとカソードとを通意し、ここで重合体電解質膜は請求項１記載のイオノマーを酸の型で含み；
（ｄ）上記カソードに燃料を供給し、ここでの燃料は分解してプロトンとエレクトロンを放出し；
（ｅ）このプロトンを重合体電解質膜を通してアノードに送り；そして
（ｆ）このエレクトロンを電力発生容器に回収する；各工程を含む電力を発生させる方法を提供する。
【００２１】
本発明は別個の態様として、新規なイオノマーを含む重合体電解質膜、このイオノマーを含む膜電極アセンブリー及びこのイオノマーを含む燃料電池、特にメタノール直接型燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明はまず好ましい態様として、スルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）の製造に関する有用な分子構造と関連して述べる。この態様において、本発明は重合体にフタラジノン構造を導入するために、スルホン化ベンゾフェノン及び４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン単量体を用いる。このことに関しこのものに限定するものではないが、フタラジノン基は公知のビスフェノールＡ物質と比較して高温及び酸化に対してより安定と考えられ；このことはスルホン酸基を有し水素結合からの電子リッチの共役複素環窒素基は膜物質の架橋結合密度を増加し、従って水中での膨潤を押え、結局プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に用いた場合には全体的に性能を改善することになる。
【００２３】
より好ましくは、この本発明の態様はスルホン化ジハロ（又はジニトロ）ベンゾフェノン、ジハロ（又はジニトロ）ベンゾフェノンの単量体、及びフタラジノン及びフェノール基を含む単量体を用いて新規なスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）の共重合体を製造するものであり、これを次の構造式で示す。
【化３】
2004534890.tif 000004
ここで、Ｒ1及びＲ2は水素原子、アルキル基又は芳香族基から選ばれ；Ｍは金属塩基イオンである。この本発明の態様に用いるベンゾフェノンは、４，４’−ジハロ（又はジニトロ）ベンゾフェノンである。この本発明の態様で用いられるスルホン化ベンゾフェノンは、ベンゾフェノンの４，４’−ジハロ（又はジニトロ）−３，３’−ジスルホン酸塩である。この本発明の態様に用いるフタラジノン及びフェノール基を含む単量体は次に示す分子構造を有する。
【化４】
2004534890.tif 000005
ここで、Ｒ1及びＲ2は水素原子、アルキル基又は芳香族基から選ばれる。
【００２４】
フタラジノン及びフェノール基を含む単量体は、Ｈａｙ氏の米国特許第５，２３７，０６２及び同第５，２５４，６６３に教示された方法によって製造することができる。この特許はしかしながらフタラジノン単量体を使用してスルホン化芳香族化合物と反応させ、又は燃料電池におけるイオノマー若しくは重合体電解質膜としての製造物を使用することは何等教示も提示もしていない。
【００２５】
更に、本発明において用いられるフタラジノン及びフェノール基を含む単量体は、次に示す式を含むものである。
【化５】
2004534890.tif 000006
ここで、Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3及びＲ4は、ハロゲン、Ｃ1〜Ｃ4の線状若しくは枝分れアルキル基又は芳香族基から成る群から独立して選ばれる。限定するものではないが、以下にこれらの化合物を例示する。
【化６】
2004534890.tif 000007
ここで、Ｍｅはメチル基であり、そしてＰｈはフェニル基である。
【００２６】
本発明において上に述べた単量体と反応するのに用いるスルホン化及び非スルホン化芳香族単量体は次の構造式を有する化合物が含まれる。
【化７】
2004534890.tif 000008
ここで、Ｘ1及びＸ2はケトン、スルホン又はケントン若しくはスルホン結合を通して結合した芳香族基から成る群から独立して選ばれ；Ｙはハロゲン基；そしてＭはアルカリ金属である。限定するものではないが、非スルホン化芳香族単量体を以下に例示する。
【化８】
2004534890.tif 000009
ここで、後者の三種の構造式（枠で示した三種）において、上と下の化合物は、Ｒ結合において、例えばＣ＝Ｏにより二つの環を直接結合する如きであり、そしてＭｅはメチル基であり；更に
【化９】
2004534890.tif 000010
ここでＰｈはフェニル基である。スルホン化芳香族化合物の例は、上に示した構造式において各ハロゲンに隣接してＳＯ3Ｍ基を有するものであって、ここでＭはアルカリ金属である。非スルホン化芳香族化合物の量は、反応工程中で最終生成物のＥＷを変化させることによって変り、そして０から約９５％の範囲で変えることができる。結局、スルホン化及び非スルホン化芳香族化合物の合算したモル数は、フタラジノン及びフェノール基を含む単量体のモル数とは一致しなくてはならない。本発明はフタラジノン及びフェノール基を含む単量体をイオノマー寄与単量体と重合することによって得られるイオノマーを含むことは明らかである。イオノマー寄与単量体は好ましくはスルホン酸又はカルボン酸を包含する。
【００２７】
反応に関し、単量体をフタラジノン及びフェノール基を含む単量体１モルについて少くとも２モルのアルカリ金属塩基を含む不活性非プロトン極性溶剤及び共沸溶剤と混ぜ合せ、そして水の存在下共沸溶剤の共沸点より高い温度で水の共沸物を除去しながら反応が行われる。アルカリ金属塩基は好ましくはアルカリ金属水酸化物又はアルカリ金属炭酸塩である。
【００２８】
本発明は１５０−２００℃の重合反応温度及び４−３２時間の反応時間で遂行される。この重合反応は次に示す式によって示すことができる。
【化１０】
2004534890.tif 000011
ここで、Ｒ1及びＲ2は水素原子、アルキル基又は芳香族基から選ばれ、そしてＭは金属塩基イオンである。上に示した構造式は反応生成物を代表するものであることは、当業者において理解できることであるが、限定するためのものではない。生成物は最終生成物の配置に関し、反応単量体がランダムに、交互に又はブロックに存在している。
【００２９】
本発明の一つの態様として次の重合手順を示す。フタラジノンとフェノール基を含む単量体と等モル量のスルホン化ベンゾフェノン及びベンゾフェノン、金属塩基又は過剰の１００％金属塩基の塩、トルエン（キシレン又はクロロホルム）、ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、フェニルスルホン、１−メチル−２−ピロリジノン及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの如き極性溶剤を三ツ口壜に入れる。この壜には窒素ガス供給口、冷却コンデンサー及び機械的撹拌機を有する。窒素ブランケットの保護のもと、反応媒体を加熱して脱水する。重合反応時間を４−３２時間、温度を１５０−２２０℃に加熱して、共沸脱水剤を用い共沸点において水を除去する。自然冷却後、所望の反応生成物を次に示す精製手順を三回繰返して分離する。溶剤で希釈し、凝固し、濾過しそして乾燥する。所望の目的物はその粘度及び他の物理的性質を測定して同定する。
【００３０】
本発明は赤外線スペクトル及び中性子磁気共鳴スペクトルによって確認した重合体を生成する。スルホン化単量体の割合、反応温度及び反応時間を調整することによって、種々のスルホン化成分及び種々の異なる粘度を有する種々の所望の生成物を製造することができる。
【００３１】
本発明はプロトン交換膜燃料電池の使用に適し、良好な性能を有する新規な高分子量のスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルケトン）を提供する。本発明の膜物質は公知のポリ（芳香族エーテルケトン）をベースにしたものと比べ、高温度酸化性能での抵抗性及び水中での低い膨潤性において優れている。この物質はＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに溶解し、流し込成形し、そして未乾燥塗膜を乾燥してフィルムにすることができる。この乾燥したフィルムは非常に良好な機械的性質を有する。この良好な機械的性質は、米国特許第４，３２０，２２４に教示された方法に従って特徴づけられる。溶剤流し込成形及び乾燥によって成形した０．２ミリの厚さのフィルムを、少なくとも５回折曲げ角度１８０°で折ることができる。この折り曲げたフィルムは破断することがないこと、及びこの樹脂は良好な機械的性質を有すると想定される。本発明は便利にはスルホン化単量体の割合を調整することによって、生成物のスルホン化含有量を変化させ、生成物の導電性及び他の性質を調整することができる。
【００３２】
上に述べたポリ（フタラジノンエーテルケトン）の利用に加えて、本発明の他の態様として、フタラジノン及びフェノール基を含む単量体を包含するポリ（フタラジノンエーテルスルホン）も製造される。この態様において、使用されるスルホン化フェニルはフェニルスルホンの４，４’−ジフルオロ（クロロ、ブロモ又はジニトロ）−３，３’−ジスルホン酸塩である。フタラジノン及びフェノール基を含む単量体は次に示す分子構造を有する。
【化１１】
2004534890.tif 000012
【００３３】
この態様では、本発明は重合反応温度が１４０−２２０℃であり、反応時間は１−３６時間で行われる。重合媒体の溶剤はジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、フェニルスルホン、１−メチル−２−ピロリジノン及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの如き極性溶剤を含み、水及びメタノール（又はエタノール）を凝固剤として使用する。
【００３４】
この態様は次に示す重合手順を有する。フタラジノンとフェノール基を含む単量体と等モル量のスルホン化フェニルスルホン及びフェニルスルホン、金属塩基又は金属塩基の塩、トルエン（キシレン又はクロロホルム）、及び極性溶剤を三ツ口壜に入れる。窒素ブランケットの保護のもと、反応媒体を加熱して脱水する。重合反応時間を１−３６時間、温度を１４０−２２０℃に加熱して、共沸脱水剤を用い共沸点において脱水された水を除去する。自然冷却後、所望の反応生成物を次に示す精製手順を三回繰返して分離する。溶剤で希釈し、凝固し濾過しそして乾燥する。この所望の目的物はその物理化学的性質を測定して同定することができる。
【００３５】
この態様は次に示す重合反応式によって表わすことができる。
【化１２】
2004534890.tif 000013
ここでＲ1及びＲ2は水素原子、Ｃ1〜Ｃ4の線状若しくは枝分れしたアルキル基又は芳香族基から選ばれ、Ｍはナトリウム又はカリウムイオン、Ｘは弗素、塩基、臭素又はニトロ基、そしてｍ＋ｎの和は２０以上である。上に示した構造式は反応生成物を代表するものであることは、当業者において理解できることであるが、限定するためのものではない。生成物は最終生成物の配置に関し、反応単量体がランダムに、交互に又はブロックに存在している。
【００３６】
本発明によって得られた重合体は赤外線スペクトル及び中性子磁気共鳴スペクトルによって確認される。スルホン化単量体の割合、反応温度及び反応時間を調整することによって、種々のスルホン化成分及び種々の異なる粘度を有する種々の所望の生成物を製造することができる。その結果、エレクトロン導電性及び他の性能を調整できる。本発明は新規な高分子量のスルホン化ポリ（フタラジノンエーテルスルホン）を提供し、このものは新規なイオン交換膜物とすることができる。本発明の膜物質は公知のポリ（芳香族エーテルスルホン）をベースにしたものと比べ、高温度酸化性能での抵抗性及び水中での低い膨潤性において優れている。この物質はＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに溶解してフィルムに成形し、そして未乾燥塗膜を乾燥する。この乾燥したフィルムは非常に良好な引張強さ及び他の性質が優れている。
【００３７】
ここにおいて開示されるように、フタラジノン及びフェノール基を含む単量体とスルホン化芳香族化合物の少なくとも１種の単量体とを組合せた反応生成物は、特に重合体電解質燃料電池に用いたときに、得られた重合体に対し驚くべきそして所望の性能を与えるものである。当業者において、広範囲のスルホン化芳香族化合物をフタラジノン単量体と用いて所望の生成物を製造することは良く知られている。これらスルホン化単量体の非スルホン化物のコモノマーはまた反応に存在させることもできる。反応温度、脱水剤及び凝固剤の如きの使用による反応条件は特にスルホン化芳香族化合物の種類によって変り、しかし単量体又はその非スルホン化物の既知の性質から当業者において容易に設定できる。
【００３８】
ここで開示される重合体は、溶液流し込成型又は乾燥押圧を含めた公知の方法によって、膜１０に成形することができる（図１に示した例を参照）。重合体はジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の如き非プロトン性極性有機溶剤に溶解して、容易に溶液流し込成形の如き好ましい方法が適用される。
【００３９】
イオノマーを特徴付けるのに用いられる重要なパラメータは当量（ＥＷ）である。本件において、当量は１当量の水酸化ナトリウムを中和するのに用いられる酸の形態の重合体の重量をいう。より高い当量は殆んど活性イオン（例えばプロトン）が存在しないことを意味する。仮に水酸化イオンの１当量を中和するのに、より多くの重合体が必要であると、この重合体の中に活性イオンが殆んど存在しないといえる。イオン導電性は一般に重合体の中に存在する活性イオンの数に比例するので、当量をより低くして導電性を増すのが好ましい。本件で開示される重合体は、約３００から４０００以上、好ましくは４００から１５００の間の当量の範囲を有するものが得られる。反応体の濃度をいろいろと変えることによって、種々の当量を有する生成物が得られることは良く知られていることである。例えば、ＰＰＥＫ重合体を製造する実施の態様として、ベンゾフェノンの４，４’−ジハロ（又はジニトロ）−３，３’−ジスルホン酸塩（表１における単量体２）とジハロ（又はジニトロ）フェニルベンゾフェノン（表１における単量体１）の濃度を変えて実施すると、種々の当量を有する重合体が得られることが表１からわかる。表１において、フタラジノン単量体の濃度を１０モルと固定して使用した。
【００４０】
【表１】
2004534890.tif 000014
【００４１】
本願において開示された新規な重合体は、特に望ましい製品を得るために燃料電池の種々の部分に組み入れることができ、このことは本件発明者による新たな発見である。例えば、新規な重合体は水素−空気又はメタノール直接型燃料電池における固体重合体電解質として使用することができる。更には、これらは図２の具体的態様、すなわち図２においてサブストレート２０及びイオノマー２１は複合膜２２を形成して示した薄い且つ強い膜を作るため多孔性重合体サブストレート物質に組み入れることができる。サブストレート２０は多孔性ポリオレフィンに限るものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリテトラフルオロエチレンが含まれる。ポリテトラフルオロエチレンは化学的に不活性であって、溶融温度が高いので特に望ましい多孔性サブストレートである。多孔性ポリテトラフルオロエチレンを製造する方法はいろいろと知られている。特に好ましい一つの多孔性重合体サブストレートは、本願明細書に示した米国特許第３，９５３，５６６に開示されている延伸膨張されたポリテトラフルオロエチレンである。本願において示した米国特許ＲＥ３７，７０７、ＲＥ３７，７５６及びＲＥ３７，７０１におけるBahar氏等によって開示された方法を用いて、特に好ましい特性を有する複合固体重合体電解質を製造することができる。
【００４２】
更に、本発明の新規なイオノマーをアノード及びカソード電極構造体に組み入れることも望ましいことである。このことは、メタノール直接型燃料電池の電位密度及びメタノールのクロスオーババリヤー特性（電圧及び燃料効率の付随した改善）の両方において、電池の性能を高めることになる。
【００４３】
本発明の重合体を含む燃料電池電極は、典型的にはイオノマーの適当量を触媒及び溶剤とを混ぜ合せて得たもので、スラリー又はインキを生成しインキ（inking）ベースとすることができる。このインキは次いで直接的に膜に又は標準的な熱圧技術によって触媒相を膜に移行することができる転写物質に適用することができる。
【００４４】
上記のイオノマーを含む燃料電池電極は、またメタノール移行阻止イオノマーを用いてＰＴＦＥ−触媒構造体を含浸させ（はけ塗、流し込成形、塗布等により）、ＰＴＦＥ結合触媒ガス拡散電極（ＧＤＥ）構造体を使用して製造することができる。このイオノマーを用いて製造したアノード及びカソードは、公知の電池の電極性能（登録商標ＮＡＦＩＯＮを含浸させた電極を用いて比較）と同様にメタノールのクロスオーババリヤー特性が改善されることが予期される。
【００４５】
更に、このイオノマーを用いメタノール許容／不感受カソード（methanol tolerant／insensitive cathodes）を製造することができる。このような電極は、クロスオーバされたメタノールが空気電極の酸素還元活性に悪影響を与えることのないメタノール直接型燃料電池の電池性能及び電圧効率を上げることができる。この重合体の高いメタノール透過阻止によって、メタノール直接型燃料電池のカソードの電極イオノマーとして選択的に用いることに好都合且つ有利であり、このことによってメタノール許容／不感受特性を有する空気電極を製造することができる。本願発明におけるイオノマーが効果的にブロック／カバー白金触媒に対し十分に高いイオノマー／金属の割合で存在する時には、この重合体の高いメタノール透過阻止によって多大なメタノール不感受性を示すカソード電池が期待できる。
【００４６】
メタノール許容／不感受カソードは、上記の重合体の溶液で電極／インキを作る前に電気触媒（electro catalyst）処理を事前に行って製造することができる。この事前処理はイオノマー溶液と触媒相を十分に混合して接触させ、そして溶剤を蒸発させ、メタノール透過阻止イオノマーのスキンで効果的に覆れた白金触媒相が得られる。この事前処理された触媒は、インキング（inking）、ガス拡散電極等の公知の方法によって、種々のカソード電極構造体を製造するために使用できる。
【００４７】
メタノール許容／不感受カソードを製造する他の試みは上記のイオノマーのインキ、溶剤及びイオノマー／金属の割合が高い触媒を準備することである。この得られる乾燥インキ電極は、メタノール透過阻止イオノマーによって効果的に阻止された白金相を有する。
【００４８】
最後に、ＰＴＦＥ結合触媒ＧＤＥ構造体のメタノール許容／不感受カソードはＧＤＥ（ガス拡散電極）を上記のイオノマーに浸漬して製造することができる。イオノマーは構造体に全体的に浸漬しそして飽和し、従って白金相を全体的にそして効果的に覆うことになる。
【００４９】
本発明の重合体は種々の公知の方法によって膜電極アセンブリーに形成され、例えば図３に実施態様例を示すが、ここで電解質セパレータ３２及び二つの電極３０と３１から膜電極アセンブリー３３が形成される。この新規な重合体は、この重合体を含む電極及び／又はこの重合体を含む電解質セパレータに用いられる。上記の膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）は、図４の実施態様例に示された燃料電池４３に組み込むことができ、ここでＭＥＡ３３は二つのガス拡散媒体４０及び４１で構成され、このいずれ又は両者は本発明の重合体を含むことができる。電気を発生させるために、この燃料電池はリード４４及び４５を通して外部負荷（load）に通す。公知の如く、多層のＭＥＡを二極板のガス拡散媒体４７を用いて多層のＭＥＡを分離するようにして燃料電池スタックに集成することができる。この得られた燃料電池は種々の燃料及び酸化雰囲気によって電気を発生させることができる。燃料は水素、メタノール若しくはエタノールを含めたアルコール又は他の炭化水素流体が含まれる。酸化雰囲気は酸素、空気、過酸化水素又は水素を酸化できる他の流体が含まれる。最後に、本発明のイオノマーは電気を用いて生産物を製造する電解電池の電解質セパレータにも用いることができる。
【００５０】
次に示す手順はすでに述べた記載によって得られるイオノマーの特徴を明らかにするために用いるものである。
【００５１】
当量（equivalent weight）
イオン交換能力は、本願においては次の如くして当量を測定する。ＳＯ3Ｈ形態の重合体膜の０．５〜１．０ｇの乾燥重量を飽和塩化ナトリウム溶液に浸漬する。この重合体膜を含む得られた酸性溶液を０．１規定の苛性ソーダ溶液で処理する。次に示す式に従ってイオン交換能力から当量が決定される。
2004534890.tif 000015
【００５２】
室温抵抗（room temperature resistance）
約２×３インチ四方の大きさの膜サンプルを、まず２１℃の室温状態で２４時間、５５％の相対湿度（ＲＨ）で平衝状態に保った。次いで、これを室温の脱イオン水を含むプラスチックビーカーに浸した。最初の測定を３０分後、第２回目の測定を２時間として、２回の測定を２時間にわたって行った。測定するに当って、膜サンプルを水から取り出し、そして紙テシューで軽くたたいて乾燥した。次いで厚さのゲージはＨｅｉｄｅｎｈａｉｎ  ＮＤ２８１デジタル表示に接続したＭＴ６０Ｍ  Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ（Schaumburg, Illinois）を使用して、直ちに厚さを測定した。このゲージは平板の上に直立に載っていて、そしてサンプルの中央及びすみを含めて異った８ヶ所の場所を測定できる。ゲージのスプリングによるプローブは各測定に際し押圧を最小限にするためフィルムの上におだやかに低く設けられている。８つの値の平均値をサンプルの厚さとした。膜１０のイオン抵抗は、次いで図５に示した４点のプローブ導電率を用いて測定した。導電セル５０の検出プローブ５５は約１インチの長であって、約１インチ離れている。プレキシグラス（plexiglass）のスペーサー５１はプローブ５４と検出プローブ５５との間を絶縁している。このセルはナイロンスクリュー５２を有し、電気的接触は穴５３を通してプローブに達している。測定の課程で、９００グラム重量（示していないが）のものをセルに載せて良好に接触できる。抵抗値は導電セル５０に更に押圧しても関係ないことが知られている。抵抗は、Scribner Associates によって書かれているＺＰロットソフトウェアーによってコントロールされているＳｏｌａｒｔｒｏｎ  ＳＩ  １２８０Ｂを用いて周波数１０００Hzで１０mV  ＡＣ振幅で穴５３を通した接続リード（表示していない）で測定した。測定は電位（potentiostatic）の様式で行った。このような条件下では、位相角は測定の間中は意味のないことが分った。各測定でのＳ／cm単位での室温イオン導電率は次の式によって計算される。
【数１】
2004534890.tif 000016
ここでσは室温イオン導電率であり、Ｌ2は検出プローブ間の距離であって、ここでは２．５６５４cmであり、Ｌ1は検出プローブの長さであって、ここでは２．５６０３cmであり、Ｄはcmの単位で測定した膜の厚さであり、そしてＲはオームで表わす測定した抵抗値である。膜のイオン抵抗値（オーム−em2）は次の式からの導電率から計算できる。
【数２】
2004534890.tif 000017
このことから、３０分間そして２時間浸漬した全サンプルのテストから室温イオン導電率はお互いに関係ないことが分った。開示した値は２つの測定から計算した平均値である。
【００５３】
メタノール輸送抵抗値（methanol transport resistance）
メタノールの透過装置は固体重合体電解質のメタノール輸送抵抗の特性を評価するのに使用される。
【００５４】
テストする膜サンプルはテスト前に最低１０分間脱イオン水に浸漬する。この浸漬工程はテスト片を集成する前に、膜を水と平衝関係にして事前に膨潤させるものである。次いで、図６に模型的に示したように５センチ×７センチの大きさの膜に切ってテスト片とする。この膜サンプル６１は事前に１ミル（mil）の大きさに切断した２枚のポリエチレンナフタリン（ＰＥＮ）ガスケット６２の間に載置する。このガスケットはテスト面積１０．５cm2に相応して３センチ×３．５センチの開口窓を残すように切断される。このテスト面積の湿潤した膜の厚さは、Ｍｉｔｕｔｏｙａスナップゲージ（モデル＃７３０１）を用いて迅速に測定した。測定は６つの異った場所で行い、そして６つの値の平均値をこのサンプルの湿潤した厚さとした。
【００５５】
次いで、膜ガスケットアセンブリーは、セルの両端出口の方向に開口した窓を持つテスト装置６７に載置する。２モルのメタノール供給液を５ml／分の流速で入口６３から供給し、一方脱イオン水を５ml／分の流速で入口６５からテスト装置に供給する。テスト装置は数回傾けて気泡が流路に残らないことを確認し、次いで６０℃の水浴セットで出口の端部も同様とした。メタノール供給液と水のフラッシュの両者を供給して最低１時間テスト装置を平衝状態とし、そしてテストサンプルを通してメタノールの安定した透過状態に達する。この１時間の平衝の間、メタノール液は出口６４に至るまでテスト装置内に存在し、一方水のフラッシュは出口６６に至るまでテスト装置内に存在する。メタノールと水の両者の流出液は、平衝している間捨てる。
【００５６】
ついで１時間後、水の流出液又は透過した水６６を５分間隔で４回サンプリングを行った。各サンプルを５mlのバイアルに回収し、そしてＰｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ  Ａｕｔｏ  Ｓｙｓｔｅｍ  ＸＬガスクロマトグラフィーを用いてメタノールの濃度を測定した。
【００５７】
４個の標準物は水中でのメタノールの量はそれぞれ８０，８００，４０００及び８０００PPMであった。このすべての標準物をガスクロマトグラフィー（ＧＣ）で２回サンプリングして、メタノールのピーク面積に対してメタノールのPPMの検量線を作成した。各水の透過サンプル中また２回測定し、そして検量線を用いて、測定したメタノールのピーク面積をメタノールのPPMに転換した。メタノールの供給濃度は４０倍に希釈してＧＣによって明らかにした。
【００５８】
全メタノールの透過度は次の式に従って計算される。
【数３】
2004534890.tif 000018
ここで
Ｃperm＝透過した水の濃度（ガスクロマトグラフィーからPPMに転換 mol／cm3）
Ｃfeed＝供給メタノールの濃度（mol／cm3）
Ｖperm＝水の流速（cm3／sec）
ｔ＝湿潤した厚さ（cm）
Ａ＝テスト面積（cm2）
【００５９】
全抵抗値は次いで次の式に従って計算される
【数４】
2004534890.tif 000019
【００６０】
サンプルのメタノール輸送抵抗値は、例えば次の式の如く、全抵抗値からテスト具の抵抗値を引くことによって計算できる。
【数５】
2004534890.tif 000020
【００６１】
テスト具はノイズを最小限にし、流れを良くし、そしてテストする面積には一定の濃度とするように工夫される；すなわち、メタノールの輸送抵抗値の或る部分はテスト具に関係しまた測定した全抵抗値から引算をするためである。テスト具の抵抗値Ｒcellは、３つの異なった厚さのテストしたＮＡＦＩＯＮ（登録商標）ペルフルオロスルホン酸膜（１１００ＥＷ）から得られる。これら３つのサンプルの全抵抗値を膜の厚さに対応してプロットし、そしてテスト具の抵抗値はｙ軸（Ｏの厚さ）とデータの直線との交った所から外挿されたものである。
【００６２】
相対選択係数（relative selectivity factor）
上に述べたように、メタノール直接型燃料電池における固体重合体電解質の膜に２つの異った重要な特性が存在する。すなわち、イオン抵抗とメタノール輸送抵抗である。これら２つの組み合せを評価するために、次の如き式によって相対選択係数（ＲＳＦ）が定義される。
【数６】
2004534890.tif 000021
はそれぞれＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７及びテストサンプルのイオン抵抗値であって、少くとも３回そして少なくとも２つのサンプルについてのそれぞれの平均値であり、
【数７】
2004534890.tif 000022
はそれぞれＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７及びテストサンプルのメタノール輸送抵抗値であって、少くとも３回そして少なくとも２つのサンプルについてのそれぞれの平均値である。
【００６３】
本願において参考として使用されるＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７は、ＺｎＳｅ結晶を有する水平減衰全反射（ＨＡＴＲ）のＤｉｇｉＬａｂ  ＦＴＳ４０００Ｅｘｃａｌｉｂｅｒを使用して赤外線測定を行った。４及び２０走査の分解能を用いて測定を行った。この測定結果を図１０に示した。
【００６４】
標準ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７膜のＲＳＦ（相対選択係数）に関連して独断的に定義をするならば次の如くであった。メタノール輸送抵抗値に対してイオン抵抗値がＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７膜より低い割合である物質は、メタノール直接型燃料電池用には優れた物質であるといえる。このような物質は従ってより大きなＲＳＦを有する。
【００６５】
電気化学的メタノールのクロスオーバの測定（electrochemical methanol crossover measurement）
この測定はメタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＥ）のセルの中でRen, T.Zawodzinski Jr., F.Uribe, H.Dai and S.Gottesfeld Electrochem. Soc. Proc. Vol 95-23 p.284 First Intl. Symp. on Proton Conducting Membrane Fuel Cells I The Electrochemical Society (1995）に記載されているメタノールフラックス（flux）の電気的酸化によって生じた電気化学的に限られた電流を評価して行われる。
【００６６】
ＤＭＦＣの分極性能に用いられる同様のＭＥＡは電気化学的クロスオーバに用いられる。空気電極又はカソードはＮ2電極に変えられる。アノードは変えることのない流れているメタノール溶液である。
外部電力の供給又は静電位（potentiostat）は、次いで二極モード（作動電極はＮ2電極、カウンター（counter）参照電極はメタノール（燃料）電極）の中で電池を外部バイアスのために使用する。クロスオーバのメタノールの電気酸化はＮ2電極（作動電極）で次に示すレドックス反応に従って生ずる。
【数８】
2004534890.tif 000023
そして、プロトンフラックスの水素での電気還元はメタノール電極（カウンター／参照、counter／reference）で行われる。
【数９】
2004534890.tif 000024
安定状態のメタノール電気酸化電流は次いでセル電荷に対して測定される（一般には０から１Ｖ）。セル電荷が増加すると一般には限界値又は平坦域になる。この限界電流はメタノールのクロスオーバ率の測定値であって、このフラックスは次の関係式から計算することができる。
【数１０】
2004534890.tif 000025
ここでｉlimは測定した限界電流密度（mA／cm2）、Ｆはファラデー定数であって９６４８７Ａ−ｓ／molであり、そしてＦcrossoverはmicromol／cm2-sの単位で表わされる。
【００６７】
特に、電気化学的メタノールのクロスオーバの測定は、Amel Instruments 2055 High Power Galvanostat/Potentiostat とAmel Programmable Function Generator (Model 568)とを接合して使用し、電池の測定を行った。残った電池は下記に示す例及び参考例の特性のため、燃料電池の分極実験に使用したと同じＧｌｏｂｅｔｅｃｈガスユニットに接続した。このテスト操作は次の如くである。すなわち、電池を二極モード（作動電極はＮ2、カウンター／参照電極はメタノール電極）の中でセル電荷を０から９００mVにわたりゆっくり２mV／秒で走査させバイアスさせる。このゆっくりした走査は、安定状態の電流測定を確実にするためである。電池のアノードは６０℃において２．５ml／分の１．０Ｍメタノール溶液の流れ、そしてカソードは６５℃において５０sccmの飽和Ｎ2の流れである。電池の熱トレイス線はアノード及びカソードがそれぞれ７５／７０度で行った。少なくとも３回の走査をメタノールのクロスオーバの電流について行い、いずれの走査は電池を安定にするために各測定前に約１５分の間隔を置いた。メタノールのクロスオーバは上に述べたようにして計算した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
次に示す例は新規なイオノマー及びこれらを製造する方法であって、限定するためのものではない。特に述べない限り、例で使用される化合物は次の如きである。４，４’−ジフルオロベンゾフェノンはAldrich化学会社から購入したものであり、そして更に精製せずに使用した。４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン（Dalian工科大学から提供されたもの）は提供されたものをそのまま使用した。５，５’−カルボニルビス（２−フルオロベンゼンスルホネート）はWang氏 [F.Wang, T.Chen, J.Xu, Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, 1421] に報告された一般的な製法に従って４，４’−ジフルオロベンゾフェノンをスルホン化して合成した。ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）及びトルエンは蒸留しそして４Ａ分子篩を用いて精製した。他の試薬及び溶剤は市場において入手し、そして更に精製することなくそのまま使用した。
〈例１〉
【００６９】
例１  ＰＰＥＫ重合体の製造
２．５３３８ｇ（６ミリモル）の３，３’−スルホニル（４，４’−ジフルオロベンゾフェノン）ジナトリウム塩、５．２３６８ｇ（２４ミリモル）の４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、７．１４７４ｇ（３０ミリモル）の４（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、３．１７９６ｇ（３０ミリモル）の炭酸ナトリウム、４０ミリリットルのトルエン、及び６０ミリリットルのスルホキシドを、パージ用窒素供給路、冷却コンデンサー及び機械的撹拌機を有する三口壜に入れた。窒素ブランケットで保護した上で、この壜を１９０℃で８時間加熱して重合を行った。重合過程で水が発生するので、トルエンを用い共沸点において除去した。冷却後、反応生成物をジメチルスルホキシドで希釈し、１：１のエタノール／水混合物で凝固した。この凝固物を三回濾過し次いで真空炉の中で８０℃で乾燥した。得られた生成物は粘度が１．０８dl／ｇ、ガラス転位温度が２５２℃そして熱重量損失が５３２℃で１０％であった。
〈例２〉
【００７０】
例２  ＰＰＥＫ重合体の製造
５．０６７５ｇ（１２ミリモル）の３，３’−スルホニル（４，４’−ジフルオロベンゾフェノン）ジナトリウム塩、３．９２７６ｇ（１８ミリモル）の４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、７．１４７４ｇ（３０ミリモル）の４（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、３．１７９６ｇ（３０ミリモル）の炭酸ナトリウム、４０ミリリットルのトルエン、及び６０ミリリットルのスルホキシドを、パージ用窒素供給路、冷却コンデンサー及び機械的撹拌機を有する三口壜に入れた。窒素ブランケットで保護した上で、この壜を１９０℃で８時間加熱して重合を行った。重合過程で水が発生するので、トルエンと共に共沸点において除去した。冷却後、反応生成物をジメチルスルホキシドで希釈し、１：１のエタノール／水混合物で凝固した。この凝固物を三回濾過し次いで真空炉の中で８０℃で乾燥した。得られた生成物は粘度が３．３８dl／ｇ、ガラス転位温度が３０８℃そして熱重量損失が４９７℃で１０％であった。
〈例３〉
【００７１】
例３  ＰＰＥＫ重合体及び膜の製法
ＰＰＥＫ固体重合体電解質次の如くして製造した。Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップ、コンデンサー及び窒素導入口を有する１５０mlの三口丸フラスコに、２０ミリモルの４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、５，５−カルボニルビス（２−フルオロベンゼンスルホネート）と４，４’−ジフルオロベンゾフェノン（２０ミリモル）の混合物、所要量のアルカリを、事前の４０mlのＤＭＳＯ及び４５ミリリットルのトルエンの混合物に加えた。この混合物を３時間１５０℃で還流し、次いで過剰のトルエンを蒸留して取り除いた。この混合物を１７５℃で２０時間加熱した。次に、この反応混合物を室温に冷却し、そして水に注いで共重合体を沈殿させた。この粗生成物を６回熱水で洗って無機塩を除いた。精製した重合体を濾過し、そして１００℃で４８時間真空で乾燥した。この得られた重合体は、Ｒ1及びＲ2が水素で、Ｍがナトリウムに相当するＰＰＥＫ重合体であった。
【００７２】
膜は塵の存在しない環境下でＤＭＳＯの３％溶液を用いてガラス板に流して成形した。この膜を次に８５℃で１０時間乾燥し、続いて１００℃で４８時間真空炉の中で乾燥した。得られた膜は次いで酸の形態のイオンの膜に変えた。この重合体のＥＶは構成成分から計算して６２１であり、すでに述べた方法により実験的に測定すると６３３であって、この値は実験誤差内の値である。このことは、ペンダントスルホネート基が重合体鎖に連続して結合していることを示している。
【００７３】
上で述べた得られた固体重合体電解膜の相対選択係数を計算した。得られたＲＳＦは１．２８であり、このことはメタノール直接燃料電池で固体重合体電解質として使用される標準品のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７膜よりも、優れたメタノール直接型燃料電池の膜として使用できることが期待される。
〈例４〉
【００７４】
例４並びに比較例Ａ及びＢ：ＭＥＡの製法
本発明の固体重合体電解質が燃料電池用の条件に関して評価するために、例３の酸の形態の本発明の固体重合体電解質、また２つの参考例としてＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜１１７（比較例Ａ）の酸の形態及びＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜１１２の酸の形態（両者はE.I.DuPont de Nemours社から入手）をそれぞれ用いて膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）を準備した。この二つの比較例は当量が１１００の市場で入手できるペルフルオロスルホン酸固体重合体電解質である。この二つの物質は厚さが異なるのみであって、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜１１７は名目厚さが７ミル又は１７５ミクロン（Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ  ＮＤ２８１３デジタル表示のついたＭＴ６０Ｍ  Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ（Schaumburg, Illinois）の厚さゲイジを使用して測定すると、実際の厚さは１７９ミクロン）及びＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜１１２は名目厚さが２ミル又は５０ミクロン（実際の厚さは４６ミクロン）である。乾燥状態で本発明の重合体は、Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ  ＮＤ２８１Ｂデジタル表示を有するＭＴ６０Ｍ  Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ（Schaumburg, Illinois）を用いて測定すると、３６ミクロンの厚さである。
【００７５】
本発明の固体重合体電解質及び比較例からＭＥＡを準備するため、まず電極を用意した。本発明の固体重合体電解質及び比較例の両者に同じアノード及びカソードを用いた。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１００ＥＶイオノマー溶液で浸漬した市場で入手できる電極である。電極の準備の操作は次の如くである。アノードはE-Tek社から入手したガス拡散電極（ＧＤＥ）である。このＧＤＥは触媒層に４．０mg／cm2のＰｔＲｕＯｘ（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）と１０％のＰＴＦＥを含み、そして湿潤防止処理をしていないカーボン紙ガス拡散媒体（ＥＦＣＧ／ＴＧＰＨ−０６０）に適用した。カソードはE-Tek社から入手したガス拡散電極（ＧＤＥ）である。このＧＤＥは触媒層に４．０mg／cm2の白金黒及び２０％のＰＴＦＥを含み、そしてこれを１側面のＥＬＡＴガス拡散媒体に適用した。
【００７６】
電極は５cm2四方にダイカット（ＭＥＡ活性表面積に相応）し、そしてＭＥＡに作る前にＮＡＦＩＯＮ溶液（１１００ＥＷ）で個々に浸漬した。アノード及びカソードイオノマーの浸漬程度は、アノード及びカソードに対してそれぞれ約０．７mg乾燥イオノマー／cm2及び０．３mg乾燥イオノマー／cm2であり、アノード及びカソードのイオノマーに対する金属触媒の割合は５．７及び１３．３になる。イオノマー浸漬溶液は、２２％固体のマスターＮＡＦＩＯＮ（１１００ＥＷ）溶液（デュポン社）から用意し、これは５０％エチルアルコール−水溶液と１対４の割合で希釈したものである。この希釈したＮＡＦＩＯＮ溶液は、次いでＧＤＥの表面を均一にブラシで塗って、ヒートガンで乾燥し、そして秤量した。この方法を２〜３回行って目標とするイオノマー装填物を得た。
【００７７】
このようにして得た電極を使用して、ＭＥＡを本発明の固体重合体電解質及び二つの比較用として、イオノマー浸漬ＧＤＥを標準的な熱プレスによって電解質膜とした。押圧条件は、固体重合体電解質を良好な接合物とするために任意に調整した。電極／膜／電極の素子を２つのＫａｐｔｏｎテープの間に置きそして手動で熱プレス（ＰＨＩ、モデルＱ２３０Ｈの熱板を有するもの）で押圧した。比較例では、押圧条件は１２トンの負荷で３２０°Ｆ（加熱した両者の加熱板）で３分間押圧した。実施例では、１２トンの負荷で３００°Ｆ（加熱した両者の加熱板）で３分間押圧した。
〈例４Ａ〉
【００７８】
例４Ａ  本発明の固体重合体電解質及び比較の固体重合体電解質を使用した燃料電池の製法
固体重合体電解質として比較例の二つのＭＥＡを使用した燃料電池及び本発明の固体重合体電解質を使用したＭＥＡを次に示す操作に従って組み立てた。例４のＭＥＡ（５cm2の活性表面積）を、標準燃料電池テスト具（Fuel Cell Technologies社により製造された５cm2、単一チャンネルの曲りのある流路面の８本のボルト）に載置した。ＭＥＡは組み立てる前にＫｒｙｔｏｘ滑剤（デュポン社）でボルトを潤滑性にした。ＭＥＡは市場で入手した７milのシリコーンを浸漬したガラスクロース（Tate Engineering）のガスケットを使用して組み立ててアノードとし、そしてカソードには１０milのガスケットを使用して組み立てた。全ガスケットは５cm2の窓を有していて、そして燃料電池具の全グラファイト面と３インチ×３インチのＭＥＡの膜境界部とをそれで覆った。このアセンブリーは心合わせピンを使用することなら二つのプレートの間でガス漏れがないようにした。追加的なガス拡散媒体は使用しない。素子の配列及びアセンブリーについて、テスト具を４５ポンド−インチ／ボルトの押圧を加えてねぢり次いで８本のボルトで星の配置で５ポンド−インチでとめた。トルク−レンチ（最大７５ポンド−インチのトルク）を使用して、電池を所望の位置に載置した。最終的には電池は燃料電池ステーションで負荷をかけて使用する前に、電流コレクターと押圧板との間に電気的なショートがないかどうかをチェックした。
〈例５〉
【００７９】
例５  本発明のイオノマーを含む電極
例４で記載したスクリーニング用ＮＡＦＩＯＮベースの拡散電極（ＧＤＥ）を使用し、同じ市場で入手できる電極（イオノマーを含まない）及び同じイオノマー浸漬物を用いて、本発明のイオノマーを有する電極ＤＭＦＣアノード及びカソードの原型品を用意した。
【００８０】
例３における固体重合体電解質膜を使用して、３％固体のジメチルスルホキシド溶液を準備した。この重合体のイオノマー溶液は膜を溶剤に溶かして用意した。溶液を準備するのにジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）は好ましい溶剤である。例３の膜を０．５Ｎ水酸化ナトリウム溶液で中和して、ナトリウム型にイオン交換した。膜を室温で最小限４時間乾燥した。８．９ｇのメチルスルホキシドをフラスコに注ぎ、この溶媒を磁気撹拌機で攪拌し、フラスコは乾燥窒素下に保持した。０．３ｇの膜を次にフラスコに加え３％固体のＤＭＳＯ溶液とした。フラスコの内容物を９０℃で約３０分間加熱して膜を完全に溶解した。この得られたイオノマー溶液は３％の固体を含んでいた。
【００８１】
次いで、この溶液を５cm2ＧＤＥに浸漬して原型品のアノード及びカソードとした。この得られたアノードＧＤＥは、約０．７mg／cm2の乾燥イオノマーを浸漬した４．０mg／cm2ＰｔＲｕＯｘ金属触媒を含むものである。原型品のカソードＧＤＥは、約０．３mg／cm2の乾燥イオノマーを浸漬した４．０mg／cm2白金黒金属触媒を含むものである。この浸漬した電極は２００℃で一晩真空炉の中で乾燥して完全に残った溶媒を除去した。乾燥工程後、全電極を３Ｎの硝酸に浸して酸形態（Ｈ+）のイオン交換重合体とした。最後に、電極を脱イオン水ですすいで過剰の酸を除いた。
〈例６〉
【００８２】
例６  本発明のイオノマーを含む電極
市場で入手できる例４の電極（ＰＴＦＥ結合の白金黒ベースのＧＤＥ）を使用して原型品のメタノール許容／不感受性カソードを準備した（イオノマーを含まない）。５cm2の電極を例５に示した溶液（３％の固体）に完全に浸し、そしておだやかに撹拌して全体を飽和させると共に重合体を浸透させた。過剰のイオノマーを除くために紙タオルで拭いて、そして浸漬した電極を真空炉の中で一晩２００℃で乾燥して残った溶剤を完全に除いた。この乾燥した電極を３Ｎの硝酸に浸し酸性型（Ｈ+）のイオノマーに変え、そして次に多量の脱イオン水で洗って過剰の硝酸を取り除いた。この原形型のカソードＧＤＥは約０．５mg／cm2の乾燥イオノマーを飽和状態で含む４．０mg／cm2白金黒金属触媒を構成する。
〈例７〉
【００８３】
例７  複合固体重合体電解質
複合膜を次の如くして準備した。例５で示したように、例３の固体重合体電解質を使用して、３％固体のジメチルスルホキシド溶液を生成した。この溶液をエタノールで半分に希釈して１．５％固体の５０／５０のジメチルスルホキシド／エタノール溶液とした。次に、この溶液を、ＵＳＰ  ＲＥ３７，３０７（Bahar）に開示された方法に従って２２ミクロンの厚さの延伸膨張したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の支持体に含浸させた。このＰＴＦＥを４インチの縫取りしたフープ（embroidery hoop）に固定した。このＰＴＦＥ支持体の両面にイオノマー溶液を塗り付け、そしてヘヤードライヤーで乾燥して溶剤を取り除いた。この塗り付けと乾燥工程を更に４回繰り返した。このＰＴＦＥと縫取りしたフープを炉の中で１９０℃で１０分間加熱して完全に溶媒の全部の痕跡をも取り除いた。次に、このサンプルを炉から取り出し、室温に冷却し、そして最終的には縫取りしたフープを取りはずした。このＰＴＦＥ／固体重合体電解質複合膜は透明であって、固体重合体電解質による完全に浸透した支持体である。
【００８４】
図９のＳＥＭのマクログラフは得られた複合固体重合体電解質膜の横断想定図である。ここで、イオノマーとしての固体重合体電解質は、複合層９２として示されているＰＴＦＥの実質的に浸漬した多孔質マイクロ構造のフィブリルである。
〈例８〉
【００８５】
例８  ＰＰＥＳ重合体の製造
１．２８３４ｇ（２．８ミリモル）の３，３’−スルホニルビス（４−フルオロフェニルスルホン）ジナトリウム塩、１．０６７９ｇ（４．２ミリモル）のビス（４−フルオロフェニル）スルホン、１．６６７７ｇ（７ミリモル）の４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、１．１６０９ｇ（８．４ミリモル）の炭酸カリウム、３０ミリリットルのトルエン及び２０ミリリットルのテトラメチレンスルホンを窒素パージ用供給路、冷却コンデンサー及び機械的撹拌機を有する三口壜に入れた。窒素ブランケットで保護した上で、この壜を２００℃で１０時間加熱して重合を行った。重合過程で水が発生するので、トルエンを用い共沸点において除去した。冷却後、反応生成物をテトラメチレンスルホンで希釈し、水の中で凝固した。この凝固物を三回濾過し次いで真空炉の中で１００℃で乾燥した。得られた生成物は粘度が１．７４dl／ｇであって熱重量損失が５３３℃で１０％であった。
〈例９〉
【００８６】
例９  ＰＰＥＳ重合体の製造
０．９６２５ｇ（２．１ミリモル）の３，３’−スルホニルビス（４−フルオロフェニルスルホン）ジナトリウム塩、１．２４５９ｇ（４．９ミリモル）のビス（４−フルオロフェニル）スルホン、１．６６７７ｇ（７ミリモル）の４−（４−ヒドロキシフェニル）フタラジノン、１．１６０９ｇ（８．４ミリモル）の炭酸カリウム、３０ミリリットルのトルエン及び２０ミリリットルのテトラメチレンスルホンを窒素パージ用供給路、冷却コンデンサー及び機械的撹拌機を有する三口壜に入れた。窒素ブランケットで保護した上で、この壜を２００℃で１０時間加熱して重合を行った。重合過程で水が発生するので、トルエンを用い共沸点において除去した。冷却後、反応生成物をテトラメチレンスルホンで希釈し、水の中で凝固した。この凝固物を三回濾過し次いで真空炉の中で１００℃で乾燥した。得られた生成物は粘度が１．４５４dl／ｇであって熱重量損失が５３４℃で１０％であった。
【００８７】
各例及び各比較例の特徴
固体重合体電解質を使用した時の本発明の重合体の有用性を見るために、例４Ａの燃料電池を電池診断用の燃料電池テスト具に接続した。この燃料電池テスト具は、電子負荷、ガスコントロールユニット、メタノール注入部及びその他補助具（コンデンサー、ガスラインの熱トレイシング等）から成る。この電子負荷（electronic load）はＳｃｒｉｂｅｒ  ＆  Ａｓｓｏｃ．（ＶＡ）１０Ａモデル８９０Ｂ−１００であって、燃料電池モードＨ2／空気及びメタノール／空気の分極分析に使用されるものである。この電子負荷の箱体は、電池用の標準温度調節器及び反応体給湿器を有している。この負荷はデーター取得及び分析用のＰＣランニングＳｃｒｉｂｅｒ  ＆  Ａｓｓｏｃ．燃料電池ソフトウェア（バージョン３．１ａ）を有している。
【００８８】
ガスユニットはGlobetech社で製造されたものであって、Ｈ2及び空気に関し独立して温度調整ができる３リットルの反応体給湿壜を有するように内部が改良されている。このステーションはガス状反応体に対し流れを調整でき、そしてブラック圧力調節器を有している。ガス供給物は給湿又は乾燥して３ウェイのバルブマニホールドを経由して電池に送られる。この電池は熱トレイスされ温度調節された供給物を有するガスユニットに接続されている。
【００８９】
メタノールの注入は第２のマニホールドを経由してアノードセルの供給路に入れる。この装置は、メタノール溶液の容器（１リットル三口パイレックスフラスコ）を有し、ここでは窒素ブランケットは連続して泡立を行わせ、流れを調整した２−シリンジの注入ポンプ（Ｋｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、モデル２１０Ｃ）、そして電池の直前の注入マニホールドの中に１００ccのアキュムレータ（流れの変動を避けるため）を設けている。注入のセットアップは、水素からアノード燃料としてのメタノール溶液をオン／オフのバルブを経由して流路を変えることができるもので、電池から離されている。
【００９０】
燃料電池をテストステーションに設けて６０℃にセットするし、アノード及びカソードの部分はそれぞれ７０℃及び６５℃にセットする。両者の圧（buck-pressure）を０psigに保持し、そしてガスラインの熱はそれぞれアノードが７５℃そしてカソードは７０℃にセットする。水素燃料をアノードに１００ml／分の流速で、そして空気をカソードに２００ml／分の流速で供給する。電池の温度がセットした値になると、このままの状態で少なくとも６時間維持した。この間、電池の電位は０．２Ｖの電位の段階的増加で、０．６Ｖ、０．３Ｖそして０．８Ｖの間で静電電荷的にサイクルした。通常、当業界で行われているように、電圧は例えばアノード水素ガスが流れている如き水素電極に対する、分離されていない標準的電極との対比である。電池は各段階で５から１０分間保持した。燃料電池の電位サイクルの終りにおいて、アノード反応体及びカソード反応体の最小流速は、負荷のための流れによって（例えば、計算による調節）それぞれ２０ml／分及び４０ml／分に落ちた。次に、この電池をアノードにおいては計算量の１．２倍、そしてカソードにおいては２．５倍の一定した計算量のもとで電池を操作した。計算した流れはガスが燃料電池の反応で完全に消費されるであろう所定の電流密度におけるガスの流れと定義される。燃料電池は再度０．６Ｖ、０．３Ｖそして０．８Ｖの間を少なくとも二回サイクルさせて、計算によって調節されたモードのもとで安定状態に達する。最後に、分極カーブは連続した電荷が５から１０分間経過した後の安定状態の電流を読み取って得た。段階的増加（step increment）は比較例においては０．１Ｖ、そして本願の実施例では０．０５Ｖであった。分極カーブは０．６Ｖから始まって、まずより低い電圧に、次いで電池０．６Ｖの平衝状態に戻し、そして明示された回路電圧になる。この明示された回路（open circuit voltage, OCV）は、負荷が電池から除去された後の時に対するＯＣＶのトレース（trace）から得られる最大電圧と定義される。更に、各電位において電池の抵抗は系を調節するのに使用されるＳｃｒｉｂｎｅｒ  Ｖｅｒｓｉｏｎ３．１ａ（Firmware Version 1.43）ソフトウェアによって得られる標準電流断続手法によって測定される。
【００９１】
分極曲線が完成すると、燃料電池を一晩止めて、そして電池、給湿壜、熱トレース温度を室温に下げる。燃料電池は翌日すでに上に述べた同じ手法に従って再度稼動した。電池の電圧は、再び０．６Ｖ、０．３Ｖそして０．８Ｖの間に燃料電池をサイクルさせた。電池の性能を第１回目のそれと比較するのに、第２回目の性能を確認するための分極曲線を記録した。第１回目（第１日目）より第２回目（第２日目）の方が電池性能がより良ければ、この電池は最小限更に４時間サイクルし、そして分極曲線はこの条件下での終りにおいて得られる。第２回目（第２日目）に得られた分極曲線はＭＥＡ比較のために用いられ、そして図７において示した。
【００９２】
次に、この燃料電池を水素／空気モードからメタノール／空気モードに変えた（メタノール直接型燃料電池又はＤＭＦＣモード）。燃料電池のアノード側をまず窒素を吹きつけ、そしてＫｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ吸入ポンプを使用して１Ｍメタノール溶液を１ml／分の速度でアノード側に送った。この燃料電池は０．３Ｖ、０．１Ｖそして０．６Ｖの間を０．３Ｖのポテンシャル段階でサイクルさせた。燃料電池を各ポテンシャル段階で５から１０分間維持した。この電池を、ＤＭＦＣモードで最低３時間サイクルさせた後、前に述べたと同様にしてＤＭＦＣ分極曲線を記録した。この場合、分極曲線は０．３Ｖから始まり、まず０．０５Ｖ段階的増加において０Ｖに下げ、次いで０．３Ｖに戻し、そして０．０５Ｖ段階的増加で開示された回路電圧に増加した。ＯＣＶはすでに上に述べた如くして測定した。
【００９３】
水素／空気及びメタノール／空気についてのテスト結果の分極は、それぞれ図７及び８に示した。水素／空気（図７）について、本発明の重合体を比較例のものと燃料性能を比較してみると、上から０．７５Ｖまでは、比較例と比較できるものであり、より低い電圧においては、２つの比較例の中間に位置し、ここで驚くべきことに、特に膜厚を考慮して非弗素化重合体は良い結果を示している。メタノール／空気（図８）について、本発明の固体重合体電解質の性能はすべての電位において、両者の比較例より優れている。本発明の重合体を用いて製造したＭＥＡの電流密度は、０．３Ｖにおいて８０mA／cm2であり、これに対してＭＥＡをベースとしてのＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２及びＮＡＦＩＯＮ１１７はそれぞれ５０mA／cm2及び６１mA／cm2であって、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２に対して６０％そしてＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７に対して３１％の性能改善が見られる。また、例３の新規な固体重合体電解質についての測定した回路電圧は０．７０４Ｖであって、比較例Ａのそれは０．６８３Ｖ、又は比較例Ｂのそれの０．６４５Ｖと比べて高く、改善された性能が明らかに認められる。
【００９４】
電気化学的メタノールのクロスオーバの測定結果（表２）は、本発明の固体重合体電解質が比較例Ａ又はＢのそれより電気化学的にメタノールのクロスオーバがより低いことを示している。このことは、本発明の固体重合体電解質は比較例Ａの約５倍にも及び薄さであってしかも依然としてクロスオーバがより低く、このことは特に驚くべきである。
【００９５】
【表２】
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【００９６】
本願において示した実施例及び具体的態様は、本願発明を説明するものであるが、いずれにしても本願発明を限定するためのものではない。むしろ、本願発明の範囲は特許請求の範囲の記載に従って明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の具体的例によるイオノマーから形成した膜の断面図である。
【図２】本発明の具体的例によるイオノマーを用いて形成した複合膜の断面図である。
【図３】本発明の具体的例による固体重合体電解質を用いて形成した膜電極アセンブリーの断面図である。
【図４】本発明の具体的例による固体重合体電解質を包含する燃料電池の断面図である。
【図５】室温における導電取付具の模型図である。
【図６】メタノール溶液についてのイオノマーの透過を測定するのに用いたセルの模型図である。
【図７】本発明の固体重合体電解質及び市場において入手した公知の二つのものを用い水素−空気燃料電池の分極曲線を比較した図である。
【図８】本発明の固体重合体電解質及び市場において入手した公知の二つのものを用いメタノール−空気燃料電池の分極曲線を比較した図である。
【図９】例７で得られた複合固体重合体電解質の走査電子顕微鏡写真である。
【図１０】相対選択係数を測定するのに用いたＮＡＦＩＯＮ（登録商標）固体重合体電解質膜の赤外線スペクトルである。
【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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