(57)【要約】  本明細書は、芳香族環を含む化合物、これを含む高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を含む膜−電極接合体、前記膜−電極接合体を含む燃料電池および前記高分子電解質膜を含むレドックスフロー電池に関する。
2018502053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記化学式１で表される化合物：
［化学式１］
【化１】
2018502053.tif 000011
前記化学式１において、
Ｒ１およびＲ２は互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ハロゲン基またはヒドロキシ基であり、
Ｒ３はＳ、Ｏ、ＣＦ２、ＮＨ、またはＳＯ２であり、
Ｒ４は−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−Ｍ＋、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＯ−Ｍ＋、−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３Ｈ、または−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３−Ｍ＋であり、
Ｍは１族元素であり、
ｎは２〜２０の整数である。
【請求項２】
前記Ｒ３がＳ、ＮＨ、またはＳＯ２である請求項１に記載の化合物。
【請求項３】
前記Ｒ３がＳまたはＳＯ２である請求項１に記載の化合物。
【請求項４】
前記Ｒ１およびＲ２がフッ素（Ｆ）である請求項１に記載の化合物。
【請求項５】
Ｒ４が−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−Ｍ＋、−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３Ｈ、または−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３−Ｍ＋である請求項１に記載の化合物。
【請求項６】
前記化学式１で表される化合物は下記の構造の中から選択されるいずれか１つである請求項１に記載の化合物：
【化２】
2018502053.tif 000012
【化３】
2018502053.tif 000013
【化４】
2018502053.tif 000014
【化５】
2018502053.tif 000015
【化６】
2018502053.tif 000016
【化７】
2018502053.tif 000017
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の化合物由来の単量体を含む重合体。
【請求項８】
請求項７に記載の重合体を含む高分子電解質膜。
【請求項９】
前記重合体の重量平均分子量が５００以上５，０００，０００以下（ｇ／ｍｏｌ）である請求項８に記載の高分子電解質膜。
【請求項１０】
前記高分子電解質膜の厚さが１μｍ以上５００μｍ以下である請求項８に記載の高分子電解質膜。
【請求項１１】
前記高分子電解質膜のイオン伝導度が０．０１Ｓ／ｃｍ以上０．５Ｓ／ｃｍ以下である請求項８に記載の高分子電解質膜。
【請求項１２】
前記高分子電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）値が０．０１ｍｍｏｌ／ｇ〜５ｍｍｏｌ／ｇである請求項８に記載の高分子電解質膜。
【請求項１３】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に備えられた、請求項８に記載の高分子電解質膜とを含む膜−電極接合体。
【請求項１４】
２以上の、請求項１３に記載の膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の間に備えられるバイポーラプレートを含むスタックと、
前記スタックに燃料を供給する燃料供給部と、
前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部とを含む高分子電解質型燃料電池。
【請求項１５】
正極および正極電解液を含む正極セルと、
負極および負極電解液を含む負極セルと、
前記正極セルと前記負極セルとの間に備えられる、請求項８に記載の高分子電解質膜とを含むレドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、芳香族環を含む化合物およびこれを用いた高分子電解質膜に関する。本出願は、２０１５年１月３０日付で韓国特許庁に提出された特許出願第１０−２０１５−００１４６９３号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の化学的エネルギーを直接電気的エネルギーに変換させるエネルギー変換装置である。すなわち、燃料電池は、燃料ガスと酸化剤を使用し、これらの酸化還元反応中に発生する電子を用いて電力を生産する発電方式である。燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）は、水素と酸素の電気化学的反応が起こる部分であって、カソードおよびアノードと、電解質膜、すなわちイオン伝導性電解質膜とから構成されている。
【０００３】
レドックスフロー電池（酸化−還元フロー電池、Ｒｅｄｏｘ  Ｆｌｏｗ  Ｂａｔｔｅｒｙ）とは、電解液に含まれている活性物質が酸化・還元して充電・放電されるシステムで、活性物質の化学的エネルギーを直接電気エネルギーとして貯蔵させる電気化学的蓄電装置である。レドックスフロー電池の単位セルは、電極と、電解質と、イオン交換膜（電解質膜）とを含む。
【０００４】
燃料電池およびレドックスフロー電池は、高いエネルギー効率性と汚染物の排出が少ない環境配慮的な特徴によって、次世代エネルギー源として研究開発されている。
【０００５】
燃料電池およびレドックスフロー電池において最も核心となる構成要素は、陽イオン交換が可能な高分子電解質膜であって、１）優れたプロトン伝導度、２）電解質のクロスオーバー（Ｃｒｏｓｓ  Ｏｖｅｒ）防止、３）強い耐薬品性、４）機械的物性強化、および／または５）低いスウェリング比（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ  Ｒａｔｉｏ）の特性を有するのが良い。高分子電解質膜は、フッ素系、部分フッ素系、炭化水素系などに区分され、炭化水素系高分子電解質膜の場合、フッ素系電解質膜に比べて費用が安価であるという利点がある。
【０００６】
炭化水素系高分子電解質膜の材料として、陽イオン伝達官能基が重合体の主鎖（ｍａｉｎ  ｃｈａｉｎ）のベンゼン環に直接付いているか、カルボニル官能基を介して重合体の主鎖から離れている構造の単量体が一般的に使用されてきているが、反応性および耐久性劣化の問題を解決するための研究が持続的に要求されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書は、芳香族環を含む化合物およびこれを用いた高分子電解質膜を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書の一実施態様は、下記化学式１で表される化合物を提供する：
［化学式１］
【化１】
2018502053.tif 000003
前記化学式１において、
Ｒ１およびＲ２は互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ハロゲン基またはヒドロキシ基であり、
Ｒ３はＳ、Ｏ、ＣＦ２、ＮＨ、またはＳＯ２であり、
Ｒ４は−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−Ｍ＋、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＯ−Ｍ＋、−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３Ｈ、または−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３−Ｍ＋であり、
Ｍは１族元素であり、
ｎは２〜２０の整数である。
【０００９】
本明細書の一実施態様は、前記化学式１の化合物由来の単量体を含む高分子を提供する。
【００１０】
本明細書の一実施態様は、前記化学式１の化合物由来の単量体を含む重合体を含むことを特徴とする高分子電解質膜を提供する。
【００１１】
また、本明細書の一実施態様は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に備えられた、前述した高分子電解質膜とを含む膜−電極接合体を提供する。
【００１２】
さらに、本明細書の一実施態様は、２以上の、前述した膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の間に備えられるバイポーラプレートを含むスタックと、
前記スタックに燃料を供給する燃料供給部と、
前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部とを含む高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１３】
本明細書の一実施態様はさらに、
正極および正極電解液を含む正極セルと、
負極および負極電解液を含む負極セルと、
前記正極セルと前記負極セルとの間に備えられる、前述した高分子電解質膜とを含むレドックスフロー電池を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書の一実施態様に係る化合物由来の単量体は、重合反応過程で高い反応性を提供する。
【００１５】
本明細書の一実施態様に係る化合物由来の単量体を含む高分子を用いて製造された高分子電解質膜は、イオン伝導度に優れる。
【００１６】
また、本明細書の一実施態様に係る化合物由来の単量体を含む高分子を用いて製造された高分子電解質膜は、相分離が容易で、結果的に、イオン伝導度が向上する。
【００１７】
さらに、本明細書の一実施態様に係る高分子電解質膜は、耐久性に優れる。
【００１８】
また、前記高分子電解質膜を含む燃料電池および／またはレドックスフロー電池は、耐久性および効率に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池の電気発生原理を示す概略図である。
【図２】レドックスフロー電池の一般的な構造を概略的に示す図である。
【図３】燃料電池の一実施例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本明細書についてより詳細に説明する。
【００２１】
本明細書の一実施態様は、前記化学式１で表される化合物を提供する。
【００２２】
具体的には、前記化学式１で表される化合物は、２つのベンゼン環を連結するリンカーとしてスルホニル基（−ＳＯ２−）を含んでいる。従来の場合、カルボニル基をリンカーとして用いていた。前記化学式１で表される化合物のように、カルボニル基の代わりにスルホニル基が導入された構造を用いる場合、これを含む電解質膜の耐久性が向上するという利点がある。これは、電解質の強酸または電解質から生成されるラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）によって容易に分解しないスルホニル基の化学的安定性に起因する効果である。
【００２３】
一方、前記化学式１で表される化合物は、それぞれハロゲン基またはヒドロキシ基であるＲ１およびＲ２が２つのベンゼン環を連結するリンカーであるスルホニル基（−ＳＯ２）との関係において、それぞれオルト（ｏｒｔｈｏ）とパラ（ｐａｒａ）に位置している。スルホニル基の電子求引効果（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｗｉｔｈｄｒａｗｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によって、ベンゼン環の親核性置換反応（ｎｕｃｌｅｏｐｈｉｌｉｃ  ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）時、スルホニル基に対してオルト（ｏｒｔｈｏ）とパラ（ｐａｒａ）に位置するＲ１およびＲ２の反応性が相対的に高まり、結果的に、重合反応時に反応性が向上するという利点がある。
【００２４】
本明細書の一実施態様によれば、１族元素のＭはＬｉ、Ｎａ、またはＫであってもよい。
【００２５】
本明細書の一実施態様によれば、Ｒ１およびＲ２はそれぞれフッ素（Ｆ）であり、この場合、前記利点が極大化できる。
【００２６】
本明細書の一実施態様によれば、Ｒ３はＳ、ＮＨ、またはＳＯ２である。
【００２７】
本明細書の一実施態様によれば、Ｒ３はＳまたはＳＯ２である。この場合、前記化学式１で表される化合物の合成がより容易であるという利点がある。
【００２８】
本明細書の一実施態様によれば、Ｒ３はＳＯ２である。電解質の強酸または電解質から生成されるラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）によって容易に分解しないスルホニル基の化学的安定性によって、Ｒ３がＳＯ２の場合、これを含む電解質膜は、向上した耐久性を示すことができる。
【００２９】
一方、ｎ値が増加するほど、化学式１で表される化合物由来の単量体を含む重合体内のペンダント（ｐｅｎｄａｎｔ）の長さが長くなり、結果的に、親水性部分同士でよく集まって相分離が容易に起こり、高分子電解質膜へ適用時に優れたイオン伝導度を示すという利点がある。
【００３０】
本明細書の一実施態様によれば、Ｒ４は−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−Ｍ＋、−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３Ｈ、または−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３−Ｍ＋である。Ｒ４は、高分子電解質膜に含まれてイオン伝達官能基の役割を果たす。スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）の場合、１ｍｏｌｅあたり、最大約１０ｍｏｌｅの水を吸収して、約０．１Ｓｃｍ−１の高いプロトン伝導率を示す。
【００３１】
本明細書の一実施態様によれば、前記化学式１で表される化合物は下記の構造の中から選択されるいずれか１つであってもよい：
【化２】
2018502053.tif 000004
【化３】
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【化４】
2018502053.tif 000006
【化５】
2018502053.tif 000007
【化６】
2018502053.tif 000008
【化７】
2018502053.tif 000009
【００３２】
本明細書の一実施態様はまた、前記化学式１で表される化合物由来の単量体を含む重合体を提供する。前記単量体は、前述のように、重合反応時に向上した反応性を示すという利点がある。
【００３３】
本明細書の一実施態様に係る重合体は、Ｒ１およびＲ２で置換されたベンゼン環が主鎖（ｍａｉｎ  ｃｈａｉｎ）になり、スルホニル基（−ＳＯ２−）をリンカーとして［−Ｒ３（ＣＦ２）ｎＲ４］で置換されたベンゼン環がペンダント（ｐｅｎｄａｎｔ）形態に連結されていることを特徴とする。
【００３４】
本明細書において、「単量体」は、化合物が重合反応によって重合体内で２価基以上の形態で含まれる構造を意味する。具体的には、前記化学式１で表される化合物由来の単量体は下記のような構造を有することができる。ただし、これによって限定されるものではない。
【化８】
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【００３５】
本明細書の一実施態様に係る前記重合体は、前述のように、前記化学式１で表される化合物由来の単量体を含む。これによって、重合体内で部分フッ素系を含むイオン伝達官能基がペンダント（ｐｅｎｄａｎｔ）形態に存在するため、重合体内でイオン伝達官能基同士でよく集まって相分離が容易でイオンチャネルを容易に形成し、結果的に、前記重合体を含む高分子電解質膜のイオン伝導度が向上する効果を実現できる。
【００３６】
本明細書の一実施態様によれば、前記重合体は、ランダム重合体であってもよい。この場合、簡単な重合方法で高い分子量を有する重合体を得ることができる。
【００３７】
この時、前記化学式１で表される化合物由来の単量体は、前記重合体を含む高分子電解質膜のイオン伝導度を調節する役割を果たし、ランダム形態に重合される残りの比率の共単量体（第２単量体）は、機械的強度を向上させる役割を果たす。
【００３８】
本明細書の一実施態様によれば、前記化学式１で表される化合物由来の単量体は、全体重合体の０．１モル％〜１００モル％含まれてもよい。具体的には、重合体は、前記化学式１で表される化合物由来の単量体のみを含む。他の実施態様において、前記重合体は、前記化学式１で表される化合物由来の単量体以外の第２単量体をさらに含むことができる。この場合、前記化学式１で表される化合物由来の単量体の含有量は０．５モル％〜６５モル％であることが好ましい。より好ましくは５モル％〜６５モル％であってもよい。前記範囲内の化合物由来の単量体を含む重合体は、機械的強度と高いイオン伝導度を有する。
【００３９】
前記第２単量体は、当技術分野で知られているものが用いられる。この時、第２単量体は、１種類または２種類以上が用いられる。
【００４０】
前記第２単量体の例としては、パーフルオロスルホン酸ポリマー、炭化水素系ポリマー、ポリイミド、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリホスファゼン、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル、ドーピングされたポリベンズイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、これらの酸またはこれらの塩基を構成する単量体が用いられる。
【００４１】
本明細書の一実施態様によれば、前記重合体中における前記第２単量体の共単量体の含有量は０重量％超過９９．９重量％以下であってもよい。
【００４２】
本明細書の一実施態様によれば、前記重合体が前記第２単量体を含む場合、前記重合体は、ランダム重合体であってもよい。
【００４３】
本明細書の一実施態様はさらに、前記重合体を含む高分子電解質膜を提供する。前記高分子電解質膜は、前述した効果を奏することができる。
【００４４】
本明細書において、「電解質膜」は、イオンを交換できる膜であって、膜、イオン交換膜、イオン伝達膜、イオン伝導性膜、分離膜、イオン交換分離膜、イオン伝達分離膜、イオン伝導性分離膜、イオン交換電解質膜、イオン伝達電解質膜、またはイオン伝導性電解質膜などを含む。
【００４５】
本明細書に係る高分子電解質膜は、前記化学式１で表される化合物由来の単量体を含むことを除けば、当技術分野で知られた材料および／または方法が利用されて製造される。
【００４６】
もう一つの実施態様によれば、前記高分子電解質膜に含まれる重合体の重量平均分子量は５００以上５，０００，０００以下（ｇ／ｍｏｌ）であってもよく、具体的には２０，０００以上２，０００，０００以下（ｇ／ｍｏｌ）であってもよく、より具体的には５０，０００以上１，０００，０００以下（ｇ／ｍｏｌ）であってもよい。
【００４７】
前記共重合体の重量平均分子量が５００以上５，０００，０００以下（ｇ／ｍｏｌ）の時、電解質膜の機械的物性が低下せず、適切な高分子の溶解度を維持して電解質膜の作製を容易にできる。
【００４８】
本明細書の一実施態様によれば、前記高分子電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）値は０．０１ｍｍｏｌ／ｇ〜５ｍｍｏｌ／ｇである。前記イオン交換容量値の範囲を有する場合には、前記高分子電解質膜におけるイオンチャネルが形成され、重合体がイオン伝導度を示すことができる。
【００４９】
本明細書の一実施態様によれば、前記電解質膜の厚さは１μｍ〜５００μｍであってもよく、具体的には１０μｍ〜２００μｍであってもよい。電解質膜の厚さが１μｍ〜５００μｍの時、電気的ショート（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｈｏｒｔ）および電解質物質のクロスオーバー（Ｃｒｏｓｓ  Ｏｖｅｒ）を低下させ、優れた陽イオン伝導度特性を示すことができる。
【００５０】
本明細書の一実施態様によれば、前記高分子電解質膜のイオン伝導度は０．００１Ｓ／ｃｍ以上０．５Ｓ／ｃｍ以下であってもよいし、具体的には０．０１Ｓ／ｃｍ以上０．５Ｓ／ｃｍ以下であってもよい。
【００５１】
もう一つの実施態様によれば、前記高分子電解質膜のイオン伝導度は、加湿条件で測定される。加湿条件とは、フル（ｆｕｌｌ）加湿条件を意味することもでき、相対湿度（ＲＨ）１０％〜１００％を意味することもでき、相対湿度（ＲＨ）３０％〜１００％を意味することもできる。
【００５２】
本明細書の一実施態様によれば、前記高分子電解質膜のイオン伝導度は０．００１Ｓ／ｃｍ以上０．５Ｓ／ｃｍ以下であってもよいし、相対湿度（ＲＨ）１０％〜１００％で測定されてもよい。もう一つの実施態様によれば、前記高分子電解質膜のイオン伝導度は０．０１Ｓ／ｃｍ以上０．５Ｓ／ｃｍ以下であってもよいし、相対湿度（ＲＨ）３０％〜１００％で測定されてもよい。
【００５３】
本明細書の一実施態様によれば、前記高分子中の少なくとも一部が金属塩の形態であってもよい。また、前記金属塩は酸の形態に置換されていてもよい。
【００５４】
具体的には、前記化学式１において、Ｒ４が、−ＳＯ３−Ｍ＋または−ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３−Ｍ＋の高分子に酸溶液を加えて、金属Ｍの代わりにＨ（水素）に置換された高分子を含む電解質膜を形成することができる。
【００５５】
本明細書の一実施態様によれば、前記酸処理に使用される一般的な酸溶液であってもよいし、具体的には、塩酸または硫酸であってもよい。
【００５６】
本明細書の一実施態様によれば、前記酸溶液の濃度は０．１Ｍ以上１０Ｍ以下であってもよく、具体的には１Ｍ以上２Ｍ以下であってもよい。前記酸溶液の濃度が０．１Ｍ以上１０Ｍ以下の時、電解質膜の損傷なく、金属Ｍの代わりに水素に容易に置換することができる。
【００５７】
本明細書の一実施態様はさらに、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に備えられた、前述した高分子電解質膜とを含む膜−電極接合体を提供する。
【００５８】
膜−電極接合体（ＭＥＡ）は、燃料と空気の電気化学触媒反応が起こる電極（カソードとアノード）と、水素イオンの伝達が行われる高分子膜との接合体を意味するものであって、電極（カソードとアノード）と電解質膜とが接着された単一の一体型ユニット（ｕｎｉｔ）である。
【００５９】
本明細書の前記膜−電極接合体は、アノードの触媒層とカソードの触媒層を電解質膜に接触させる形態であって、当分野で知られた通常の方法により製造される。一例として、前記カソード；アノード；および前記カソードと前記アノードとの間に位置する電解質膜を密着させた状態で、１００℃〜４００℃で熱圧着して製造されてもよい。
【００６０】
アノード電極は、アノード触媒層とアノード気体拡散層とを含むことができる。アノード気体拡散層はさらに、アノード微細気孔層とアノード電極基材とを含むことができる。
【００６１】
カソード電極は、カソード触媒層とカソード気体拡散層とを含むことができる。カソード気体拡散層はさらに、カソード微細気孔層とカソード電極基材とを含むことができる。
【００６２】
図１は、燃料電池の電気発生原理を概略的に示すもので、燃料電池において、電気を発生させる最も基本的な単位は膜電極接合体（ＭＥＡ）であるが、これは、電解質膜１００と、該電解質膜１００の両面に形成されるアノード２００ａおよびカソード２００ｂ電極とから構成される。燃料電池の電気発生原理を示した図１を参照すれば、アノード２００ａでは、水素またはメタノール、ブタンのような炭化水素などの燃料の酸化反応が起きて水素イオン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）が発生し、水素イオンは電解質膜１００を通してカソード２００ｂに移動する。カソード２００ｂでは、電解質膜１００を通して伝達された水素イオンと、酸素のような酸化剤および電子が反応して水が生成される。この反応によって、外部回路へ電子の移動が発生する。
【００６３】
前記アノード電極の触媒層は、燃料の酸化反応が起こる箇所で、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、および白金−遷移金属合金からなる群より選択される触媒が好ましく用いられる。前記カソード電極の触媒層は、酸化剤の還元反応が起こる箇所で、白金または白金−遷移金属合金が触媒として好ましく用いられる。前記触媒は、それ自体で用いられるだけでなく、炭素系担体に担持されて使用されてもよい。
【００６４】
触媒層を導入する過程は、当該技術分野で知られている通常の方法で行うことができるが、例えば、触媒インクを電解質膜に直接的にコーティングしたり、気体拡散層にコーティングして触媒層を形成することができる。この時、触媒インクのコーティング方法は特に制限されるわけではないが、スプレーコーティング、テープキャスティング、スクリーンプリンティング、ブレードコーティング、ダイコーティング、またはスピンコーティング方法などを用いることができる。触媒インクは、代表的には、触媒、ポリマーアイオノマー（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｉｏｎｏｍｅｒ）、および溶媒からなってもよい。
【００６５】
前記気体拡散層は、電流伝導体としての役割とともに、反応ガスと水の移動通路になるもので、多孔性の構造を有する。したがって、前記気体拡散層は、導電性基材を含んでなる。導電性基材としては、カーボンペーパー（ｃａｒｂｏｎ  ｐａｐｅｒ）、カーボンクロス（ｃａｒｂｏｎ  ｃｌｏｔｈ）、またはカーボンフェルト（ｃａｒｂｏｎ  ｆｅｌｔ）が好ましく用いられる。前記気体拡散層は、触媒層および導電性基材の間に微細気孔層をさらに含んでなってもよい。前記微細気孔層は、低加湿条件における燃料電池の性能を向上させるために用いられ、気体拡散層の外へ抜け出る水の量を少なくして電解質膜が十分な湿潤状態にあるようにする役割を果たす。
【００６６】
本明細書の一実施態様は、２以上の、前述した膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体の間に備えられるバイポーラプレートを含むスタックと、前記スタックに燃料を供給する燃料供給部と、前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部とを含む高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００６７】
本明細書の一実施態様に係る電解質膜を、燃料電池のイオン交換膜として用いた時、前述した効果を奏することができる。
【００６８】
燃料電池は、燃料の化学的エネルギーを直接電気的エネルギーに変換させるエネルギー変換装置である。すなわち、燃料電池は、燃料ガスと酸化剤を使用し、これらの酸化還元反応中に発生する電子を用いて電力を生産する発電方式である。
【００６９】
燃料電池は、前述した膜−電極接合体（ＭＥＡ）を用いて当分野で知られた通常の方法により製造される。例えば、前記製造された膜−電極接合体（ＭＥＡ）とバイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｌａｔｅ）とから構成して製造されてもよい。
【００７０】
本明細書の燃料電池は、スタックと、燃料供給部と、酸化剤供給部とを含んでなる。
【００７１】
図３は、燃料電池の構造を概略的に示すもので、燃料電池は、スタック６０と、酸化剤供給部７０と、燃料供給部８０とを含んでなる。
【００７２】
スタック６０は、上述した膜電極接合体を１または２以上含み、膜電極接合体が２以上含まれる場合には、これらの間に介在するセパレータを含む。セパレータは、膜電極接合体が電気的に連結されることを防止し、外部から供給された燃料および酸化剤を膜電極接合体に伝達する役割を果たす。
【００７３】
酸化剤供給部７０は、酸化剤をスタック６０に供給する役割を果たす。酸化剤としては酸素が代表的に使用され、酸素または空気をポンプ７０で注入して用いることができる。
【００７４】
燃料供給部８０は、燃料をスタック６０に供給する役割を果たし、燃料を貯蔵する燃料タンク８１と、燃料タンク８１に貯蔵された燃料をスタック６０に供給するポンプ８２とから構成される。燃料としては、気体または液体状態の水素または炭化水素燃料が用いられる。炭化水素燃料の例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、または天然ガスが挙げられる。
【００７５】
前記燃料電池は、高分子電解質燃料電池、直接液体燃料電池、直接メタノール燃料電池、直接ギ酸燃料電池、直接エタノール燃料電池、または直接ジメチルエーテル燃料電池などが可能である。
【００７６】
また、本明細書の一実施態様は、正極および正極電解液を含む正極セルと、負極および負極電解液を含む負極セルと、前記正極セルと前記負極セルとの間に備えられる、本明細書の一実施態様に係る高分子電解質膜とを含むレドックスフロー電池を提供する。
【００７７】
レドックスフロー電池（酸化−還元フロー電池、Ｒｅｄｏｘ  Ｆｌｏｗ  Ｂａｔｔｅｒｙ）は、電解液に含まれている活性物質が酸化・還元して充電・放電されるシステムで、活性物質の化学的エネルギーを直接電気エネルギーとして貯蔵させる電気化学的蓄電装置である。レドックスフロー電池は、酸化状態が異なる活性物質を含む電解液がイオン交換膜を間において接する時、電子のやり取りをして充電および放電される原理を利用する。一般的に、レドックスフロー電池は、電解液の入っているタンクと充電および放電が起こる電池セルと、電解液をタンクと電池セルとの間に循環させるための循環ポンプとから構成され、電池セルの単位セルは、電極と、電解質と、イオン交換膜とを含む。
【００７８】
本明細書の一実施態様に係る電解質膜を、レドックスフロー電池のイオン交換膜として用いた時、前述した効果を奏することができる。
【００７９】
本明細書のレドックスフロー電池は、本明細書の一実施態様に係る高分子電解質膜を含むことを除けば、当分野で知られた通常の方法により製造される。
【００８０】
図２に示しているように、レドックスフロー電池は、電解質膜３１によって正極セル３２と負極セル３３とに分けられる。正極セル３２と負極セル３３はそれぞれ、正極と負極を含む。正極セル３２は、パイプを通して正極電解液４１を供給および放出するための正極タンク１０に連結されている。負極セル３３も、パイプを通して負極電解液４２を供給および放出するための負極タンク２０に連結されている。電解液は、ポンプ１１、２１を通して循環し、イオンの酸化数が変化する酸化／還元反応（すなわち、レドックス反応）が起こることにより、正極と負極で充電および放電が起こる。
【００８１】
本明細書の一実施態様はさらに、前記電解質膜の製造方法を提供する。前記電解質膜の製造方法は、前記化学式１で表される化合物由来の単量体を含む重合体を含むことを除けば、当技術分野における材料および／または方法が利用されて製造される。例えば、前記重合体を溶媒に加えて重合体溶液を作った後、溶媒キャスティング方法を利用して製膜することにより、高分子電解質膜を製造することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１００：電解質膜
２００ａ：アノード
２００ｂ：カソード
１０、２０：タンク
１１、２１：ポンプ
３１：電解質膜
３２：正極セル
３３：負極セル
４１：正極電解液
４２：負極電解液
６０：スタック
７０：酸化剤供給部
８０：燃料供給部
８１：燃料タンク
８２：ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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