JP2008210750A

JP2008210750A - 電解質組成物、触媒層、及び固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2008210750A
Application number: JP2007048945A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tajima; 洋田島; Tadashi Yamada; 正山田; Kazuyuki Sadasue; 和幸貞末; Kenji Fukuda; 憲二福田
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP5004618B2

Abstract

【課題】例えば、炭化水素系電解質膜を使用する燃料電池、特に液体燃料を供給する燃料電池の触媒電極に使用した際に、高い出力が得られ、炭化水素系電解質膜と触媒電極の間に良好な接合性が得られ、液体燃料に対する耐溶解性が高い炭化水素系電解質ポリマー組成物を提供する。
【解決手段】炭化水素系電解質ポリマーと、粘度が１．５ｃＰ以上の溶媒とを含む電解質組成物であって、当該電解質組成物中に観察されるミセル粒子の平均径が５０ｎｍより小さいことを特徴とする電解質組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池、中でもメタノールをはじめとする液体燃料を使用する燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、電解質膜と触媒電極からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、ガスまたは液体燃料を触媒電極へ供給するための流路プレートや拡散層、及び集電体から構成されている。ＭＥＡ内において、触媒電極内で触媒を部分的に被覆し、触媒表面へのガスや液体の拡散性を確保し、触媒表面で生成もしくは消費される水素イオンの伝導性を確保する目的で、また、触媒電極と電解質膜を接合し、触媒電極−電解質膜間の水素イオンの伝導性を確保する目的で、電解質ポリマーが使用されている。
従来、固体高分子型燃料電池では、パーフルオロスルホン酸系の電解質膜が使用されてきたが、近年、ガラス転移点が高く、例えば１２０℃を超える高温での長期運転が可能である、あるいは、メタノールに代表される液体燃料が直接ＭＥＡと接触する、直接液体燃料供給型燃料電池において、液体燃料の透過性を抑制し発電効率を向上させることが可能である、等の理由で、炭化水素系の電解質膜も使用されるようになってきた。

これまで、パーフルオロスルホン酸系の電解質膜を使用するＭＥＡには、例えば特許文献１に記載されているように、触媒電極塗工液中に、米国デュポン社製ナフィオンディスパージョンに代表される、パーフルオロスルホン酸系の電解質ポリマーがナノオーダーで溶媒に分散した電解質ポリマー分散液が使用されてきた。しかし、炭化水素系の電解質膜を使用するＭＥＡでは、パーフルオロスルホン酸系の電解質ポリマーと炭化水素系の電解質とのなじみが悪く、触媒電極−電解質膜間の水素イオン伝導抵抗が高い傾向にあった。また、液体燃料を供給する燃料電池において、パーフルオロスルホン酸系の電解質ポリマーは、該液体燃料に対する溶解性が高く、耐久性に乏しいとの問題があり、燃料電池システムを小型化するのに有効である高濃度の液体燃料を使用できないとの問題があった。これらの問題を解決するために、炭化水素系の電解質ポリマー組成物が提案されている。

特許文献２において、有機溶剤の少なくとも１種に可溶でかつ水に難溶性の炭化水素系高分子からなる、炭化水素系電解質膜を用いた燃料電池の電極に用いるプロトン伝導性付与剤が開示されている。
特許文献３において、触媒電極を作成する際に、電解質ポリマーを３級アルコール及び誘電率２０以下の有機溶媒を主体とする液体媒体に溶解させることにより、該触媒電極のひび割れ等の発生を防ぐ方法が開示されている。

特許文献４において、電解質ポリマーの一種であるスルホン化ポリマーが、その良溶媒Ａと、沸点５０℃以上で、単独で該スルホン化ポリマーを溶解させることはできないがＡや水と混合することによりスルホン化ポリマーを溶解可能な溶媒Ｂとの混合溶媒に溶解されているワニス組成物が開示されている。
特許文献５において、プロトン伝導性を確保するためのスルホン酸基と、メタノール水溶液耐性付与のための適度に疎水化されたセグメントとを導入した、芳香族炭化水素系の電解質ポリマーが、プロトン伝導性とメタノール水溶液耐性が高いため、直接メタノール型燃料電池の触媒電極に好適に使用できる旨開示されている。

特許文献６において、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマー１〜３０重量と、水と有機溶剤からなる混合溶媒からなり、ニュートン粘性を示す組成物、プロトン伝導性ポリマーに水を加えた後、有機溶剤を加えて混合する、該組成物の製造方法が開示されている。本文献の組成物は、ポリマーが溶媒中に均一に広がった溶解状態、ポリマーを含む部分と溶媒のみから構成される部分が別々に存在する分散状態、あるいはこれらの中間状態にあり、ポリマーを水で膨潤させた後、有機溶剤を加えることで溶解・分散が促進されることから、分散構造をとる場合は、水により膨潤したミセル構造有機溶媒中に分散した形をとるものと推定されている。

特許文献７において、触媒担持カーボンと、イオン伝導性芳香族系ポリマーと、沸点が７５〜２５０℃、溶解性パラメータが７．５〜１３（ｃａｌ／ｃｍ^３）^１／２で且つ、エーテル、水酸基、ケトン、スルホキシド、スルホン、エステル、Ｎ−アルキルアミド、アミドからなる結合を少なくとも１種以上有する有機溶剤とからなる電極用ペースト組成物が開示されている。

特許文献８において、α−炭素を４級炭素とした芳香族ビニル系化合物ユニットと、フレキシブルな重合体ブロックとのブロックコポリマーにイオン伝導性基を付与したバインダーが開示されている。
特許文献９において、特定の比誘電率の極性溶媒を触媒電極塗工液の溶剤として使用することにより、電解質ポリマーをコロイド化させずに完全に溶剤中に溶解することができ、結果、電解質ポリマーの分子鎖が強く絡まった機械強度の高い触媒電極が得られる旨記載されている。また、特許文献１０において、電解質ポリマーに由来するミセルの平均径が１５０ｎｍ以下で、粒子分布が単一ピークを示す触媒電極塗工液が発電性能向上に効果があると記載されている。

特表２００１−５０４８７２号公報特開２００２−１６４０５５号公報特開２００３−２０８９０３号公報特開２００３−３１７７４９号公報特開２００５−１８３３１１号公報特開２００６−０６３３０５号公報特開２００６−０９２９２６号公報特開２００６−２０２７３７号公報特開２００６−２９４２６７号公報特開２００６−３１０２１６号公報

しかしながら、特許文献２は、水難溶性の炭化水素系電解質ポリマーを触媒電極に使用する旨開示しているに過ぎす、電解質ポリマーの溶媒中における分散状態やその効果を開示するものではない。
特許文献３は、触媒電極を構成するカーボン担体に対して表面張力の大きい水を排除することや、溶媒と電解質ポリマーの相互作用を下げることが該触媒電極のひび割れ等の発生を防ぐことに有効であることを開示しているに過ぎず、電解質ポリマーの溶媒中における分散状態やその効果を開示するものではない。
特許文献４は、均一で緻密な膜を形成するためのスルホン化ポリマーの均質溶液が開示されているに過ぎない。
特許文献５は、ポリマー構造に由来する特性を開示しているに過ぎず、電解質ポリマーの溶媒中における分散状態やその効果を開示するものではない。
特許文献６は、電解質ポリマーの溶媒中における分散状態やその効果を開示するものではない。
特許文献７は、溶解性パラメータを規定することにより、イオン伝導性芳香族ポリマーの溶解性が低下し、触媒担持カーボンへのポリマー被覆が過剰となる旨記載されているが、溶媒中における、ポリマーの分散形態とその効果について開示するものではない。
特許文献８は、溶媒中における、ポリマーの分散形態とその効果について開示するものではない。
特許文献９，１０は、溶媒中におけるポリマーの分散形態とその効果について触れているが、炭化水素系電解質膜との接合性のよい触媒電極が得られることを開示するものではない。

本発明の目的は、例えば、炭化水素系電解質膜を使用する燃料電池、特に液体燃料を供給する燃料電池の触媒電極塗工液として最適な、従来技術に比べ分散径が制御された結果、得られる触媒電極の触媒活性が高く、また、炭化水素系電解質膜と触媒電極の間に良好な接合性が得られ、更に、液体燃料に対する溶解性の低い、電解質組成物を提供することにある。

本発明者等は、上記の課題を解決すべく検討を行った結果、炭化水素系電解質ポリマーと、粘度が１．５ｃＰ以上の溶媒とを含む電解質組成物であって、当該電解質組成物中に観察されるミセル粒子の平均径が５０ｎｍより小さいことを特徴とする電解質組成物を用いると、触媒活性が高く、炭化水素系電解質膜との接合性がよい触媒電極が得られ、更に液体燃料を供給する燃料電池に使用した際に、触媒電極が液体燃料と接触しても、該電解質ポリマーが触媒電極から流出することなく好適に使用されることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の電解質組成物、触媒層、及び固体高分子型燃料電池に関する。
［１］
炭化水素系電解質ポリマーと、粘度が１．５ｃＰ以上の溶媒とを含む電解質組成物であって、当該電解質組成物中に観察されるミセル粒子の平均径が５０ｎｍより小さいことを特徴とする電解質組成物。
［２］
前記炭化水素系電解質ポリマーが、プロトン伝導性ユニットと耐メタノール溶解ユニットとを有するブロックポリマーである上記［１］に記載の電解質組成物。
［３］
前記炭化水素系電解質ポリマーが、芳香族ビニル化合物ユニットと、水添された共役ジエン化合物ユニットとを有するブロックポリマーであり、且つスルホン化されたブロックポリマーである上記［１］又は［２］に記載の電解質組成物。
［４］
前記溶媒が、水酸基を含む有機溶媒である上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の電解質組成物。
［５］
前記有機溶媒の誘電率が３０以下である上記［４］に記載の電解質組成物。
［６］
前記炭化水素系電解質ポリマーと前記溶媒との配合比が、（炭化水素系電解質ポリマー）／（溶媒）（質量比）として１／９９〜３０／７０である上記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の電解質組成物。
［７］
上記［１］〜［６］のいずれか１項に記載の電解質組成物と、触媒とを含む触媒層。
［８］
上記［７］に記載の触媒層を備える固体高分子型燃料電池。
［９］
燃料として液体燃料が供給される上記［８］に記載の固体高分子型燃料電池。
［１０］
前記液体燃料がメタノールである上記［９］に記載の固体高分子型燃料電池。

本発明の電解質組成物は、液体燃料に対する溶解性が低く、かつ、溶媒中での分散径が小さく制御されているため、触媒活性が高く、更に該組成物を使用して得られる触媒電極と炭化水素系電解質膜との接合性がよい。本発明の電解質組成物は、例えば、燃料電池、特に炭化水素系の電解質膜を使用する固体高分子型燃料電池や、直接メタノール型燃料電池をはじめとする液体燃料を供給する燃料電池に好適に使用可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、発明の実施の形態）について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本実施の形態の組成物において、炭化水素系電解質ポリマーには、
（ｉ）ベンゼン環、ナフタレン環、フルオレン構造、ベンズイミダゾール構造、をはじめとする芳香環あるいは芳香環間が、アルキレン結合、フルオロアルキレン結合、エーテル結合、スルホン結合、イミド結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合、カーボネート結合及びケトン結合から選択される少なくとも１種以上の結合基で結合した、重合体骨格の芳香環に直接、または芳香環に結合したアルキル鎖、アルキルエーテル鎖の末端に、あるいは芳香環にケトン、スルホン、フルオロアルキレン、アミド、エステル結合鎖を介して結合した側鎖の芳香環に、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基をはじめとする陽イオン交換基が結合した、芳香族炭化水素系の重合体、
（ｉｉ）ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸を主成分とする重合体及び他のビニルモノマーとの共重合体、スルホン化したビニル芳香族化合物の重合体もしくは他のビニルモノマーとの共重合体のスルホン化物等、ビニルモノマー系の重合体、
が好適に使用できる。
中でも、炭化水素系電解質ポリマーが、ビニルモノマー系、芳香族炭化水素系の陽イオン交換基を有するプロトン伝導性ユニット（Ａ）と、陽イオン交換基を有しない２価のビニルモノマー系、芳香族炭化水素系の耐メタノール溶解ユニット（Ｂ）からなるブロック重合体であることが、触媒電極の触媒活性が高いことと、メタノール耐性が高いことを両立できるの好ましい。さらに、該（Ａ）が、例えば、スチレン重合体、α−メチルスチレン重合体に代表される、芳香族ビニル化合物ユニットからなり、該（Ｂ）が水添ブタジエン、水添イソプレンに代表される、実質的に完全に水添された共役ジエン化合物ユニットからなる、ブロックポリマーの芳香族ビニル化合物ユニットの少なくとも一部をスルホン化したものであることが、溶媒の選択により、溶媒中での分散径を小さくするのが容易なため、より好ましい。
ブロックポリマーは、Ａ−Ｂ型、Ａ−Ｂ−Ａ型、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ型、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ型、星型等、公知のブロック構造のものいずれをも、少なくとも1種類以上組み合わせて用いることができる。

本実施の形態に用いられる溶媒の粘度は、１．５ｃＰ（１．５ｍＰａ・ｓ）以上、好ましくは１．８ｃＰ以上、より好ましくは２．０ｃＰ以上、上限として好ましくは５０ｃＰ以下、より好ましくは２０ｃＰ以下である。該溶媒の粘度がこの範囲にあることが、本実施の形態の組成物中において、該炭化水素系電解質ポリマーが該溶媒中でせん断を加えることにより小さいミセル構造を形成させる上で重要であり、結果、該組成物を固体高分子型燃料電池の触媒電極に使用した際に、触媒電極としての活性が高く、該燃料電池として高い出力を得るのに有効である。
なお、本実施の形態において「粘度」とは、ＪＩＳＺ８８０３に準拠し、２０℃で測定した値である。
本実施の形態に用いられる溶媒は、水酸基を含む有機溶媒であることが好ましい。このような有機溶媒としては、例えば、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｉｓｏ−ブタノール、１−ペンタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−１−ブタノール、ｉｓｏ−ペンチルアルコール、ｔｅｒｔ−ペンチルアルコール、３−メチル−２−ブタノール、１−ヘキサノール、２−メチル−１−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−エチル−１−ブタノール、１−へプタノール、２−ヘプタノール、１−オクタノール、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、２−ブトキシエタノール、テトラヒドロフルフリルアルコール、ジアセトンアルコール等が挙げられる。
更に、本実施の形態に用いられる溶媒の誘電率は、好ましくは３０以下、より好ましくは２５以下であり、好ましくは３以上、より好ましくは５以上である。有機溶媒の粘度が一定範囲であることに加え、水酸基を有すること、及び／または、誘電率が一定範囲であることにより、該炭化水素系電解質ポリマーが該有機溶媒中で小さいミセル構造が形成できるので、より好ましい。
なお、本実施の形態において「誘電率」とは、２０℃の溶媒を用いて、１０ｋＨｚの正弦波により測定した静電容量から求めることが出来る値で、例えば、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａ社製誘電率計Ｍ−８７０により測定できる。
また、上記有機溶媒は複数種を組み合わせて使用しても良く、ミセルの形成を損なわない範囲で、水をはじめとする非有機溶媒と該有機溶媒とを組み合わせて使用してもよい。この場合、これらの有機溶媒などを組み合わせた混合溶媒の粘度が１．５ｃＰ以上あれば良い。このような粘度の混合溶媒とするためには、混合溶媒中に占める粘度１．５ｃＰ以上の有機溶媒の割合が、通常、３３ｗｔ％以上、好ましくは４０ｗｔ％になるように、粘度１．５ｃＰ以上の有機溶媒と、他の有機もしくは非有機溶媒とが混合される。

本実施の形態の組成物において、該電解質ポリマーは該有機溶媒中でミセル構造の形成に寄与している。該ミセル構造とは、小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）プロファイルより、その存在を確認し、粒径分布を考慮した球状構造に基づく散乱理論式を用いたフィッティングにより求めたミセル径により、そのサイズを定量化することが可能な構造である。なお、ミセル構造が球状ではなく、且つその形状が明らかな場合にはそれらの構造に基づく散乱理論式を用いたフィッティングによりミセル径を求める方が望ましい。さらに、ミセル間に位置相関がある場合にはそれも考慮した方法で、例えば剛体球モデル（非特許文献１）、パラクリスタルモデル（非特許文献２、３、４、５）を用いる等合理的な方法でミセル径を求める必要がある。触媒電極の活性を高めるために、電極触媒と電解質の接触面積を大きくとり、固体高分子型燃料電池へのガスや液の供給性、排出性を向上させルために必要な、触媒電極の高度な多孔質性を両立できるという観点から、平均ミセル径（ミセル粒子の平均径）が５０ｎｍより小さく、より好ましくは４５ｎｍ以下、更に好ましくは４０ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ以上、より好ましくは３ｎｍ以上である。
ミセルの形状は、球状、楕円球状、ひも状、ロッド（円筒）状等、公知の規則性ミセル形状をとることができる。

〔非特許文献１〕Ｐｅｒｃｕｓ，Ｊ．Ｋ．；Ｙｅｖｉｃｋ，Ｇ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１９５８，１１０，１
〔非特許文献２〕Ｓｈｉｂａｙａｍａ，Ｍ．；Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．；Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ１９８６，１９，７４０
〔非特許文献３〕Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｈ．；Ｔａｎａｋａ，Ｈ．；Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．；Ｉｓｅ，Ｎ．；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ１９８７，３６，１７５４
〔非特許文献４〕Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｈ．；Ｔａｎａｋａ，Ｈ．；Ｉｉｚｕｋａ，Ｎ．；Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．；Ｉｓｅ，Ｎ．；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ１９９０，４１，２７６
〔非特許文献５〕Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．；Ｋａｗａｍｕｒａ，Ｔ．；Ｈａｒａｄａ，Ｍ．；Ｔａｎａｋａ，Ｈ．；Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ１９９４，２７，３０６３

前記炭化水素系電解質ポリマーと前記溶媒との配合比は、（炭化水素系電解質ポリマー）／（溶媒）（質量比）として好ましくは１／９９〜３０／７０、より好ましくは２／９８〜２８／７２、更に好ましくは３／９７〜２５／７５である。該電解質ポリマーの質量比を１以上とすることにより、電極触媒と混合し、固化させ触媒電極を形成した際に、必要な量を付与するのが容易になる傾向となる。逆に、該電解質ポリマーの質量比を３０以下とすることにより、触媒電極中に適切な量の該電解質ポリマーを付与することとなり、いずれの場合も、固体高分子型燃料電池へのガスや液の供給性、排出性を向上させるために必要な、触媒電極の多孔質構造形成を容易にし、触媒電極の活性を向上させ、結果該触媒電極を使用する燃料電池の出力が向上するので、好ましい。

本実施の形態の組成物には、添加剤として、フェニレンジアミン系、ヒンダードフェノール系、チオエーテル系、フォスファイト系、ベンゾトリアゾール系、ヒンダードアミン系等の公知の安定剤、長鎖カルボン酸のアルキル金属塩、長鎖アルキル硫酸のアルキル金属塩等のカチオン性界面活性剤、ハロゲン化長鎖アルキル４級アンモニウム塩等のアニオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ショ糖脂肪酸エステル等の非イオン性界面活性剤、長鎖アルキルジメチルベタイン等の両性界面活性剤に代表される公知の界面活性剤からなる分散剤が使用できる。
得られる触媒電極内で本来のプロトン伝導性を得る目的で、該電解質組成物を使用して触媒電極形成後、塩酸、硝酸、硫酸、過塩素酸に代表される強酸で洗浄し、除去することが、特にカチオン性の添加剤を用いる場合においては、好ましい。尚、添加剤は任意のものを複数組み合わせて用いてもよい。

本実施の形態において、前記炭化水素系電解質ポリマーと、前記溶媒とを混合分散することにより、ミセル構造を内包する本実施の形態の電解質組成物が得られる。混合分散には、一般的に用いられている公知の機械攪拌法、超音波分散法、遠心攪拌法等が使用できるが、ミセル形成を促進する観点から、混合分散工程で、好ましくは（溶媒の沸点−１０）℃以上、より好ましくは溶媒の沸点以上、更に好ましくは（溶媒の沸点＋１０）℃以上であり、好ましくは（溶媒の沸点＋８０）℃以下、より好ましくは（溶媒の沸点＋５０）℃以下に加温する方法を採用することができる。
また、混合分散の容器には、加温することにより溶媒の蒸気圧が高くなり、溶媒が蒸散してしまうのを防止する目的で、マイクロボンベやオートクレーブに代表される、高圧容器を使用することが好ましい。

本実施の形態の電解質組成物を、公知の方法により電極触媒とともに混合することにより、ペースト状の混合物である触媒電極塗工液が得られる。この際電極触媒には、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、スズ、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、あるいはこれらの合金が使用できるが、触媒そのものの活性が優れているとの理由により、白金及び白金の合金が特に好適に使用できる。また電極触媒を微粒子化し、電極触媒そのものの比表面積を大きくする目的で、電極触媒として、公知の、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等、各種カーボン担体に担持された触媒を使用してもよい。また触媒電極塗工液製造時に、本実施の形態の組成物に添加して使用してもよい、先述した安定剤や分散剤などの添加剤や、例えば、ポリ４フッ化エチレン系重合体からなる、撥水性付与剤や、新たな溶媒を必要に応じて使用してもよい。

該触媒電極塗工液を、炭化水素系の電解質膜に直接塗工することにより、または、テフロンシート等の支持体に予め塗工後、炭化水素系の電解質膜に熱転写することにより、あるいは固体高分子型燃料電池において、液体やガスの流路となる部分と触媒電極の間に使用する、カーボンクロス、カーボンペーパー等のガス拡散層に塗工し、これを炭化水素系と熱接合する、等の方法により、炭化水素系の電解質膜と触媒電極が一体化した、膜−電極接合体（ＭＥＡ）が得られる。炭化水素系の電解質膜、支持体、あるいはガス拡散層に対して、触媒電極塗工液を塗工する方法としては、公知のバーコート法、ブレードコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法等が好適に使用できる。また、熱接合が必要な場合は、公知の熱プレス、熱ロールプレス、熱ラミネーターなどの熱圧着プロセスが使用可能である。
ここで、炭化水素系の電解質膜として、
（ｉ）ポリマー主鎖に、ベンゼン環、ナフタレン環、フルオレン構造、ベンズイミダゾール構造、をはじめとする芳香環あるいは芳香環と、アルキレン結合、フルオロアルキレン結合、エーテル結合、スルホン結合、イミド結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合、カーボネート結合及びケトン結合から選択される少なくとも１種以上の結合基を有するポリマーの芳香環に、直接、アルキル鎖、アルキルエーテル鎖を介して、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基をはじめとする陽イオン交換基が結合したポリマーからなる、芳香族炭化水素系重合体の電解質を主成分とする電解質膜、
（ｉｉ）ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸を主成分とする重合体もしくは共重合体、ビニル芳香族化合物とジビニルベンゼンを主成分とする共重合体のスルホン化物、ビニル芳香族化合物と水添ジエン化合物の任意のブロック構造をとるブロック共重合体のスルホン化物等、ビニルモノマー系重合体の電解質を主成分とするビニルモノマー系電解質膜、あるいは、
（ｉｉｉ）先述の（ｉ）（ｉｉ）中に記載の電解質が、例えばポリエチレン、ポリイミド、ポリ４フッ化エチレン、シリカをはじめとする、有機もしくは無機の多孔質材料中に充填された、複合型電解質膜、等が好適に用いられる。
特にメタノールに代表される液体燃料を使用する燃料電池に使用する場合には、ＭＥＡにおいて高い出力を得るために、炭化水素系の電解質膜について、メタノール透過性と寸法安定性が要求されるため、（ｉｉｉ）に示す複合型電解質膜がより好適に用いられる。

該ＭＥＡを、図１に示す、一対のガス・液供給排出用の流路と集電板をかねた、導電性のプレートで挟み込むことにより固体高分子型燃料電池が得られる。該固体高分子型燃料電池では、例えば、陰極側には水素ガスが、陽極側には空気が供給され、次の反応により電気エネルギーが生成する。
陰極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
陽極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
液体燃料を直接供給する固体高分子型燃料電池の例として直接メタノール型燃料電池の例を挙げると、陰極側にはメタノール水溶液が、陽極側には空気が供給され、次の反応により電気エネルギーが生成する。
陰極：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
陽極：３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ

［電解質組成物のミセル構造、平均ミセル径の測定方法］
該電解質組成物の溶液に対し、小角Ｘ線散乱測定を行い、得られたＳＡＸＳプロフィールに対し球状構造を仮定した散乱理論式でフィッティングを行い、平均ミセル径を得た。具体的には、該炭化水素系電解質ポリマー組成物の溶液に対して得られたＳＡＸＳプロフィールに対し、空セル散乱等必要な補正を施した後、
これに対して式１をフィッティングさせることにより平均ミセル径２ｒ０、粒径の分布関数Ｐ（ｒ）を得た。数式１中でＣは定数、ＢＧは熱散漫散乱を含むミセル以外に由来する散乱、ｑは数式２で表される散乱ベクトルの絶対値、Φは数式３で表される半径ｒの球からの散乱の形状因子を表している。

なお、数式１は互いに位置相関のない、粒径分布Ｐ（ｒ）の球状構造（孤立球）からの理論散乱式を示している。また、本実施例ではＰ（ｒ）として体積分布がＳｃｈｕｌｔｚ−Ｚｉｍｍ分布となるような分布関数（数式４）を用いた。Ｍは分布の形状を決定する定数である。

［最大出力］
スチレン５５質量部、４−ビニルピリジン４５質量部、ジビニルベンゼン１５質量部と５質量部の重合開始剤ｔ−ブチルパーオキシエチルネキサノエートよりなる単量体組成物を調製し、これにポリエチレン製多孔質フィルム（重量平均分子量２５万、膜厚２５μｍ、平均孔径０．０３μｍ、空隙率３７％）を大気圧下で５分間浸漬した。次いで、この多孔質フィルムを単量体組成物中から取り出し、厚さ１００μｍのポリエステルフィルムを剥離剤として多孔質フィルムの両側を被覆した後、０．３ＭＰａの窒素加圧下、８０℃で５時間加熱重合した。得られた膜状物を９８％濃硫酸と純度９０％以上のクロロスルホン酸の１：１の混合物中に４０℃で６０分間浸漬してスルホン化し、陽イオン交換膜を得た。
続いて、得られた陽イオン交換膜を室温で２４時間乾燥した後、ポリ−４−ビニルピリジン（重量平均分子量１６万）の０．２質量％メタノール溶液に室温で１５分間浸漬し、次いで、２５℃、大気圧下で１６時間、さらに４０℃の減圧下で５時間乾燥した。その後、隔膜をメタノールに室温で３０分間浸漬して洗浄し、さらに、メタノールを変えて同様の浸漬洗浄を２回行った後、室温で５時間乾燥して、中間層付与陽イオン交換膜を得た。
さらに、中間層付与陽イオン交換樹脂膜上に、スチレンと実質的に完全に水添されたブタジエンからなるブロックコポリマーのスルホン化物（陽イオン交換容量１．５ｍｍｏｌ／ｇ−乾燥樹脂、重量平均分子量２万）の２質量％１−プロパノール溶液を、乾燥後の厚さが２μｍになるようにスクリーン印刷によりコートした。次いで２５℃の大気圧下で２時間乾燥して、陽イオン交換樹脂膜の両面に接着層を有する燃料電池用隔膜を得た。
当該電解質膜を使用し、アノードに実施例１、比較例１〜２で作成した電極を、カソードに米国Ｅ−ＴＥＫ社製触媒電極（カーボンクロス上に、白金担持カーボン（白金担持率６０ｗｔ％）が３ｍｇ／ｃｍ^２塗工されたもの）がパーフルオロスルホン酸系電解質とともに塗工されたものを使用し、１２０℃×２ＭＰａ×５分で熱圧着し、膜−電極複合体（ＭＥＡ）を作成した。尚電極面積は２５ｃｍ^２とした。これを図１に示す燃料電池セルに組み込み、アノード側に３ｍｏｌ／Ｌメタノール水溶液を０．５ｃｃ／ｍｉｎ．、カソード側に７０℃加湿空気を２Ｌ／ｍｉｎ．供給し、燃料電池セル温度７０℃、両面に２００ｋＰａの背圧をかけ、米国スクリブナー社製、燃料電池用電子負荷装置８９０ＣＬにて、セル電圧が０．２Ｖ、０．２５Ｖ、０．３Ｖ、０．３５Ｖになるように電流負荷をかけて、出力を測定し、ＭＥＡ毎に最大の出力を最大出力とした。

［接合性］
作製直後の燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を用い、ＪＩＳＫ−５４００のＸカットテープ法に準拠し、テープ剥離試験を行った。テープ剥離後、燃料電池用隔膜上に残った電極層の状態を目視で１０点法により評価し、作製直後の接合性とした。
また、後述の直接メタノール型での燃料電池出力電圧試験後、メタノール水溶液、空気ス供給条件、温度を保持したまま、セル電圧が０．３Ｖになるように電流負荷をかけて、１００時間保持した。その後セルから燃料電池用隔膜−触媒電極接合体を取り出し、作製直後と同様にしてテープ剥離試験を行い、その接合性を評価した。
作製直後の接合性が１０点であり、かつ出力評価後の接合性が６点以上であるものを○、そうでないものを×と評価した。
［耐メタノール性］
乾燥させた電解質組成物のメタノールへの飽和溶解度（２０℃）を測定し、飽和溶解度が０．０５％以下のものを○、飽和溶解度が０．０５％を超えるものを×とした。

［参考例１］（炭化水素系電解質ポリマーの調製）
スチレンと実質的に完全に水添ブタジエンからなるブロックコポリマー（スチレン含有量３０質量％、ポリスチレン換算分子量５万（ＧＰＣ法による））を１質量％の濃度でクロロホルムに溶解し、５〜１０℃に冷却した。得られた溶液を激しく撹拌しながら、樹脂の含有するスチレンユニットと等モルのクロロスルホン酸を、クロロホルム溶液（クロロスルホン酸１０体積％）にしてゆっくり滴下し、６０分間反応させた。その後、反応溶液をイオン交換水中へ投入して２時間攪拌し、残存クロロスルホン酸の分解と生成物の加水分解反応を完結させた。次いで、クロロホルムを減圧留去して沈殿した生成物を濾別し、これをイオン交換水で洗浄後、３０℃で２０時間乾燥させることにより炭化水素系電解質ポリマーを得た。得られた炭化水素系電解質ポリマーの陽イオン交換容量は１．５ｍｍｏｌ／ｇ−乾燥樹脂であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は約２万（ＧＰＣ法による）であった。

［実施例１］
参考例１の炭化水素系電解質ポリマー５ｇを、加圧可能な密閉容器中（容積３００ｍｌ）に入れ、ここに１−プロパノール（粘度２．３ｃＰ誘電率２２）９５ｇを加え、次いで攪拌しながら室温から１４０℃に昇温した後１４０℃で３時間保持した。その後、室温まで冷却して密閉容器から電解質組成物（Ｐ１）を取り出した。Ｐ１を目視観察したところ、不溶成分は認められず透明な均質液となっていた。該（Ｐ１）と米国Ｅ−ＴＥＫ社製、白金ルテニウム合金担持カーボン（白金ルテニウム合金担持率８０ｗｔ％）を、該（Ｐ１）中の炭化水素系電解質ポリマーと白金ルテニウム合金が１：２の重量比になるように、エスエムテー社製、超音波ホモジナイザーＵＨ−５０を用いて混合し、該（Ｐ１）と該白金ルテニウム合金担持カーボンのペースト状混合物（以下、触媒電極塗工液（Ｉ１）とする）を作成した。該触媒電極塗工液（Ｉ１）を、０．２ｍｍ厚の金枠を使用して米国Ｅ−ＴＥＫ社製、カーボンクロスＬＴ１２００−Ｗ上に、白金ルテニウム合金量が３ｍｇ／ｃｍ^２になるように塗工し、アノード触媒電極（ＡＥ１）を作成した。得られた（Ｐ１）のミセル構造、平均ミセル径、（ＡＥ１）のＭＥＡとした場合の最大出力、接合性、アノード触媒電極に使用した炭化水素系電解質ポリマーの耐メタノール性の結果を表１に示す。

［比較例１］
参考例１の炭化水素系電解質ポリマーを、２０℃のテトラヒドロフラン（粘度０．５５ｃＰ誘電率７．８）に攪拌しながら溶解させ、炭化水素電解質ポリマー５重量部とテトラヒドロフラン９５重量部からなる電解質組成物（Ｐ２）を得た。該（Ｐ２）を使用して、実施例１と同様に、アノード触媒電極（ＡＥ２）を作成した。得られた（Ｐ２）、（ＡＥ２）のミセル構造、平均ミセル径、（ＡＥ２）のＭＥＡとした場合の最大出力、接合性、アノード触媒電極に使用した炭化水素系電解質ポリマーの耐メタノール性の結果を表１に示す。
［比較例２］
炭化水素系電解質ポリマー組成物のかわりに、陽イオン交換容量が０．９ｍｍｏｌ／ｇのパーフルオロスルホン酸系電解質ポリマーを使用した、白金ルテニウム合金量が５ｍｇ／ｃｍ^２のＥ−ＴＥＫ社製、アノード触媒電極（ＡＥ３）を入手した。（ＡＥ３）のＭＥＡとした場合の最大出力、接合性、アノード触媒電極に使用されているフッ素系電解質ポリマーの耐メタノール性の結果をを表１に示す。

表１の結果から、本実施の形態の電解質組成物は、接合性や耐メタノール性の高い炭化水素系電解質ポリマーの特性と、有機溶媒中でのミセル構造に由来すると考えられる、電極触媒と炭化水素系電解質ポリマーの接触面積や、触媒電極中の多孔質構造の形成状態が改良され、従来の炭化水素系電解質ポリマー組成物を使用した触媒電極よりも高い出力が得られ、一般的に用いられている接合性、耐メタノール性が劣るパーフルオロスルホン酸系電解質ポリマーを使用した電極と比べても、大差ない出力が得られることが明らかになった。

本実施の形態の電解質組成物は、例えば、固体高分子型燃料電池、特に直接メタノール型燃料電池をはじめとする直接燃料を供給する固体高分子型燃料電池に好適に使用可能である。

固体高分子型燃料電池を示す図である。

符号の説明

１触媒電極
２電解質膜
３導電性プレート
１１膜−電極複合体（ＭＥＡ。触媒電極１と、触媒電極１に接する電解質膜２とを含む複合体を指す。）

Claims

炭化水素系電解質ポリマーと、粘度が１．５ｃＰ以上の溶媒とを含む電解質組成物であって、当該電解質組成物中に観察されるミセル粒子の平均径が５０ｎｍより小さいことを特徴とする電解質組成物。
前記炭化水素系電解質ポリマーが、プロトン伝導性ユニットと耐メタノール溶解ユニットとを有するブロックポリマーである請求項１に記載の電解質組成物。
前記炭化水素系電解質ポリマーが、芳香族ビニル化合物ユニットと、水添された共役ジエン化合物ユニットとを有するブロックポリマーであり、且つスルホン化されたブロックポリマーである請求項１又は２に記載の電解質組成物。
前記溶媒が、水酸基を含む有機溶媒である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解質組成物。
前記有機溶媒の誘電率が３０以下である請求項４に記載の電解質組成物。
前記炭化水素系電解質ポリマーと前記溶媒との配合比が、（炭化水素系電解質ポリマー）／（溶媒）（質量比）として１／９９〜３０／７０である請求項１〜５のいずれか１項に記載の電解質組成物。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電解質組成物と、触媒とを含む触媒層。
請求項７に記載の触媒層を備える固体高分子型燃料電池。
燃料として液体燃料が供給される請求項８に記載の固体高分子型燃料電池。
前記液体燃料がメタノールである請求項９に記載の固体高分子型燃料電池。