JP4826065B2 - 高分子電解質材、およびそれを用いた高分子電解質膜 - Google Patents

Description

本発明は、高分子電解質材、およびそれを用いた高分子電解質膜に関する。

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。

固体高分子型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の固体高分子型燃料電池に加えて、燃料のアルコールやジメチルエーテル等を水素に改質することなく直接供給する直接型燃料電池も注目されている。直接型燃料電池は従来の固体高分子型燃料電池に比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。直接型燃料電池の中でも燃料にメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池は室温付近での出力が高く、二次電池代替の有力候補として特に注目を集めている。

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードと、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体を構成し、この膜電極複合体がセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集（給）電を行う電極基材（ガス拡散電極あるいは集電体とも云う）と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえば固体高分子型燃料電池のアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、プロトン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、プロトン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。

これまで、固体高分子型燃料電池用、特に直接型燃料電池用の高分子電解質の物性としては、高プロトン伝導性と低燃料透過率が必要と言われている（非特許文献１）。高分子電解質膜中の燃料透過は、燃料クロスオーバー、ケミカルショートとも呼ばれ、電池出力およびエネルギー容量が低下するという問題を引き起こす。

直接型燃料電池用の高分子電解質材としては、例えばフッ素系高分子電解質材である“ナフィオン（Nafion）”デュポン社の登録商標。）、非フッ素系高分子電解質材であるスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリフェニレンオキシドなど種々の高分子電解質材が使用または提案されている（非特許文献２，３）。

東レ株式会社、「平成１３年度委託業務成果報告書 固体高分子形燃料電池の研究開発 高効率ダイレクトメタノール形燃料電池の研究開発」、[online]、2002年、新エネルギー・産業技術総合開発機構、［2004年4月21日検索］、インターネット、＜URL:http://www.tech.nedo.go.jp/index.htmより閲覧＞、＜http://www.tech.nedo.go.jp/WWWROOT/HOKOKUSYO/DOWNLOAD/01000219360.pdf＞ 「Desalination」 Volume 147 (2002), Pages 191-196 「Journal of Power Sources」 Volume 105 (2002), Pages 267-273

直接型燃料電池は、高出力、高エネルギー容量を実現するためには、高濃度の燃料を使用することが好ましいが、従来の直接型燃料電池用の高分子電解質材は高濃度の燃料の使用には適さないものであり、従来の高分子電解質材からなる直接型燃料電池は高出力、高エネルギー容量を示すものではなかった。

例えば、“ナフィオン”、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリフェニレンオキシドなどの公知の高分子電解質材は、低濃度の燃料を用いる場合には高いプロトン伝導度と低燃料透過率を有するものの、それから得られる直接型燃料電池は、十分な高出力、高エネルギー容量を示すものではなかった。

本発明は、かかる課題を解決し、高濃度の燃料が使用可能であり、十分な高出力、高エネルギー容量を示し、さらには耐久性にも優れた直接型燃料電池、並びにそれに用いられる高分子電解質材、高分子電解質膜および膜電極複合体の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は下記の構成を有する。

すなわち、「メタノール水溶液に浸漬し、取り出して３分以内に測定したプロトン伝導度をメタノール水溶液の濃度（０、１０、２０、３０、４０、５０、および６０％）に対してプロットした時に最小二乗法による直線近似式の傾き［（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール重量％）］が−０．３以上＋３以下であり、純水に浸漬し取り出して３分以内に測定した２５℃におけるプロトン伝導度が０．０３Ｓ／ｃｍ以上２Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする高分子電解質材」であり、またそれらの好ましい態様であり、そして係る高分子電解質材を用いた高分子電解質膜である。

本発明によれば、高濃度の燃料が使用可能であり、十分な高出力、高エネルギー容量を示す直接型燃料電池、並びにそれに用いられる高分子電解質材、高分子電解質膜および膜電極複合体を得ることができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

燃料電池、特に直接型燃料電池においては、高出力、高エネルギー容量を実現するためには、高濃度の燃料を使用することが好ましい。直接型燃料電池においては高分子電解質材と高濃度の燃料が直接に接するので、燃料電池用、特に直接型燃料電池用の高分子電解質材は高濃度の燃料に接した状態での特性が重要である。

そこで、本発明は、高濃度の燃料を使用する燃料電池に用いる場合において、高出力、高エネルギー容量が得られる高分子電解質を提供するものである。

以下、燃料としてメタノールを用いて物性を規定するが、代表的燃料であるメタノールで規定された物性を有する高分子電解質材は他の燃料に対してもメタノールに対するのと同様な物性を示すので、メタノールを用いた物性の規定は燃料について一般性を有する。

まずプロトン伝導度の観点から必要な物性および好ましい物性について述べる。

本発明の高分子電解質材の１つは、メタノール水溶液に浸漬し取り出して３分以内のプロトン伝導度が、該メタノール水溶液の濃度が増加しても低下しないことを特徴とする。即ち、該高分子電解質材を各種濃度のメタノール水溶液に浸漬し取り出し、その直後に２５℃においてプロトン伝導度を測定し、そのメタノール水溶液濃度（Ｘ軸）とプロトン伝導度（Ｙ軸）とをＸＹ軸上にプロットしたとき、メタノール濃度の増加に対してプロトン伝導度が低下しないものである。また、このＸＹ軸上のプロットの近似式の傾きがゼロもしくはプラスと言える値であること（具体的には、近似式の傾きが−０．３（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール％）以上であること）でもって表すことができる。このような関係は、メタノール水溶液の濃度が０％〜６０％の範囲内の全域において示されることが好ましい。このように、本発明の高分子電解質材は、メタノール水溶液濃度が高くても、メタノール水溶液濃度が低い場合と同様に高いプロトン伝導度を発揮するので、高濃度の燃料を使用する燃料電池において、高出力や高エネルギー容量を達成することができる。

これに対し、従来公知の高分子電解質材は、メタノール水溶液に浸漬し取り出して３分以内のプロトン伝導度は、該メタノール水溶液の濃度が増加すると低下するものであったので、高濃度の燃料を使用する燃料電池で、高出力や高エネルギー容量を達成することが難しいものであった。

プロトン伝導度の測定は、高分子電解質材を膜状に成形したもの、すなわち高分子電解質膜に対して行う。膜厚は１μｍ〜２ｍｍが好適であり、さらに好適には２０μｍ〜１ｍｍ、最も好適には５０μｍ〜５００μｍである。プロトン伝導度の測定に供する高分子電解質膜の膜厚が薄すぎる場合には、３枚を限度として重ね合わせて測定することができる。重ね合わせる場合には界面に少量のポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）の１５％水溶液を塗布するものとする。各種濃度のメタノール水溶液とは、具体的には、０％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％および６０％の７水準とすればよい。

上記特性を有する本発明の高分子電解質材は、メタノール水溶液濃度が０％〜６０％の範囲内において、メタノール水溶液に浸漬し取り出して３分以内のプロトン伝導度の測定が可能であり、即ち、該メタノール水溶液濃度範囲内において溶解もしくは崩壊しないものである。

プロトン伝導度の測定は、具体的には次の「プロトン伝導度測定法Ａ」によって行えばよい。

（プロトン伝導度測定法Ａ）
高分子電解質材を膜状に成形した高分子電解質膜のサンプル（５ｍｍ角程度の大きさ）を、２５℃の純水に２４時間以上浸漬した後、取り出し、表面の水滴をガーゼで軽く拭き取る。次いですみやかに２５℃の所定濃度のメタノール水溶液（前記の各種濃度のメタノール水溶液の中から選ばれる）に浸漬し１２時間放置する。次いでサンプルを２５℃、相対湿度５０〜８０％の雰囲気中に取り出し、すみやか（３分以内）にサンプルを図１に示したステンレス製セルにセットする（有効電極面積０．０３１４ｃｍ²）。以下、取り出した直後とは、取り出して３分以内の意味である。ここでステンレス製バネ（５）は、サンプルが無い状態で図１のステンレス製セルを組み立てたときに、１ｋｇの荷重を与えるものである。また図１中の四フッ化エチレン樹脂製スペーサー（７）の厚み（ｔ１）は３．０ｍｍ、ステンレス製電極（６）の突起部の長さ（ｔ２）は３．１ｍｍであり、ステンレス製電極（６）の突起部は四フッ化エチレン樹脂製スペーサー（７）の底面から０．１ｍｍ下方に突出している。サンプル（９）と電極とが接触する界面には、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）の１５％水溶液を塗布する。

２５℃において、交流インピーダンス法（電位制御、交流振幅５０ｍＶ）でサンプルの抵抗を求める。測定装置としては、Solartron社製の電気化学測定システム（Solartron1287 Electrochemical Interface および Solartron 1255B Frequency Response Analyzeｒ）を使用し、測定周波数１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとする。測定後、測定装置に付属のソフトウエア（ZView2、 Scribner Associates, Inc.製）を用い、図２に示した等価回路により、周波数範囲１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚにおいてフィッティングを行い、得られたＲｓの値をサンプルの抵抗とする。

測定後、すみやか（３分以内）にサンプルの膜厚を測定する。膜厚は接触式の膜厚計（ミツトヨ（株）製のＡＢＳデジマチックインジケータＩＤ−Ｃ１１２をミツトヨ（株）製のグラナイトコンパレータースタンド２１５−１５１に固定して使用）により測定する。測定された膜厚の値と抵抗の値からプロトン伝導度（Ｓ／ｃｍ）を算出する。

上記「プロトン伝導度測定法Ａ」によるサンプルの抵抗が３Ω未満の場合には、測定誤差が大きいために、「プロトン伝導度測定法Ｂ」による測定を行う。

（プロトン伝導度測定法Ｂ）
高分子電解質材を膜状に成形した高分子電解質膜のサンプル（幅１０ｍｍ程度、長さ１０〜３０ｍｍ程度の大きさ）を、２５℃の純水に２４時間以上浸漬した後、取り出し、表面の水滴をガーゼで軽く拭き取る。次いですみやかに２５℃の所定濃度のメタノール水溶液（前記の各種濃度のメタノール水溶液の中から選ばれる）に浸漬し１２時間放置する。次いでサンプルを２５℃、相対湿度５０〜８０％の雰囲気中に取り出し、すみやか（３分以内）に図３のようにセットし、クリップで固定する。電極（１１）として直径１００μｍの白金線（２本）を使用する。電極（１１）はサンプル膜（９）の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置する。電極間距離は５ｍｍ〜３０ｍｍとする。

２５℃において、交流インピーダンス法（電位制御、交流振幅５００ｍＶ）でサンプルの抵抗を求める。測定装置としては、Solartron社製の電気化学測定システム（Solartron1287 Electrochemical Interface および Solartron 1255B Frequency Response Analyzeｒ）を使用し、測定周波数１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとする。測定後、測定装置に付属のソフトウエア（ZView2、 Scribner Associates, Inc.製）を用い、図２に示した等価回路により、周波数範囲１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚにおいてフィッティングを行い、得られたＲｓの値をサンプルの抵抗とする。

測定後、すみやか（３分以内）にサンプルの幅、電極間距離および膜厚を測定する。膜厚は接触式の膜厚計（ミツトヨ（株）製のＡＢＳデジマチックインジケータＩＤ−Ｃ１１２をミツトヨ（株）製のグラナイトコンパレータースタンド２１５−１５１に固定して使用）により測定する。測定されたサンプルの幅、電極間距離、膜厚の値、及び抵抗の値からプロトン伝導度（Ｓ／ｃｍ）を算出する。

「プロトン伝導度測定法Ａ」および「プロトン伝導度測定法Ｂ」のいずれの方法による場合でも、各所定濃度のメタノール水溶液に対して３点のサンプルを準備し、各サンプルに対して１回ずつの測定を行う。したがって測定点数は７水準×３点＝２１点である。

以上のようにして各種濃度（すなわち０％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％および６０％の７水準）のメタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後の２５℃におけるプロトン伝導度を測定する。

該プロトン伝導度の測定値を該メタノール水溶液の濃度に対してプロットする。この際、プロトン伝導度およびメタノール濃度はともに有効数字３桁として取り扱う。次いで、全測定点（２１点）を元に最小二乗法による直線近似を行い、近似式を求める。

近似式の傾きが−０．３（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール％）以上である場合に、該高分子電解質は、メタノール水溶液の濃度が０％〜６０％の範囲において、メタノール濃度の増加に対してプロトン伝導度が低下しないものと判断する。メタノール濃度が増加しても伝導度はなるべく低下しないことが好ましく、近似式の傾きは−０．２（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール％））以上がより好ましく、−０．１（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール％）以上がさらに好ましい。近似式の傾きの上限は、メタノール濃度に対する伝導度の安定性の観点から＋３（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール％）以下である。

本発明の高分子電解質材は、それから得られる燃料電池において大きな出力が得られることからプロトン伝導度が０．０３Ｓ／ｃｍ以上である。より好ましくは０．０５Ｓ／ｃｍ以上、さらに好ましくは０．０７Ｓ／ｃｍ以上である。またプロトン伝導度の上限は、高分子電解質の機械物性的バランスを保つ意味で２Ｓ／ｃｍ以下である。これらの値は、高分子電解質材を純水に浸漬し、取り出した直後に測定した２５℃におけるプロトン伝導度であって、より具体的には、前述のプロトン伝導度測定値のうち、純水（メタノール水溶液の濃度が０％）の値（３点）の平均値である。

次に燃料透過率の観点から必要な物性および好ましい物性について述べる。

本発明の高分子電解質材の１つは、メタノール水溶液の濃度の増加に対して、メタノール透過率が直線的に増加するか、または上に凸のカーブを描いて増加することを特徴とする。即ち、該高分子電解質材を各種濃度のメタノール水溶液においてメタノール透過率を測定し、そのメタノール水溶液濃度（Ｘ軸）とメタノール透過率（Ｙ軸）とをＸＹ軸上にプロットしたとき、メタノール濃度の増加に対するメタノール透過率の増加曲線が、直線状となるか、ないしは、上に凸のカーブとなるかである。このように、本発明の電解質材は、燃料透過率の増加が燃料濃度にほぼ単純比例するか、または燃料濃度が濃くなるほど燃料透過率の増加が抑制されるので、高濃度の燃料で使用するのに好適である。

これに対し、従来公知の高分子電解質材は、メタノール水溶液の濃度の増加に対して、メタノール透過率の増加曲線が下に凸のカーブを描くものであった。

このように、従来の高分子電解質材は燃料濃度が濃くなるほど燃料透過率が急激に増加（悪化）し、高濃度の燃料となるほど使用が困難となる。

上記特性を有する本発明の高分子電解質材は、該高分子電解質を膜状に成形して２０℃におけるメタノール透過率を、各種濃度のメタノール水溶液で測定し、そのメタノール水溶液の濃度（Ｘ軸）とメタノール透過率（Ｙ軸）とをＸＹ軸上にプロットしたとき、該メタノール水溶液の濃度が３％〜５０％の範囲内におけるメタノール透過率の増加曲線が、メタノール濃度の増加に対してメタノール透過率が直線的に増加するもの、ないし、上に凸のカーブを描いて増加するものであることが好ましい。

メタノール透過率の測定は高分子電解質材を膜状に成形したもの、すなわち高分子電解質膜に対して行う。膜厚は１μｍ〜２ｍｍが好適であり、さらに好適には２０μｍ〜１ｍｍ、最も好適には５０μｍ〜５００μｍである。測定に用いるメタノール水溶液は、具体的には３％、１０％、２０％、３０％、４０％および５０％の６水準とすればよい。

上記特性を有する本発明の高分子電解質材は、メタノール水溶液濃度が３％〜５０％の範囲内においてメタノール透過率の測定が可能であり、即ち、該メタノール水溶液濃度範囲内において溶解もしくは崩壊しないものである。

メタノール透過率の測定は、具体的には下記の方法によって行えばよい。

（高分子電解質のメタノール透過率測定法）
高分子電解質材を膜状に成形した高分子電解質膜のサンプル（３０ｍｍ角の大きさ）を２５℃の純水に２４時間浸漬した後、取り出して、図４に示すように、アクリル樹脂製Ｈ型セル間に高分子電解質膜を挟み、一方のセルには純水（６０ｍＬ）（１４）を入れ、他方のセルには所定濃度のメタノール水溶液（６０ｍＬ）（１５）を入れる。セルの容量は各８０ｍＬである。また、セル間の開口部は直径１．５ｃｍの円形であり、有効膜面積は１．７７ｃｍ²である。２０℃において両方のセル内の液体を攪拌子（１３）でもって撹拌する。０．５時間、１時間、１．５時間、２時間、２．５時間および３時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ（ＧＣ−２０１０）（商品名）で測定し定量する。グラフの傾きから単位時間、単位面積あたりのメタノール透過率を求める。グラフの傾きは最小二乗法によって求める。

各所定濃度のメタノール水溶液に対して２点のサンプルを準備し、各サンプルに対して１回ずつの測定を行う。したがって測定点数は６水準×２点＝１２点である。

以上のようにして各種濃度（すなわち３％、１０％、２０％、３０％、４０％および５０％の６水準）のメタノール水溶液を用いて２０℃におけるメタノール透過率を測定する。該メタノール透過率を該メタノール水溶液の濃度に対してプロットする。メタノール透過率およびメタノール濃度はともに有効数字３桁として取り扱う。

まず全測定点（１２点）を元に最小二乗法による直線近似を行う。相関係数（Ｒ²）が０．９９８以上である場合に、該高分子電解質はメタノール水溶液の濃度が３％〜５０％の範囲においてメタノール濃度の増加に対してメタノール透過率が直線的に増加すると判断する。

また相関係数（Ｒ²）が０．９９８未満の場合は、メタノール濃度の増加に対するメタノール透過率増加曲線が上に凸のカーブを描くものか、下に凸のカーブを描くものかを判断する。この判断は次のように行えばよい。

全測定点（１２点）を元に最小二乗法による二次多項式近似を行う。すなわちメタノール透過率（ｎｍｏｌ／ｃｍ・分）をｙとし、メタノール濃度（％）をｘとしたときにａ，ｂ，ｃを係数として
ｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃ
という二次多項式で近似する。このときｘ²の係数ａの符号がマイナスであり、かつａの絶対値が０．０１以上である場合に、メタノール濃度の増加に対してメタノール透過率が上に凸のカーブを描くと判断する。

かかる特性を満たす高分子電解質材は高メタノール濃度領域においてメタノール透過率がより抑制されるものであるので、本発明の目的に合致する。これに対し、相関係数（Ｒ²）が０．９９８未満であって、かつ、メタノール濃度の増加に対するメタノール透過率増加曲線が下に凸のカーブを描くものは、高メタノール濃度領域においてメタノール透過率がより増大するものであり、本発明の目的を達成することが困難である。

本発明の高分子電解質材は、それから得られる燃料電池において燃料のメタノール水溶液の濃度が高い領域において高出力および高エネルギー容量が得られるという観点から、２０℃において１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率が、６００ｎｍｏｌ／ｃｍ・分以下であることが好ましい。より好ましくは５００ｎｍｏｌ／ｃｍ・分以下、さらに好ましくは４００ｎｍｏｌ／ｃｍ・分以下である。またメタノール透過率の下限値としては、ゼロｎｍｏｌ／ｃｍ・分が最も好ましいが、極端に低いメタノール透過率はしばしばプロトン伝導度を損なうので、現実的な下限値は１０ｎｍｏｌ／ｃｍ・分である。これらの値は１０％のメタノール水溶液を用いた２０℃におけるメタノール透過率の測定値であって、より具体的には、前述のメタノール透過率測定値のうち１０％メタノール水溶液を用いた場合の値（２点）の平均値である。

本発明の高分子電解質材は、プロトン伝導度の観点から必要な物性、すなわち「メタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後のプロトン伝導度が、該メタノール水溶液の濃度が増加しても低下しないこと」と、燃料透過率の観点から必要な物性、すなわち「メタノール水溶液の濃度の増加に対して、メタノール透過率が直線的に増加するか、または上に凸のカーブを描いて増加すること」の両方を満足することが好ましい。またこれに加えてプロトン伝導度の観点から好ましい物性、すなわち「純水に浸漬し、取り出した直後の２５℃におけるプロトン伝導度が０．０３Ｓ／ｃｍ以上であること」と燃料透過率の観点から必要な物性、すなわち「該高分子電解質を膜状に成形し、２０℃において１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率が、６００ｎｍｏｌ／ｃｍ・分以下であること」のうちの少なくとも１つを満足することが好ましく、両方を満足することが最も好ましい。

本発明の高分子電解質膜は、膜厚ムラが５％以下であることが好ましい。膜厚ムラを５％以下とすることで長時間耐久性に優れた高分子電解質膜が得られる。これは膜厚ムラが大きいと、膜厚の薄い部分が優先的に発電に使用されるため、その部分の耐久性が低下するためと推定される。膜厚ムラは３％以下であることがより好ましい。

ここで膜厚ムラとは以下のようにして求まる値である。

２５℃の水中に２４時間浸漬した高分子電解質膜の試料（３０ｍｍ角）を３枚重ね合わせる。２５℃において、ミツトヨ（株）製のグラナイトコンパレータスタンド２１５−１５１にセットしたミツトヨ（株）製のＡＢＳデジマチックインジケータＩＤ−Ｃ１１２型を用いて膜厚を５点測定する。膜厚測定点は図５に黒丸でもって示した５点であり、膜厚ムラは下記式（Ｆ１）により計算する。
膜厚ムラ（％）＝１００×（膜厚最大値−膜厚最小値）／膜厚平均値

前記した特性を満足する本発明の高分子電解質材は、有機系であっても無機系であってもよいが、アニオン性基を有することが好ましい。アニオン性基とは、水分の存在下で解離してアニオンとプロトンを生成可能な置換基である。このようなアニオン性基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は式（ｆ１）で表される基、スルホンイミド基は式（ｆ２）で表される基、硫酸基は式（ｆ３）で表される基、ホスホン酸基は式（ｆ４）で表される基、リン酸基は式（ｆ５）または（ｆ６）で表される基、カルボン酸基は式（ｆ７）で表される基を意味する。また、これらの塩である場合も含まれる。

［式（ｆ２）中、Ｒは任意の置換基を表す。］

これらの中でも、高プロトン伝導度の点からスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基から選ばれた少なくとも１種を有することがより好ましく、耐加水分解性の点からスルホン酸基またはスルホンイミド基を有することが最も好ましい。これらのアニオン性基は本発明の高分子電解質中に２種類以上含むことができる。

このようなアニオン性基を有する高分子電解質材の例を以下に例示する。本発明の高分子電解質は、１種類の高分子であってもよいが、２種類以上の高分子からなってもよい。

（Ｐ−１）アニオン性基を有するモノマーから得られる高分子
例えばアクリル酸、メタアクリル酸、ビニル安息香酸、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、マレイン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、スルホプロピル（メタ）アクリレート、エチレングリコールメタクリレートホスフェートなどに代表されるアニオン性基を有するモノマーから得られる高分子が挙げられる。このようなアニオン性基を有するモノマーにアニオン性基を持たないモノマーを共重合させた高分子も好適である。アニオン性基を持たないモノマーとしては重合性官能基を有する化合物であれば特に限定なく用いることができる。好ましくは（メタ）アクリル酸エステル系化合物、スチレン系化合物、（メタ）アクリロニトリル、（メタ）アクリルアミド系化合物、マレイミド系化合物等が挙げられる。本発明に用いる高分子（Ａ）は架橋高分子であってもよい。高分子（Ａ）が架橋高分子であれば燃料クロスオーバー抑制のためには有利である。アニオン性基を有するモノマーから得られる高分子を架橋させる場合には、（メタ）アクリル系化合物、スチレン系化合物、（メタ）アクリロニトリル、（メタ）アクリルアミド系化合物、マレイミド系化合物等の中で重合性官能基を複数有するものを架橋剤として共重合させればよい。

アニオン性基を有するモノマーから得られる高分子を製造する場合には、モノマー組成物には、重合をしやすくするためにパーオキサイド系やアゾ系に代表される熱重合開始剤や、光重合開始剤が添加されるのが一般的である。

熱重合を行う場合は、所望の反応温度に対して最適な分解特性を有するものを選択して使用する。一般的には１０時間半減期温度が４０〜１００℃の過酸化物系開始剤が好適であり、かかる開始剤によりひび割れのない高分子電解質膜を製造することができる。

光重合開始剤としてはベンゾフェノンのようなカルボニル化合物とアミン併用系や、メルカプタン化合物、ジスルフィド化合物などを挙げることができる。
これらの重合開始剤は単独または混合して用いられ、およそ１％くらいまでの量で使用される。

重合方法、成形方法としては、公知の方法を使用することができる。例えば、板間重合法、およびコーティング等の方法で薄膜状にしたモノマー組成物を不活性ガスまたは減圧雰囲気下で重合する方法などである。

一例として板間重合法について、次に説明する。モノマー組成物を２枚の板状モールドの空隙に充填する。そして光重合あるいは熱重合を行って膜状に賦型する。板状モールドは、樹脂、ガラス、セラミックス、金属等で製作されているが、光重合の場合は光学的に透明な素材が用いられ、通常は樹脂またはガラスが使用される。必要に応じて膜に一定の厚みを与えかつ充填したモノマー組成物の液モレを防止する目的を有するガスケットを併用してもよい。空隙にモノマー組成物を充填した板状モールドは、続いて紫外線のような活性光線を照射されるか、オーブンや液槽に入れて加熱されて重合される。光重合の後に加熱重合したり、逆に加熱重合後に光重合する両者を併用する方法もありうる。光重合の場合は、例えば水銀ランプや捕虫灯を光源とする紫外線を多く含む光を短時間（通常は１時間以下）照射するのが一般的である。熱重合を行う場合には、室温付近から徐々に昇温し、数時間ないし数十時間かけて６０℃〜２００℃の温度まで高めて行く条件が、均一性、品位を保持し、かつ再現性を高めるために好まれる。

（Ｐ−２）アニオン性基を有する芳香族系高分子
主鎖に芳香族環を含む高分子であってアニオン性基を有するものである。
主鎖構造は、特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度を有する物が好ましい。

さらには、少なくとも主鎖にアニオン性基とは異なる１種類以上の極性基を有する高分子が好ましい。この理由は主鎖近傍への水の配位を促し高プロトン伝導性を与えうるためと考えられる。ここで、極性基とは、特に限定されるものではないが、水が配位できる官能基が好ましい。この様な極性基としてスルホニル基（−ＳＯ₂−）、オキシ基（−Ｏ−）、チオ基（−Ｓ−）、カルボニル基（−ＣＯ−）、エステル基（−ＣＯＯ−）、アミド基（−ＮＲＣＯ−）、イミド基（−ＣＯ−Ｎ−ＣＯ−）、ホスファゼン基（−Ｐ＝Ｎ−）などが好適である。

そのような極性基を有する高分子の中でも、式（ａ１）で示されるポリフェニレンスルフィドスルホン、式（ａ２）で示されるポリフェニレンスルフィド、式（ａ３）で示されるポリフェニレン、式（ａ４）で示されるポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリスルホン、式（ａ５）で示されるポリフェニレンオキシド、式（ａ６）で示されるポリエーテルエーテルケトン、式（ａ７）で示されるポリエーテルケトン、式（ａ８）で示されるポリエーテルエーテルスルホン、式（ａ９）で示されるポリエーテルスルホン、および式（ａ１０）で示されるポリホスファゼン、などが特に好ましく用いられる。

（Ｚ、Ｚ¹，Ｚ²およびＺ³は芳香環を含む有機基を表し、Ｚ、Ｚ¹，Ｚ²およびＺ³は同じでも異なっていてもよい。ｎは正の整数であり繰り返し単位の数を表す。）

これら芳香族系高分子に対してアニオン性基を導入する方法は、アニオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でアニオン性基を導入する方法が挙げられる。

アニオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にアニオン性基を有したモノマーを用いればよく、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。高分子反応でアニオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族系高分子へのホスホン酸基の導入は、例えば、「Polymer Preprints」 Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。芳香族系高分子へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族系高分子への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子の硫酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平２−１６１２６号公報あるいは特開平２−２０８３２２号公報等に記載の方法が挙げられる。具体的には、例えば、芳香族系高分子をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系高分子をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。

（Ｐ−３）アニオン性基を有する含フッ素系高分子
含フッ素系高分子であってアニオン性基を有するものである。

最も代表的な例は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、トリフルオロスチレンなどの含フッ素系高分子にアニオン性基が導入された構造である。

これら含フッ素系高分子に対してアニオン性基を導入する方法は、アニオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でアニオン性基を導入する方法が挙げられる。市販されているものとしては、デュポン社製“ナフィオン”、旭硝子社製“フレミオン”、旭化成工業社製“アシプレックス”などが挙げられる。また、例えば含フッ素系高分子にポリスチレンをグラフト重合させた後スルホン化を行う方法によっても可能である。

（Ｐ−４）アニオン性基を有する無機高分子
アニオン性基を有する無機高分子の例としては、アニオン性基を有するオルガノポリシロキサンを挙げることができる。アニオン性基を有するオルガノポリシロキサンは、アニオン性基を有するケイ素化合物から得ることできる。アニオン性基を有するケイ素化合物として好適なものの例を挙げれば下記式（ｃ１）〜（ｃ９）で表される化合物である。

［上記式中、Ｙ¹〜Ｙ⁶はそれぞれ独立に、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基、ヒドロキシ基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアシロキシ基およびハロゲン基から選ばれた置換基を表し、なおかつＹ¹〜Ｙ³のうち少なくとも１つは、ヒドロキシ基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアシロキシ基およびハロゲン基から選ばれた置換基を表し、Ｅ¹、Ｅ²はそれぞれ独立にヒドロキシ基、置換されていてもよいシロキシ基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアリールオキシ基およびハロゲン基から選ばれた置換基を表す。］

これらのアニオン性基を有するケイ素化合物の中で、入手の容易さおよびプロトン伝導度の高さの点では式（ｃ４）で表される化合物が特に好ましい。
これらのアニオン性基を有するケイ素化合物は、単独で使用してもよいが、アニオン性基を持たないケイ素化合物と併用してもよい。

アニオン性基を持たないケイ素化合物として好適なものは下記一般式（ｄ１）で示される化合物および下記一般式（ｄ２）で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種の化合物である。

［式（ｄ１）および（ｄ２）中、Ｙ¹〜Ｙ⁶はそれぞれ独立に、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアリール基、ヒドロキシ基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアリーロキシ基、置換されていてもよいアシロキシ基およびハロゲン基から選ばれた置換基を表し、なおかつＹ¹〜Ｙ⁴のうち少なくとも１つは、ヒドロキシ基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもよいアリーロキシ基、置換されていてもよいアシロキシ基およびハロゲン基から選ばれた置換基を表す。Ｑは２価の有機基を表す。］

式中のＹ¹〜Ｙ⁶の具体例としては、メチル基、エチル基、ビニル基、イソプロピル基、ｔ−ブチル基などのアルキル基、クロロプロピル基、３，３，３−トリフロロプロピル基などのハロゲン化アルキル基、γ−グリシドキシプロピル基、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチル基などのエポキシ基含有アルキル基、γ−メタクリロキシプロピル基、γ−アクリロキシプロピル基などの（メタ）アクリル基含有アクリル基、その他としてメルカプト基、シアノ基、アミノ基などの各種置換基を有するアルキル基、フェニル基、ナフチル基、スチリル基などの置換されていてもよいアリール基、ヒドロキシ基、メトキシ基、エトキシ基、メトキシエトキシ基などの置換されていてもよいアルコキシ基、アセトキシ基などの置換されていてもよいアシロキシ基、フェノキシ基などの置換されていてもよいアリーロキシ基、クロロ基、ブロモ基などのハロゲン基、などが挙げられる。

Ｙ¹〜Ｙ⁶はそれぞれ独立であって、互いに同種であっても異種であってもよい。

Ｑの２価の有機基中には、酸素原子、窒素原子などの炭素、水素以外の異原子が含まれていても何ら問題はない。さらには、有機基としては鎖状であってもよく、また酸素原子などがエポキシ環などとして存在していても何ら問題はなく、むしろ、硬化時に官能基として寄与する点からは好ましいものである。

その具体例としては、エテンジイル基、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブタンジイル基、ペンタンジイル基、ヘキサンジイル基、ヘプタンジイル基、オクタンジイル基 、ノナンジイル基、デカンジイル基、ウンデカンジイル基、ドデカンジイル基、オクタジエンジイル基および下記式（ｇ１）〜（ｇ９）で表される基などが挙げられる。

一般式（ｄ１）および（ｄ２）で表される化合物の具体的な代表例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラクロロシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシエトキシシラン、メチルトリアセトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、ビニルトリメトキシエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリアセトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリエトキシシラン、γ−クロロプロピルトリアセトキシシラン、γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、β−シアノエチルトリエトキシシラン、メチルトリフェノキシシラン、クロロメチルトリメトキシシラン、クロロメチルトリエトキシシラン、グリシドキシメチルトリメトキシシラン、グリシドキシメチルトリエトキシシラン、α−グリシドキシエチルトリメトキシシラン、α−グリシドキシエチルトリエトキシシラン、β−グリシドキシエチルトリメトキシシラン、β−グリシドキシエチルトリエトキシシラン、α−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、α−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリプロポキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリブトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリフェノキシシラン、α−グリシドキシブチルトリメトキシシラン、α−グリシドキシブチルトリエトキシシラン、β−グリシドキシブチルトリメトキシシラン、β−グリシドキシブチルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシブチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシブチルトリエトキシシラン、δ−グリシドキシブチルトリメトキシシラン、δ−グリシドキシブチルトリエトキシシラン、（３，４−エポキシシクロヘキシル）メチルトリメトキシシラン、（３，４−エポキシシクロヘキシル）メチルトリエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリプロポキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリブトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリフェノキシシラン、γ−（３，４−エポキシシクロヘキシル）プロピルトリメトキシシラン、γ−（３，４−エポキシシクロヘキシル）プロピルトリエトキシシラン、δ−（３，４−エポキシシクロヘキシル）ブチルトリメトキシシラン、δ−（３，４−エポキシシクロヘキシル）ブチルトリエトキシシランなどのトリアルコキシシラン、トリアシルオキシシラン、またはトリフェノキシシラン類またはその加水分解物および

ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン、γ−クロロプロピルメチルジメトキシシラン、γ−クロロプロピルメチルジエトキシシラン、ジメチルジアセトキシシラン、γ−メタクリルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、スチリルトリメトキシシラン、スチリルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン、メチルビニルジメトキシシラン、メチルビニルジエトキシシラン、グリシドキシメチルメチルジメトキシシラン、グリシドキシメチルメチルジエトキシシラン、α−グリシドキシエチルメチルジメトキシシラン、α−グリシドキシエチルメチルジエトキシシラン、β−グリシドキシエチルメチルジメトキシシラン、β−グリシドキシエチルメチルジエトキシシラン、α−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、α−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、β−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジプロポキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジブトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルメトキシエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジフェノキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジアセトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルエチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルエチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルビニルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルビニルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルフェニルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルフェニルジエトキシシラン、などのジアルコキシシラン、ジフェノキシシランまたはジアシルオキシシラン類またはその加水分解物、ビス（トリクロロシリル）メタン、１，２−ビス（トリクロロシリル）エタン、１，４−ビス（トリクロロシリル）ブタン、１，６−ビス（トリクロロシリル）ヘキサン、１，８−ビス（トリクロロシリル）オクタン、１，２−ビス（トリメトキシシリル）エチレン、１，２−ビス（トリエトキシシリル）エチレン、ビス（トリメトキシシリル）メタン、１，２−ビス（トリメトキシシリル）エタン、１，４−ビス（トリメトキシシリル）ブタン、１，６−ビス（トリメトキシシリル）ヘキサン、１，８−ビス（トリメトキシシリル）オクタン、ビス（トリエトキシシリル）メタン、１，２−ビス（トリエトキシシリル）エタン、１，４−ビス（トリエトキシシリル）ブタン、１，６−ビス（トリエトキシシリル）ヘキサン、１，８−ビス（トリエトキシシリル）オクタン、１，１−ビス（トリクロロシリルメチル）エチレン、ビス（トリメトキシシリル）−１，７−オクタジエン、ビス（トリエトキシシリル）−１，７−オクタジエン、ビス［３−（トリメトキシシリル）プロピル］テトラスルフィド、ビス［３−（トリエトキシシリル）プロピル］テトラスルフィド、ビス［３−（トリメトキシシリル）プロピル］尿素、ビス［３−（トリエトキシシリル）プロピル］尿素、ビス［３−（トリメトキシシリル）プロピル］アミン、ビス［３−（トリエトキシシリル）プロピル］アミン、Ｎ，Ｎ’−ビス［３−（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−ビス［３−（トリエトキシシリル）プロピル］エチレンジアミンなどがある。

これらケイ素化合物の硬化温度を下げ、硬化をより進行させるためには加水分解することが好ましい。加水分解は純水または塩酸、酢酸あるいは硝酸などの酸性水溶液を配合し撹拌することによって行うことができる。また、純水あるいは酸性水溶液の配合量を調節することによって加水分解の度合いをコントロールすることも容易に可能である。加水分解に際しては、ケイ素化合物中の加水分解性基のモル数と等モル以上、３倍モル以下の純水または酸性水溶液の配合が硬化促進の点で好ましい。加水分解に際しては、アルコールなどが生成してくるため無溶媒で加水分解することが可能であるが、加水分解をさらに均一に行う目的でケイ素化合物と溶媒を混合した後に加水分解を行うことも可能である。また目的に応じて加水分解後のアルコールなどを加熱および／または減圧下で適当量除去して使用することも可能であるし、その後に適当な溶媒を配合することも可能である。これらの溶媒としてはアルコール、エステル、エーテル、ケトン、ハロゲン化炭化水素あるいはトルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセアミド、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシドなどの溶媒が挙げられる。これらの溶媒は、必要に応じて２種以上の混合溶媒として使用することも可能である。また目的に応じて加水分解反応を促進し、さらに予備縮合などの反応を進めるために室温以上に加熱することも可能であるし、予備縮合を抑えるために加水分解温度を室温以下に下げて行うことも可能である。

本発明の高分子電解質材は架橋高分子であってもよい。本発明の高分子電解質材が架橋高分子であれば燃料透過率抑制のためには有利である。

本発明の高分子電解質材は、以上のようなアニオン性基を有する高分子電解質材、およびこれらと他の物質との組合せから選択されることが好ましい。さらに好ましい具体例については実施例に例示する。

本発明の高分子電解質材は、膜状に成形して高分子電解質膜とすることができる。高分子電解質膜の好ましい膜厚範囲は１μｍ〜５ｍｍ、より好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、最も好ましくは１０μｍ〜１ｍｍである。膜厚は薄すぎると破れやすくなるために好ましくなく、厚すぎるとプロトン伝導性が低下するために好ましくない。

本発明の高分子電解質材（膜）がスルホン酸基を有する場合には、スルホン酸基を金属塩（すなわち−ＳＯ₃Ｍ型（Ｍは金属））の状態で、特定のガス雰囲気下で、高温で熱処理し、その後、プロトン置換することにより、本発明で規定する物性の高分子電解質膜を得ることが可能となる。これは該処理により膜の緻密度が変わるためと推測される。前記の金属Ｍはスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどが好ましく、これらの中でもＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがより好ましく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋがさらに好ましい。

前記熱処理の温度としては、２００〜６００℃が好ましく、２５０〜５００℃がより好ましい。２００℃以上の熱処理温度が、本発明で規定する物性を得る上で好ましい。一方、６００℃以下することで、ポリマーが分解するのを防ぐことができる。

熱処理時のガス雰囲気は、酸素含有率０．０５％〜１０％の不活性ガスであり、酸素含有率０．１％〜５％の不活性ガスがより好ましい。酸素含有率が低すぎると熱処理の効果が不十分となる場合があり、酸素含有率が高すぎると高分子電解質材（膜）の劣化が引き起こされる場合がある。不活性ガスとしては窒素、二酸化炭素、およびネオン、ヘリウム、アルゴン、クリプトンなどが挙げられるが、経済性の観点から窒素ガスが最も好ましい。

また、熱処理時間としては、得られる物性および生産性の点で１分〜２４時間が好ましく、２分〜１時間がより好ましく、３分〜３０分がさらに好ましい。熱処理時間が短かすぎると、効果が薄く本発明の規定する物性が得られない場合があり、長すぎるとポリマーの分解が起きプロトン伝導性が低下する場合があり、また生産性が低くなる。

次に本発明の高分子電解質材を用いた燃料電池について説明する。
本発明の高分子電解質膜は電極基材と電極触媒層とから構成される電極と組み合わせて膜電極複合体として燃料電池に用いられる。

本発明の燃料電池における電極触媒層について説明する。電極触媒層とは、電極反応を促進する電子伝導やプロトン伝導に寄与する物質を含む層である。また燃料が液体や気体の場合には、その液体や気体が透過しやすい構造を有していることが好ましく、電極反応に伴う副生成物質の排出も促す構造が好ましい。

本発明の燃料電池の燃料としては、水素、ジメチルエーテル、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの気体、アルコール、ケトン、ジエチルエーテルなどの液体が挙げられ、１種または２種以上の混合物でもよい。特に反応効率や電池全体のシステム簡素化の観点から炭素数１〜６の有機化合物およびこれと水との混合物が好ましく、炭素数１〜３のアルコール、ジメチルエーテルおよびこれらと水の混合物がより好適に使用される。

また、電極触媒層に含まれる触媒としては公知の触媒を用いることができ、特に限定されるものではないが、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、金などの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、２種以上の元素が含まれていても構わない。

電極触媒層に含まれる電子伝導体（導電材）としては、特に限定されるものではないが、電子伝導性や化学的な安定性の点から炭素材料、無機導電材料が好ましく用いられる。なかでも、非晶質、結晶質の炭素材が挙げられる。例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。ファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンＸＣ−７２、バルカンＰ、ブラックパールズ８８０、ブラックパールズ１１００、ブラックパールズ１３００、ブラックパールズ２０００、リーガル４００、ケッチェンブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックＥＣ、ＥＣ６００ＪＤ、三菱化学社製＃３１５０、＃３２５０などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラックなどが挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素なども使用することができる。これらの炭素材の形態としては特に限定されず、不定形粒子状のほか繊維状、鱗片状、チューブ状、円錐状、メガホン状のものも用いることができる。また、これら炭素材を後処理加工した炭素材も用いることが可能である。また、電子伝導体は、触媒粒子と均一に分散していることが電極性能の点で好ましいものである。このため、触媒粒子と電子伝導体は予め塗液として良く分散しておくことが好ましい。さらに、電極触媒層として、触媒と電子伝導体とが一体化した触媒担持カーボン等を用いることも好ましい実施態様である。この触媒担持カーボンを用いることにより、触媒の利用効率が向上し、電池性能の向上および低コスト化に寄与できる。ここで、電極触媒層に触媒担持カーボンを用いた場合においても、電子伝導性をさらに高めるために導電剤を添加することも可能である。このような導電剤としては、上述のカーボンブラックが好ましく用いられる。

上記、触媒と電子伝導体類は通常粉体であるので、これらを固めるためにプロトン伝導体を使用する。電極触媒層に用いられるプロトン伝導体としては、一般的に、種々の有機、無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、プロトン伝導性を向上するスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などのアニオン性基を有するポリマが好ましく用いられる。なかでも、アニオン性基の安定性の観点から、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマが好ましく用いられる。たとえば、デュポン社製のナフィオン、旭化成社製のアシプレックス、旭硝子社製フレミオンなどが好ましく用いられる。また本発明の高分子電解質も好適である。これらのプロトン交換ポリマは、溶液または分散液の状態で電極触媒層中に設ける。この際に、ポリマを溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、プロトン交換ポリマの溶解性の点から極性溶媒が好ましい。

プロトン伝導体は、電極触媒層を作製する際に電極触媒粒子と電子伝導体とを主たる構成物質とする塗液に予め添加し、均一に分散した状態で塗布することが電極性能の点から好ましいものであるが、電極触媒層を塗布した後にプロトン伝導体を塗布してもかまわない。ここで、電極触媒層にプロトン伝導体を塗布する方法としては、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、カーテンコート、フローコートなどが挙げられ、特に限定されるものではない。電極触媒層に含まれるプロトン伝導体の量としては、要求される電極特性や用いられるプロトン伝導体の伝導度などに応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではないが、重量比で１〜８０％の範囲が好ましく、５〜５０％の範囲がさらに好ましい。プロトン伝導体は、少な過ぎる場合はプロトン伝導性が低く、多過ぎる場合はガス透過性を阻害する点で、いずれも電極性能を低下させることがある。

電極触媒層には、上記の触媒、電子伝導体、プロトン伝導体の他に、種々の物質を含んでいてもかまわない。特に電極触媒層中に含まれる物質の結着性を高めるために、上述のプロトン交換樹脂以外のポリマを含んでもよい。このようなポリマとしては、フッ素原子を含むポリマが挙げられ、特に限定されるものではないが、たとえば、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテルなど、あるいはこれらの共重合体、これらのポリマを構成するモノマ単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマとの共重合体、さらには、ブレンドなども用いることができる。これらポリマの電極触媒層中の含有量としては、重量比で５〜４０％の範囲が好ましい。ポリマ含有量が多すぎる場合、電子およびイオン抵抗が増大し電極性能が低下する傾向がある。

本発明の燃料電池においては、電極基材は特に限定されることなく公知のものを用いることが可能であり、電気抵抗が低く、集（給）電を行えるものであれば用いることができる。また、前記電極触媒層を集電体兼用で使用する場合は、特に電極基材を用いなくてもよい。電極基材の構成材としては、たとえば、炭素質、導電性無機物質が挙げられ、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。これらの、形態は特に限定されず、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、燃料透過性の点から炭素繊維などの繊維状導電性物質（導電性繊維）が好ましい。導電性繊維を用いた電極基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。たとえば、東レ（株）製カーボンペーパーＴＧＰシリーズ、ＳＯシリーズ、Ｅ-ＴＥＫ社製カーボンクロスなどが用いられる。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるものなど特に限定されること無く用いられる。また編物であっても構わない。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化あるいは黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸あるいは炭化糸あるいは黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布を用いるのが好ましい。

電極基材に炭素繊維からなる導電性繊維を用いた場合、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などがあげられる。

本発明の燃料電池に用いられる電極基材に、水の滞留によるガス拡散・透過性の低下を防ぐために行う撥水処理、水の排出路を形成するための部分的撥水、親水処理や、抵抗を下げるために行われる炭素粉末の添加等を行うこともできる。

本発明の燃料電池においては、電極基材と電極触媒層の間に、少なくとも無機導電性物質と疎水性ポリマを含む導電性中間層を設けることが好ましい。特に、電極基材が空隙率の大きい炭素繊維織物や不織布である場合、導電性中間層を設けることで、電極触媒層が電極基材にしみ込むことによる性能低下を抑えることができる。

本発明の高分子電解質膜、電極触媒層あるいは電極触媒層と電極基材を用いて膜電極複合体とする際の作製方法は特に限定されるものではなく、公知の方法（例えば、電気化学，1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など）を適用することが可能である。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。なお、各物性の測定条件は前述のとおりである。

［実施例１］
（１）高分子電解質膜の作製
三角フラスコに、シクロヘキシルマレイミド（３０．５ｇ）、スチレン（４１．４ｇ）、エチレングリコールジメタクリレート（２８．１ｇ）、プロピレンカーボネート（２５．０ｇ）、及び、２，２´−アゾビスイソブチロニトリル（０．３ｇ）を加え、マグネチックスターラーを使用して撹拌し均一に溶解させ、モノマー溶液とした。

厚み５ｍｍで３０ｃｍ×３０ｃｍサイズのガラス板２枚をその間隔が０．２ｍｍとなるようにガスケットで調整したモールドを準備し、ガラス板間にモノマー溶液をガスケット内が満たされるまで注入した。次に、６５℃の熱風乾燥機内で８時間重合したのち、重合体の膜を取り出した。

得られた高分子電解質膜をクロロスルホン酸の５％ニトロエタン溶液中に１５０分間浸漬後、洗浄液が中性になるまで水洗した。次に該膜を飽和食塩水に２時間浸漬し、水洗した後、酸素含有率２％の窒素ガス雰囲気下で２７０℃、２０分間加熱した後、除冷した。その後、該膜を、１Ｍ硫酸に１日浸漬後、洗浄液が中性になるまで十分水洗して、高分子電解質膜を作製した。膜厚ムラは２％であった。

（２）高分子電解質膜の評価
得られた高分子電解質膜をメタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後のプロトン伝導度を測定した。測定値を表１に示した。近似式の傾きは０．００４８（ｍＳ／ｃｍ／重量％)であり、プロトン伝導度はメタノール水溶液の濃度が増加しても低下しなかった。純水に浸漬し、取り出した直後の２５℃におけるプロトン伝導度は８０．１ｍＳ／ｃｍであり十分に高い値であった。

また、得られた高分子電解質膜のメタノール透過率（ＭＣＯ）を測定した。測定値を表２に示した。直線近似の相関係数（Ｒ²）は０．９９２６であり直線ではなかったが、二次多項式近似のｘ²の係数が−０．０３０２であり上に凸のカーブを描いた。また２０℃における１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率は１２７ｎｍｏｌ／ｃｍ・分であり十分に小さい値であった。

［実施例２］
（１）高分子電解質材の作製
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋ管を備えた５００ｍＬ三口フラスコに９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン（１７．５２ｇ、０．０５ｍｏｌ）、ヒドロキノン（５．５０ｇ、０．０５ｍｏｌ）、４，４'−ジフルオロベンゾフェノン（２１．８２ｇ、０．１０ｍｏｌ）、及び、炭酸カリウム（１７．２５ｇ、０．１２５ｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（１５０ｍＬ）、及びトルエン（７５ｍＬ）を追加した。この混合物を窒素雰囲気下、１５０℃で４ｈ還流し、トルエンとの共沸により水を除去した。次いで１６５℃に昇温し、トルエンを除去後、そのまま１６５℃で６ｈ反応させた。粘性ある緑色溶液を室温まで放冷後、クロロホルム（５００ｍＬ）を加え希釈した。水（３００ｍＬ）による抽出を３回繰り返し、塩を除去した。６Ｌのメタノール中に投じてポリマーを沈殿させ、メタノールで３回洗浄した。１００℃で一晩真空乾燥した。

得られたポリマー（１０ｇ）を室温、窒素雰囲気下でクロロホルム（３００ｍＬ）に溶解させた後、激しく撹拌しながらクロロスルホン酸（１６ｍＬ）を滴下した。すぐに赤色沈殿が生成し始めたが、１０分間反応させた。水１００ｍＬを追加し、デカンテーションで白色沈殿を取った。さらに水（１００ｍＬ）を加えて撹拌して洗浄しデカンテーションで水を捨てた。この洗浄操作を３回繰り返した。４０℃で２時間以上乾燥した後、ハサミで２ｃｍ以下の大きさに細断した。家庭用ミキサー（ミル）にかけてポリマーを粉砕した。飽和食塩水（２００ｍＬ）を加え撹拌して洗浄した後、ろ過を行った。ろ布上でさらに３回水洗を行った。４０℃で一晩真空乾燥し、目的の高分子電解質材とした。

（２）高分子電解質膜の作製
前記（１）で得られた高分子電解質材（１０ｇ）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（４０ｇ）に室温で攪拌溶解させ、２０％溶液とした。得られた高分子電解質溶液をシリコーンゴムで囲いをしたガラス板上に流延塗付し（溶液厚み５００μｍ）、室温で３０分間放置した後、１００℃、３時間加熱し、さらに酸素含有率１％の窒素ガス雰囲気下で２８０℃、２０分間加熱した後、除冷した。その後、得られたフィルムをガラス板から剥離し、１Ｍ硫酸に１日浸漬後、洗浄液が中性になるまで十分水洗して高分子電解質膜を得た。膜厚ムラは３％であった。

（３）高分子電解質膜の評価
得られた高分子電解質膜をメタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後のプロトン伝導度を測定した。測定値を表１に示した。近似式の傾きは０．１６０７（ｍＳ／ｃｍ／重量％)であり、プロトン伝導度はメタノール水溶液の濃度が増加しても低下しなかった。純水に浸漬し、取り出した直後の２５℃におけるプロトン伝導度は１４３ｍＳ／ｃｍであり十分に高い値であった。

また、得られた高分子電解質膜のメタノール透過率（ＭＣＯ）を測定した。測定値を表２に示した。直線近似の相関係数（Ｒ²）は０．９９９５であり、直線であった。また２０℃における１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率は３４７ｎｍｏｌ／ｃｍ・分であり十分に小さい値であった。

［比較例１］
“ナフィオン”１１７膜（デュポン社製）をメタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後のプロトン伝導度を測定した。測定値を表１に示した。近似式の傾きは−０．７５９４（ｍＳ／ｃｍ／％)であり、プロトン伝導度はメタノール水溶液の濃度が増加すると低下し、好ましい物性ではなかった。純水に浸漬し、取り出した直後の２５℃におけるプロトン伝導度は１１５ｍＳ／ｃｍであった。

また、“ナフィオン”１１７膜（デュポン社製）のメタノール透過率（ＭＣＯ）を測定した。測定値を表２に示した。直線近似の相関係数（Ｒ²）は０．９９７１であり直線ではなく、二次多項式近似のｘ²の係数が０．１１４２であり下に凸のカーブを描き、好ましい物性ではなかった。また２０℃における１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率は３３２ｎｍｏｌ／ｃｍ・分であった。

［比較例２］
（１）スルホン化ポリフェニレンオキシドの合成
攪拌装置を備えた反応器に窒素雰囲気下にて、三菱エンジニアリングプラスチック（株）社製ポリフェニレンオキシド（品番：ＹＰＸ−１００Ｌ）（１００ｇ）をクロロホルム（１０００ｇ）に室温で攪拌溶解させた後、攪拌を継続しながらクロロスルホン酸（３４ｍＬ）を滴下し、滴下終了後室温で３０分間攪拌を継続した。次に析出したポリマーを濾布を用いて濾別した。その後、ミルを用いて粉砕し、純水で十分に洗浄した後に真空乾燥を行った。

（２）高分子電解質膜の作製
前記（１）で得られたスルホン化ポリフェニレンオキシド（１０ｇ）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（４０ｇ）に室温で攪拌溶解させ、２０％溶液とした。得られた高分子電解質溶液をシリコーンゴムで囲いをしたガラス板上に流延塗付し（溶液厚み５００μｍ）、１００℃、３時間加熱した。その後、得られたフィルムをガラス板から剥離して高分子電解質膜を得た。

（３）高分子電解質膜の評価
得られた高分子電解質膜をメタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後のプロトン伝導度を測定した。測定値を表１に示した。該高分子電解質膜は、４０％以上の高濃度メタノール水溶液に溶解してしまい、好ましい物性ではなかった。なお、濃度３０％以下における近似式の傾きは−１．２３６（ｍＳ／ｃｍ／％)であり、プロトン伝導度はメタノール水溶液の濃度が増加すると低下し、好ましい物性ではなかった。純水に浸漬し、取り出した直後の２５℃におけるプロトン伝導度は１３４ｍＳ／ｃｍであった。

また、得られた高分子電解質膜のメタノール透過率（ＭＣＯ）を測定した。測定値を表２に示した。該高分子電解質膜は４０％以上の高濃度メタノール水溶液に溶解してしまった。なお、濃度３０％以下における直線近似の相関係数（Ｒ²）は０．９８６５であり直線ではなく、二次多項式近似のｘ²の係数が０．５５７５であり下に凸のカーブを描き、好ましい物性ではなかった。また２０℃における１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率は２８１ｎｍｏｌ／ｃｍ・分であった。

［比較例３］
（１）スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの作製
ビクトレックス社製のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）（３．０ｇ）を濃硫酸（１５０ｍＬ）中に溶解させ、撹拌しながら室温で１４日間反応を行った。得られた混合物を多量のエーテル中に投入し、白色沈殿を濾別し、洗浄した後、乾燥してスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを作製した。該スルホン化ポリエーテルエーテルケトンをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解し、２０％溶液とした。

（２）高分子電解質膜の作製
前記ポリマー溶液をシリコーンゴムで囲いをしたガラス板上に流延塗付し（溶液厚み５００μｍ）、１００℃、３時間加熱した。その後、得られたフィルムをガラス板から剥離して高分子電解質膜を得た。

（３）高分子電解質膜の評価
得られた高分子電解質膜のメタノール水溶液に浸漬し、取り出した直後のプロトン伝導度の測定を試みたが、該高分子電解質膜は水にもメタノール溶液にも溶解してしまい、測定不能であった。また、メタノール透過率（ＭＣＯ）も、同様に測定不能であり、高分子電解質膜として使用できないものであった。

［実施例３、及び比較例４］
実施例１の高分子電解質膜を用いて、次の方法により膜電極複合体（ＭＥＡ）および燃料電池を作製し評価した。また、比較として、市販の高分子電解質膜「“ナフィオン”１１７（デュポン社製）」を９５℃熱水にて１時間処理を行ったものを用いて同様に燃料電池を作製し評価した（比較例４）。

２枚の炭素繊維クロス基材に２０％四フッ化エチレン撥水処理を行ったのち、四フッ化エチレンを２０％含むカーボンブラック分散液を塗工、焼成して電極基材を作製した。１枚の電極基材上に、Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボンとナフィオン溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、もう１枚の電極基材上に、Ｐｔ担持カーボンとナフィオン溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。

実施例１の高分子電解質膜を、先に作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることでＭＥＡを作製した。このＭＥＡをエレクトロケム社製セルにセットし燃料電池とした。アノード側に３０％メタノール水溶液、カソード側に空気を流して２０℃においてＭＥＡの評価を行った。評価はＭＥＡに定電流を流し、その時の電圧を測定した。電流を順次増加させ電圧が１０ｍＶ以下になるまで測定を行った。

各測定点での電流と電圧の積が出力となるが、その最大値（ＭＥＡの単位面積あたり）を出力（ｍＷ／ｃｍ²）とした。
エネルギー容量は、出力、ＭＥＡでのＭＣＯを基に下記数式（ｎ１）にて計算した。

該ＭＥＡでのＭＣＯは、カソードからの排出ガスを捕集管でサンプリングした。これを全有機炭素計TOC-VCSH（島津製作所製測定器）、あるいはMeOH透過量測定装置Maicro GC CP-4900（ジ−エルサイエンス製ガスクロマトグラフ）を用い評価した。ＭＣＯは、サンプリングガス中のＭｅＯＨと二酸化炭素の合計を測定して算出した。

エネルギー容量：Ｗｈ
出力：最大出力密度（ｍＷ／ｃｍ²）
容積：燃料の容積（本実施例では１０ｍＬとして計算した。）
濃度：燃料のメタノール濃度（％）
ＭＣＯ：ＭＥＡでのＭＣＯ（μｍｏｌ・ｍｉｎ^-1・ｃｍ^-2）
電流密度：最大出力密度が得られるときの電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）

実施例１の高分子電解質膜を使用したＭＥＡ（実施例３）の方が“ナフィオン”１１７を使用したＭＥＡ（比較例４）より出力（ｍＷ／ｃｍ²)で１．９倍、エネルギー容量（Ｗｈ)で２．７倍の値を示し優れた特性を有していた。

またアノード側に１０％メタノール水溶液、カソード側に空気を流して２０℃においてＭＥＡの評価を２０００時間行った。実施例３の２０００時間経過後の出力は初期値の９５％であり、ほとんど変化が見られなかった。

［実施例４］
実施例２の高分子電解質膜を用いて、実施例３と同様の方法で膜電極複合体（ＭＥＡ）および燃料電池を作製し評価した。
実施例２の高分子電解質膜を使用して得られたＭＥＡは、比較例４のＭＥＡに比べ出力（ｍＷ／ｃｍ²)で２．０倍、エネルギー容量（Ｗｈ)で２．９倍の値を示し優れた特性を有していた。

またアノード側に１０％メタノール水溶液、カソード側に空気を流して２０℃においてＭＥＡの評価を２０００時間行った。２０００時間経過後の出力は初期値の９６％であり、ほとんど変化が見られなかった。

［実施例５］
実施例２の高分子電解質材および高分子電解質膜を用いて、次の方法により膜電極複合体（ＭＥＡ）および燃料電池を作製し評価した。

２枚の炭素繊維クロス基材に２０％四フッ化エチレン撥水処理を行ったのち、四フッ化エチレンを２０％含むカーボンブラック分散液を塗工、焼成して電極基材を作製した。１枚の電極基材上に、Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボンと実施例２の高分子電解質溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、もう１枚の電極基材上に、Ｐｔ担持カーボンと実施例２の高分子電解質溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。実施例２の高分子電解質膜を、先に作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることでＭＥＡを作製した。このＭＥＡをエレクトロケム社製セルにセットし燃料電池とした。実施例３と同様の方法で評価を行った。実施例２の高分子電解質材および高分子電解質膜を使用して得られたＭＥＡは、“ナフィオン”１１７を使用したＭＥＡ（比較例４）に比べ出力（ｍＷ／ｃｍ²)で１．８倍、エネルギー容量（Ｗｈ)で２．８倍の値を示し優れた特性を有していた。

［実施例６］
高分子電解質膜の作製時にやや水平度の悪いオーブンを使用した以外は実施例２と全く同様に行って高分子電解質膜を作製した。平均膜厚２４３μｍ、膜厚ムラは８％であった。
プロトン伝導度は１４２ｍＳ／ｃｍ、近似式の傾きは０．１６０６であった。また、メタノール透過率は３４５ｎｍｏｌ／ｃｍ／分、Ｒ２は０．９９９５であった。

本実施例の高分子電解質膜を用いて、実施例３と同様の方法で膜電極複合体（ＭＥＡ）および燃料電池を作製し評価した。

本実施例のＭＥＡは、“ナフィオン”１１７を使用したＭＥＡ（比較例４）より出力（ｍＷ／ｃｍ２)で２．０倍、エネルギー容量（Ｗｈ)で２．９倍の値を示し優れた特性を有していた。
またアノード側に１０％メタノール水溶液、カソード側に空気を流して２０℃においてＭＥＡの評価を２０００時間行った。２０００時間経過後の出力は初期値の８１％まで低下した。

本発明の高分子電解質または高分子電解質膜は、種々の用途に適用可能である。例えば一次電池、二次電池、イオン交換膜として水浄化装置、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー等が挙げられるが、中でも燃料電池がもっとも好ましい。本発明の高分子電解質または高分子電解質膜は燃料電池の高分子電解質膜としても、触媒層用の高分子電解質としても好適に使用できる。燃料電池のなかでも固体高分子型燃料電池に好適であり、炭素数１〜６の有機化合物またはこれと水との混合物を燃料とする直接型燃料電池にはより好適であり、炭素数１〜３のアルコール、ジメチルエーテルおよびこれらと水の混合物を燃料とする直接型燃料電池にはさらに好適であり、メタノールを燃料とする直接メタノール型燃料電池に最も好適である。

さらに、本発明の燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA（Personal Digital Assistant）などの携帯機器、掃除機等の家電、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。

プロトン伝導度測定法Ａのサンプルセルの概略横断面図である。 高分子電解質の抵抗を決定するためのシミュレーションに用いる等価回路図である。 プロトン伝導度測定法Ｂのサンプルセルの（ａ）概略上面図、（ｂ）Ａ−Ａで切断した概略断面図である。 高分子電解質膜のメタノール透過率を測定するための装置の概略横断面図である。 膜厚の測定点を示す平面図である。

符号の説明

１：四フッ化エチレン樹脂製Ｏリング
２：シリコーンゴム製Ｏリング
３：電極端子
４：ステンレス製筐体（上部）
５：ステンレス製バネ
６：ステンレス製電極
７：四フッ化エチレン樹脂製スペーサー
８：ステンレス製電極兼筐体（下部）
９：サンプル（高分子電解質膜）
１０：スライドグラス
１１：電極線（白金線）
１２：シリコーンゴム製パッキング
１３：攪拌子
１４：純水
１５：メタノール水溶液
ｔ１：四フッ化エチレン樹脂製スペーサー（７）の厚み
ｔ２：ステンレス製電極（６）の突起部の長さ

Claims (5)

1. メタノール水溶液に浸漬し取り出して３分以内に測定したプロトン伝導度をメタノール水溶液の濃度（０、１０、２０、３０、４０、５０、および６０％）に対してプロットした時に最小二乗法による直線近似式の傾き［（ｍＳ／ｃｍ）／（メタノール％）］が−０．３以上＋３以下であり、純水に浸漬し取り出して３分以内に測定した２５℃におけるプロトン伝導度が０．０３Ｓ／ｃｍ以上２Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする高分子電解質材。
2. メタノール水溶液の濃度（３、１０、２０、３０、４０および５０％）に対して、メタノール透過率をプロットした時に、最小二乗法による直線近似の相関係数（Ｒ²）が０．９９８以上である、または最小二乗法による二次多項式近似の二次の項の係数ａの符号がマイナスでありａの絶対値が０．０１以上であることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質材。
3. ２０℃において１０％メタノール水溶液を用いて測定した場合のメタノール透過率が、６００ｎｍｏｌ／ｃｍ・分以下であることを特徴とする請求項２に記載の高分子電解質材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高分子電解質材を用いて形成されたことを特徴とする高分子電解質膜。
5. ２５℃の水中に２４時間浸漬して測定した、下記式で示される膜厚ムラが５％以下であることを特徴とする請求項４に記載の高分子電解質膜。
   膜厚ムラ（％）＝１００×（膜厚最大値−膜厚最小値）／膜厚平均値

Images