JP4957544B2 - プロトン伝導性電解質膜とその製造方法、及び該プロトン伝導性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、プロトン伝導性電解質膜及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法に関し、更には燃料電池用電解質に該プロトン伝導性電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池に関する。
燃料電池は水素と酸素を反応させて電気を発生させる発電装置であり、発電反応で水しか生成されないという優れた性質を有しているので、温暖化やオゾン層破壊といった地球環境問題に対処する省エネルギーの技術として注目されている。
燃料電池には固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池の４種類がある。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は作動温度が低い、電解質が固体（高分子の薄膜）であるという利点がある。固体高分子型燃料電池は、メタノールを改質器を用いて水素に変換する改質型、改質器を用いずに直接メタノールを使用する直接メタノール型（ＤＭＦＣ、Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、水素を直接用いる直接水素型の３つに大別される。ＤＭＦＣは改質器が不要であるため小型、軽量化が可能であり、来るべきユビキタス社会に向けた個人用の携帯情報端末（ＰＤＡ、Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等の電池や専用バッテリーとして、その実用化が期待されている。
固体高分子型燃料電池の主な構成要素は、電極、触媒、電解質、セパレータである。電解質として、高分子のプロトン伝導性電解質膜を使用する。プロトン伝導性電解質膜はイオン交換膜や湿度センサー等の用途に用いられているが、近年、固体高分子型燃料電池における電解質としての用途においても注目を集めている。例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）を代表とするスルホン酸基含有フッ素樹脂膜は、携帯用燃料電池における電解質としての利用が検討されている。
従来より知られているこれらのフッ素樹脂系プロトン伝導性膜は、メタノール透過性が大きいという欠点がある。プロトン伝導性膜をＤＭＦＣ等の固体高分子型燃料電池の新たな用途において実用化を図るには、プロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低い膜の開発が不可欠である。また、特にＤＭＦＣとしての性能向上を図る上では薄膜化が必須であり、膜の物理的強度も要求される。
そこで、空孔を有する多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを含浸させて、プロトン伝導性膜を得る方法が種々提案されている。
寸法安定性、取扱適性が改良され、そして同一のポリマー及び匹敵する厚さの従来の未強化のイオン交換膜に比較して、イオン伝導性及び反応体の気体のクロスオーバーが弱体化されていないイオン交換膜を提供することを目的に、ランダムに配向した個々の繊維で形成された多孔質支持体内にイオン伝導性ポリマーが埋め込まれている複合膜が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、メタノールの透過（クロスオーバー）をできるだけ抑制し、且つ高温（摂氏約１３０度以上）環境下での使用にも耐える電解質膜を提供することを目的に、メタノール及び水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔に、プロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。多孔性基材としては、セラミック、ガラス、アルミナ等の無機材料、またはポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等の耐熱性ポリマーが用いられる。多孔性基材の空孔率は１０〜９５％、平均孔径は０．００１〜１００μｍ、厚みは数μｍのオーダーが好ましい、と記載されている。
また、耐久性と機械的強度を有するプロトン伝導性膜を提供することを目的に、リン酸基、ホスホン酸基またはホスフィン酸基を側鎖に有するポリマーを多孔質膜の空孔内に担持させてなるプロトン伝導性膜が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。多孔質膜としては、超高分子量ポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂が挙げられている。多孔質膜の空孔率は３０〜８５％、平均孔径は０．００５〜１０μｍ、厚みは５〜５００μｍが好ましい、と記載されている。
更にメタノールの透過（クロスオーバー）をできるだけ抑制することを目的に、無機多孔性基材の規則配列した細孔にプロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。
特開平１０−３１２８１５号公報 国際公開第００／５４３５１号パンフレット 特開２００２−８３５１４号公報 Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，７０，９３４（２００２）
プロトン伝導性電解質膜を固体高分子型燃料電池の電解質として実用に耐えるためには、少なくともプロトン伝導性が十分に高いこと、メタノール透過性が十分に低いことが重要な因子となる。しかしながら、本発明者らは、上記した従来のプロトン導電性膜は、こうした特性が充分ではないことを見いだし、鋭意研究を重ねて本発明を成すに至った。
従って、本発明の第１の目的はプロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低いプロトン伝導性電解質膜を提供すること、及びこのような優れた性能を持ったプロトン伝導性電解質膜の製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記のような優れた性能を持ったプロトン伝導性電解質膜を電解質として有する固体高分子型燃料電池を提供することにある。
本発明の上記目的は、下記構成により達成された。
１．無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び（ｃ）下記一般式（１）で表される化合物を共重合してなるポリマーであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
（式中、Ｒ1は炭素数４以下のアルキル基を表し、Ｒ2は共重合可能な有機基を表し、ｍ、ｎはいずれも１〜３の整数である。但し、ｍ＋ｎ＝４であり、ｍが２または３のとき、Ｒ2は異なる有機基であってもよい。）
２．前記プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも前記（ａ）〜（ｃ）の化合物、及び（ｄ）反応性乳化剤を共重合してなるポリマーであることを特徴とする１記載のプロトン伝導性電解質膜。
３．前記無機多孔質膜は、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られることを特徴とする１または２に記載のプロトン伝導性電解質膜。
４．前記無機粒子の一次平均粒径が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする３に記載のプロトン伝導性電解質膜。
５．前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする１〜４のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
６．前記反応性乳化剤がスルホン酸基を有することを特徴とする２〜５のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
７．前記一般式（１）で表される化合物のＲ2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基またはビニル基のうちの少なくとも１種を含有する有機基であることを特徴とする１〜６のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
８．前記無機多孔質膜の細孔の平均径（平均細孔径）が１０〜４５０ｎｍであることを特徴とする１〜７のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
９．前記無機多孔質膜の空隙率が４０〜９５％であることを特徴とする１〜８のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
１０．カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、１〜９のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜を該電解質に用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
１１．無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られる無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び（ｃ）前記一般式（１）で表される化合物とを充填し、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合することを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
１２．前記無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、前記（ａ）〜（ｃ）の化合物、及び（ｄ）反応性乳化剤を充填し、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合することを特徴とする１１に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
１３．前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液中が、前記無機粒子を５〜６０体積％、前記有機粒子を４０〜９５体積％の割合で含有（無機粒子と有機粒子の体積の総和を１とする）することを特徴とする１１または１２に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
１４．前記無機粒子及び前記有機粒子を含む分散液を含有する層を形成する工程が塗布工程であることを特徴とする１１〜１３のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
本発明により、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低いプロトン伝導性電解質膜とその製造方法、及び該プロトン伝導性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池を提供することができた。
本発明の直接メタノール型固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。 メタノール透過性を評価するためのＨ型セルの概略図である。
符号の説明
１ 電解質膜
２ アノード極（燃料極）
３ カソード極（空気極）
４ 外部回路
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のプロトン伝導性電解質膜は、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を含有する層を形成する工程と、該層を乾燥させ焼成する工程と、該焼成する工程により得られる無機多孔質膜の細孔にプロトン伝導性ポリマーを充填する工程とを経て製造することができる。
該無機粒子及び有機粒子を含む分散液を含有する層を形成する工程では支持体を用いてもよく、支持体としては最終的には焼失または溶けて無くなるもの、あるいは剥がし取れるものであれば任意の素材の支持体を用いることができ、例えば、濾紙などの紙、不織布などの布、ポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルム等、任意の素材で形成した支持体を用いることができる。支持体の表面は平滑であることが好ましく、平滑であれば得られるプロトン伝導性電解質膜の面も平滑となり、固体高分子型燃料電池の電解質とした場合に、電極とプロトン伝導性電解質膜との界面での接触が密となる。支持体の表面粗さは特に制限はないが、形成された無機粒子及び有機粒子を含有する層の表面の表面粗さＲｚが３μｍ以下であることが好ましい。ここで、表面粗さＲｚはＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定される十点平均面粗さＲｚのことをいう。測定には、例えば、東京精密社製の触針式の３次元粗さ計（サーフコム５７０Ａ）等を用いることができる。また、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を含有する層を形成することによる支持体の反り（カール）、たわみなどを防ぐために、該分散液を含有する層を形成する面とは反対側の面にバッキング層を設けることが好ましい場合もある。
無機粒子としては、シリカ（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、チタニア（ＴｉＯ2）等や、Ｔｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒの水酸化物が挙げられる。これらは一種類でもいくつかの種類のものを混合して用いてもよい。本発明においては、シリカ（ＳｉＯ2）が好ましい。また、シリカ（ＳｉＯ2）の中でも非晶質シリカが好ましく、乾式法、湿式法、エアロゲル法いずれの製法によるものでもよいが、湿式法のコロイダルシリカは更に好ましい。
本発明においては、無機粒子の粒径としては平均粒径が一次平均粒径で１０ｎｍ以上のものが好ましく、より好ましくは１０〜１００ｎｍ、更に好ましくは１０〜５０ｎｍである。なお、無機粒子の平均粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡により観察して無作為に粒子２００個の長径を測定し、平均粒径を求めることができる。
有機粒子としては、最終的には焼失または溶けて無くなるものであれば任意の素材の有機粒子を用いることができるが、分散液に用いる分散媒としての溶媒に膨潤も溶解もしないものが好ましい。本発明においては、分散媒としては水系溶媒が好ましく、有機粒子としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン樹脂、スチレン／アクリル系樹脂、スチレン／ジビニルベンゼン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂等のポリマービーズを用いることができる。本発明においては、有機粒子の平均粒径は１０〜４５０ｎｍが好ましく、更に好ましくは１００〜３００ｎｍである。
本発明における無機多孔質膜は、その作製工程において無機粒子と有機粒子を含有する分散液を作製しこれを用いて無機粒子と有機粒子を含有する層を形成させるが、該分散液の分散媒としては、後述のものを用いることができ、層を形成する方法としては、後述の方法を用いることができる。
また、無機粒子と有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成する工程を経て形成されるので、無機粒子同志が固着、焼結して薄膜を形成するのと同時に、主には有機粒子が占有していた部分が薄膜内（層内）で細孔を形成する。本発明においては、無機多孔質膜の細孔の平均径（平均細孔径）は１０〜４５０ｎｍが好ましく、更に好ましくは平均細孔径が１００〜３００ｎｍである。平均細孔径は、例えば、島津製作所社製ポアサイザー９３２０等を用い、水銀圧入法により求めることができる。このようにして形成された無機多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを充填させて得られたプロトン伝導性電解質膜は、高いプロトン伝導性、低いメタノール透過性を有することが判明した。
本発明においては、無機多孔質膜の空隙率は４０〜９５％であることが好ましく、より好ましくは５０〜７０％である。
本発明における空隙率とは、上記の様に、無機粒子及び有機粒子を含有する分散液を用いて層を形成し焼成し得られた状態（無機多孔質膜）における、次の計算式により得られる値を言う。つまり、空隙率は無機多孔質膜の単位面積Ｓ（ｃｍ2）当たりの質量Ｗ（ｇ）、平均厚みｔ（μｍ）及び密度ｄ（ｇ／ｃｍ3）から次式により算出することができる。
空隙率（％）＝（１−（１０４・Ｗ／（Ｓ・ｔ・ｄ）））×１００
無機粒子及び有機粒子を含有する分散液中において、無機粒子及び有機粒子については、無機粒子を５〜６０体積％、有機粒子を４０〜９５体積％の割合で用いる（無機粒子と有機粒子の体積の総和を１とする）ことにより、無機多孔質膜の空隙率を上記範囲に調整することができる。体積％は、無機粒子の体積と有機粒子の体積の総和に対する各々の粒子の体積の割合を百分率で表したものである。
なお、本発明のプロトン伝導性ポリマーを充填した後の無機多孔質膜については、走査型電子顕微鏡を用いたその断面写真でのポリマー部分とその他の部分の面積比を用いて、該無機多孔質膜の空隙率を近似することができる。この場合、その率の値は４０〜９５％であることが好ましく、より好ましくは５０〜７０％である。
次に、本発明に係る無機粒子及び有機粒子を含む分散液の調製方法について説明する。
無機粒子と有機粒子の使用割合の好ましい範囲は上記の通りであるが、分散液の固形分濃度（すなわち、無機粒子及び有機粒子、あるいはこれらに必要に応じて更に含有するその他の成分を含んでの固形成分）としては、５〜８０質量％、好ましくは１０〜４０質量％が好ましい。また、必要に応じて更に含有するその他の成分、すなわち無機粒子及び有機粒子以外の成分を含む場合の、その固形分濃度としては、０．０１〜２０質量％が好ましい。
分散媒としては水系溶媒が好ましい。水系溶媒としては水及びアルコール類など各種既知のものが使用できるが、水または水を主成分とする混合溶媒が好ましく使用される。
無機粒子と有機粒子を分散する分散助剤としては、例えば、高級脂肪酸塩、アルキル硫酸塩、アルキルエステル硫酸塩、アルキルスルホン酸塩、スルホコハク酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール、グリセリンエステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、アミンオキシド等の各種の界面活性剤を用いることができる。
分散方法としては、例えば、ボールミル、サンドミル、アトライター、ロールミル、アジテータ、ヘンシェルミキサ、コロイドミル、超音波ホモジナイザー、パールミル、湿式ジェットミル、ペイントシェーカー等を用いた方法が挙げられ、これらの方法を単独あるいは適宜組み合わせて用いることができる。
無機粒子及び有機粒子を含有する層を形成する工程としては、分散液を減圧吸引濾過器を用いてメンブレンフィルタでろ過を行い、メンブレンフィルタ上に無機粒子及び有機粒子を含む層を堆積させ乾燥し、メンブレンフィルタを剥ぎ取る方法、あるいは分散液を支持体に塗布して乾燥する方法などがある。本発明においては、分散液を支持体に塗布する方式が好ましい。塗布方式としては、例えば、ロールコーティング法、ロッドバーコーティング法、エアナイフコーティング法、スプレーコーティング法、カーテン塗布法、エクストルージョン法等、従来より知られた塗布方式を採用することができる。
また、無機粒子及び有機粒子を含有する層の形成は、一回の塗布ないし減圧吸引濾過により行ってもよいが、複数回に分けて多層を形成してもよい。この場合、各層を形成する無機粒子及び有機粒子の種類及び粒径を制御することで、空隙率等が異なる多層構造を有する無機多孔質膜を得ることができる。
無機多孔質膜を形成するには、無機粒子及び有機粒子を含有する層を形成し、乾燥したもの、または支持体が焼失または溶けて無くなるものであれば支持体上に無機粒子及び有機粒子を含む分散液を含有する層を形成したものを、不活性ガス、例えば窒素雰囲気中で電気炉等で加熱処理して焼成すればよい。加熱処理は、例えば、ケイ化モリブデンといった発熱体を備えた電気炉を用いて行うことができ、１５００℃以下、より好ましくは４００〜１３００℃で行うことができる。加熱のための時間は目的とする無機多孔質膜の大きさにより適宜設定することが可能であり、具体的には、例えば、５〜２４時間程度の加熱時間を用いることができる。加熱時間が長いと焼結が進行して、平均細孔径が小さくなることがある。無機多孔質膜を得るための加熱処理における昇温速度及び降温速度は、適宜設定することができる。昇温速度及び降温速度の双方について、１００〜３００℃／時間とすることが好ましい。また仮焼成、本焼成と２回に分けて、または２回を超える複数回に分けて、加熱処理を行うことも好ましい。
本発明に係る無機多孔質膜の細孔中に充填されるプロトン伝導性ポリマーは、少なくとも、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び（ｃ）前記一般式（１）で表される化合物を共重合してなるポリマーであることを特徴としており、更には、少なくとも、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｃ）前記一般式（１）で表される化合物、及び（ｄ）反応性乳化剤を共重合してなるポリマーであることを特徴としており、また、本発明の効果を損なわない範囲で、これらと共重合しうる他の不飽和化合物を含んで共重合したポリマーであってもよい。
前記分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物としては特に制限はなく、例えば、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、ｐ−スチレンスルホン酸、（メタ）アクリル酸ブチル−４−スルホン酸、（メタ）アクリロキシベンゼンスルホン酸、ｔ−ブチルアクリルアミドスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、イソプレンスルホン酸等が挙げられる。これらの分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物は単独でもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記共重合しうる他の不飽和化合物としては、分子内に１個以上のエチレン性不飽和結合を有する不飽和化合物は全てこの不飽和化合物に含まれるが、中でも（メタ）アクリロニトリル、（メタ）アクリル酸エステル類や置換または無置換のスチレン類が好適である。更には１分子内に複数個のエチレン性不飽和結合を含有する、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ヘキサメチレンジオールジ（メタ）アクリレートやジビニルベンゼン、Ｎ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミド等は架橋構造を形成し、電解質膜の耐久性向上のために使用するのが好ましい。
前記分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物としては特に制限はないが、好ましくは下記一般式（２）で表される化合物を挙げることができる。
式中、Ｒ3は水素原子またはメチル基を表し、Ｘは２価の有機基を表し、具体的にはアルキレン基、アリーレン基が挙げられ、好ましくはエチレン基またはプロピレン基である。ｐは１以上の整数を表し、好ましくは１〜１０の整数である。
一般式（２）で表される化合物の具体例としては、メタクリロキシエチルホスフェート、メタクリロイルジ（オキシエチレン）ホスフェート、メタクリロイルトリ（オキシエチレン）ホスフェート、メタクリロイルテトラ（オキシエチレン）ホスフェート、メタクリロイルペンタ（オキシエチレン）ホスフェート、メタクリロイルヘキサ（オキシエチレン）ホスフェート、メタクリロキシプロピルホスフェート、メタクリロイルジ（オキシプロピル）ホスフェート、メタクリロイルトリ（オキシプロピル）ホスフェート、メタクリロイルテトラ（オキシプロピル）ホスフェート、メタクリロイルペンタ（オキシプロピル）ホスフェート、メタクリロイルヘキサ（オキシプロピル）ホスフェート、アクリロキシエチルホスフェート、アクリロイルジ（オキシエチレン）ホスフェート、アクリロイルトリ（オキシエチレン）ホスフェート、アクリロイルテトラ（オキシエチレン）ホスフェート、アクリロイルペンタ（オキシエチレン）ホスフェート、アクリロイルヘキサ（オキシエチレン）ホスフェート、アクリロキシプロピルホスフェート、アクリロイルジ（オキシプロピル）ホスフェート、アクリロイルトリ（オキシプロピル）ホスフェート、アクリロイルテトラ（オキシプロピル）ホスフェート、アクリロイルペンタ（オキシプロピル）ホスフェート、アクリロイルヘキサ（オキシプロピル）ホスフェート、４−スチリルメトキシブチルホスフェート等を挙げることができる。
具体的には「ＰｈｏｓｍｅｒＭ」、「ＰｈｏｓｍｅｒＣＬ」、「ＰｈｏｓｍｅｒＡ」、「ＰｈｏｓｍｅｒＰＥ」、「ＰｈｏｓｍｅｒＰＰ」（商品名、ユニケミカル（株）製）等が挙げられるが、これらに限られるものではない。これらの化合物は一種または二種以上を組み合わせて使用してもよい。
前記一般式（１）で表される化合物のＲ1は炭素数４以下のアルキル基を表し、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられ、これらは置換基を有してもよい。一般式（１）で表される化合物のＲ2は共重合可能な有機基を表し、好ましくはエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基またはビニル基のうちの少なくとも１種を有する有機基である。ｍ、ｎはいずれも１〜３の整数である。但し、ｍ＋ｎ＝４であり、ｍが２または３のとき、Ｒ2は異なる有機基であってもよい。
一般式（１）で表される化合物の具体例としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、２−（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、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、ｐ−スチリルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。前記一般式（１）で表される化合物のシリル基が反応して架橋構造を形成することもでき、またシリル基が無機多孔質膜の表面シラノール基と反応して結合することもできる。
本発明においては、プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することが好ましく、この架橋構造は、上記シリル基の反応によるものが好ましい。また、いわゆる架橋剤を用いて架橋構造を形成することも好ましい。架橋剤としては、１分子内に複数個のエチレン性不飽和結合を含有する、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ヘキサメチレンジオールジ（メタ）アクリレートなど、Ｎ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミド、ジビニルベンゼンなどを挙げることができる。
また、上記架橋構造を形成させる時期は、後述の、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合させる場合は、プロトン伝導性ポリマーを共重合する際に同時に架橋構造を形成させることが好ましく、先にプロトン伝導性ポリマーを共重合させ、これを溶液として無機多孔質膜の細孔中へ充填させる場合は、充填してから架橋させることが好ましい。
前記反応性乳化剤としては、分子内に不飽和二重結合を少なくとも１種以上有するアニオン性及び／またはノニオン性の乳化剤が好ましく用いられる。反応性乳化剤は分子内に疎水性基、親水性基及び反応性基を各々少なくとも１個有する化合物が好ましく、上記疎水性基は脂肪族または芳香族炭化水素基からなり、上記親水性基はポリオキシアルキレンエーテル基に代表されるノニオン性基、スルホン酸塩、カルボン酸塩、燐酸塩に代表されるアニオン性基を含有し、上記反応性基はビニルエーテル基、アリルエーテル基、ビニルフェニル基、アリルフェニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基を含有するものが好ましい。
上記反応性乳化剤としては、例えば、特開昭６２−２２８０３号公報、同６２−１０４８０２号公報、同６２−１０４８０３号公報、同６２−２２１４３１号公報、同６２−２２１４３２号公報、同６２−２２５２３７号公報、同６２−２４４４３０号公報、同６２−２８６５２８号公報、同６２−２８９２２８号公報、同６２−２８９２２９号公報、同６３−１２３３４号公報、同６３−５４９３０号公報、同６３−７７５３０号公報、同６３−７７５３１号公報、同６３−７７５３２号公報、同６３−８４６２４号公報、同６３−８４６２５号公報、同６３−１２６５３５号公報、同６３−１２６５３６号公報、同６３−１４７５３０号公報、同６３−３１９０３５号公報、特開平１−１１６３０号公報、同１−２２３３８号公報、同１−２２６２７号公報、同１−２２６２８号公報、同１−３０６３２号公報、同１−３４４３０号公報、同１−３４４３１号公報、同１−３４４３２号公報、同１−９９６３８号公報、同１−９９６３９号公報、同４−５０２０４号公報、同４−５３８０２号公報、同４−５５４０１号公報に記載されたものが挙げられる。
また、上記反応性乳化剤の具体例としては、例えば、１−（メタ）アクリロキシ−２−ヒドロキシプロパン、（メタ）アクリロキシ−２−ヒドロキシプロパン、（メタ）アクリロキシカルボニルメチル−３−アルコキシ（ポリオキシアルキレノキシ）−２−ヒドロキシプロパン、アルキルフェノキシ（ポリオキシアルキレノキシ）−２−ヒドロキシプロパンまたはアシロキシ（ポリオキシアルキレノキシ）−２−ヒドロキシプロパンまたはそのアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸または燐酸エステルまたはその塩、ビスフェノール化合物またはグリコール化合物のアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸または燐酸エステルまたはその塩、ビニルまたはアリルフェノール化合物のアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸または燐酸エステルまたはその塩、スルホコハク酸のモノアリル−モノアルキルエステルまたはその塩、スルホコハク酸のモノ（３−アリロキシ−２−ヒドロキシプロピル）−モノアルキルエステルまたはその塩等が挙げられる。
具体的には、「アデカリアソープＮＥ」、「アデカリアソープＳＥ」、「アデカリアソープＥＲ」、「アデカリアソープＳＲ」、「アデカリアソープＰＰ」、「アデカリアソープＰＰＥ」（商品名、旭電化（株）製）、「アクアロンＫＨ」、「アクアロンＨＳ」、「アクアロンＢＣ」、「アクアロンＲＮ」、「ニューフロンティア」（商品名、第一工業製薬（株）製）、「エレミノールＥＳ」、「エレミノールＪＳ」、「エレミノールＲＳ」、「エレミノールＭＯＮ」、「エレミノールＨＡ」（商品名、三洋化成工業（株）製）、「ラテムル」（商品名、花王（株）製）等が挙げられるが、これらに限られるものではない。これらの反応性乳化剤は一種または二種以上を組み合わせて使用してもよい。
無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填する方法は特に限定されるものでなく、例えば、無機多孔質膜に前記プロトン伝導性ポリマー溶液を塗布する方法、無機多孔質膜を前記プロトン伝導性ポリマー溶液に浸漬する方法などにより、無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填することができる。その際、超音波を使用したり、減圧にすることによりプロトン伝導性ポリマーを細孔中に充填し易くすることができる。
この場合、プロトン伝導性ポリマー溶液に用いる溶媒は、その後の乾燥工程において除去しやすく、沸点が低く、また、回収して再使用可能なものが好ましく、例えば、アルコール類、テトラヒドロフラン、アセトン、酢酸エチル等を用いることが好ましい。
無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填する方法として、好ましくは、プロトン伝導性ポリマーの前駆体（前記一般式（１）で表される化合物、前記分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、前記分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、反応性乳化剤、共重合しうる他の不飽和化合物等）及び重合開始剤を含有する溶液を無機多孔質膜の細孔中に充填し、熱重合や光重合等、従来より知られている適宜の方法により、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合させプロトン伝導性ポリマーとする方法である。その際、超音波を使用したり、減圧にすることにより前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び重合開始剤を含有する溶液を細孔中に充填し易くすることができる。無機多孔質膜の細孔表面を親水化処理した後に、前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び重合開始剤を含有する溶液を無機多孔質膜の細孔中に充填させ、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合する方法も好ましい。また、前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び重合開始剤を含有する溶液の粘度を適宜に調整して、細孔中に充填し易くすることも好ましい。即ち、粘度を高めるためにモノマーの一部を予備重合させたり、また適宜のポリマーを少量添加し、溶解させてもよい。反対に粘度を下げるために適当な溶剤を加えて、希釈してもよい。
なお、プロトン伝導性ポリマーの充填率は、８０〜１００％が好ましい。ここで、充填率とは、プロトン伝導性電解質膜の断層写真を用いて測定したとき、測定個数１００個の空隙部分の、空隙部の全面積に対する充填されたプロトン伝導性ポリマーの全面積との比を指す。
前記重合開始剤としては、従来より知られているものを適宜に用いればよい。好ましくは熱重合開始剤または光重合開始剤が好ましく、熱重合開始剤とは熱エネルギーを与えることにより重合性のラジカルを発生することが可能な化合物である。このような化合物としては、例えば、２，２′−アゾビスイソブチロニトリル、２，２′−アゾビスプロピオニトリル等のアゾビスニトリル系化合物、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過酸化アセチル、過安息香酸ｔ−ブチル、α−クミルヒドロパーオキサイド、ジ−ｔ−ブチルパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、過酸類、アルキルパーオキシカルバメート類、ニトロソアリールアシルアミン類等の有機過酸化物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過塩素酸カリウム等の無機過酸化物、ジアゾアミノベンゼン、ｐ−ニトロベンゼンジアゾニウム、アゾビス置換アルカン類、ジアゾチオエーテル類、アリールアゾスルフォン類等のアゾまたはジアゾ系化合物、ニトロソフェニル尿素、テトラメチルチウラムジスルフィド、ジアリールジスルフィド類、ジベンゾイルジスルフィド、テトラアルキルチウラムジスルフィド類、ジアルキルキサントゲン酸ジスルフィド類、アリールスルフィン酸類、アリールアルキルスルフォン類、１−アルカンスルフィン酸類等を挙げることができる。
これらの中で特に好ましいものは常温での安定性に優れ、加熱時の分解速度が速い化合物であり、重合開始剤は全重合性の組成物中通常０．１〜３０質量％が好ましく、０．５〜２０質量％の範囲がより好ましい。
光重合開始剤としては、Ｒ−（ＣＯ）x−Ｒ′（Ｒ、Ｒ′＝水素または炭化水素基、ｘ＝２〜３）により表される隣接ポリケトン化合物類（例えば、ジアセチル、ジベンジル等）、Ｒ−ＣＯ−ＣＨＯＨ−Ｒ′（Ｒ、Ｒ′＝水素または炭化水素基）により表されるカルボニルアルコール類（例えば、ベンゾイン等）、Ｒ−ＣＨ（ＯＲ″）−ＣＯ−Ｒ′（Ｒ、Ｒ′、Ｒ″＝炭化水素基）により表されるアシロイン・エーテル類（例えば、ベンゾインメチルエーテル等）、Ａｒ−ＣＲ（ＯＨ）−ＣＯ−Ａｒ（Ａｒ＝アリール基、Ｒ＝炭化水素基）により表される置換アシロイン類（例えば、α−アルキルベンゾイン等）、及び多核キノン類（例えば、９，１０−アンスラキノン等）等を挙げることができる。これらの光重合開始剤はそれぞれ単独でまたは併用して使用することができる。
光重合開始剤の使用量は、不飽和化合物の合計質量に対して０．５〜５質量％の範囲、好ましくは１〜３質量％の範囲である。
本発明のプロトン伝導性ポリマーを共重合させる際の各成分の割合としては、前記、（ｃ）一般式（１）で表される化合物と、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物の質量比は、１：１００〜１：１の範囲が好ましい。前記、（ｃ）一般式（１）で表される化合物と、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物の質量比は、１：１００〜１：１の範囲が好ましい。前記、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物と、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物との質量比は、１００：１０〜１：１の範囲が好ましい。また、前記、（ｄ）反応性乳化剤は、（ｃ）一般式（１）で表される化合物との質量比が、１：１００〜１００：１の範囲が好ましい。
なお、前記プロトン伝導性ポリマーのイオン交換容量としては、０．５〜５．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂、好ましくは１．０〜４．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂である。イオン交換容量が０．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂より小さい場合はイオン伝導抵抗が大きくなり、４．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる。
前記イオン交換容量は次の測定方法により求めることができる。まず、前記プロトン伝導性ポリマーを２ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウム水溶液に５分間程度浸漬し、酸性基のプロトンをナトリウムに置換する。ナトリウム置換により溶液中に遊離してきたプロトンに対し、濃度既知の水酸化ナトリウムによる中和滴定を行う。そして、前記プロトン伝導性ポリマーの乾燥質量（Ｗ）と中和滴定に要した水酸化ナトリウムの容量（Ｖ）からプロトンの量（Ｈ+）を算出し、次式によりイオン交換容量（ｍｅｑ／ｇ）を求める。なお次式は、０．０５ｍｏｌ／ＬのＮａＯＨ水溶液で中和滴定を行った場合の例を示している。
イオン交換容量（ｍｅｑ／ｇ）＝Ｈ+／Ｗ＝（０．０５Ｖ×１０-3／Ｗ）×１０3
本発明のプロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は特に制限はないが、通常は５００μｍ以下であり、好ましくは３００μｍ以下、より好ましくは５０〜２００μｍである。膜厚は１／１００００シックネスゲージで測定できる。平均膜厚は任意の箇所を５点を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。
本発明のプロトン伝導性電解質膜は燃料電池に用いることができる。燃料電池の中でもメタノール燃料電池が好ましく、特に直接メタノール型固体高分子燃料電池が好ましい。
次に、直接メタノール型固体高分子燃料電池について、図１を参照して説明する。図１は、本発明のプロトン伝導性電解質膜を電解質膜して用いた直接メタノール型固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。
図１において、それぞれ符号１は電解質膜、符号２はアノード極（燃料極）、符号３はカソード極（空気極）、符号４は外部回路を表す。燃料としてはメタノール水溶液Ａを用いる。
アノード極２では、メタノールは水と反応して二酸化炭素と水素イオン（Ｈ+）を生成して電子（ｅ-）を放出する。水素イオン（Ｈ+）は電解質１を通ってカソード極３に向い、電子（ｅ-）は外部回路４に流れる。一方、二酸化炭素を含むメタノール成分が減少した水溶液Ａ′は系外に排出される。アノード極２での反応は下記式で表される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
カソード極３では、空気Ｂ中の酸素と電解膜１を通ってきた水素イオン（Ｈ+）と外部回路４からきた電子（ｅ-）とが反応して水を生成する。一方、水を含む酸素が減少した空気Ｂ′は系外に排出される。カソード極３での反応は下記式で表される。
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
燃料電池の全体の反応としては次式のようになる。
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ
アノード極２の構造は従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質１側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。また、カソード極３の構造も従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質１側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。
アノード極２及びカソード極３の触媒としては、公知の触媒を用いることができる。例えば、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、また白金−ルテニウム、鉄−ニッケル−コバルト−モリブデン−白金などの合金が用いられる。
触媒層は導電性を改善する目的で電子伝導体（導電材）材料を含むことが好ましい。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、電子伝導性と耐触性の点から無機導電性物質が好ましく用いられる。中でもカーボンブラック、黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられる。ここで炭素材としては、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。特に、白金担持カーボンなどのように触媒を担持した電子伝導体（導電材）が好ましく用いられる。
固体高分子電解質膜と電極とを接合して膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を製造する方法としては、例えば、カーボン粒子に担持させた白金触媒粉をポリテトラフロロエチレン懸濁液と混合し、カーボンペーパーに塗布し、熱処理して触媒層を形成後、電解質膜と同一の電解質溶液を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスして一体化する方法がある。この他、電解質膜と同一の電解質溶液を予め白金触媒粉にコーティングする方法、触媒ペーストを電解質膜へ塗布する方法、電解質膜に電極を無電解メッキする方法、電解質膜に白金属の金属錯イオンを吸着させた後、還元する方法等がある。
以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された集電体としての燃料配流板（セパレータ）と、酸化剤配流板（セパレータ）とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。単セルは複数個、平面に配置（平面積層）されていてもよい。
本発明を実施例に基づき更に詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例１
〈無機多孔質膜の作製〉
〈無機多孔質膜Ｎｏ．１の作製〉
ポリスチレン微粒子（モリテックス社製５００８Ｂ、平均粒径８０ｎｍ）とコロイダルシリカ（日産化学社製スノーテックス５０、一次平均粒径２０ｎｍ）の混合物（ポリスチレン微粒子８０体積％、コロイダルシリカ２０体積％）を、１％界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は２０質量％となるようにした。分散液をポリエチレンテレフタレート支持体上に、バーコーターを用いて乾燥後の膜厚が１５０μｍとなるように塗布、乾燥し、乾燥後、ポリエチレンテレフタレート支持体を剥離し、昇温スピード６０℃／時間で６００℃まで昇温させ、６００℃で３時間仮焼成後、昇温スピード１２０℃／時間で１０００℃まで昇温させ、１０００℃で３時間焼成し、無機多孔質膜Ｎｏ．１を作製した。
〈無機多孔質膜Ｎｏ．２〜４の作製〉
無機多孔質膜Ｎｏ．１において、ポリスチレン微粒子とコロイダルシリカを表１のように代えた以外は、無機多孔質膜Ｎｏ．１と同様にして無機多孔質膜Ｎｏ．２〜４を作製した。
但し、ポリスチレン微粒子の平均粒径が２２０ｎｍ、４３０ｎｍのものは、それぞれモリテックス社製５０２２Ｂ、５０４３Ｂを使用した。また、コロイダルシリカの一次平均粒径が５０ｎｍ、１００ｎｍのものはそれぞれ日産化学社製スノーテックスＹＬ、スノーテックスＭＰを使用した。
無機多孔質膜Ｎｏ．１〜４の平均細孔径及び空隙率を表１に記した。空隙率は単位面積当Ｓ（ｃｍ2）あたりの質量Ｗ（ｇ）、平均厚みｔ（μｍ）及び密度ｄ（ｇ／ｃｍ3）から次式により算出した。
空隙率（％）＝（１−（１０４・Ｗ／（Ｓ・ｔ・ｄ）））×１００
平均細孔径の測定は、島津製作所社製ポアサイザー９３２０を用い、水銀圧入法により測定した。
〔プロトン伝導性電解質膜の製造〕
〔プロトン伝導性電解質膜Ｎｏ．１の製造〕
上記で作製した無機多孔質膜Ｎｏ．１に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜（電解質膜Ｎｏ．１）を製造した。
イソプロピルアルコール：水＝４：１中に、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、「ＰｈｏｓｍｅｒＭ」（商品名、ユニケミカル（株）製）、「アクアロンＫＨ−０５」（商品名、第一工業製薬（株）製）、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、及び架橋剤としてＮ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミドと重合開始剤としてＡＩＢＮ（２，２′−アゾビスイソブチロニトリル）とを質量比で１００：１５：５：５：１となるよう混合し、減圧下で混合液の中に無機多孔質膜（Ｎｏ．１）を２５℃、０．５時間浸漬させた。このように処理した無機多孔質膜をポリエチレンテレフタレート製フィルムに挟んで加熱し、６０℃で２時間保持し、更に８０℃で２時間保持することにより、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は１５０μｍであった。平均膜厚はシックネスゲージで任意の箇所を５点測定し、その平均を算出して求めた。なお、プロトン伝導性ポリマーの充填率は９５％であった。
〔プロトン伝導性電解質膜Ｎｏ．２〜１２の製造〕
プロトン伝導性電解質膜Ｎｏ．１において、分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、一般式（１）で表される化合物、反応性乳化剤、及び共重合しうる他の不飽和化合物を表２のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜Ｎｏ．１と同様にしてプロトン伝導性電解膜Ｎｏ．２〜１２を作製した。
なお、表２中、Ａ〜Ｓは、以下を表す。
Ａ：２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸
Ｂ：ｐ−スチレンスルホン酸
Ｃ：ビニルスルホン酸
Ｄ：Ｐｈｏｓｍｅｒ Ｍ（ユニケミカル（（株））
Ｅ：Ｐｈｏｓｍｅｒ Ａ（ユニケミカル（（株））
Ｆ：Ｐｈｏｓｍｅｒ ＰＥ（ユニケミカル（（株））
Ｇ：Ｐｈｏｓｍｅｒ ＰＰ（ユニケミカル（（株））
Ｈ：Ｐｈｏｓｍｅｒ ＣＬ（ユニケミカル（（株））
Ｉ：３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
Ｊ：３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン
Ｋ：３−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン
Ｌ：ビニルトリメトキシシラン
Ｍ：ｐ−スチリルトリメトキシシラン
Ｎ：３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン
Ｏ：アクアロン ＫＨ−０５ （第一工業製薬（（株））
Ｐ：アクアロン ＨＳ−１０ （第一工業製薬（（株））
Ｑ：エレミノール ＪＳ−２ （三洋化成（（株））
Ｒ：Ｎ,Ｎ−メチレンビスアクリルアミド
Ｓ：ジビニルベンゼン
〔プロトン伝導性電解質膜の評価〕
比較としてナフィオン１１７（デュポン社製）も用意した。
（プロトン伝導度）
プロトン伝導性電解質膜を水中（２５℃）で膨潤させ、その後２枚の白金電極に挟んで、ヒューレットパッカード社製ＬＣＲメーターＨＰ４２８４Ａを用いて、インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を算出した。
（メタノール透過性）
図２のＨ型セルにプロトン伝導性電解質膜を挟み、Ａセルに入れた２ｍｏｌ／Ｌメタノール水溶液からＢセルの純水中に透過してくるメタノール量を、島津製作所社製ガスクロマトグラフィー（ＧＣ−１４Ｂ）で測定した。結果を表３に示す。
表３の結果から、本発明のプロトン伝導性電解質膜（電解質膜Ｎｏ．１〜１０）はプロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低いことがわかる。比較のプロトン伝導性電解質膜（電解質膜Ｎｏ．１１、１２）はナフィオン１１７と同様にプロトン伝導性は高いが、メタノール透過性が高いという欠点があることがわかる。
〔燃料電池の作製と評価〕
作製したプロトン伝導性電解質膜（電解質膜Ｎｏ．１〜１２）及び比較試料としてナフィオン１１７を用いて膜−電極接合体（ＭＥＡ）を下記の方法で作製し、評価した。
〈電極の作製〉
炭素繊維クロス基材にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で撥水処理を行った後、ＰＴＦＥを２０質量％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。この電極基材上に、Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボンとナフィオン（デュポン社製）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、またＰｔ担持カーボンとナフィオン（デュポン社製）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。
〈膜−電極接合体（ＭＥＡ）の作製〉
作製したプロトン伝導性電解質膜（電解質膜Ｎｏ．１〜１２）及びナフィオン１１７を、それぞれ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膜−電極複合体（ＭＥＡ）（ＭＥＡ−Ｎｏ．１〜１２）及びＭＥＡ−ナフィオン１１７を作製した。この膜−電極接合体（ＭＥＡ）をセパレータに挟み、アノード側に３％メタノール水溶液、カソード側に空気を流して燃料電池を作動し、電流電圧特性の評価を行った。電圧０．４Ｖでの電流密度を表４に示す。
表４の結果から、本発明に係る膜−電極接合体（ＭＥＡ）（ＭＥＡ−Ｎｏ．１〜１０）は、比較の膜−電極接合体（ＭＥＡ）（ＭＥＡ−Ｎｏ．１１、１２）及びＭＥＡ−ナフィオン１１７に比べて、電流密度が大きいことがわかる。

Claims (14)

  1. 無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び（ｃ）下記一般式（１）で表される化合物を共重合してなるポリマーであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
    （式中、Ｒ1は炭素数４以下のアルキル基を表し、Ｒ2は共重合可能な有機基を表し、ｍ、ｎはいずれも１〜３の整数である。但し、ｍ＋ｎ＝４であり、ｍが２または３のとき、Ｒ2は異なる有機基であってもよい。）
  2. 前記プロトン伝導性ポリマーが、少なくとも、前記（ａ）〜（ｃ）の化合物、及び（ｄ）反応性乳化剤を共重合してなるポリマーであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  3. 前記無機多孔質膜は、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  4. 前記無機粒子の一次平均粒径が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  5. 前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  6. 前記反応性乳化剤がスルホン酸基を有することを特徴とする請求の範囲第２項〜第５項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  7. 前記一般式（１）で表される化合物のＲ2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基またはビニル基のうちの少なくとも１種を含有する有機基であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  8. 前記無機多孔質膜の細孔の平均径（平均細孔径）が１０〜４５０ｎｍであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  9. 前記無機多孔質膜の空隙率が４０〜９５％であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
  10. カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、請求の範囲第１項〜第９項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜を該電解質に用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
  11. 無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子と該有機粒子を含有する層を形成させた後、焼成することにより得られる無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、（ａ）分子内に１個以上のスルホン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、（ｂ）分子内に１個以上のリン酸基及び１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物、及び（ｃ）下記一般式（１）で表される化合物とを充填し、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合することを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
    （式中、Ｒ1は炭素数４以下のアルキル基を表し、Ｒ2は共重合可能な有機基を表し、ｍ、ｎはいずれも１〜３の整数である。但し、ｍ＋ｎ＝４であり、ｍが２または３のとき、Ｒ2は異なる有機基であってもよい。）
  12. 前記無機多孔質膜の細孔中に、少なくとも、前記（ａ）〜（ｃ）の化合物、及び（ｄ）反応性乳化剤を充填し、Ｉｎ−ｓｉｔｕ重合することを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
  13. 前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液中が、無機粒子を５〜６０体積％、有機粒子を４０〜９５体積％の割合で含有（無機粒子と有機粒子の体積の総和を１とする）することを特徴とする請求の範囲第１１項または第１２項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
  14. 前記無機粒子及び前記有機粒子を含む分散液を含有する層を形成する工程が塗布工程であることを特徴とする請求の範囲第１１項〜第１３項のいずれか１項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
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