JP4959597B2

JP4959597B2 - 固体電解質フィルムの製造方法

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Publication number: JP4959597B2
Application number: JP2008027391A
Authority: JP
Inventors: 洋史宮地; 直之川西; 一彦藤原
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-02-07
Also published as: JP2008290443A

Description

本発明は、固体電解質フィルムの製造方法に関するものであり、特に、プロトン伝導性をもつ固体電解質フィルムの製造方法に関するものである。

環境汚染やエネルギー問題を改善することができる次世代発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は積層された複数の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルは、電気的に直列に接続されている。この燃料電池セルは、電極膜複合体（ＭＥＡ）とも称され、外部回路で接続されるアノード電極及びカソード電極と、これらの電極に挟まれた固体電解質フィルムとを備える。燃料電池セルが起電力を発生する代表的なプロセスは、次のとおりである。まず、水素原子含有物質がカソード電極に供給されると、水素原子はカソード電極内でプロトンとなり、その際に生じた電子が外部回路へ案内される。プロトンは、固体電解質フィルムを通過してアノード電極で酸素と結合し外部へ排出される。このようにして、燃料電池セルの２つの電極間に起電力を発生することができる。このように、発生したプロトンを伝導する固体電解質はプロトン伝導材料と言われる。

プロトン伝導材料としては有機ポリマーが多く提案されている。これは、有機ポリマーは無機材料よりも、高いプロトン伝導性を示す温度、つまり作動温度が低いとともにその領域（作動温度領域）が広いこと、軽量であること等の特徴をもつためであり、このような特徴から、家庭用や車載用途の燃料電池への利用が期待される。

そこで、プロトン伝導度が高い有機高分子型フィルムの製造方法として、スルホン酸基を有するポリマーを含むドープからフィルムを形成する方法（例えば、特許文献１参照）やポリマーを含むドープからフィルムを形成した後、これを酸処理してスルホン化する方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

ところで、ポリマーをフィルムの形態にする方法としては、周知のように溶融製膜方法と溶液製膜方法とがある。前者は、溶媒を使わずにフィルムを製造することができるが、加熱によるポリマーの変性や、原料ポリマー中の不純物がそのままフィルム中に残るという問題がある。一方、後者は、溶液（ドープ）の製造設備及び溶媒回収設備等の設備が必要とはなるが、加熱処理の温度を溶融製膜よりも非常に低くすることができるためにポリマーの変性を防ぐことができ、また、ドープの製造工程でポリマー中の不純物を除去することができるという利点がある。さらに、後者では、前者によるよりも平面性及び平滑性に優れたフィルムを製造することができるという利点もある。

溶液製膜方法は、周知のように、原料となるポリマーとこのポリマーを溶解する溶剤とを含むドープを支持体上に流延して流延膜を形成した後、溶媒を含んだ湿潤フィルムとして流延膜を支持体から剥ぎ取り、更に、乾燥手段により乾燥させてフィルムとする方法である。しかしながら、固体電解質として有望なポリマーのほとんどは、その剛直な化学構造のために沸点が高い化合物にしか溶解しない。これにより、流延膜や湿潤フィルムを完全に乾燥させるには２０時間以上といった長い時間を要することになり、固体電解質フィルムのトータルの製造時間は非常に長いものとなる。さらに、このような乾燥時間の長さは、連続したラインで製造することに対しては種々の問題を招く原因となる。例えば、搬送路の長さを非常に長くしなければならない等の設備上の問題や、ライン中で何か問題が生じた場合の原因究明やその対処が迅速に行われない、フィルム製造ラインが長くなる分だけフィルム中に異物が混入する確率が高くなる等の問題が生じることになる。

乾燥時間を短くする方法としては、流延膜や湿潤フィルムをより高温にして乾燥する、流延膜や湿潤フィルムの周辺に高温の気体を流動させる等の方法があるが、これらの方法だけでは、湿潤フィルムに乾燥ムラが生じてしまい、得られる固体電解質フィルムは性状や外観が不均一なものとなってしまうことが多い。このような不均一な性状及び外観の代表的な例としては、局所的な孔、いわゆるピンホールの発生がある。

乾燥の困難性が有る中で、プロトン伝導度が高い有機高分子型フィルムとして、溶液製膜方法により所定のポリアリーレンを含むドープから形成されるものが提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。特許文献３の提案では、フィルム形状にした固体電解質を乾燥して有機溶媒を除去した後、水により分子量が１０００未満の水溶性化合物や無機物を抽出除去しており、また特許文献５では、固体電解質の原料について再結晶を実施することにより不純物を取り除いている。

特開２００５−２６８１４４号公報特開２００５−２６８１４５号公報特開２００５−１４６０１８号公報特開２００５−２３９８３３号公報

しかしながら、特許文献１〜４はいずれも少規模スケールでの製造方法であり、大量生産を意識した方法とはされていない。例えば、特許文献３の方法では、プラスチックフィルム上にキャストするが、これにより大量生産を実施するとなると、プラスチックフィルムの搬送速度を上げる必要がある。しかし、溶媒を多量に含む流延膜には搬送用あるいは支持用のローラ等を接触させることは好ましくないために、プラスチックフィルム上で乾燥させなければならず、搬送速度を上げるほどプラスチックフィルムの長さを長くする必要がある。したがって、特許文献３の方法では、設備上の限界もしくは生産速度に限界があるといえる。また、プラスチックフィルムを支持体として用いた場合には、プラスチックフィルムが劣化していくために、廃棄処分されてしまい、廃棄物減少という環境保全のためにも好ましくはない。そして、上記のいずれの方法でも乾燥効率が悪く、乾燥工程に時間が大きくかかってしまうことについては解決されておらず、また、溶媒の完全除去も達成されていない。

本発明は、上記問題を解決することを目的とし、固体電解質フィルムの製造工程における乾燥時間を短くして、プロトン伝導度が高い固体電解質フィルムを大量に生産することができる固体電解質フィルムの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体電解質フィルムの製造方法は、溶剤と固体電解質でありスルホン酸基を有するポリマーと前記溶剤中で多価の陽イオンを生じる塩とを含むドープを支持体の上に流延して流延膜を形成する工程と、表面温度を−２０℃〜１０℃の範囲で一定とした前記支持体により前記流延膜を冷却する工程と、前記流延膜を前記支持体から剥がして乾燥する工程と、を有することを特徴として構成されている。

そして、上記製造方法では、前記ポリマーはスルホン酸基を有し、前記溶剤中で多価の陽イオンを生じる塩がドープに含まれることが好ましく、陽イオンは、Ｍｇ^２＋，Ｃａ^２＋，Ｓｒ^２＋，Ｂａ^２＋，Ａｌ^３＋の少なくともいずれかひとつであることが好ましい。また、前記流延膜には水を含ませることが好ましい。

本発明により、固体電解質フィルムの製造工程における乾燥時間を短くして、プロトン伝導度が高い固体電解質フィルムを大量に生産することができる。得られる固体電解質フィルムを用いた電極膜複合体は燃料電池の構成部材として用いると良好な起電力を発現する。

以下に、本発明の実施様態について詳細に説明する。ただし、本発明はここに挙げる実施様態に限定されるものではない。固体電解質フィルムは、溶液製膜方法によりつくる。流延するドープは、固体電解質であるポリマーとこの固体電解質を溶解するための溶媒とを含む混合物であり、添加剤がさらに混合されていてもよい。

＜固体電解質＞
固体電解質としては、プロトン供与基をもつポリマーまたはプロトン受容基をもつポリマーを用いることができる。プロトン供与基をもつポリマーは、特に限定されないが、酸残基をもち、プロトン伝導材料として公知であるものを用いることができる。中でも好ましいポリマーは、酸残基をもつものであり、例えば、側鎖にスルホン酸基を有する付加重合高分子化合物、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したスルホ化ポリエーテルエーテルケトン、スルホ化ポリベンズイミダゾール、ポリスルホンをスルホン化したスルホ化ポリスルホン、耐熱性芳香族高分子化合物のスルホ化物などが挙げられる。側鎖にスルホン酸基を有する付加重合高分子化合物としては、ナフィオン（登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン酸や、スルホ化スチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルスチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルブタジエンスチレンなどがあり、耐熱性芳香族高分子のスルホ化物としてはスルホ化ポリイミド等がある。

パーフルオロスルホン酸の好ましい例としては、例えば特開平４−３６６１３７号公報、特開平６−２３１７７９号公報、特開平６−３４２６６５号公報に記載される物質が挙げられ、中でも、化１に示す物質が特に好ましい。ただし、化１において、ｍは１００〜１００００であり、２００〜５０００が好ましく、５００〜２０００がより好ましい。そして、ｎは０．５〜１００であり、５〜１３．５が特に好ましい。また、ｘはｍと略同等であり、ｙはｎと略同等である。

スルホ化スチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルスチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルブタジエンスチレンの好ましい例としては、特開平５−１７４８５６号公報、特開平６−１１１８３４号公報に記載される化合物や化２に示される物質が挙げられる。

耐熱性芳香族高分子のスルホ化物の例としては、例えば、特開平６−４９３０２号公報、特開２００４−１０６７７号公報、特開２００４−３４５９９７号公報、特開２００５−１５５４１号公報、特開２００２−１１０１７４号公報、特開２００３−１００３１７号公報、特開２００３−５５４５７号公報、特開平９３４５８１８号公報、特開２００３−２５７４５１号公報、特表２０００−５１０５１１号公報、特開２００２−１０５２００号公報に記載される物質が挙げられ、中でも、以下の化３〜化５に示される物質が特に好ましいものとして挙げられる。化５は、式（Ｉ）〜（ＩＩ）で示される各構造単位からなる共重合体である。式（Ｉ）中のＸはカチオン種を表す。

上記ポリマー重量のうち、スルホン酸基が占める割合は、フィルムの吸湿膨張率とプロトン伝導度に寄与する。ポリマー重量のうち、スルホン酸基が占める割合が小さくなると、スルホン酸基が少なすぎて、プロトン伝導路、いわゆるプロトンチャンネルを十分に形成することができないことがある。そのため、得られるフィルムは実用に十分なプロトン伝導性を発現しないことがある。一方、ポリマー重量のうち、スルホン酸基が占める割合が大きくなると、フィルムの水分吸収性が高くなってしまうため、吸水による膨張率、つまり吸水膨張率が大きくなり、フィルムが劣化しやすくなる。

なお、化５の一般式で表されるポリマーは、ＸがＨ以外のカチオン種であってもプロトン伝導性を示す。したがって、Ｈ以外のカチオン種をＸとするポリマーから固体電解質フィルムを製造してもよく、本発明における固体電解質とは、化５のＸがＨであるポリマーとＨ以外のカチオン種であるポリマーとを含む。しかし、ＨとＨ以外のカチオン種との両方を含む場合には、プロトン伝導性は、Ｈである割合が大きいほど高くなる。その意味では、Ｘはカチオン種の中でもＨであることが特に好ましい。カチオン種とは、電離したときにカチオンを生成する原子または原子団を意味する。このカチオン種は１価である必要はない。プロトン以外のカチオンとしては、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、アンモニウムカチオンが好ましく、カルシウムイオン、バリウムイオン、四級アンモニウムイオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンがより好ましい。

側鎖がスルホン酸基である化合物を得る過程でのスルホン化反応は、公知文献の各種合成法に従って行うことができる。スルホン化剤としては、硫酸（濃硫酸）、発煙硫酸、ガス状あるいは液状物の三酸化硫黄、三酸化硫黄錯体、アミド硫酸、クロロスルホン酸等を用いることができる。溶媒としては、炭化水素（ベンゼン、トルエン、ニトロベンゼン、クロロベンゼン、ジオキセタン等）、ハロゲン化アルキル（塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタン、四塩化炭素等）等を用いることができる。反応温度は、−２０℃〜２００℃の範囲でスルホン化剤の活性に応じて決定するとよい。また、別の方法として、モノマーにメルカプト基、ジスルフィド基、スルフィン酸基を予め導入しておいて、酸化剤による酸化反応によってスルホン化物を合成することもできる。このときには、酸化剤として、過酸化水素、硝酸、臭素水、次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、過マンガン酸カリウム、クロム酸等を用いることができ、溶媒としては、水、酢酸、プロピオン酸等を用いることができる。この方法における反応温度は、室温（例えば、２５℃）〜２００℃の範囲で酸化剤の活性に応じて決定するとよい。また、さらに別の方法として、モノマーにハロゲノアルキル基を予め導入しておいて、亜硫酸塩、亜硫酸水素塩等による置換反応をしてスルホン化物を合成してもよい。このときには溶媒として、水、アルコール類、アミド類、スルホキシド類、スルホン類等を用いることができる。反応温度は、室温（例えば、２５℃）〜２００℃の範囲で決定するとよい。なお、以上のスルホン化反応における溶媒は、２種以上の物質を混合した混合物であってもよい。

また、スルホン化物への反応工程では、アルキルスルホン化剤を用いてもよく、一般的な方法としてはスルホンとＡｌＣｌ_３を用いたフリーデルクラフツ反応がある（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３６，１７５３−１７６７，１９８８）。フリーデルクラフツ反応を行うためにアルキルスルホン化剤を用いた場合は、溶媒として炭化水素（ベンゼン、トルエン、ニトロベンゼン、アセトフェノン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン等）、ハロゲン化アルキル（塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタン、四塩化炭素、トリクロロエタン、ジクロロエタン、テトラクロロエタン等、）等を用いることができる。反応温度は、室温から２００℃の範囲で決定するとよい。なお、反応における溶媒は、２種以上の物質を混合した混合物であってもよい。

固体電解質としては、以下の諸性能をもつものが好ましい。プロトン伝導度は、例えば２５℃、相対湿度７０％において、０．００５Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、０．０１Ｓ／ｃｍ以上であるものがより好ましい。さらに、５０％メタノール水溶液に１８℃で一日浸漬した後のプロトン伝導度が０．００３Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、０．００８Ｓ／ｃｍ以上であるものがより好ましく、特に、浸漬前に対する浸漬後のプロトン伝導度の低下率が２０％以内であるものが好ましい。そして、メタノール拡散係数が４×１０^−７ｃｍ^２／ｓ以下であることが好ましく、２×１０^−７ｃｍ^２／ｓ以下であるものが特に好ましい。

強度については、弾性率が１０ＭＰａ以上であるものが好ましく、２０ＭＰａ以上であるものが特に好ましい。なお、弾性率の測定方法については、特開２００５−１０４１４８号公報の段落［０１３８］に詳細に記されており、弾性率の上記値は、東洋ボールドウィン社製の引っ張り試験機による値である。したがって、他の試験方法や試験機を用いて弾性率を求める場合には、上記試験方法や試験機による値との相関性を予め求めておくとよい。

耐久性については、５０％メタノール中に一定温度で浸漬する経時試験の前後で、重量、イオン交換容量、メタノール拡散係数の各変化率が、それぞれ２０％以下であるものが好ましく、１５％以下であるものが特に好ましい。さらに過酸化水素中における経時試験の前後でも、同様に重量、イオン交換容量、メタノール拡散係数の各変化率が２０％以下であるものが好ましく、１０％以下であるものが特に好ましい。また５０％メタノール中、一定温度での体積膨潤率が１０％以下であるものことが好ましく、５％以下であるものが特に好ましい。

固体電解質フィルムのプロトン伝導性能は、プロトン伝導度とメタノール透過係数との比である指数により表される。そして、ある方向における指数が大きいほど、その方向におけるプロトン伝導性能が高いといえる。また、固体電解質フィルムの厚み方向においては、プロトン伝導度は厚みに比例し、メタノール透過係数は厚みに反比例するので、厚みを変えることにより固体電解質フィルムのプロトン伝導性能を制御することができる。燃料電池に用いる固体電解質フィルムでは、一方の面側にアノード電極、他方の面側にカソード電極が設けられることになるので、固体電解質フィルムの厚み方向における指数が他の方向における指数よりも大きいことが好ましい。固体電解質フィルムの厚みは１０〜３００μｍが好ましい。例えば、プロトン伝導度とメタノール拡散係数とが共に高い固体電解質の場合には、厚みが５０〜２００μｍとなるようにフィルムを製造することが特に好ましく、プロトン伝導度とメタノール拡散係数とが共に低い固体電解質の場合には、厚みが２０〜１００μｍとなるようにフィルムを製造することが特に好ましい。

耐熱温度については、２００℃以上であるものが好ましく、２５０℃以上のものがさらに好ましく、３００℃以上のものが特に好ましい。ここでの耐熱温度は、１℃／分の速度で加熱していったときの重量減少５％に達した温度を意味する。なお、この重量減少は、水分等の蒸発分を除いて計算される。

さらに、固体電解質をフィルムとしてこれを燃料電池に用いる場合には、その最大出力密度が１０ｍＷ／ｃｍ^２以上である固体電解質であることが好ましい。

以上の固体電解質を用いることにより、フィルムの製造に好適な溶液を製造することができるとともに、燃料電池として好適な固体電解質フィルムを製造することができる。フィルムの製造に好適な溶液とは、例えば、粘度が比較的低く、ろ過により異物を予め除去しやすい溶液である。なお、得られる溶液を、以下の説明ではドープと称することとする。

＜溶媒＞
ドープの溶媒には、固体電解質としてのポリマーを溶解させることができる有機化合物が用いられる。例としては、芳香族炭化水素（例えば、ベンゼン，トルエンなど）、ハロゲン化炭化水素（例えば、ジクロロメタン，クロロベンゼンなど）、アルコール（例えば、メタノール，エタノール，ｎ−プロパノール，ｎ−ブタノール，ジエチレングリコールなど）、ケトン（例えば、アセトン，メチルエチルケトンなど）、エステル（例えば、酢酸メチル，酢酸エチル，酢酸プロピルなど）、エーテル（例えば、テトラヒドロフラン，メチルセロソルブなど）、及び窒素を含有する化合物（Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）など）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）などが挙げられる。

ドープの溶媒は、複数の物質を混合した混合物であってもよい。溶媒を混合物とする場合には、固体電解質の良溶媒である化合物と貧溶媒である化合物との混合物とすることが好ましい。ある液体化合物が固体電解質または前駆体の良溶媒であるか貧溶媒であるかは、固体電解質が全重量の５重量％となるように溶剤と固体電解質とを混合して、不溶解物の有無により判断することができる。固体電解質の良溶媒、つまり固体電解質を溶解する物質は、溶媒として一般的に用いられる化合物の中でも沸点が比較的高い方であり、一方、貧溶媒は溶媒として一般的に用いられる化合物の中でも沸点が比較的低い方である。したがって、貧溶媒である化合物を良溶媒である化合物に混合することにより、フィルム製造工程における溶媒除去の効率及び効果を高めることができ、特に、流延膜の乾燥効率を高めることができる。

良溶媒である化合物、つまり良溶媒成分としてはＤＭＦ、ＤＭＡｃ、ＤＭＳＯ、ＮＭＰが好ましく、中でも、安全性や沸点が比較的低いという点からＤＭＳＯが特に好ましい。貧溶媒である化合物、つまり貧溶媒成分としては、炭素数が１以上５以下であるいわゆる低級アルコール、酢酸メチル、アセトンが好ましく、中でも炭素数が１以上３以下の低級アルコールがより好ましく、良溶媒としてＤＭＳＯを用いた場合にはこれとの相溶性が最も優れる点からメチルアルコールが特に好ましい。

＜塩＞
固体電解質としてのポリマーが、側鎖にスルホン酸基を有する場合には、ドープに用いられる溶媒と混ぜたときに多価の陽イオンを生じる塩を、ドープ中に含ませることが好ましい。多価の陽イオンを生じる塩がドープ中に含まれることにより、後述の流延膜冷却工程において、スルホン酸基と塩から生じる陽イオンとの間でのクーロン力が生じる。これにより、ポリマー分子同士を、陽イオンを介して架橋させることができる。例えば、２価の陽イオンをＭ^２＋として表すときに、「−ＳＯ_３ ⁻・・・Ｍ^２＋・・・ＳＯ_３ ⁻−」というようにＭ^２＋が−ＳＯ_３ ⁻同士の橋渡しの役割を果たす。この結果、流延膜の貯蔵弾性率が上昇するので、流延膜の強度が上がり、流延膜の支持体からの剥ぎ取りのタイミングを早めるとともに、剥ぎ取った後の自己支持性をより高めることができる。多価の陽イオンとしてはＭｇ^２＋，Ｃａ^２＋，Ｓｒ^２＋，Ｂａ^２＋，Ａｌ^３＋が好ましい。

ドープにはさらに、（１）フィルムの機械的強度を高める目的、（２）膜中の酸濃度を高める目的で、種々のポリマーを含有させてもよい。

上記（１），（２）の目的のうち（１）には、分子量が１００００〜１００００００程度であり、固体電解質と相溶性のよいポリマーが適する。例えば、パーフッ素化ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレングリコール、ポリオキセタン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、およびこれらのうち２以上のポリマーの繰り返し単位を含むポリマーが好ましい。また、フィルムとしたときの全重量に対し１〜３０重量％の範囲となるようにこれらの物質をドープに含有させることが好ましい。なお、相溶剤を用いることにより固体電解質との相溶性を向上させてもよい。相溶剤としては、沸点または昇華点が２５０℃以上であるものが好ましく、３００℃以上のものがさらに好ましい。

上記（１），（２）の目的のうち（２）には、プロトン酸部位を有するポリマー等が好ましい。このようなポリマーとしては、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱芳香族高分子化合物のスルホン化物等を例示することができる。また、フィルムとしたときの全重量に対し１〜３０重量％の範囲となるようにこれらの物質をドープに含有させることが好ましい。

さらに、得られる固体電解質フィルムを燃料電池に用いる場合には、アノード燃料とカソード燃料との酸化還元反応を促進させる活性金属触媒をドープに添加してもよい。これにより、固体電解質フィルムの中に一方の極から浸透した燃料が他方の極に到達することなく固体電解質中で消費されるので、クロスオーバー現象を防止することができる。活性金属触媒は、電極触媒として機能するものであれば特に限定されないが、白金または白金を基にした合金が特に適している。

図１を参照しながらドープの製造方法につき説明する。ドープ製造設備１０は、溶媒１１ａを貯留するためのタンク１１と、前駆体１２ａを供給するためのホッパ１２と、多価の陽イオンを生じる塩を、ドープの溶媒の成分と同じ液体に溶かして貯留するためのタンク１５と、溶媒１１ａと前駆体１２ａと添加剤とを混合して混合液１６とするタンク１７と、混合液１６を加熱するための加熱装置１８と、加熱された混合液１６の温度を調整するための温度調整器２１と、温度調整器２１を出た混合液１６をろ過してドープ２４とする第１ろ過装置２２と、ドープ２４の濃度を調整するためのフラッシュ装置２６と、濃度調整されたドープ２４をろ過するための第２ろ過装置２７とを備える。更に、ドープ製造設備１０には、フラッシュ装置２６内で揮発する溶媒を回収するための回収装置２８と、回収された溶媒を再生するための再生装置２９とが備えられている。また、ドープ製造設備１０は、ストックタンク３２を介してフィルム製造設備３３に接続されている。なお、送液量を調節するためのバルブ３６〜３８と、送液用のポンプ４１，４２とがドープ製造設備１０には設けられているが、これらが配される位置及び数の増減については適宜変更される。

バルブ３７を開として、溶媒１１ａを溶媒タンク１１からタンク１７へ送る。前駆体１２ａをホッパ１２から入れてタンク１７へ送る。このとき、前駆体１２ａは、計量と送出とを連続的に行う送出手段によりタンク１７へ連続的に送りこまれてもよいし、計量して所定量を送出するような送出手段によりタンク１７へ断続的に送り込まれてもよい。また、溶媒１１ａ中で陽イオンを生じる塩は液体、好ましくは溶媒タンク１１中の溶媒１１ａの少なくとも一成分に溶解した状態で、バルブ３６を開にすることにより必要量がタンク１５からタンク１７へ送り込まれる。

溶媒１１ａと前駆体１２ａと塩とのタンク１７へ入れる順番は特に限定されない。また、塩は必ずしもタンク１７で前駆体１２ａ及び溶媒１１ａと混合されなくてもよく、例えば、後の工程で前駆体１２ａと溶媒１１ａとの混合物にインライン混合方式等で混合されてもよい。

タンク１７には、その外表を包み込み、タンク１７との間に伝熱媒体が供給されるジャケット４６と、モータ４７により回転する第１攪拌機４８と、モータ５１により回転する第２攪拌機５２とを備えている。タンク１７は、ジャケット４６の内側に伝熱媒体を供給し、これを循環させることにより、その内部の温度が調整される。タンク１７の内部温度は、−１０℃〜５５℃の範囲であることが好ましい。第１攪拌機４８，第２攪拌機５２のタイプを適宜選択して使用することにより、前駆体１２ａが溶媒１１ａにより膨潤した混合液１６を得る。なお、第１攪拌機４８は、アンカー翼を有するものであることが好ましく、第２攪拌機５２は、ディゾルバータイプの偏芯型攪拌機であることが好ましい。

次に、混合液１６は、ポンプ４１により加熱装置１８に送られる。加熱装置１８は、管本体（図示しない）とこの管本体との間に伝熱媒体を通すためのジャケット（図示しない）とを有するジャケット付き管であることが好ましく、さらに、混合液１６を加圧する加圧部（図示しない）を有することが好ましい。このような加熱装置１８を用いることにより、加熱条件下または加圧加熱条件下で混合液１６中の固形分を効果的かつ効率的に溶解させることができる。以下、このように加熱により固形成分を溶媒１１ａに溶解する方法を加熱溶解法と称する。加熱溶解法においては、混合液１６を６０℃〜２５０℃となるように加熱することが好ましい。

なお、加熱溶解法に代えて冷却溶解法により固形成分を溶媒１１ａに溶解させてもよい。冷却溶解法とは、混合液１６を温度保持した状態またはさらに低温となるように冷却しながら溶解を進める方法である。冷却溶解法では、混合液１６を−１００℃〜−１０℃の温度に冷却することが好ましい。以上のような加熱溶解法または冷却溶解法により前駆体１２ａを溶媒１１ａに十分溶解させることが可能となる。

混合液１６を温度調整器２１により略室温とした後に、第１ろ過装置２２によりろ過して不純物や凝集物等の異物を取り除きドープ２４とする。第１ろ過装置２２に使用されるフィルタは、その平均孔径が１０μｍ以下であることが好ましい。

ろ過後のドープ２４は、バルブ３８を開にすることによりストックタンク３２に送られて一旦貯留された後、フィルムの製造に用いられる。

ところで、上記のように、固形成分を一旦膨潤させてから、溶解して溶液とする方法は、前駆体１２ａの溶液における濃度を上昇させる場合ほど、ドープ製造に要する時間が長くなり、製造効率の点で問題となる場合がある。そのような場合には、目的とする濃度よりも低濃度のドープを一旦つくり、その後に目的の濃度とする濃縮工程を実施することが好ましい。例えば、バルブ３８により、第１ろ過装置２２でろ過されたドープ２４をフラッシュ装置２６に送り、このフラッシュ装置２６でドープ２４の溶媒１１ａの一部を蒸発させることによりドープ２４を濃縮することができる。濃縮されたドープ２４はポンプ４２によりフラッシュ装置２６から抜き出されて第２ろ過装置２７へ送られる。ろ過の際のドープ２４の温度は、０℃〜２００℃であることが好ましい。第２ろ過装置２７で異物を除去されたドープ２４は、ストックタンク３２へ送られ一旦貯留されてからフィルム製造に用いられる。なお、濃縮されたドープ２４には気泡が含まれていることがあるので、第２ろ過装置２７に送る前に予め泡抜き処理を実施することが好ましい。泡抜き方法としては、例えばドープ２４に超音波を照射する超音波照射法等の、公知の種々の方法が適用される。

また、フラッシュ装置２６でのフラッシュ蒸発により発生した溶媒ガスは、凝縮器（図示せず）を備える回収装置２８により凝縮されて液体となり回収される。回収された溶媒は、再生装置２９によりドープ製造用の溶媒として再生されて再利用される。このような回収及び再生利用により、製造コストの点での利点がある。また、ドープ２４の製造工程は閉鎖系で実施されており、このため、人体及び環境への悪影響を防ぐ効果がある。

また、ドープ２４中に粗大な微粒子や異物等の不純物が含まれていると、このドープ２４を用いて固体電解質フィルムとした場合、固体電解質フィルムのプロトン伝導度が低下したり、固体電解質フィルム自体が劣化したりするおそれがある。そのため、ドープ２４を製造する途中の段階で、少なくとも１回以上はろ過装置を用いてドープ２４をろ過することが好ましい。なお、ドープ製造設備１０内でのろ過装置の設置個数や設置箇所及びドープをろ過する回数は特に限定されるものではなく、必要に応じて決定すれば良い。ろ過すするためのフィルタの孔径は１０μｍ以下であることが好ましい。

以上の製造方法により、前駆体１２ａの濃度が、全重量に対し５重量％以上５０重量％以下であるドープ２４を製造することができる。ドープ２４の前駆体１２ａの濃度を全重量に対し１０重量％以上４０重量％以下の範囲とすることがより好ましい。また、添加剤の濃度をドープ中の固形分全体を１００重量％とすると１重量％以上３０重量％以下の範囲とすることが好ましい。また、多価の陽イオンをドープ中に含ませる場合には、塩の添加量はスルホン酸基の量に応じて決定することが好ましく、固体電解質であるポリマーの重量に対しての重量に対して０．０１重量％以上２０重量％以下の範囲とすることが好ましい。すなわち、スルホン酸基の量が多いほど塩の添加量を多くし、スルホン酸基の量が少ないほど塩の添加量を少なくするとよい。なお、ドープ２４中において、溶媒１１ａに固形分が溶解しているかどうかは、ろ過した後のドープ２４を蛍光灯に照らすことで確認することができる。

［固体電解質フィルム製造工程］
次に、本発明の固体電解質フィルムの製造方法について説明する。図２に、本発明に係る固体電解質フィルム製造工程６０のフローを示す。なお、ここでは、フローの概略のみを説明するものとし、各工程の詳細については別の図面を参照して説明する。

固体電解質フィルム製造工程６０には、ドープのポリマー成分の種類に応じて２通りのフローがある。ひとつは図２の矢線（ａ）で示す第１フローであり、もうひとつは矢線（ｂ）で示す第２フローである。第１フローは、ドープのポリマー成分が、Ｈ以外のカチオン種をもつ化合物である場合であり、このような化合物としては化５におけるＸがＨ以外のカチオン種である化合物を例示することができる。第２フローはカチオン種がＨである化合物である場合である。第１フローと第２フローとの上記両化合物を区別するために、以下の説明では後者を固体電解質と称し、これに対し前者を前駆体と称することにする。

固体電解質フィルム製造工程６０は、ドープ２４（図１参照）から流延膜６１を形成する流延膜形成工程６２と、流延膜６１を冷却して固める流延膜冷却工程６３と、流延膜６１を支持体から剥取る剥取工程６６とを有する。

第１フローは、支持体から剥ぎ取った流延膜６１、つまり湿潤前駆体フィルム６７を、ローラ等に接触させても変形しない程度にまで、すなわち厚みが変化しない程度にまで乾燥させる第１乾燥工程６８と、ドープの溶媒と溶け合う液と湿潤前駆体フィルム６７とを接触させる液接触工程７１と、液接触工程７１を経た湿潤前駆体フィルム６７を乾燥する第２乾燥工程７２とを有する。第１乾燥工程６８では、湿潤前駆体フィルム６７の両側端部を保持しながら湿潤前駆体フィルム６７を乾燥し、第２乾燥工程７２ではローラにより支持しながら乾燥する。第１フローでは、さらに、第２乾燥工程７０の後の湿潤前駆体フィルム６７に酸の溶液を接触させる酸接触工程７５と、酸接触工程７５を経た湿潤前駆体フィルム６７を水等で洗浄する洗浄工程７６と、洗浄後の湿潤前駆体フィルム６７を乾燥する第３乾燥工程７７と、さらに乾燥を進めて固体電解質フィルム７８を得る第４乾燥工程７９とがある。酸接触工程７５では、プロトン供与体である酸と前駆体とを反応させることにより前駆体におけるカチオン種がプロトン置換し、前駆体は固体電解質となる。第３乾燥工程７７では、湿潤前駆体フィルム６７の両側端部を保持しながらこのフィルム６７を乾燥し、第４乾燥工程７９では、湿潤前駆体フィルム６７をローラで支持して搬送しながら乾燥する。

これに対し、第２フローにおいては、支持体から剥ぎとった流延膜６１は溶媒を含んだ状態の固体電解質のフィルムであるので、これを以下の説明では湿潤固体電解質フィルム８０と称する。この湿潤固体電解質フィルム８０を、第１フローの湿潤前駆体フィルム６７と同様に第１乾燥工程６８、液接触工程７１、第２乾燥工程７２に順に供した後、第３乾燥工程７７、第４乾燥工程により完全に乾燥して固体電解質フィルム７８とする。なお、両フローは、ともに連続式、つまり長尺の固体電解質フィルム７８を製造する場合であるが、本発明はこれに限定されず、バッチ式、つまりシート状、短冊状の固体電解質フィルムを製造する場合にも適用することができる。この場合には、第１，３乾燥工程６８，７７では、両側端部にもならず前駆体あるいは固体電解質のシートの外周部を保持手段で保持することが好ましく、第２，４乾燥工程では、ローラでの支持に限定されない。

［固体電解質フィルム製造設備］
図３は、上記第１フローを実施するフィルム製造設備３３の概略図である。ただし、このフィルム製造設備３３は本発明の一例であり、本発明を限定するものではない。

ストックタンク３２（図１参照）を介してドープ製造設備１０（図１参照）と接続されているフィルム製造設備３３は、流延膜形成工程から剥取工程までの工程が行われる流延室８１と、第１乾燥工程を行う第１テンタ８２と、液接触工程を行う液接触装置８３と、第２乾燥工程を行う第１ローラ乾燥室８６と、酸接触工程及び洗浄工程を行う酸接触装置８７と、第３乾燥工程を行う第２テンタ８８と、第４乾燥工程を行う第２ローラ乾燥室８９と、固体電解質フィルム７８の温度及び含水量を調整するための温湿度調整室９１と、固体電解質フィルム７８がロール状に巻き取られる巻取室９２とを備える。

流延室８１には、ドープ２４を支持体に流出する流延ダイ９５と、断面円形の中心が回転中心となって駆動回転し、ドープ２４が周面に流延されて流延膜６１が形成される支持体としてのドラム９６と、湿潤固体電解質フィルム６７を支持するローラ９７と備える。湿潤固体電解質フィルム６７は、剥ぎ取り時には、ドラム９６の下流方向へ張力を付与されることにより、ローラ９７に支持されながら剥ぎ取られる。

流延ダイ９５は、コートハンガー型のダイで、析出硬化型のステンレス鋼製であることが好ましく、その熱膨張率は小さいほど好ましい。流延ダイ９５のドープの流出口の幅は特に限定されるものではないが、最終製品となる固体電解質フィルム７８の幅の１．１倍〜２．０倍程度であることが好ましい。また、この流延ダイ９５は、流出されるドープ２４の温度が所定温度に保持されるように、流延ダイ９５の温度を制御する温度コントローラが備えられることが好ましい。さらに、流延ダイ９５には、幅方向に所定の間隔で複数備えられた厚み調整ボルト（ヒートボルト）と、このヒートボルトにより、流出口としてのスリットの隙間を調整する自動厚み調整機構が備えられることがより好ましい。ヒートボルトは予め設定されるプログラムによりポンプ１２５の送液量に応じてスリットのプロファイルを設定する。流延ダイ９５のドープ流出口であるスリットのクリアランスは、０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲で調整される。そして、流延ダイ９５のリップ先端には硬化膜が形成されていることがより好ましい。

ドープ２４が流延ダイ９５のリップ先端で局所的に乾燥固化することを防止するために、リップ先端の両側部に対して、ドープの溶媒成分の少なくともひとつと同じ液体を供給する液体供給装置（図示しない）を、リップ先端近傍に設けることが好ましい。液体が供給される位置は、流延ビードの両端部とリップ先端の両端部と外気との三相境界線の周辺部が好ましい。供給される液体の流量は、片側それぞれに対し０．１ｍＬ／分〜１．０ｍＬ／分とすることが好ましい。これにより、異物、例えばドープ２４から析出した固形成分や外部から流延ビードに混入したものが流延膜６１中に混合してしまうことを防止することができる。

ドラム９６は、回転速度及び駆動力とともに周面温度を制御するためのコントローラ９８を備える。ドラム９６としては、回転速度ムラが０．２％以下であるような高精度で回転できるものが好ましく、また、周面の平均粗さが０．０１μｍ以下であることが好ましく、表面がハードクロムめっき処理等を施されているものが好ましい。これにより、十分な硬度と耐久性とを向上させることができる。なお、流延支持体には、ドラム９６に代えて、複数の回転ローラに掛け渡されて連続走行する流延バンドを用いてもよい。

流延ビードの上流側には、減圧チャンバ（図示せず）が備えられる。流延ビードとは、流延ダイ９５から流延バンド９４にかけて形成されるリボン状のドープ２４である。また、流延ビードの上流側とは、流延バンド９４の走行方向に関して流延ビートよりも上流側のエリアを意味する。この減圧チャンバにより、流延ビードの上流側のエリアの圧力を下流側のエリアの圧力よりも低く維持し、流延ビードの切断を防止したり流延ビードの形状の安定化を図る。

流延室８１には、その内部温度を所定の値に保つための温調機（図示せず）を設けてある。この流延室８１を流延膜６１の搬送方向で複数の区画に分けて、区画毎に温度を独立に制御してもよい。これにより、流延膜６１を徐々に乾燥することができるので、急激に溶媒が蒸発してしわやつれなどの形状変化が流延膜６１に発生することを抑制することができる。また、流延室８１には、流延膜６１から蒸発した溶媒ガスを回収するための凝縮器（コンデンサ）と、凝縮液化した有機溶媒を回収するための回収装置とを設けてあるが図示はともに略す。

流延室８１の下流側の第１テンタは、湿潤前駆体フィルム６７の側端部を突き刺すピンが備えられた保持手段としてのピン台１０１を有し、このピン台１０１が搬送路を走行することにより、湿潤前駆体フィルム６７が搬送される。搬送路の上方には、乾燥空気を流出するダクト１０２が備えられている。

流延室８１の下流の液接触装置８３には、液槽１０４が備えられ、この中には湿潤前駆体フィルム６７を支持するローラ１０５が備えられる。液槽１０４には、湿潤前駆体フィルム６７を接触させる接触液１０６が収容されている。そして、この接触液１０６を液槽１０４から出して精製し、精製した後に液槽１０４に再び送り込む接触液循環精製装置（図示なし）を液槽１０４は備える。接触液１０６は、湿潤前駆体フィルム６７の中の溶媒と置き換わる。

接触液１０４は、ドープ２４の溶媒よりも沸点が低く、溶媒と溶け合う、つまり溶媒に対して相溶性をもつ液体である。溶媒よりも沸点が低い液体を接触液１０４とすることにより、第２乾燥工程ひいては第３，第４乾燥工程における乾燥を効果的かつ効率的に実施することができる。また、溶媒に対し相溶性を示す液体を接触液１０４とすることにより、流延膜６１に含まれる溶媒との置換が効果的かつ効率的に行われるので、液接触工程の時間をより短くすることができる、液接触装置８３における搬送路を短くすることができる、等の効果がある。

ドープ２４の溶媒が混合物であるときには、溶媒成分のうち、最も沸点が高いものと、前駆体との親和性が最も高いものと、配合比が最も大きいものとの少なくともいずれかひとつの条件を満たす溶媒成分に対して相溶性を示す液体を接触液１０４として用いることが好ましい。また、ドープ２４の溶媒が前駆体の良溶媒である化合物と貧溶媒である化合物との混合物である場合には、両者に対して相溶性を示す液体を接触液１０４として用いることが好ましい。ドープ２４の溶媒成分としてＤＭＳＯとメチルアルコールとを用いた場合には、接触液１０４を水とすることが好ましい。水は、蒸留水またはイオン交換水であることが好ましい。水に代えて、ドープの溶媒成分の水溶液、中でも、前駆体の良溶媒である化合物の水溶液を用いてもよい。

液接触装置８３と第１ローラ乾燥室８６との間の搬送路には、湿潤前駆体フィルム６７側にそれぞれ送風孔が向けられた一対のエアシャワー１０９を設けてある。このエアシャワー１０９により液きりを行う。

エアシャワー１０９の下流側の第１ローラ乾燥室８６には、湿潤前駆体フィルム６７を支持するローラが備えられ、このローラにより湿潤前駆体フィルム６７は下流側へと案内される。この第１ローラ乾燥室８６には、乾燥空気を流出するダクト（図示無し）が備えられ、この乾燥空気により湿潤前駆体フィルム６７は乾燥される。

第１ローラ乾燥室８６の下流側の酸接触装置８７には、酸を含む液（以下、酸溶液と称する）１１０を湿潤前駆体フィルム６７に塗布する塗布ダイ１１１と、湿潤前駆体フィルム６７を洗浄するための複数の洗浄槽１１３とが設けられる。ローラにより、湿潤前駆体フィルム６７は塗布ダイ１１１，洗浄槽１１３の順に案内される。図の煩雑性を避けるため、洗浄槽１１３は２つのみを図示しているが、その数は３以上であってもよい。

塗布ダイ１１１は、前述の流延ダイ９５と同じ構造を有する。塗布ダイ１１１は、タンク１１８から送られてきた酸溶液１１０を流出して湿潤前駆体フィルム６７の片面に塗布する。タンク１１８は、酸溶液１１０の温度調節部を備えている。この温度調節部により、酸溶液１１０の温度は、所望の温度に保持される。

洗浄槽１１３に収容される洗浄液１２１としては水が好ましい。洗浄槽１１３には、温度調節部（図示せず）が備えられ、この温度調節部は、各洗浄槽１１３の洗浄液１２１の温度を、独立して保持する。

なお、塗布ダイ１１１と洗浄槽１１３との間の搬送路近傍には、ヒータを配して酸溶液１１０の塗膜を加熱してもよい。

第２テンタ８８は、乾燥空気を流延膜６１の近傍で送り出すダクト１２３と、チェーン（図示せず）にとりつけられチェーンの走行に伴い移動する多数のクリップ１２４とを備える。クリップ１２４は湿潤前駆体フィルム６７の側端部をテンタ入口の把持位置で把持しテンタ出口で把持を解除する。

第２テンタ８８の下流の第２ローラ乾燥室８９の基本構成は第１ローラ乾燥室８６と同じである。

第２ローラ乾燥室８９の下流の温湿度調整室９１は、第２ローラ乾燥室８９と同様に支持用ローラを搬送路に複数備え、これらのローラで固体電解質フィルム７８を搬送する。そして、この温湿度調整室９１は、内部のガスを外部のガスと入れ替えて湿潤前駆体フィルム６７の温度と湿度とを調整する。

温湿度調整室９１と巻取室９２との間には、固体電解質フィルム７８の両側端部を連続的に切断除去する耳切装置（図示せず）が備えられる。耳切装置には、固体電解質フィルム７８から切り取られた両側端部を細かく切断するためのクラッシャ（図示せず）が接続する。

巻取室９２には、固体電解質フィルム７８を巻き取るための巻取ロール１３０と、巻き取り時のテンションを制御するためのプレスローラ１３１とが備えられる。

次に、上記のフィルム製造設備３３を用いて固体電解質フィルム７８を製造する方法の一例を説明する。

ストックタンク３２（図１参照）に貯留されているドープ２４をポンプ１２５によりろ過装置１２６に送り、ドープ２４中に含まれる所定粒径よりも大きい微粒子や異物、及びゲル状の異物等を取り除く。

ろ過後のドープ２４を流延ダイ９５に送り、流延ダイ９５から流出させ、回転するドラム９６の周面上に流延膜６１を形成する。ドラム９６の回転速度の変動を０．５％以下とすることが好ましい。ドラム９６の表面温度は−２０℃〜１０℃の範囲で一定とされることが好ましい。流延室６３の温度は、温調装置９７により１０℃〜５０℃とされることが好ましい。流延室８１の内部の溶媒ガスは回収装置（図示せず）により回収された後、再生させてドープ製造用の溶媒として再利用される。

流延ビードは減圧チャンバの減圧機能により様態が安定する。流延ビードの上流側の圧力は下流側に対して−２５００Ｐａ〜−１０Ｐａの範囲で一定であることが好ましい。なお、減圧チャンバにジャケット（図示せず）を取り付けて、内部温度が所定の温度を保つようにすることが好ましい。流延ダイ９５のエッジ部に吸引装置（図示せず）を取り付けて流延ビードの両側部を吸引すると、流延ビードの形状の制御及びその安定化をより図ることができる。このときの吸引風量は、１Ｌ／分〜１００Ｌ／分の範囲であることが好ましい。

ところで、良溶媒は前述の通り通常は高沸点のものであることから流延膜６１の中に残り、また、流延膜６１の変形等の防止の観点から、この工程で積極的に大量の良溶媒を蒸発させることはしない。また、ドープ２４の溶媒成分として貧溶媒を用いる場合には、この工程で貧溶媒がなるべく蒸発してしまわないようにすることが好ましい。貧溶媒を流延膜の中に次工程である液接触工程にまで残しておくことにより、前駆体の分子の網目がより形成されやすくなって液接触工程における後述の接触液と流延膜６１の中の良溶媒との置換の速度が速くなるという効果が得られる。そこで、本発明では、流延膜６１から溶媒をほとんど蒸発させず、冷却により流延膜６１に自己支持性をもたせる。具体的には、乾燥ではなく、ドラム９６により流延膜６１を冷却し、ゲル状に固化する。乾燥によるよりも冷却による方が流延膜６１の貯蔵弾性率を短時間で高めることができるため、製造速度を大幅に向上させることができる。貯蔵弾性率Ｇ’が冷却により上がっていき１０００Ｐａに達したときが剥ぎ取りの目安となる。また、この方法であると、支持体としてプラスチックフィルムを使用する必要がなくなるために、環境保全の観点においても好ましいといえる。

ドープ２４の中に予め水を入れておくことにより、流延膜６１が固化するタイミングをより早めることができる。この効果は、特に、ポリマーがスルホン酸基をもつ化合物である場合に高い。これは、水を介してスルホン酸基同士が引きつけ合うように凝集するためと考えられる。そして、ドープの中に、多価の陽イオンを生じる塩を入れておくことにより、この凝集効果をより高めることができ、流延膜６１の固化のタイミングをより高めることができる。なお、水は、ドープに予め入れておく方法もあるが、これに代えて、形成された流延膜６１に水を塗布や吹きつけ等により接触させてもよい。つまり、流延膜６１の中に水が含まれるようにするとよい。

ドラム９６から剥ぎ取られた湿潤前駆体フィルム６７を第１テンタ８２におくり、幅方向に張力を与えながら乾燥する。このときの張力は、湿潤前駆体フィルム６７がたるまない程度でよい。過度に張力をかけると、溶媒含有率の多い湿潤前駆体フィルム６７がピンによる保持部で裂けたりすることがある。

湿潤前駆体フィルム６７をローラで搬送できる程度にまで第１テンタ８２で乾燥した後に、液接触装置８３の接触液１０６の中に導き、浸漬する。そして、湿潤前駆体フィルム６７に含まれる溶媒と接触液１０６との置き換え、つまり置換を流延膜６１の両面から行う。

接触液１０６の温度は１０℃以上８０℃以下とすることが好ましく、２０℃以上５０℃以下とすることがより好ましい。８０℃よりも高い温度とすると、湿潤前駆体フィルム６７にシワが発生することがあり、１０℃よりも低い温度とすると、湿潤前駆体フィルム６７に含まれる溶媒と接触液１０６との置換が効率的に行われないことがある。

湿潤前駆体フィルム６７を接触液１００に浸漬させる時間は概ね３０秒以上１０分以下、より好ましくは１分以上５分以下である。これにより、溶媒と接触液１０６との置換を十分に行うことができ、第２ローラ乾燥率８６、にいては第２テンタ８８、第２ローラ乾燥室８９における湿潤前駆体フィルム６７の乾燥効率及び乾燥効果をより向上させることができる。しかし、この浸漬時間は、湿潤前駆体フィルム６７における溶媒の重量の変化と、湿潤前駆体フィルム６７の硬さの変化との少なくともいずれか一方を指標として決めるものであるので、必ずしも上記範囲に限定されるものではない。

湿潤前駆体フィルム６７と接触液１０６とを接触させる方法は、浸漬による方法に限定されない。他の方法としては、接触液を湿潤前駆体フィルム６７に吹き付ける方法、接触液を湿潤前駆体フィルム６７に塗布する方法、接触液を気化させて蒸気として湿潤前駆体フィルム６７に接触させる方法等がある。これらの方法と浸漬による方法とを複数組み合わせてもよい。

液接触工程は複数回実施してもよい。例えば、液槽１０４を搬送路に直列に配して、湿潤前駆体フィルム６７を複数の液槽１０４に次々に送り込んでもよい。液接触工程を複数回実施する場合には、沸点の高い接触液から低い接触液に順に配することにより、後の乾燥工程における乾燥をより効果的かつより効率的に行うことができる。

湿潤前駆体フィルム６７が大量の接触液を表面につけたままであると、後の乾燥工程で乾燥ムラが起きて変形することがある。そこで、湿潤前駆体フィルム６７は、エアシャワー１０９により大まかに接触液を除去される。液きりはエアシャワー１０９による方法の他、掻き取り等の接触による方法であってもよい。湿潤前駆体フィルム６７は、エアシャワー１０９で大まかに液をきられた後、第１ローラ乾燥室８６に送られる。ここでは、ローラに搬送されながら、湿潤前駆体フィルム６７は乾燥される。第１ローラ乾燥室８６を出ると、湿潤前駆体フィルム６７の溶媒含有率は低いものとなっているが、本明細書では、第２ローラ乾燥室８９を出るまでを湿潤前駆体フィルム６７と称するものとする。

両側端部が切断された前駆体フィルム６７の片面に、塗布ダイ１１１を用いて酸溶液１１０を塗布する。塗布した後に、ヒータ（図示せず）による加熱を実施する場合には、塗布された湿潤前駆体フィルム６７を８０℃以上１００℃以下に加熱することが好ましい。湿潤前駆体フィルム６７は効果的かつ効率的にプロトン置換が行われ、前駆体は固体電解質となる。

プロトン置換された割合は、高ければ高いほど、つまり１００％であることが最も好ましい。しかしこのプロトン置換率を１００％とせずともよく、本実施形態では生産性との兼ね合いから置換対象であるカチオン種のうち８０％以上、より好ましくは９０％以上であると十分固体電解質フィルムとしての機能を発現するものとして評価することができた。

酸溶液１１０は、酸性の水溶液に限られず、前駆体のプロトン受容体にプロトンを与え得るものであればよい。例えば、用いる酸よりもプロトン受容性が大きい化合物を前駆体として用いる場合には、酸溶液１１０に酸を用いてもよい。また、酸溶液１１０を作るための酸は、アニオンの式量が４０以上であるものが好ましい。

酸溶液１１０と湿潤前駆体フィルム６７との接触は塗布による方法に限定されるものではない。他の方法としては、湿潤前駆体フィルム６７に酸溶液１１０を吹き付ける方法、酸溶液１１０に湿潤前駆体フィルム６７を浸漬する方法等がある。

次に、湿潤前駆体フィルム６７を洗浄槽１１３に送って、洗浄液１２１に浸漬することにより洗浄する。これにより湿潤前駆体フィルム６７の表面に付着している、或いは湿潤前駆体フィルム６７に含まれる余分な酸溶液１１０を洗い流すことができるので、湿潤前駆体フィルム６７中に酸が残留してプロトン伝導度の低下や経時変化が変化してしまうことを防止することができる。

洗浄工程の回数は２回に限定されない。余分な酸の除去が可能であれば洗浄回数を１回にしてもよいし、もしくは３回以上としてもよい。洗浄液１２１の温度は、３０℃以上に保持することが好ましく、これにより酸の除去効果が向上する。洗浄液１２１は、純水であることが好ましい。本明細書における純水とは、比電気抵抗が少なくとも１ＭΩ以上であり、特にナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどの金属イオンは１ｐｐｍ未満、クロル、硝酸などのアニオンは０．１ｐｐｍ未満である水を指す。純水は、逆浸透膜、イオン交換樹脂、蒸留などの単体、あるいは組み合わせによって、容易に得ることができる。

洗浄工程における洗浄方法は、必ずしも浸漬によるものに限定されず、洗浄液１２１の吹き付けや噴霧や塗布等に代えることができる。このうち、塗布する方法と吹き付ける方法とが湿潤前駆体フィルム６７を連続搬送しながら実施できる点で好ましい。さらに、洗浄液１２１を吹き付ける方法は、噴流によって湿潤前駆体フィルム６７上の洗浄液１２１と酸溶液１１０との乱流混合が得られるためにより好ましい。

洗浄液１２１を塗布する方法と吹き付ける方法との具体的例として、エクトルージョンコータあるいは、ファウンテンコータ、フロッグマウスコータ等の各種塗布ヘッドを用いる方法と、空気の加湿や塗装、タンクの自動洗浄などに利用されるスプレーノズルを用いる方法とが挙げられる。塗布方法に関しては、「コーティングのすべて」荒木正義編集、(株)加工技術研究会（１９９９年）にまとめられている。また、スプレーノズルを用いる場合には、（株）いけうち、スプレーイングシステムズ社の円錐状、扇状などのスプレーノズルを湿潤前駆体フィルム６７の幅方向に複数配することにより、湿潤前駆体フィルム６７の全幅に洗浄液をあてることができる。

洗浄液１２１を吹き付ける場合の吹き付け速度を大きくするほど高い乱流混合が得られるが、湿潤前駆体フィルム６７の搬送安定性を損なうこともあるので、その点で好ましい範囲がある。通常は、吹き付けるときの洗浄液の流速は５０〜１０００ｃｍ／秒とすることが好ましく、１００〜７００ｃｍ／秒とすることがより好ましく、１００〜５００ｃｍ／秒とすることがさらに好ましい。

洗浄液１２１の量は、少なくとも下記式（１）に定義される理論希釈率を上回る量を用いなければならない。すなわち、洗浄に使用される洗浄液１２１の全てが酸溶液１１０の希釈混合に寄与したという仮定の理論希釈率を定義する。実際には、完全混合は起こらないので、理論希釈率を上回る洗浄液１２１量を使用することとなる。用いた酸溶液１１０の酸濃度や酸溶液の溶媒の種類にもよるが、少なくとも１００〜１０００倍、好ましくは５００〜１万倍、さらに好ましくは１０００〜十万倍の希釈が得られる程度の量の洗浄液１２１を使用する。なお、下記の式（１）において、洗浄液１２１及び酸溶液１１０の量は、フィルムの単位面積あたりに接触する各液量である。
理論希釈倍率＝（洗浄液１２１の量［ｃｃ／ｍ²］）÷（酸溶液１１０の量［ｃｃ／ｍ²］・・・（１）

洗浄工程において、所定量の洗浄液１２１を湿潤前駆体フィルム６７の所定面積に接触させる場合には、一度に全量の洗浄液１２１を接触させるよりも、定量を数回に分けて接触させるいわゆる回分式洗浄が好ましい。すなわち、所定量の洗浄液１２１を幾つかに分けて、湿潤前駆体フィルム６７の搬送路に沿って複数設置した洗浄手段に供給する。一の水洗手段と次の水洗手段との間には適当な距離を設けて、酸溶液１１０を拡散させながら希釈を進行させる。さらに好ましくは、湿潤前駆体フィルム６７の搬送路を傾斜させて、フィルム上の洗浄液１２１がフィルム上を流れる様にすれと、拡散に加えて、流動による希釈作用が得られる。洗浄手段と洗浄手段との間には、湿潤前駆体フィルム６７上の洗浄液を除去する液切り手段を設けることにより、さらに希釈効率を高めることができる。具体的な水切り手段としては、ブレードコーターに用いられるブレード、エアナイフコーターに用いられるエアナイフ、ロッドコーターに用いられるロッド、ロールコーターに用いられるロールが挙げられる。

搬送路に沿って複数配された洗浄手段の数は、多いほうが有利であるが、設置スペースならびに設備コストの観点より、通常は搬送方向に沿って２〜１０箇所、好ましくは２〜５箇所が好ましい。

酸接触工程と洗浄工程とを行なうことにより、固体電解質フィルム７８への無機塩等の不純物の混入を防止することができるとともに、さらに固体電解質フィルム７８の劣化を防止することができる。酸接触工程と洗浄工程とは、他の工程と必ずしも連続させなくてもよい。なお、洗浄工程を経た後のフィルム６７は、含まれる金属の含有量が１０００ｐｐｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１００ｐｐｍ以下である。上記の金属としては、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ等が挙げられる。これらの金属の含有量は、例えば、市販の原子吸光光度計により測定することで測定することができる。

また、酸接触装置８７と第２テンタ８８との間に予備乾燥室（図示せず）を設けて湿潤前駆体フィルム６７を予備乾燥すると、第２テンタ８８で湿潤前駆体フィルム６７の温度が急激に上昇せずにすみ湿潤前駆体フィルム６７の大幅な形状変化を抑制することができる。

湿潤前駆体フィルム６７は、第２テンタ８８に送り込まれる。第２テンタ８８では、湿潤前駆体フィルム６７は、クリップ１２４により両側端部を把持されて下流側に搬送される。搬送されている湿潤前駆体フィルム６７の近傍には、所望の温度とされた乾燥空気がダクト１２３から供給され、湿潤前駆体フィルム６７の乾燥効率を向上させる。クリップ１２４を第１テンタ８２と同様のピンに代えて、このピンを湿潤前駆体フィルム６７の両側端部に突き刺すことにより保持してもよい。乾燥空気の温度は、接触液１２１の沸点に応じて設定することが好ましい。そして、第２テンタ８８の内部温度は概ね５０℃以上１５０℃以下の範囲とされる。なお、第２テンタ８８の内部を搬送路の方向で複数のエリアに分割し、エリア毎に異なる温度条件としてもよい。第２テンタ８８を出るときの湿潤前駆体フィルム６７の溶媒残留量は乾燥基準で１０重量％以下となるように、第２テンタ８８では乾燥を進めることが好ましい。

第２テンタ８８では、湿潤前駆体フィルム６７を幅方向に延伸させることが可能である。第２テンタ８８に送り込む前の湿潤前駆体フィルム６７に付与する搬送方向における張力を調整することにより、湿潤前駆体フィルム６７を搬送方向に延伸することも可能である。また、湿潤前駆体フィルム６７を延伸する場合には、湿潤前駆体フィルム６７の搬送方向と幅方向との少なくとも１方向を、延伸前の寸法に対し１００．５％〜３００％の寸法となるように延伸することが好ましい。これにより、固体電解質フィルム７８の分子配向を調整することができる。

第２ローラ乾燥室８９の内部温度は、特に限定されるものではないが、固体電解質の耐熱性、例えば、ガラス転移点Ｔｇ、熱変形温度、融点Ｔｍ、連続使用温度等に応じて決定される。その内部温度は、５０以上（固体電解質のＴｇ）以下とすることが好ましい。本実施形態では、１２０℃以上１８５℃以下としている。この第４乾燥工程では、湿潤前駆体フィルム６７の残留溶媒率ができるだけゼロに近くなるまで乾燥することが好ましく、乾量基準での目標値は概ね１０重量％未満である。なお、湿潤前駆体フィルム６７から蒸発して発生した溶媒ガスは周辺の空気とともに吸着回収装置（図示無し）により吸着回収され、溶媒成分を除去した後の空気は、再度、乾燥空気として第２ローラ乾燥室８９の内部に送りこまれる。第２ローラ乾燥室８９は、供給する乾燥空気の温度を搬送方向で変化させてその効果を得るために、搬送方向で複数の区画に分割されていることがより好ましい。

第１ローラ乾燥室８６及び第２ローラ乾燥室８９には、ガス循環装置１２８が接続する。ガス循環装置１２８は、各乾燥室８６，８９の内部から送られてきたガスから、溶剤成分と水分とを除去して、除去後の乾燥空気を温度調整した上で各乾燥室８６，８９に再び送る。なお、ガス循環装置１２８は第１テンタ１０２と第２テンタ１２３にも接続しており、同様の役割を果たすが、図の煩雑化を避けるため、図示は略す。

固体電解質フィルム７８を温湿度調整室９１に搬入する。温湿度調整室９１では、第２ローラ乾燥室８９と同様にローラに巻き掛けられて搬送される固体電解質フィルム７８を、温度制御装置と湿度制御装置とにより所望の温度及び湿度として、その乾燥度合いを制御する。なお、温湿度調整室９１の内部温度及び湿度は特に限定されるものではないが、温度は２０℃以上３０℃以下であることが好ましく、湿度は４０ＲＨ％以上７０ＲＨ％以下であることが好ましい。これにより、固体電解質フィルム７８の表面にカールが発生したり、巻き取る際に巻取り不良が発生したりするのを抑制することができる。なお、第２ローラ乾燥室８９と温湿度調整室９１との間に冷却室（図示しない）を設けて固体電解質フィルム７８を略室温まで冷却すると、温度変化により固体電解質フィルム７８が形状変化するのを抑制することができるので好ましい。

固体電解質フィルム７８を巻取室９２に送り、プレスローラ１３１で張力を付与しながら巻取ロール１３０に巻き取る。これにより、しわやつれ等の発生を抑制しながらロール状の固体電解質フィルム７８を得ることができる。このようにプレスローラ１３１で所望のテンションを固体電解質フィルム７８に付与しつつ巻き取ると、平面性に優れるロール状のフィルム製品を得ることができるので好ましい。なお、フィルムロールにおける過度な巻き締めを防止するために、上記のテンションは巻取開始時から終了時まで徐々に変化させることがより好ましい。また、巻き取られる固体電解質フィルム７８の幅は１００ｍｍ以上であることが好ましく、本発明は、固体電解質フィルム７８の厚みが５μｍ以上３００μｍ以下の薄いフィルムを製造する際にも本発明は適用される。

フィルム製造設備の各工程内、あるいは各工程間では、湿潤前駆体フィルム６７や湿潤固体電解質フィルム、固体電解質フィルム７８は、主にローラにより支持または搬送される。これらのローラには、駆動ローラと非駆動ローラとがあり、非駆動ローラは、主に、フィルムの搬送路を決定するとともに搬送安定性を向上させるために使用される。

第２フローを実施する場合には、酸処理室を使用せずに固体電解質フィルム７８を製造することができる。その他の製造条件については第１フローと同じである。第２フローの場合には、流延膜６１をドラム９６から剥ぎ取って得られるのは湿潤固体電解質フィルム８０であり、これを、第１テンタ８２，液接触装置８３，エアシャワー１０９，第１ローラ乾燥室８６，第２テンタ８８，第２ローラ乾燥室８９，温湿度調整室９１，巻取室９２の順に案内してそれぞれの工程を実施することによりロール状の固体電解質フィルム７８が得られる。これら各工程の詳細は、先に述べた第１フローと同じであるので、説明は略す。なお、この場合でも、酸接触工程を第１フローと同様に実施することにより、プロトン伝導度をより向上することができる。

本実施形態では、１種類のドープを流延する場合を示したが、本発明では、２種類以上のドープを同時に共流延して積層タイプの流延膜を形成しても良いし、逐次に共流延させて複層の流延膜を形成しても良い。なお、２種類以上のドープを同時に共流延する場合には、フィードブロックを取り付けた流延ダイを用いても良いし、マルチマニホールド型流延ダイを用いても良い。ただし、共流延により複層からなるフィルムは、表面に露出する２層のうちいずれか一層が、フィルム全体の厚みの０．５％〜３０％であることが好ましい。また、同時に共流延をする場合には、ダイスリットから支持体に流出するドープにおいて、高粘度ドープが低粘度ドープにより包み込まれるような態様であることが好ましい。このような態様となるように各ドープの濃度は予め調整されることが好ましく、ダイスリットから支持体にかけて形成されるビードのうち、外界と接する、つまり露出するドープが内部のドープよりも貧溶媒の比率が大きい処方とされることが好ましい。

なお、前駆体を有するフィルムを製造するために、上記方法に代えて次の方法を適用することができる。つまり、細孔が複数形成されている、いわゆる多孔質基材の細孔に前駆体を保持させる方法である。この方法によると、上記実施形態とは異なり、前駆体とは異なる物質からなる多孔質基材中に前駆体が非常に細かく分散してあるような前駆体フィルムを製造することができる。このような前駆体フィルムの製造方法としては、前駆体が含まれるゾル−ゲル反応液を多孔質基材上に塗布して細孔に前駆体を入れる方法、多孔質基材を前駆体が含まれるゾル−ゲル反応液に浸漬し、細孔内に前駆体を満たす方法等がある。多孔質基材の好ましい例としては、多孔性ポリプロピレン、多孔性ポリテトラフルオロエチレン、多孔性架橋型耐熱性ポリエチレン、多孔性ポリイミドなどが挙げられる。また、前駆体を繊維状に加工し、繊維中の空隙を他の高分子化合物等で満たし、その繊維を用いてフィルム状とすることにより前駆体フィルムを形成することもできる。この場合には、空隙を満たすための他の高分子化合物の例としては、本明細書における添加剤として挙げた物質を挙げることができる。これらの各前駆体フィルムについて、上述した酸処理によるプロトン置換を行うことにより、固体電解質フィルムを製造することができる。

本発明の固体電解質フィルムは、燃料電池用、特に特に直接メタノール型燃料電池用のプロトン伝導膜として好適に利用することができる他に、燃料電池の２つの電極に挟まれる固体電解質フィルムとして用いることができる。さらに、各種電池（レドックスフロー電池、リチウム電池等）における電解質、表示素子、電気化学センサー、信号伝達媒体、コンデンサ、電気透析、電気分解用電解質膜、ゲルアクチュエーター、塩電解膜、プロトン交換樹脂としても本発明の固体電解質フィルムを用いることができる。

（燃料電池）
以下に、固体電解質フィルムを電極膜複合体（ＭｅｍｂｒａｎｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ，以下、ＭＥＡと称する）に使用する例と、この電極膜複合体を燃料電池に用いる例とを説明する。ただし、ここに示すＭＥＡ及び燃料電池の様態は本発明の一例であり、本発明はこれに限定されない。図４は、ＭＥＡの断面概略図である。ＭＥＡ１６１は、固体電解質フィルム７８と、このフィルム７８を挟んで対向するアノード電極１６２及びカソード電極１６３とを備える。

アノード電極１３２は多孔質導電シート１３２ａと固体電解質フィルム７８に接する触媒層１３２ｂとを有し、カソード電極１３３は多孔質導電シート１３３ａと固体電解質フィルム７８に接する触媒層１３３ｂとを有する。多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａとしては、カーボンペーパー等がある。触媒層１３２ｂ，１３３ｂは、白金粒子等の触媒金属を担持したカーボン粒子をプロトン伝導材料に分散させた分散物からなる。カーボン粒子としては、例えばケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等があり、プロトン伝導材料としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等がある。

ＭＥＡ１３１の製造方法としては、次の４つの方法が好ましい。
（１）プロトン伝導材料塗布法：活性金属担持カーボン、プロトン伝導材料、溶媒を含む触媒ペースト（インク）を固体電解質フィルム７８の両面に直接塗布し、多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａを（熱）塗布層に圧着して５層構成のＭＥＡを作製する。
（２）多孔質導電シート塗布法：触媒層１３２ｂ，１３３ｂの材料を含んだ液、例えば触媒ペーストを、多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａの表面に塗布し、触媒層１３２ｂ，１３３ｂを形成させた後、固体電解質フィルム７８と圧着し、５層構成のＭＥＡ１３１を作製する。
（３）Ｄｅｃａｌ法：触媒ペーストをＰＴＦＥ上に塗布し、触媒層１３２ｂ，１３３ｂを形成させた後、固体電解質フィルム７８に触媒層１３２ｂ，１３３ｂのみをうつし、３層構造を形成し、これに多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａを圧着し、５層構成のＭＥＡ１３１を作製する。
（４）触媒後担持法：白金未担持カーボン材料をプロトン伝導材料とともに混合したインクを固体電解質フィルム７８、多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａあるいはＰＴＦＥ上に塗布・製膜した後、白金イオンを含む液に固体電解質フィルム７８を含浸させ、白金粒子をフィルム中で還元析出させて触媒層１３２ｂ，１３３ｂを形成させる。触媒層１３２ｂ，１３３ｂを形成させた後は、上記（１）〜（３）の方法にてＭＥＡ１３１を作製する。

ただし、ＭＥＡの作り方としては、上記の方法には限定されず、公知の各種方法を適用することができる。例えば、上記の（１）〜（４）の方法の他に次の方法がある。触媒層１３２ｂ，１３３ｂの材料を含んだ塗布液を予めつくり、この塗布液を支持体に塗布して乾燥する。触媒層１３２ｂ，１３３ｂが形成された支持体を、触媒層１３２ｂ，１３３ｂが固体電解質フィルム７８に接するように固体電解質フィルム７８の両面にそれぞれ重ねて圧着する。そして支持体を剥がしてから、触媒層１３２ｂ，１３３ｂが両面に形成された固体電解質フィルム７８を多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａで挟み込む。そして、多孔質導電シート１３２ａ，１３３ａと触媒層１３２ｂ，１３３ｂとを密着させてＭＥＡを製造することができる。

図５は、燃料電池の分解概略図である。燃料電池１４１は、ＭＥＡ１３１と、ＭＥＡ１３１を挟持する一対のセパレータ１４２，１４３と、これらのセパレータ１４２，１４３に取り付けられたステンレスネットからなる集電体１４６と、パッキン１４７とを有する。アノード極側のセパレータ１４２にはアノード極側開口部１５１が設けられ、カソード極側のセパレータ１４３にはカソード極側開口１５２設けられている。アノード極側開口部１５１からは、水素、アルコール類（メタノール等）等のガス燃料またはアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、カソード極側開口部１５２からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。

アノード電極１３２およびカソード電極１３３には、カーボン材料に白金などの活性金属粒子が担持された触媒が用いられる。通常用いられる活性金属の粒子サイズは、２〜１０ｎｍの範囲である。ただし、粒子サイズが小さいほど単位重量当りの表面積が大きくなるので活性が高まり有利であるが小さすぎると凝集させることなく分散させることが難しくなるために、２ｎｍ程度が小ささの限度といわれている。

水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極、つまり水素極に比べ、カソード極、つまり空気極の方が大きい。これは、カソード極の反応、つまり酸素の還元反応の速度がアノード極に比べて遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ｆｅなどのさまざまな白金基二元金属を用いることができる。アノード燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール燃料電池においては、メタノールの酸化過程で生じるＣＯによる触媒被毒を抑制するために、Ｐｔ−Ｒｕ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｍｏなどの白金基二元金属、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｍｏ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｗ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ｓｎ、Ｐｔ−Ｒｕ−Ａｕなどの白金基三元金属を用いることができる。活性金属を担持させるカーボン材料としては、アセチレンブラック、ＶｕｌｃａｎＸＣ−７２、ケチェンブラック、カーボンナノホーン（ＣＮＨ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が好ましく用いられる。

触媒層１３２ｂ，１３３ｂは、（１）燃料を活性金属に輸送すること、（２）燃料の酸化（アノード極）、還元（カソード極）反応の場を提供すること、（３）酸化還元により生じた電子を集電体１４６に伝達すること、（４）反応により生じたプロトンを固体電解質、つまり固体電解質フィルム７８に輸送すること、という機能をもつ。（１）のために触媒層１３２ｂ，１３３ｂは、液体および気体燃料が奥まで透過できる多孔質性とされる。（２）についてはカーボン材料に担持される活性金属触媒が担い、（３）は同じくカーボン材料が担う。そして、（４）の機能を果たすために、触媒層１３２ｂ，１３３ｂにプロトン伝導材料を混在させる。触媒層のプロトン伝導材料としては、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、酸残基を有する高分子化合物、例えばナフィオン（登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱性芳香族高分子のスルホン化物等が好ましく用いられる。固体電解質フィルム７８に含まれる固体電解質を触媒層１３２ｂ，１３３ｂに用いると、触媒層１３２ｂ，１３３ｂと固体電解質フィルム７８とが同種の材料となるため、固体電解質と触媒層との電気化学的密着性が高まり、プロトン伝導の点でより有利である。活性金属の使用量を０．０３〜１０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲とすることが、電池出力と経済性との観点から適する。活性金属を担持するカーボン材料の量は、活性金属の重量に対して１〜１０倍であることが好ましい。プロトン伝導材料の量は、活性金属担持カーボンの重量に対して、０．１〜０．７倍が好ましい。

アノード電極５３２、カソード電極５３３は、集電機能および水がたまりガスの透過が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用し、撥水化のためにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）処理を施したものを使用することもできる。

ＭＥＡは電池に組み込み、燃料を充填した状態での交流インピーダンス法による面積抵抗値が３Ωｃｍ^２以下のものが好ましく、１Ωｃｍ^２以下のものがさらに好ましく、０．５Ωｃｍ^２以下のものが最も好ましい。面積抵抗値は実測の抵抗値とサンプルの面積の積から得られる。

燃料電池の燃料として用いることのできるものを説明する。アノード燃料としては、水素、アルコール類（メタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど）、エーテル類（ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど）、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられる。カソード燃料としては、酸素（大気中の酸素も含む）、過酸化水素などが挙げられる。

直接メタノール型燃料電池では、アノード燃料として、メタノール濃度３〜６４重量％のメタノール水溶液が使用される。アノード反応式（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻）により、１モルのメタノールに対し、１モルの水が必要であり、この時のメタノール濃度は６４重量％に相当する。メタノール濃度が高い程、同エネルギー容量での燃料タンクを含めた電池の重量および体積が小さくできる利点がある。しかしながら、メタノール濃度が高い程、メタノールが固体電解質フィルムを透過しカソード側で酸素と反応し電圧を低下させる、いわゆるクロスオーバー現象が顕著となり、出力が低下する傾向にある。そこで、用いる固体電解質フィルムのメタノール透過性により、最適濃度が決められる。直接メタノール型燃料電池のカソード反応式は、（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→Ｈ_２Ｏであり、燃料として酸素（通常は空気中の酸素）が用いられる。

上記アノード燃料およびカソード燃料を、それぞれの触媒層１３２ｂ，１３３ｂに供給する方法としては、（１）ポンプ等の補助機器を用いて強制的に送りこむ方法（アクティブ型）と、（２）補助機器を用いない方法、例えば、燃料が液体である場合には毛管現象や自然落下により、気体である場合には大気に触媒層をさらして供給するパッシブ型との２通りの方法があり、また、（１）と（２）とを組み合わせることも可能である。（１）は、カソード側で生成する水を抜き出すことにより、燃料として高濃度のメタノールを使用することができ、空気供給による高出力化ができる等の利点がある反面、燃料供給系を備える事により小型化がし難い欠点がある。（２）は、小型化が可能な利点がある反面、燃料供給が律速となり易く高い出力が出にくい欠点がある。

燃料電池の単セル電圧は一般的に１Ｖ以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて、単セルを直列スタッキングして用いる。スタッキングの方法としては、単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」および、単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレータを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。前者は、カソード極（空気極）が表面に出るため、空気を取り入れ易く、薄型にできることから小型燃料電池に適している。この他にも、ＭＥＭＳ技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も提案されている。

燃料電池は、自動車用、家庭用、携帯機器用など様々な利用が考えられているが、特に、直接メタノール型燃料電池は、小型、軽量化が可能であり充電が不要である利点を活かし、様々な携帯機器やポータブル機器用エネルギー源としての利用が期待されている。例えば、好ましく適用できる携帯機器としては、携帯電話、モバイルノートパソコン、電子スチルカメラ、ＰＤＡ、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、モバイルサーバー、ウエラブルパソコン、モバイルディスプレイなどが挙げられる。好ましく適用できるポータブル機器としては、ポータブル発電機、野外照明機器、懐中電灯、電動（アシスト）自転車などが挙げられる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された２次電池の充電用電源としても有用である。

次に、本発明の実施例を説明する。なお、以下の各実施例において、「実験１」〜「実験６」は本発明の実施様態の例であり、「比較実験１」〜「比較実験４」は本発明に対する比較実験である。

化５のＸがＨ以外のカチオン種である化合物を前駆体として用いた。この前駆体を原料Ａとする。この原料Ａは、化５におけるＸがＮａ、ｎが０．４、数平均分子量Ｍｎが５００００、量平均分子量Ｍｗが１２００００である。溶媒は、溶媒成分１と溶媒成分２との混合物である。溶媒成分１は原料Ａの良溶媒であり、溶媒成分２は原料Ａの貧溶媒である。原料Ａと溶媒とを以下に示す比で混合して原料Ａをこの溶媒に溶解し、全重量に対し２０重量％の原料Ａを含むドープを製造した。このドープを以降の説明ではドープＡと称する。なお、ドープの中には、塩を含ませた場合と含ませない場合とがあるが、これについては、各実験条件とともに後述する。
・原料Ａ；１００重量部
・溶媒成分１；ＤＭＳＯ２５６重量部
・溶媒成分２；メタノール１７１重量部

［固体電解質フィルムの製造］
ドープＡからフィルム製造設備３３により実験１〜６，比較実験１〜４の各条件で固体電解質フィルムをつくった。表１には、実験１〜６，比較実験１〜４の各条件と、評価結果とを示す。表１における項目番号は、以下の条件及び評価項目の各番号に対応する。
１の（ａ）・・・ドープに加えた塩の種類、加えなかった場合には「−」を記載する。
１の（ｂ）・・・前駆体であるポリマーの重量を１００としたときに、ドープに加えた塩の重量の割合（単位；重量％）
２．ドラム９６の温度（単位；℃）
３．流延室８１の湿度（単位；％ＲＨ）
４．剥ぎ取り時における流延膜の貯蔵弾性率（単位；Ｐａ）
５．形成された流延膜が剥ぎ取られるまでの時間（単位；分）
６．ドラム９６からの流延膜の剥ぎ取り性を目視で評価した結果であり、評価基準は以下のとおり。
○；剥ぎ取ることができた
×；自重により変形してしまうあるいは引きちぎれてしまう等で剥ぎ取ることができなかった
７．得られた固体電解質フィルムにおける多価の塩の濃度（単位；ｐｐｍ）
なお、上記項目６において「×」であったものについては、サンプル片を切り出して、このサンプル片で測定した。
８．プロトン伝導度（単位Ｓ／ｃｍ）；プロトン伝導度の測定は、ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ１４３巻４号１２５４−１２５９項（１９９６年）に従い、４端子交流法を用いて行なった。具体的には、先ず、各固体電解質フィルムから長さ２ｃｍ、幅１ｃｍに切り抜いたものをサンプルとした。次に、ＰＴＦＥ板に５ｍｍ間隔で白金線を４本固定したものに先のサンプルを載せた後、更にＰＴＦＥ板を載せてから、これらをビスで固定して試験セルとした。そして、この試験セルと、ソーラトロン製１４８０型及び１２２５Ｂ型を組合せたインピーダンスアナライザーとを用いて、２５℃と８０℃との各水中で交流インピーダンス法によりプロトン伝導度を測定した。２５℃の水中での結果を（ａ）欄に、８０℃の水中での結果を（ｂ）欄に記す。なお、上記項目６において「×」であったものについては、サンプル片を切り出して、このサンプル片で評価した。

本発明により固体電解質フィルムの製造工程における乾燥時間を短くして、プロトン伝導度が高い固体電解質フィルムを大量に生産することができる。

ドープ製造設備の概略図である。固体電解質フィルムの製造フローである。固体電解質フィルム製造設備の概略図である。電極膜複合体の断面図である。燃料電池の分解断面図である。

符号の説明

２４ドープ
３３フィルム製造設備
９６ドラム
６７湿潤前駆体フィルム６７
７８固体電解質フィルム

Claims

溶剤と固体電解質でありスルホン酸基を有するポリマーと前記溶剤中で多価の陽イオンを生じる塩とを含むドープを支持体の上に流延して流延膜を形成する工程と、
表面温度を−２０℃〜１０℃の範囲で一定とした前記支持体により前記流延膜を冷却する工程と、
前記流延膜を前記支持体から剥がして乾燥する工程と、
を有することを特徴とする固体電解質フィルムの製造方法。
前記陽イオンは、Ｍｇ^２＋，Ｃａ^２＋，Ｓｒ^２＋，Ｂａ^２＋，Ａｌ^３＋の少なくともいずれかひとつであることを特徴する請求項１記載の固体電解質フィルムの製造方法。
前記流延膜に水を含ませることを特徴とする請求項１または２記載の固体電解質フィルムの製造方法。