WO2015152058A1 - 高分子電解質組成物、ならびに、それを用いた高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池 - Google Patents

高分子電解質組成物、ならびに、それを用いた高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池 Download PDF

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出原大輔
梅田浩明
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Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte composition, a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer-covered electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell.
  • a fuel cell is a kind of power generation device that extracts electric energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source.
  • the polymer electrolyte fuel cell has a standard operating temperature as low as around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship.
  • a mobile power generator such as an automobile or a ship.
  • secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.
  • an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit.
  • the main component of the polymer electrolyte membrane is an ionic group-containing polymer (polymer electrolyte material), but it is also possible to use a polymer electrolyte composition containing an additive or the like in order to enhance durability.
  • the polymer electrolyte composition is also suitable as a binder for an electrode catalyst layer used in a particularly severe oxidizing atmosphere.
  • the required characteristics of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte composition include firstly high proton conductivity, and it is particularly necessary to have high proton conductivity even under high temperature and low humidification conditions.
  • the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte composition serve as a barrier that prevents direct reaction between the fuel and oxygen, low fuel permeability is required.
  • Nafion registered trademark
  • DuPont which is a perfluorosulfonic acid polymer
  • Nafion registered trademark
  • DuPont which is a perfluorosulfonic acid polymer
  • the softening point is low and it cannot be used at a high temperature, and further, the problem of disposal after use and the difficulty of recycling materials are pointed out.
  • development of hydrocarbon-based electrolyte membranes has recently been activated as an inexpensive polymer electrolyte membrane that can replace Nafion (registered trademark) and has excellent membrane characteristics.
  • any of these polymer electrolyte membranes has a problem of insufficient chemical stability when used in a polymer electrolyte fuel cell.
  • the mechanism of chemical degradation has not been fully elucidated, but hydrogen peroxide generated mainly at electrodes during power generation, and hydroxy radicals generated by the reaction of the hydrogen peroxide with iron ions and copper ions in the film
  • the polymer chain and the side chain may be cut, and the polymer electrolyte membrane may become thin or fragile.
  • the polymer electrolyte membrane that has become fragile is damaged while it repeatedly swells and contracts in accordance with changes in humidity.
  • Patent Document 1 discloses that a perfluorosulfonic acid polymer is a polyphenylene sulfide (hereinafter sometimes abbreviated as PPS) which is a sulfur-containing polymer and a polybenzimidazole (hereinafter abbreviated as PBI) which is a nitrogen-containing polymer.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PBI polybenzimidazole
  • Patent Document 2 proposes a polymer electrolyte composition in which a polyamic acid or a polyimide is blended with a perfluorosulfonic acid polymer or a sulfonic acid group-containing polyether ketone polymer (hereinafter sometimes abbreviated as sPEK). Yes.
  • Patent Document 3 proposes a polymer electrolyte composition in which perfluorosulfonic acid polymer or sPEK is mixed with insoluble PBI particles.
  • Patent Document 1 long-term durability is still insufficient.
  • Patent Document 2 suppresses methanol permeation by mixing polyamic acid and performing heat treatment, but both power generation performance and long-term durability are insufficient.
  • Patent Document 3 discloses that although the durability of the polymer electrolyte composition can be improved to some extent by decomposing hydrogen peroxide and hydroxy radicals by adding PBI, in terms of long-term durability. It was still inadequate.
  • the polymer electrolyte composition according to the prior art is insufficient as a means for improving economy, workability, proton conductivity, mechanical strength, chemical stability, and physical durability, and is industrially useful. It was not possible to become a polyelectrolyte composition.
  • the present invention has excellent chemical stability that can withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation, and also has excellent proton conductivity and excellent mechanical strength under low humidification conditions.
  • a practically useful polymer electrolyte composition capable of achieving physical durability, and a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer-covered electrolyte membrane, a membrane electrode composite, and a solid polymer fuel cell using the same It is to be provided.
  • a polymer electrolyte composition by containing an ionic group-containing polymer, a compound having an azole ring, and a specific transition metal-containing additive.
  • Products, especially polymer electrolyte membranes for fuel cells and membrane electrode composites, including proton conductivity and power generation characteristics including low humidification conditions, processability such as film forming properties, oxidation resistance, radical resistance, and hydrolysis resistance In addition to investigating that it is possible to express excellent performance in physical stability such as chemical stability, membrane mechanical strength, hot water resistance, etc. completed.
  • the polymer electrolyte composition of the present invention is a polymer electrolyte composition containing an ionic group-containing polymer (A), a compound having an azole ring (B), and a transition metal-containing additive (C),
  • the transition metal is at least one selected from the group consisting of cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, silver and gold.
  • the present invention has excellent chemical stability that can withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation, and also has excellent proton conductivity under low humidification conditions, excellent mechanical strength and physical durability. It is possible to provide a polymer electrolyte composition having excellent practicality, and a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer-covered electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell using the same.
  • (M1) to (M4) are explanatory views schematically showing aspects of a phase separation structure in a polymer electrolyte membrane, wherein (M1) is co-continuous, (M2) is lamellar, and (M3) is a cylinder structure. , (M4) illustrates a sea-island structure.
  • the compound (B) having an azole ring is a compound having at least one azole ring in the molecule.
  • the azole ring is a hetero five-membered ring containing one or more nitrogen atoms in the ring.
  • the hetero five-membered ring may contain atoms such as oxygen and sulfur other than nitrogen as hetero atoms other than carbon.
  • azole ring for example, in addition to a pyrrole ring containing only one nitrogen atom as a hetero atom other than a carbon atom, those having two hetero atoms other than a carbon atom include imidazole (1,3-diazole). ) Ring, oxazole ring, thiazole ring, selenazole ring, pyrazole (1,2-diazole) ring, isoxazole ring, isothiazole ring, etc.
  • imidazole ring imidazole ring, oxazole ring, thiazole ring, selenazole ring, 1H-1,2,3-triazole (1,2,3-triazole) ring, 1H-1, A 2,4-triazole (1,2,4-triazole) ring is preferable, and an imidazole ring is more preferable because it is easy to synthesize and can be used at low cost.
  • the azole ring as described above may be condensed with an aromatic ring such as a benzene ring, for example, p-phenylene group, m-phenylene group, naphthalene group, diphenylene ether group, diphenylene sulfone group, From the viewpoint of obtaining heat resistance, it is preferable to use a compound in which a divalent aromatic group such as a biphenylene group, a terphenyl group, or a 2,2-bis (4-carboxyphenylene) hexafluoropropane group is bonded to a hetero five-membered ring. .
  • the compound (B) having an azole ring is preferably a polyazole compound from the viewpoints of chemical stability and elution resistance.
  • polyazole compounds include polyimidazole compounds, polybenzimidazole compounds, polybenzobisimidazole compounds, polybenzoxazole compounds, polyoxazole compounds, polythiazole compounds, polybenzothiazole compounds, and the like. Examples include coalescence, but are not particularly limited.
  • polybenzimidazole compounds polybenzbisimidazole compounds, polybenzoxazole compounds, and polybenzthiazole compounds are preferable from the viewpoint of heat resistance and processability, and are easy to synthesize and used at low cost. Therefore, a polybenzimidazole compound is more preferable.
  • a macrocyclic compound is also preferable from the viewpoint of chemical stability and elution resistance.
  • the macrocyclic compound include compounds having a choline skeleton, a porphyrin skeleton, and a phthalocyanine skeleton, and compounds having an azacalixarene skeleton.
  • choline, porphyrin, protoporphyrin, phthalocyanine, corrole, chlorin, bacteriochlorin, coproporphyrinogen I, coproporphyrinogen III, uroporphyrinogen I, uroporphyrinogen III, protoporphyrinogen IX , Azacalixarene and the like but are not particularly limited.
  • choline, porphyrin, phthalocyanine, and azacalixarene are preferably used from the viewpoint of production cost, and porphyrin and phthalocyanine are more preferably used from the viewpoint of metal inactivation ability.
  • the trivalent nitrogen atom contained in the compound (B) having an azole ring is oxidized to a pentavalent N-oxide to function as a peroxide decomposing agent.
  • the nitrogen atom portion functions as a ligand for metal ions (Fe 2+ , Cu 2+, etc.) and functions as a metal deactivator that is deactivated by forming a strong complex.
  • the ionic group-containing polymer (A) and the compound having an azole ring (B) are uniformly mixed.
  • the ionic group-containing polymer (A) and the compound (B) having an azole ring are not uniformly mixed, that is, when having a phase separation structure, the swelling / contraction of the polymer electrolyte composition during fuel cell operation In some cases, delamination occurs at the interface portion of the phase separation structure, and the durability is lowered due to breakage starting from this.
  • the compound (B) having an azole ring and the ionic group-containing polymer (A) are in contact with each other only at the interface portion of the phase separation, the effect of the present invention cannot be sufficiently obtained.
  • the polymer electrolyte membrane described later when a block copolymer is used as the ionic group-containing polymer (A) and the polymer electrolyte membrane described later has a phase separation structure such as co-continuous or lamellar, the ionic group
  • the compound (B) having an azole ring is uniformly mixed with the compound (B) having an azole ring in any phase of the phase-separated ionic group-containing polymer (A) ( B) shall not be phase separated.
  • ionic group-containing polymer (A) and the compound (B) having an azole ring are uniformly mixed can be confirmed by the following method.
  • TEM transmission electron microscope
  • the shape of the island phase includes a circle, an ellipse, a polygon, and an indefinite shape.
  • the contrast of the black island particles is mainly caused by the compound (B) having an azole ring
  • the white sea (continuous phase) part is mainly caused by the ionic group-containing polymer (A).
  • the island phase (island particles) has a maximum length of 2 nm or more, and if it has only a size smaller than that, it is determined that it is uniformly mixed.
  • the sea phase may have a white and gray co-continuous or lamellar phase separation structure depending on the structure of the polymer and the contrast of TEM observation.
  • the compound (B) having an azole ring used in the present invention is a hydrocarbon solvent such as hexane, benzene, toluene, xylene, methanol, ethanol, isopropyl alcohol from the viewpoint of ease of processing and suppression of formation of a phase separation structure.
  • Alcohol solvents such as ethyl acetate and butyl acetate, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone, ether solvents such as diethyl ether and tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide and dimethylimidazolidinone It is preferable that it is soluble in a general-purpose organic solvent such as an aprotic polar solvent such as dimethyl sulfoxide and N-methyl-2-pyrrolidone.
  • a general-purpose organic solvent such as an aprotic polar solvent such as dimethyl sulfoxide and N-methyl-2-pyrrolidone.
  • the particle diameter of the compound (B) having an azole ring in the solution is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and particularly preferably 2 nm or less. A solution in which particles having a particle diameter exceeding 2 nm are not confirmed can be most preferably used.
  • polyazole compounds and macrocyclic compounds generally have low solubility in a solvent.
  • the solubilization method is not particularly limited, but it is preferable to apply (1) spray drying method, (2) alkali dissolution, and (3) low molecular weight, (1) spray drying method, (2) alkali dissolution. Is more preferable, and (1) spray drying is more preferable.
  • the spray drying method of (1) is a method of instant drying by spraying a solution of a target substance as fine particles of several hundred ⁇ m or less in a flow of high-temperature air or nitrogen gas or in a vacuum chamber. It is. By applying this method, an amorphous porous body of the compound (B) having an azole ring can be obtained.
  • an insoluble / slightly soluble polyazole compound or a macrocyclic compound is stirred by stirring at room temperature. It can be easily dissolved.
  • the alkali dissolution of (2) is a method of forming a salt and solubilizing it by reacting the compound (B) having an azole ring with an alkali metal hydroxide.
  • a protic compound comprising a mixture of an organic solvent such as methanol, ethanol, 1-propanol, isopropyl alcohol, butanol or glycerin and water is used.
  • a polar solvent such as dimethyl sulfoxide or N-methyl-2-pyrrolidone.
  • the molecular weight used depends on the structure of the compound (B) having an azole ring.
  • the compound (B) having an azole ring For example, in the case of polybenzimidazole which is a kind of polyazole compound, Those having a weight average molecular weight of 1000 or more and 10,000 or less are preferably used.
  • a compound having a relatively low molecular weight By applying a compound having a relatively low molecular weight, the interaction between additive molecular chains can be reduced and solubilized.
  • the weight average molecular weight of the compound (B) having an azole ring used in the present invention is preferably 500 or more, more preferably 1000 or more.
  • the weight average molecular weight is less than 500, the compound (B) having an azole ring may bleed out on the surface of the polymer electrolyte composition, thereby reducing the power generation performance.
  • the weight average molecular weight is preferably 1,000,000 or less, more preferably 500,000 or less, and further preferably 300,000 or less.
  • the weight average molecular weight is larger than 1,000,000, the dispersibility of the compound (B) having an azole ring in the composition may deteriorate and processing may become difficult.
  • the compound (B) having an azole ring used in the polymer electrolyte composition of the present invention is preferably not dissolved in an aqueous solution containing a strongly acidic substance having a sulfonic acid group or the like.
  • the compound (B) having an azole ring preferably has a solubility in water and sulfuric acid at 60 ° C. of 100 mg / L or less, more preferably 20 mg / L or less, and particularly preferably 4 mg / L or less. If it is in this range, the compound (B) having an azole ring can maintain its effect without eluting out of the membrane, and more excellent chemical stability and durability can be obtained.
  • the content of the compound (B) having an azole ring used in the present invention can be appropriately selected in consideration of the balance between power generation characteristics and durability, and is not limited, but the polymer electrolyte composition 0.002 weight% or more of the whole is preferable, 0.01 weight% or more is more preferable, and 0.02 weight% or more is further more preferable.
  • the upper limit is preferably 15% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and further preferably 3% by weight or less. If it is less than 0.002% by weight, the durability may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 15% by weight, proton conductivity may be insufficient.
  • the ionic group-containing polymer (A) and the compound (B) having an azole ring are compounds having an ionic group and an azole ring contained in the ionic group-containing polymer (A). What forms the intermolecular interaction in the part of the nitrogen atom contained in (B) is also preferable.
  • hydrogen peroxide and hydroxy radicals are highly hydrophilic compounds, and easily diffuse in the vicinity of an ionic group having high hydrophilicity and high water concentration in the electrolyte membrane.
  • intermolecular interaction examples include, but are not limited to, ion complexes, hydrogen bonds, dipole interactions, van der Waals forces, and the like. Among these, those that form ion complexes, hydrogen bonds, and dipole interactions are preferred, those that form ion complexes and hydrogen bonds are more preferred, and those that form ion complexes are particularly preferred.
  • the stronger the intermolecular interaction the stronger the cross-linking between the ionic group-containing polymer (A) and the compound (B) having an azole ring, which suppresses swelling / shrinkage of the polymer electrolyte composition.
  • the mechanical strength can be improved.
  • FT-IR Fourier-Transform Infrared Spectrometer
  • the compound (B) having an azole ring preferably does not contain an ionic group.
  • the ionic group refers to a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, and the like. If the compound (B) having an azole ring has an ionic group, the solubility in water and acid increases, so that the compound (B) having an azole ring is eluted out of the membrane and the chemical stability and durability are reduced. There is a case.
  • the ionic group contained in the compound (B) having an azole ring and the nitrogen atom of the azole ring cause a neutralization reaction, the intermolecular interaction with the ionic group contained in the ionic group-containing polymer (A) In some cases, the effects of decomposition of hydrogen peroxide and hydroxy radicals, suppression of swelling and shrinkage, and improvement of mechanical strength cannot be obtained sufficiently.
  • the method of blending the ionic ring-containing polymer (A) with the compound (B) having an azole ring is not particularly limited, and examples thereof include the following methods. Among these, it is more preferable to use the method (1) from the viewpoint of excellent mass productivity.
  • the contact method includes dipping, bar coating, spray coating, slit die, knife coating, air knife, brushing, gravure coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade over roll (additive solution or dispersion liquid).
  • the method include, but are not limited to, a method in which the polymer electrolyte composition is applied to a molded body and then passed through a gap between a knife and a support roll to remove excess liquid.
  • Transition metal-containing additive (C) examples of the transition metal contained in the transition metal-containing additive (C) used in the present invention include cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, silver, and gold. By using these metals, particularly excellent durability can be imparted to the polymer electrolyte composition. Of these, cobalt, nickel, ruthenium, and rhodium are preferably used because durability can be further improved, and cobalt, nickel, and ruthenium are particularly preferably used because they can be used at low cost.
  • the embodiment of the transition metal-containing additive (C) used in the present invention is not particularly limited, but specific examples include zero-valent metals, oxides, fluorides, chlorides, bromides, iodides, and nitrates. , Sulfate, sulfonate, carbonate, phosphate, phosphonate, acetate, oxalate, acetylacetonate complex, phenanthroline complex, and the like. Above all, it is highly effective in suppressing oxidative degradation, so it is zero-valent metal, oxide, chloride, bromide, iodide, nitrate, sulfate, sulfonate, carbonate, phosphate, phosphonate, acetic acid.
  • Salts, acetylacetonato complexes, and phenanthroline complexes are preferable, and zero-valent metals, oxides, sulfates, nitrates, phosphates, phosphonates, acetylacetonato complexes, and phenanthroline complexes are more preferable because of high elution resistance. Further, zero-valent metals, oxides, nitrates, acetylacetonato complexes, and phenanthroline complexes are more preferable because they are inexpensive and easy to add to the electrolyte composition.
  • the content of the transition metal-containing additive (C) to be used can be appropriately selected in consideration of the balance between power generation characteristics and durability, and is not limited, but is not limited to 0. 0% of the entire polymer electrolyte composition. 002% by weight or more is preferable, 0.01% by weight or more is more preferable, and 0.02% by weight or more is more preferable. On the other hand, the upper limit is preferably 15% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and further preferably 3% by weight or less. If it is less than 0.002% by weight, the durability may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 15% by weight, proton conductivity may be insufficient.
  • the content ratio of the compound (B) having an azole ring and the transition metal-containing additive (C) used in the present invention can be appropriately selected in consideration of the balance between power generation characteristics and durability, and is limited.
  • the molar ratio of nitrogen / transition metal is preferably 0.01 or more, more preferably 0.1 or more, and even more preferably 1 or more.
  • the upper limit is preferably 100 or less, more preferably 20 or less, and even more preferably 10 or less. When it is less than 0.01, proton conductivity and hot water resistance may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 100, the durability improving effect may be reduced.
  • the location where the transition metal-containing additive (C) is contained is not particularly limited in the catalyst layer-coated electrolyte membrane and membrane electrode assembly described below, but specifically, the electrolyte membrane, cathode catalyst layer, anode catalyst layer, cathode Between the catalyst layer and the first surface of the polymer electrolyte membrane, between the anode catalyst layer and the second surface of the polymer electrolyte membrane, the cathode gas diffusion layer, between the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer, and anode gas diffusion A layer, an anode gas diffusion layer, and an anode catalyst layer.
  • the cathode catalyst layer, the cathode catalyst layer and the second surface of the polymer electrolyte membrane between the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer can be obtained by suppressing the deterioration of the catalyst layer due to the reverse current. Is preferred.
  • the method of blending the transition metal-containing additive (C) into the catalyst layer-covered electrolyte membrane or membrane electrode assembly described below is not particularly limited, and is appropriately selected according to the type of the transition metal-containing additive (C) and the place where it is added. For example, the following methods can be mentioned. (1) After dissolving or dispersing the transition metal-containing additive (C) in a solution or dispersion of the ionic group-containing polymer (A), a film is formed using the obtained liquid, and a polymer electrolyte membrane is obtained. How to make. (2) A method in which the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer are brought into contact with the liquid in which the transition metal-containing additive (C) is dissolved. (3) A method in which the transition metal-containing additive (C) is blended in the catalyst ink or decal sheet.
  • Examples of the contact method include dipping, bar coating, spray coating, slit die, knife coating, air knife, brushing, gravure coating, screen printing, ink jet printing, doctor blade overroll (additive solution or dispersion as a polymer electrolyte composition)
  • a method of applying to a molded article and then removing excess liquid through a gap between the knife and the support roll) is not limited thereto.
  • Nitrogen atoms and transition metal atoms and / or ions contained in the compound (B) having an azole ring function as a complex that decomposes peroxides and hydroxy radicals by forming a complex, and Suppressing elution.
  • the polymer electrolyte composition of the present invention is particularly suitably used as a polymer electrolyte molded body.
  • the polymer electrolyte molded body means a molded body containing the polymer electrolyte composition of the present invention.
  • the polymer electrolyte molded body of the present invention includes membranes (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, micropores, coatings, and foams. It can take various forms depending on the intended use.
  • the polymer can be applied to a wide range of applications because it can improve the design freedom of the polymer and improve various properties such as mechanical properties and solvent resistance.
  • the polymer electrolyte molded body is preferably a membrane.
  • the polymer electrolyte molded body of the present invention preferably has a co-continuous or lamellar phase separation structure.
  • a phase-separated structure includes, for example, an ionic group-containing polymer (A) having two or more incompatible segments such as a segment containing an ionic group and a segment not containing an ionic group as described later.
  • A ionic group-containing polymer
  • the structural form can be roughly divided into four types: co-continuous (M1), lamella (M2), cylinder (M3), and sea island (M4). 1).
  • the phase separation structure is composed of a hydrophilic domain composed of a component containing an ionic group and a component not containing an ionic group. Are often formed from hydrophobic domains.
  • the white continuous phase is formed by one domain selected from the hydrophilic domain and the hydrophobic domain, and the dark continuous phase or dispersed phase is formed by the other domain.
  • both the hydrophilic domain and the hydrophobic domain form a continuous phase.
  • the compound (B) having an azole ring and the transition metal-containing additive (C) are polar (hydrophilic). And (hydrophobic) are appropriately selected to concentrate on the hydrophilic domain formed by the segment (A1) containing an ionic group or the hydrophobic domain formed by the segment (A2) containing no ionic group. It is possible to arrange.
  • Hydroxyl radical and hydrogen peroxide are usually highly hydrophilic and are present in the hydrophilic domain formed by the segment (A1) containing an ionic group and are considered to cut the segment. Therefore, the compound (B) having a hydrophilic azole ring and the transition metal-containing additive (C) are effective for stabilizing the segment (A1) containing an ionic group. From this point of view, the compound (B) having the azole ring present in the hydrophilic domain and the concentration of the transition metal-containing additive (C) having the azole ring existing in the hydrophobic domain (B ) And the concentration of the transition metal-containing additive (C) are each preferably twice or more.
  • the concentration of the compound (B) having an azole ring and the transition metal-containing additive (C) in each domain is determined by an energy dispersive X-ray analysis (EDX) or electron beam microanalyzer (EPMA) to determine the content of nitrogen and transition metals by mapping.
  • EDX energy dispersive X-ray analysis
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • elemental analysis is performed at 50 points for each of the hydrophilic domain and the hydrophobic domain to determine the average amount of nitrogen and average amount of transition metal in the domain, and the concentration of the compound (B) having an azole ring is as follows.
  • the concentration in each domain can be calculated according to the following formula.
  • Concentration (% by weight) of compound (B) having an azole ring 100 ⁇ [average nitrogen content in domain (% by weight) ⁇ polymer nitrogen content (% by weight)] / [Nitrogen content (% by weight) of compound (B) having an azole ring-polymer nitrogen content (% by weight)]
  • the amount of polymer nitrogen and the amount of nitrogen in the compound (B) having an azole ring are the amounts of nitrogen contained in the polymer electrolyte and the compound (B) having an azole ring, respectively.
  • the hydrophobic domain formed by the segment (A2) not containing an ionic group is a component responsible for mechanical strength
  • physical durability can be obtained by arranging the compound (B) having a hydrophobic azole ring. It is thought that there is an effect of improving.
  • the compound (B) having a hydrophilic azole ring and the compound (B) having a hydrophobic azole ring are also preferably used in combination as necessary.
  • phase separation structure is described in, for example, Annual Review of Physical Chemistry, 41, 1990, p. 525 etc.
  • excellent proton conductivity can be realized even under low humidification and low temperature conditions.
  • a polymer electrolyte excellent in proton conductivity is formed by forming a continuous proton conducting channel.
  • a molded body can be obtained, but at the same time, a polymer electrolyte molded body having excellent fuel barrier properties, solvent resistance, mechanical strength, and physical durability due to the crystallinity of the hydrophobic domain can be realized.
  • a co-continuous (M1) phase separation structure is particularly preferred.
  • the domain means a lump formed by aggregating similar substances and segments in one molded body.
  • having a co-continuous (M1) or lamellar (M2) phase separation structure can be confirmed by observing a desired image by the following method.
  • a three-dimensional view of a digital slice taken from three directions of length, width, and height is compared with a three-dimensional view obtained by TEM tomography observation of a polymer electrolyte molded body.
  • the phase separation structure is
  • the hydrophilic domain containing (A1) and the hydrophobic domain containing (A2) together form a continuous phase in all three views.
  • each of the continuous phases shows a complicated pattern, whereas in the case of a lamellar structure, a pattern in which the layers are continuous is shown.
  • the continuous phase means a phase in which individual domains are connected without being isolated from each other macroscopically, but there may be a part that is not partially connected.
  • a polymer in order to clarify the aggregation state and contrast of the segment (A1) containing an ionic group and the segment (A2) containing no ionic group, a polymer is added in a 2% by weight lead acetate aqueous solution.
  • the ionic group is ion-exchanged with lead, and then subjected to observation with a transmission electron microscope (TEM) and TEM tomography.
  • TEM transmission electron microscope
  • a phase separation structure is observed when TEM observation is performed at a magnification of 50,000 times, and an average interlayer distance or an average interparticle distance measured by image processing is 5 nm or more.
  • the upper limit is preferably 500 nm or less, more preferably 50 nm or less, and even more preferably 30 nm or less.
  • the block copolymer used as the ionic group-containing polymer (A) preferably has crystallinity while having a phase separation structure, and crystallinity is recognized by differential scanning calorimetry (DSC) or wide-angle X-ray diffraction. Is preferred. Specifically, it is preferable that the amount of crystallization measured by differential scanning calorimetry is 0.1 J / g or more, or the degree of crystallinity measured by wide-angle X-ray diffraction is 0.5% or more. Note that “having crystallinity” means that the polymer can be crystallized when the temperature is raised, has a crystallizable property, or has already been crystallized.
  • An amorphous polymer means a polymer that is not a crystalline polymer and that does not substantially proceed with crystallization. Therefore, even if it is a crystalline polymer, when the crystallization has not progressed sufficiently, the polymer may be in an amorphous state.
  • the film thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 1 ⁇ m or more, more preferably 3 ⁇ m or more, and even more preferably 10 ⁇ m or more from the viewpoint of mechanical strength and physical durability of the membrane that can withstand practical use. In order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance, it is preferably 2000 ⁇ m or less, more preferably 50 ⁇ m or less, and even more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.
  • the polymer electrolyte membrane of the present invention has various polymers, elastomers, fillers, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, etc. within the range that does not adversely affect the above-mentioned various properties.
  • Additives such as fine particles, crystallization nucleating agents, plasticizers, stabilizers, antioxidants or mold release agents used in ordinary polymer compounds may be included.
  • you may reinforce with a microporous film, a nonwoven fabric, a mesh, etc.
  • the catalyst layer-coated electrolyte membrane of the present invention includes a polymer electrolyte membrane containing an ionic group-containing polymer (A) described later, an anode catalyst layer formed on the first surface of the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte.
  • a catalyst layer-coated electrolyte membrane comprising at least one transition metal-containing additive (C) selected from the group consisting of cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, silver and gold.
  • the trivalent nitrogen atom contained in the compound (B) having an azole ring is oxidized to a pentavalent N-oxide to function as a peroxide decomposing agent.
  • the nitrogen atom contained in the compound (B) having an azole ring that has reacted with a peroxide and oxidized to a pentavalent N-oxide is reduced with hydrogen by the catalytic action of the transition metal-containing additive (C). And regenerate as trivalent nitrogen.
  • transition metal itself reacts with peroxides and hydroxy radicals to render them harmless.
  • a nitrogen atom contained in the compound (B) having an azole ring and a transition metal atom and / or an ion contained in the transition metal-containing additive (C) form a complex to form a peroxide or a hydroxy radical. It functions as a complex that decomposes and suppresses the elution of transition metals.
  • the membrane electrode assembly of the present invention includes a polymer electrolyte membrane containing an ionic group-containing polymer (A) described later, an anode catalyst layer formed on the first surface of the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane.
  • a membrane electrode assembly having a cathode catalyst layer, an anode gas diffusion layer, and a cathode gas diffusion layer formed on the second surface of the membrane, wherein at least one selected from a polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and a cathode catalyst layer
  • Bonding method of polymer electrolyte membrane and electrode (anode catalyst layer, cathode catalyst layer, anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer) when using the polymer electrolyte membrane of the present invention as a fuel cell (manufacturing method of membrane electrode assembly) )
  • Is not particularly limited, and known methods for example, chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, p.269, edited by Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.), Electrochemical Science and Technology ( Electrochemical Science and Technology), 1988, 135, 9, p.2209, etc., can be applied.
  • a catalyst ink made of catalyst-carrying carbon or an ionic conductor is applied to a polymer electrolyte membrane, or a decal sheet obtained by applying the catalyst ink to a substrate and drying to form a sheet is heated and polymerized.
  • a method of further bonding a gas diffusion electrode to the catalyst layer-covered electrolyte membrane produced by the method of transferring to the electrolyte membrane is also applicable.
  • the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the electrolyte membrane, the moisture content, the catalyst layer, and the electrode substrate. Further, in the present invention, it is possible to form a composite by pressing even when the electrolyte membrane is in a dry state or in a state of absorbing water.
  • Specific pressing methods include a roll press that defines pressure and clearance, and a flat plate press that defines pressure. From the viewpoint of industrial productivity and suppression of thermal decomposition of a polymer material having an ionic group, it is 0. It is preferably carried out in the range of from °C to 250 °C.
  • the pressurization is preferably as weak as possible from the viewpoint of electrolyte membrane and electrode protection.
  • a pressure of 10 MPa or less is preferable, and the electrode and the electrolyte membrane are stacked without carrying out the complexing by the hot press process.
  • Cell formation is also one of the preferred options from the viewpoint of preventing short-circuiting of the anode and cathode electrodes.
  • this method when power generation is repeated as a fuel cell, the deterioration of the electrolyte membrane presumed to be caused by a short-circuited portion tends to be suppressed, and the durability as a fuel cell is improved.
  • the location where the compound (B) having an azole ring is contained is not particularly limited, but at least one location selected from an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and an anode catalyst layer. included.
  • the location where the transition metal-containing additive (C) is contained is not particularly limited, but the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer, and the polymer Between the first surface of the electrolyte membrane, between the anode catalyst layer and the second surface of the polymer electrolyte membrane, cathode gas diffusion layer, between the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer, anode gas diffusion layer, anode gas diffusion It is contained in at least one location selected between the layer and the anode catalyst layer.
  • the electrolyte membrane, anode catalyst layer, cathode catalyst layer It is preferably any of them, and more preferably contained in the polymer electrolyte membrane from the viewpoint of suppressing a decrease in molecular weight due to chemical deterioration and membrane breakage due to swelling shrinkage.
  • the polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, catalyst layer-covered electrolyte membrane, and membrane electrode assembly of the present invention preferably further contain an additive containing a phosphorus atom.
  • the form in which the phosphorus atom is contained in the additive is not particularly limited, but is preferably a trivalent organic phosphorus compound because of its high ability to decompose hydrogen peroxide and hydroxy radicals, In order to suppress elution in the interior, phosphine and phosphinite compounds are more preferable.
  • the content of the phosphorus-containing additive used in the present invention can be appropriately selected in consideration of the balance between power generation characteristics and durability, and is not limited. 002% by weight or more is preferable, 0.01% by weight or more is more preferable, and 0.02% by weight or more is more preferable. About an upper limit, 15 weight% or less is preferable, 5 weight% or less is more preferable, and 3 weight% or less is further more preferable. If it is less than 0.002% by weight, the durability may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 15% by weight, proton conductivity may be insufficient.
  • the polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, catalyst layer-covered electrolyte membrane, and membrane electrode assembly of the present invention is at least one selected from cerium, manganese, titanium, zirconium, vanadium, chromium, molybdenum, tungsten, and iridium. It is also preferred to further contain other transition metals of the species. These other transition metals can be used in one or more embodiments selected from the group consisting of metals themselves, metal ions, salts containing metal ions, complexes containing metal ions, and metal oxides.
  • cerium, manganese, vanadium, molybdenum, tungsten, iridium are preferably used because of their high functions as radical scavengers and peroxide decomposers, more preferably cerium, manganese, iridium, and still more preferably.
  • Cerium, manganese and iridium particularly preferably cerium and manganese.
  • the content of other transition metals used in the present invention can be appropriately selected in consideration of the balance between power generation characteristics and durability, and is not limited. 002% by weight or more is preferable, 0.01% by weight or more is more preferable, and 0.02% by weight or more is more preferable.
  • the upper limit is preferably 15% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and further preferably 3% by weight or less. If it is less than 0.002% by weight, durability may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 15% by weight, proton conductivity may be insufficient.
  • the content ratio of the compound (B) having an azole ring and other transition metals used in the present invention can be appropriately selected in consideration of the balance between power generation characteristics and durability, and is not limited.
  • the molar ratio of nitrogen / other transition metal is preferably 0.01 or more, more preferably 0.1 or more, and even more preferably 1 or more.
  • the upper limit is preferably 100 or less, more preferably 20 or less, and still more preferably 10 or less. If it is less than 0.01, proton conductivity and hot water resistance may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 100, the durability improving effect may be reduced.
  • transition metal ions are not particularly limited, but specific examples include chloride ions, bromide ions, iodide ions, nitrates, sulfates, sulfonates, carbonates, phosphates, Examples thereof include phosphonates, acetates, oxalates, and acetylacetonate complexes.
  • nitrates, sulfates, sulfonates, carbonates, phosphates, phosphonates, and acetates are preferable because they are highly effective in suppressing oxidative degradation, and are inexpensive and easy to add to the electrolyte composition. Therefore, nitrates, phosphates, and acetates are more preferable.
  • transition metal oxides include cerium oxide, manganese oxide, chromium oxide, and iridium oxide. Of these, cerium oxide and manganese oxide are preferably used because they have a high effect of suppressing oxidative degradation.
  • the polymer electrolyte composition of the present invention preferably further contains a sulfur-containing additive.
  • a sulfur-containing additive sulfides are preferable from the viewpoint of power generation performance, aromatic polysulfides are more preferable from the viewpoint of heat resistance and chemical stability, and polyparaphenylene sulfide is particularly preferable from the viewpoint of manufacturing cost.
  • the ionic group-containing polymer (A) used in the present invention is not limited in structure as long as it contains an ionic group as described later and can achieve both power generation characteristics and chemical stability. Fluoropolymers and hydrocarbon polymers are typical examples.
  • the perfluoro polymer is a polymer in which most or all of the hydrogens of the alkyl group and / or alkylene group in the polymer are substituted with fluorine atoms.
  • a perfluoro polymer having an ionic group Commercial products such as Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark) (manufactured by Asahi Glass) and Aciplex (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei) can be mentioned.
  • These perfluoro polymers can be preferably used because the swelling and shrinkage accompanying the change in humidity are small, and the electrolyte membrane is not easily damaged by the change in humidity.
  • hydrocarbon polymer As the ionic group-containing polymer electrolyte.
  • the hydrocarbon polymer can be preferably used from the viewpoint of mechanical strength, physical durability, chemical stability, and the like, and is more preferably a hydrocarbon polymer having an aromatic ring in the main chain.
  • polymers having sufficient mechanical strength and physical durability that are used as engineering plastics are preferable.
  • the aromatic ring may include not only an aromatic ring consisting only of hydrocarbons but also a hetero ring. Further, a part of the aliphatic units may constitute a polymer together with the aromatic ring unit.
  • hydrocarbon polymer having an aromatic ring in the main chain examples include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyarylene.
  • examples include ketones, polyether ketones, polyarylene phosphine oxides, polyether phosphine oxides, polybenzoxazoles, polybenzthiazoles, polybenzimidazoles, aromatic polyamides, polyimides, polyether imides, polyimide sulfones, and the like. It is not limited to these.
  • aromatic polyether polymer In view of mechanical strength, physical durability, and manufacturing cost, an aromatic polyether polymer is preferable. In addition, it exhibits crystallinity due to good packing of the main chain skeleton structure and extremely strong intermolecular cohesion, and has the property of not dissolving in general solvents, and is excellent in tensile strength and elongation, tear strength and fatigue resistance. Aromatic polyether ketone polymers are particularly preferred.
  • the aromatic polyether ketone polymer is a general term for polymers having at least an aromatic ring, an ether bond and a ketone bond in the main chain, and includes an aromatic polyether ketone, an aromatic polyether ketone ketone, an aromatic Aromatic polyether ether ketone, aromatic polyether ether ketone ketone, aromatic polyether ketone ether ketone ketone, aromatic polyether ketone sulfone, aromatic polyether ketone phosphine oxide, aromatic polyether ketone nitrile and the like.
  • the ionic group of the ionic group-containing polymer (A) is preferably a negatively charged atomic group, and preferably has proton exchange ability.
  • a functional group a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used.
  • the ionic group includes a case where it is a salt.
  • the counter cation in the case where the ionic group forms a salt include an arbitrary metal cation, NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and the like.
  • R is an arbitrary organic group
  • the valence and the like are not particularly limited and can be used.
  • preferable metal cations include cations such as Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among them, Na, K, and Li cations that are inexpensive and can be easily proton-substituted are preferably used.
  • a method for introducing an ionic group into the structure includes a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, The method of introduce
  • a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used as a method for polymerizing using a monomer having an ionic group. Such a method is described, for example, in Journal of Membrane Science, 197, 2002, p. 231-242. This method is preferable because it is easy to control the ion exchange capacity of the polymer (hereinafter sometimes abbreviated as IEC).
  • a method for introducing an ionic group by a polymer reaction for example, Polymer Preprints (Japan), 51, 2002, p. It is possible by the method described in 750 etc.
  • Introduction of a phosphate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, phosphoric esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group.
  • Carboxylic acid groups can be introduced into the aromatic polymer by, for example, oxidizing an aromatic polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group.
  • the introduction of a sulfate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, sulfate esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group.
  • the method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 can be used.
  • sulfonation by reacting an aromatic polymer with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid.
  • a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform
  • the sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic polymer, and sulfur trioxide or the like can be used in addition to the above.
  • the degree of sulfonation can be controlled by the amount of sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time.
  • Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.
  • the molecular weight of the ionic group-containing polymer (A) thus obtained is preferably a weight average molecular weight in terms of polystyrene of at least 10,000 and more preferably at least 10,000. About an upper limit, 5 million or less are preferable and 500,000 or less are more preferable. If it is less than 10,000, any of mechanical strength, physical durability, and solvent resistance may be insufficient, such as cracks formed in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5,000,000, the solubility may be insufficient, the solution viscosity may be high, and the processability may be poor.
  • the ionic group-containing polymer (A) used in the present invention includes a segment (A1) containing an ionic group and a segment containing no ionic group from the viewpoint of proton conductivity and power generation characteristics under low humidification conditions. It is more preferable that the block copolymer contains at least one (A2). Further, a block copolymer having a linker site for connecting the segments is more preferable. Due to the presence of the linker, different segments can be linked while effectively suppressing side reactions.
  • the number average molecular weight of the segment (A1) containing an ionic group and the segment (A2) containing no ionic group is related to the domain size of the phase separation structure, and the proton conductivity and physical durability at low humidification From the balance, it is more preferably 50,000 or more, more preferably 10,000 or more, and most preferably 15,000 or more. Moreover, 50,000 or less is more preferable, More preferably, it is 40,000 or less, Most preferably, it is 30,000 or less.
  • the segment (A1) containing an ionic group is represented by the following general formula (S1)
  • the segment (A2) containing no ionic group is represented by the following general formula What contains the structural unit represented by Formula (S2) is preferable.
  • Ar 1 to Ar 4 represent any divalent arylene group, and at least one of Ar 1 and Ar 2 has an ionic group as a substituent.
  • Ar 3 and Ar 4 is .
  • Ar 1 ⁇ Ar 4 may be optionally substituted with also a good .
  • Ar 1 ⁇ Ar 4 is a non-ionic group group not having have an ionic group as a substituent structural units Each may be the same or different. * Represents a binding site with the general formula (S1) or other structural unit.)
  • Ar 5 to Ar 8 represent any divalent arylene group, which may be substituted, but does not have an ionic group. Ar 5 to Ar 8 are the same for each structural unit. However, it may be different. * Represents a binding site with the general formula (S2) or other structural unit.)
  • the block copolymer containing the structural units represented by the above general formulas (S1) and (S2) all arylene groups are chemically stabilized with an electron-attracting ketone group, and the surface is close to a plane. Due to the structure, the packing of the molecule is improved, so that it is toughened by imparting crystallinity, softened by lowering the glass transition temperature, and the physical durability is increased.
  • Examples of the unsubstituted skeleton of the divalent arylene groups Ar 1 to Ar 8 in the general formulas (S1) and (S2) include hydrocarbon-based arylene groups such as a phenylene group, a naphthylene group, a biphenylene group, and a fluorenediyl group, Heteroarylene groups such as pyridinediyl, quinoxalinediyl, thiophenediyl and the like can be mentioned, preferably a phenylene group, more preferably a p-phenylene group.
  • the segment (A1) containing an ionic group is more preferably a structural unit that is chemically stable, has an increased acidity due to an electron withdrawing effect, and is introduced with an ionic group at a high density.
  • the segment (A2) not containing an ionic group is more preferably a structural unit that is chemically stable and exhibits crystallinity due to strong intermolecular cohesion.
  • a content rate of the structural unit represented by general formula (S1) contained in the segment (A1) containing the said ionic group 20 mol% or more in the segment (A1) containing an ionic group is preferable. 50 mol% or more is more preferable, and 80 mol% or more is more preferable.
  • content rate of the structural unit represented by general formula (S2) contained in the segment (A2) which does not contain an ionic group 20 mol% or more in the segment (A2) which does not contain an ionic group is Preferably, 50 mol% or more is more preferable, and 80 mol% or more is more preferable.
  • the present invention for mechanical strength, dimensional stability and physical durability due to crystallinity May be insufficient.
  • Preferred examples of the structural unit represented by the general formula (S1) include structural units represented by the following general formula (P2) in terms of raw material availability.
  • a structural unit represented by the following formula (P3) is more preferable, and a structural unit represented by the following formula (P4) is more preferable.
  • M 1 ⁇ M 4 represents a hydrogen cation, a metal cation, an ammonium cation NR 4 + (R represents any organic group), identical to each other is M 1 ⁇ M 4 R1 to r4 each independently represents an integer of 0 to 4, r1 + r2 represents an integer of 1 to 8, and r1 to r4 may be different for each structural unit.
  • * Represents a binding site with the formula (P2) (P3) (P4) or other structural unit.
  • the block in the case of using a block copolymer containing at least one segment (A1) containing an ionic group and one or more segments (A2) containing no ionic group as the ionic group-containing polymer (A) in the present invention.
  • the molar composition ratio (A1 / A2) of the segment (A1) containing an ionic group and the segment (A2) containing no ionic group is more preferably 0.2 or more. 33 or more is more preferable, and 0.5 or more is more preferable. Moreover, 5 or less is preferable, 3 or less is more preferable, and 2 or less is further more preferable.
  • the molar composition ratio A1 / A2 is less than 0.2 or exceeds 5, proton conductivity under low humidification conditions may be insufficient, or hot water resistance and physical durability may be insufficient.
  • the ion exchange capacity of the segment (A1) containing an ionic group is preferably 2.5 meq / g or more, more preferably 3 meq / g or more, from the viewpoint of proton conductivity under low humidification conditions, and 3.5 meq / g. g or more is more preferable. Moreover, 6.5 meq / g or less is preferable, 5 meq / g or less is more preferable, and 4.5 meq / g or less is further more preferable.
  • the ion exchange capacity of the segment (A2) not containing an ionic group is preferably 1 meq / g or less, more preferably 0.5 meq / g or less, from the viewpoint of hot water resistance, mechanical strength, dimensional stability, and physical durability. 0.1 meq / g or less is more preferable. When the ion exchange capacity of the segment (A2) not containing an ionic group exceeds 1 meq / g, the hot water resistance, mechanical strength, dimensional stability, and physical durability may be insufficient.
  • the ionic group-containing polymer (A) a block copolymer containing at least one segment (A1) containing an ionic group and one or more segments (A2) containing no ionic group is used.
  • the ion exchange capacity is preferably 0.1 to 5 meq / g, more preferably 1.5 meq / g or more, and further preferably 2 meq / g or more from the viewpoint of the balance between proton conductivity and water resistance. preferable. Moreover, 3.5 meq / g or less is more preferable, and 3 meq / g or less is further more preferable.
  • the ion exchange capacity is less than 0.1 meq / g, proton conductivity may be insufficient, and when it is greater than 5 meq / g, water resistance may be insufficient.
  • the ion exchange capacity is a value determined by a neutralization titration method.
  • the neutralization titration method is performed as follows. In addition, a measurement shall be performed 3 times or more and the average value shall be taken.
  • (2) Add 50 mL of 5% by weight aqueous sodium sulfate solution to the electrolyte, and leave it for 12 hours for ion exchange.
  • the generated sulfuric acid is titrated using 0.01 mol / L sodium hydroxide aqueous solution.
  • a commercially available phenolphthalein solution for titration (0.1 w / v%) is added as an indicator, and the point at which light reddish purple is obtained is taken as the end point.
  • the ion exchange capacity is determined by
  • Ion exchange capacity (meq / g) [Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) ⁇ Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
  • the method for synthesizing the segment (A1) containing an ionic group and the segment (A2) not containing an ionic group is not particularly limited as long as a substantially sufficient molecular weight can be obtained. It can be synthesized using an aromatic nucleophilic substitution reaction of an aromatic group active dihalide compound and a divalent phenol compound, or an aromatic nucleophilic substitution reaction of a halogenated aromatic phenol compound.
  • the aromatic active dihalide compound used for the synthesis of the segment (A1) containing an ionic group the use of a compound in which an ionic group is introduced into the aromatic active dihalide compound as a monomer, chemical stability, production cost, ion
  • the amount of the sex group is preferable from the viewpoint that precise control is possible.
  • Preferred examples of the monomer having a sulfonic acid group as an ionic group include 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone.
  • 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoint of chemical stability and physical durability. From the viewpoint of polymerization activity, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is most preferable.
  • Examples of the aromatic active dihalide compound having no ionic group used for the synthesis of the segment (A1) containing an ionic group and the segment (A2) containing no ionic group include 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 4,4′-difluorodiphenyl ketone, 4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2 , 6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, and the like.
  • 4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable in terms of imparting crystallinity, mechanical strength, physical durability, and hot water resistance, and 4,4′- in terms of polymerization activity.
  • Difluorodiphenyl ketone is most preferred.
  • aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.
  • a halogenated aromatic hydroxy compound can be mentioned as a monomer having no ionic group used for the synthesis of the segment (A1) containing an ionic group and the segment (A2) containing no ionic group.
  • the said segment can synthesize
  • the halogenated aromatic hydroxy compound is not particularly limited, but 4-hydroxy-4′-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-chlorodiphenylsulfone, 4-hydroxy -4′-fluorodiphenylsulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) sulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) sulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) Examples include (4-chlorophenyl) ketone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) ketone, and the like.
  • these halogenated aromatic hydroxy compounds may be reacted together to synthesize an aromatic polyether compound.
  • the method for synthesizing the block copolymer is not particularly limited as long as a substantially sufficient molecular weight is obtained.
  • the segment containing an ionic group and the segment containing no ionic group are aromatic. It can be synthesized using a nucleophilic substitution reaction.
  • the monomer mixture or segment mixture is reacted in the presence of a basic compound.
  • a basic compound such polymerization can be carried out in a temperature range of 0 to 350 ° C., but a temperature of 50 to 250 ° C. is preferable. When the temperature is lower than 0 ° C, the reaction tends not to proceed sufficiently. When the temperature is higher than 350 ° C, the polymer may be decomposed.
  • the polymerization reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent.
  • Solvents that can be used include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide, etc.
  • Examples of the aprotic polar organic solvent include, but are not limited to, any solvents that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.
  • Examples of the basic compound used for the aromatic nucleophilic substitution reaction include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., but aromatic diols are active phenoxide structures. However, the present invention is not limited to these and can be used. In order to increase the nucleophilicity of phenoxide, it is also preferable to add a crown ether such as 18-crown-6. These crown ethers may be preferably used because they may be coordinated to a sodium ion or potassium ion of a sulfonic acid group to improve the solubility in an organic solvent.
  • water may be generated as a by-product.
  • water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system.
  • a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used.
  • Azeotropic agents used to remove reaction water or water introduced during the reaction generally do not substantially interfere with polymerization, co-distill with water and boil between about 25 ° C. and about 250 ° C. Any inert compound.
  • Commonly used azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene, cyclohexane and the like. Of course, it is beneficial to select an azeotropic agent whose boiling point is lower than that of the dipolar solvent used.
  • Azeotropic agents are often used, but it is not always necessary when high reaction temperatures are used, for example, temperatures above 200 ° C., especially when the inert gas is continuously sparged into the reaction mixture. In general, it is desirable to carry out the reaction in an inert atmosphere and in the absence of oxygen.
  • the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent
  • the desired polymer is obtained by removing the solvent from the reaction solution by evaporation and washing the residue as necessary.
  • the reaction solution by adding the reaction solution to a solvent having low polymer solubility and high by-product inorganic salt solubility, the inorganic salt is removed, the polymer is precipitated as a solid, and the polymer is obtained by filtering the precipitate. You can also.
  • the recovered polymer is optionally washed with water, alcohol or other solvent and dried.
  • halide or phenoxide end groups can optionally be reacted by introducing a phenoxide or halide end-capping agent that forms a stable end group.
  • the polymer electrolyte membrane, catalyst layer-covered electrolyte membrane, and membrane electrode assembly of the present invention have excellent chemical stability that can withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation, and are excellent under low humidification conditions. Since any one of these has proton conductivity, excellent mechanical strength, and physical durability, a polymer electrolyte fuel cell that can be stably operated for a long period of time is obtained.
  • the use of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte composition or polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but a mobile power supply source is preferable.
  • mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.
  • Ion exchange capacity It measured by the neutralization titration method by the following procedures. The measurement was performed 3 times and the average value was taken.
  • 50 mL of a 5 wt% aqueous sodium sulfate solution was added to the electrolyte, and the mixture was allowed to stand for 12 hours for ion exchange.
  • the generated sulfuric acid was titrated using 0.01 mol / L sodium hydroxide aqueous solution.
  • Ion exchange capacity [Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) ⁇ Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g) (2) Number average molecular weight, weight average molecular weight The number average molecular weight and the weight average molecular weight of the polymer were measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated UV detector and differential refractometer, and two Tosoh TSK gel Super HM-Hs (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) are used as GPC columns.
  • a 100 nm-thick flake was cut at room temperature using an ultramicrotome, and the obtained flake was collected on a Cu grid and subjected to TEM observation. Observation was carried out at an acceleration voltage of 100 kV, and photography was carried out so that the photographic magnifications were ⁇ 8,000, ⁇ 20,000, and ⁇ 100,000.
  • TEM H7100FA manufactured by Hitachi, Ltd.
  • Concentration (% by weight) of compound (B) having an azole ring 100 ⁇ [average nitrogen content in domain (% by weight) ⁇ polymer nitrogen content (% by weight)] / [Nitrogen content (% by weight) of compound (B) having an azole ring-polymer nitrogen content (% by weight)]
  • the amount of polymer nitrogen and the amount of nitrogen in the compound (B) having an azole ring are the amounts of nitrogen contained in the polymer electrolyte and the compound (B) having an azole ring, respectively.
  • phase separation structure mainly composed of compound (B) having azole ring during formation of sea / island structure
  • the following method is used.
  • the distribution of the compound (B) having an azole ring was measured.
  • elemental analysis is performed at 50 points of the island phase in the sea / island structure to determine the average nitrogen amount in the island phase, and the content of the compound (B) having an azole ring in the island phase is determined in the same manner as in the item (a). Asked. At this time, when the content of the compound (B) having an azole ring was 50% or more, the island phase was determined to be composed mainly of the compound (B) having an azole ring.
  • Synthesis example 3 (Synthesis of oligomer a1 ′ not containing an ionic group represented by the following general formula (G3))
  • G3 an ionic group represented by the following general formula (G3)
  • 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1 and 4,4 20.3 g of '-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 93 mmol) was added, purged with nitrogen, dehydrated at 160 ° C in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene, heated to remove toluene, 180 ° C For 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of methanol to obtain an oligomer a1 (terminal hydroxyl group) containing no
  • M represents Na or K.
  • the block copolymer b1 contains 50 mol% of the structural units represented by the general formulas (S1) and (S2) as a segment (A1) containing an ionic group and a segment (A2) containing no ionic group, It contained 100 mol%.
  • the block copolymer b1 itself is a polymer electrolyte membrane
  • the ion exchange capacity obtained from neutralization titration is 1.8 meq / g
  • Synthesis example 4 (Synthesis of a polyethersulfone (PES) block copolymer precursor b2 ′ comprising a segment represented by the following formula (G6) and a segment represented by the following formula (G7)) 1.62 g of anhydrous nickel chloride and 15 mL of dimethyl sulfoxide were mixed and adjusted to 70 ° C. To this, 2.15 g of 2,2′-bipyridyl was added and stirred at the same temperature for 10 minutes to prepare a nickel-containing solution.
  • PES polyethersulfone
  • the reaction mixture was added to 60 mL of methanol, and then 60 mL of 6 mol / L hydrochloric acid was added and stirred for 1 hour.
  • the precipitated solid was separated by filtration and dried to obtain 1.62 g of a block copolymer b2 ′ containing segments represented by the following formula (G6) and the following formula (G7) of grayish white with a yield of 99%. .
  • the weight average molecular weight was 230,000.
  • Synthesis example 5 (Synthesis of PES block copolymer b2 composed of a segment represented by the formula (G7) and a segment represented by the following formula (G8)) Add 0.23 g of the block copolymer precursor b2 ′ obtained in Synthesis Example 4 to a mixed solution of 0.16 g of lithium bromide monohydrate and 8 mL of N-methyl-2-pyrrolidone, and react at 120 ° C. for 24 hours. I let you. The reaction mixture was poured into 80 mL of 6 mol / L hydrochloric acid and stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration.
  • the separated solid was dried to obtain a block copolymer b2 composed of a gray-white segment represented by the formula (G7) and a segment represented by the following formula (G8).
  • the resulting polyarylene had a weight average molecular weight of 190,000.
  • the ion exchange capacity obtained from neutralization titration was 2.0 meq / g.
  • the resulting reaction solution was allowed to cool and then diluted by adding 100 mL of toluene.
  • the precipitate of the inorganic compound produced as a by-product was removed by filtration, and the filtrate was put into 2 L of methanol.
  • the precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 2 L of methanol to obtain 107 g of the target oligomer a3.
  • the number average molecular weight of the oligomer a3 was 7,600.
  • reaction solution was slowly poured onto 1000 g of crushed ice and extracted with ethyl acetate, the organic layer was washed with brine and dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain pale yellow crude crystals 3 -(2,5-Dichlorobenzoyl) benzenesulfonic acid chloride was obtained, and the crude crystals were used without purification in the next step.
  • the reaction system was heated with stirring (finally heated to 82 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction.
  • the polymerization reaction solution was diluted with 175 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid. With a 1 L three-neck equipped with a stirrer, 24.4 g (281 mmol) of lithium bromide was added to the filtrate in 1/3 portions at 1 hour intervals at 120 ° C. for 5 hours under a nitrogen atmosphere. Reacted. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 L of acetone and solidified.
  • the coagulum was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, and washed with 1500 mL of 1N sulfuric acid while stirring. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight to obtain 38.0 g of the target block copolymer b3.
  • the weight average molecular weight of this block copolymer was 180,000.
  • the ion exchange capacity determined from neutralization titration was 2.5 meq / g.
  • Example 1 (Preparation of PBI and cobalt-added films) 20 g of the block copolymer b1 obtained in Synthesis Example 3 was dissolved in 80 g of NMP. To this solution, 200 mg of PBI obtained in Synthesis Example 9 and 200 mg of cobalt fine particles (manufactured by Aldrich) were mixed, and stirred at 20,000 rpm for 3 minutes with a stirrer to obtain a transparent solution having a polymer concentration of 20% by mass. . The obtained solution was filtered under pressure using a glass fiber filter, cast on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 hours, heat-treated at 150 ° C.
  • This membrane electrode assembly was set in an evaluation cell, and while maintaining the temperature at 80 ° C., hydrogen gas was allowed to flow at 400 mL / min on the anode side and air gas at 400 mL / min on the cathode side.
  • a water bubbling system is used for gas humidification, and both hydrogen gas and air gas are humidified at 30 ° C. and supplied to the cell, and the current-voltage curve is measured, and the voltage at a current value of 1 A / cm 2 is compared. The power generation performance was measured.
  • a membrane electrode assembly was prepared by the same method as the power generation performance, set in an evaluation cell, and low humidified hydrogen (70 mL / min, back pressure 0.1 MPaG) and air (174 mL / min, back pressure 0. 05 MPaG) was introduced into the cell, and an accelerated deterioration test was performed in an open circuit.
  • Example 2 A polymer electrolyte membrane f2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of PBI and cobalt added was 3 g.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 3 A polymer electrolyte membrane f3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of PBI and cobalt added was 4 mg.
  • Example 4 (Preparation of PBI-added film) 20 g of the block copolymer b1 obtained in Synthesis Example 3 was dissolved in 80 g of NMP. To this solution, 200 mg of PBI obtained in Synthesis Example 9 was mixed and stirred with a stirrer at 20,000 rpm for 3 minutes to obtain a transparent solution having a polymer concentration of 20% by mass. The obtained solution was filtered under pressure using a glass fiber filter, cast on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 hours, heat-treated at 150 ° C. for 10 minutes under nitrogen, and subjected to a polyketal ketone membrane (membrane). A thickness of 15 ⁇ m) was obtained. The solubility of the polymer was very good.
  • the polymer electrolyte membrane f4 was obtained by immersing in a large excess amount of pure water for 24 hours and thoroughly washing.
  • the coating amount was set to 0.50 mg / cm 2 for both the Pt carrying amount and the polymer carrying amount.
  • the catalyst sheet c1 having a size of 5 cm ⁇ 5 cm and a thickness of about 10 ⁇ m was obtained by drying at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour.
  • platinum-cobalt alloy (Ru: 50 mass%) nanoparticles (average particle diameter: 2 nm, specific surface area: 100 to 200 cm 2 / mg) were supported: 36 mass. % was highly dispersed in carbon fine particles.
  • Pt and Co catalyst sheet c2 were obtained in the same manner as the catalyst sheet c1 except that 0.5 g of Pt supported carbon and 0.5 g of Pt / Co alloy supported carbon were used instead of 1 g of Pt supported carbon.
  • the catalyst sheet c1 was an anode catalyst layer
  • the catalyst sheet c2 was a cathode catalyst layer.
  • a carbon electrode (ELAT (registered trademark) B-1 manufactured by DE NORA AMERICA, USA) is set as a gas diffusion layer (GDL) on both sides of the MEA (the outer surfaces of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer).
  • GDL gas diffusion layer
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, and the initial voltage was compared with the voltage at the time when 7000 hours passed. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 5 (Production of catalyst layer-coated electrolyte membrane including cobalt-containing anode and membrane electrode composite)
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 4 except that the catalyst sheet c1 was a cathode catalyst layer and the catalyst sheet c2 was an anode catalyst layer.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 6 (Production of cobalt fine particle coating film)
  • the polymer electrolyte membrane f4 (size 7 cm ⁇ 7 cm) produced in Example 4 was coated with 200 mg of cobalt fine particle 15% by weight aqueous dispersion (cobalt fine particles produced by Aldrich were dispersed in ultrapure water). .
  • the coating film f5 having a size of 7 cm ⁇ 7 cm was obtained by drying at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour.
  • a catalyst layer-coated electrolyte membrane and a membrane electrode composite were prepared in the same manner as in Example 4 except that a cobalt coating membrane f5 was used instead of the polymer electrolyte membrane f4, and the catalyst sheet c1 was used as both the cathode and anode catalyst layers. Produced.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. At this time, the cobalt-coated surface was used as a cathode for evaluation. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 7 (Production of cobalt-coated GDL) A carbon cloth of 5 cm ⁇ 5 cm (ELAT (registered trademark) B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA) having a dispersion of 100 mg of cobalt fine particles in an amount of 100 mg (cobalt fine particles manufactured by Aldrich Co., dispersed in ultrapure water) ) was applied. After coating, drying was performed at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour to obtain a cobalt-coated GDL gas diffusion layer g1 having a size of 5 cm ⁇ 5 cm. Catalyst sheet c1 was a catalyst layer for both cathode and anode. In the same manner as in Example 4 except that the anode gas diffusion layer was changed to g1, a catalyst layer-coated electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 8 (Preparation of PBI, cobalt acetylacetonate complex-added film) A polymer electrolyte membrane f6 was produced in the same manner as in Example 1, except that 200 mg of tris (acetylacetonato) cobalt (manufactured by Aldrich) was used instead of 1 g of the cobalt fine particle 20 wt% aqueous dispersion.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f6 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 9 (Preparation of PBI, cobalt nitrate added film) 0.480 g of cobalt (II) nitrate hexahydrate (manufactured by Aldrich) was dissolved in pure water to prepare 30 L of a 55 ⁇ mol / L cobalt (II) nitrate solution. 20 g of the polymer electrolyte membrane f4 produced in Example 4 was immersed in this solution for 72 hours, and a polymer electrolyte membrane f7 incorporating cobalt ions was obtained by ion exchange with sulfonic acid groups.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 10 (Production of phthalocyanine and cobalt-added films) A polymer electrolyte membrane f8 was produced in the same manner as in Example 1 except that 200 mg of phthalocyanine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of 200 mg of PBI.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f8 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 11 (Preparation of NRE211CS-based cobalt-containing catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode composite) A polymer electrolyte membrane f9 was produced in the same manner as in Example 4 except that 20 g of NRE211CS, which is a kind of Nafion (registered trademark), was used instead of 20 g of the block copolymer b1.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 5 except that the polymer electrolyte membrane f9 was used instead of the polymer electrolyte membrane f4.
  • Example 12 (Preparation of PES block copolymer-based cobalt-containing catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode composite) A polymer electrolyte membrane f10 was produced in the same manner as in Example 1 except that the PES block copolymer b2 obtained in Synthesis Example 5 was used instead of the block copolymer b1.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f10 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as the power generation performance described in Example 1, set in an evaluation cell, and kept at 80 ° C. while maintaining low humidity in hydrogen (70 mL / min, back pressure 0.1 MPaG). Air (174 mL / min, back pressure 0.05 MPaG) was introduced into the cell, and an accelerated deterioration test was performed in an open circuit. After operating the fuel cell under these conditions for 1000 hours, the membrane electrode assembly was taken out, put into a mixed solution of ethanol / water, and further subjected to ultrasonic treatment to remove the catalyst layer.
  • Example 13 (Preparation of polyarylene block copolymer-based cobalt-containing catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode composite) A polymer electrolyte membrane f11 was produced in the same manner as in Example 1 except that the polyarylene block copolymer b3 obtained in Synthesis Example 8 was used instead of the block copolymer b1.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f11 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 14 (Preparation of PBI, ruthenium-added film)
  • Example 1 except that 1 g of a 20% by weight aqueous dispersion of ruthenium fine particles (manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentrated 500 mg / L, ruthenium content 200 mg) was added instead of 200 mg of cobalt fine particles.
  • ruthenium fine particles manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentrated 500 mg / L, ruthenium content 200 mg
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 15 A polymer electrolyte membrane f13 was produced in the same manner as in Example 14 except that the amount of PBI and ruthenium added was 3 g.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 16 A polymer electrolyte membrane f14 was produced in the same manner as in Example 14 except that the amount of PBI and ruthenium added was changed to 4 mg.
  • Example 17 (Preparation of Pt and Ru-containing catalyst sheet) Pt, Ru catalyst sheet c3 in the same manner as the catalyst sheet c1, except that Pt, Ru supported carbon (TEC66E50, Pt 25 wt%, Ru 25 wt% manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) was used instead of Pt supported carbon. Got.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and membrane electrode composite containing ruthenium-containing cathode were produced in the same manner as in Example 4 except that the catalyst sheet c3 was used instead of the catalyst sheet c2.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 18 (Preparation of catalyst layer-covered electrolyte membrane including a ruthenium-containing anode and membrane electrode composite) A catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 17 except that the catalyst sheet c1 was a cathode catalyst layer and the catalyst sheet c3 was an anode catalyst layer.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 19 (Preparation of ruthenium fine particle coating film) Ruthenium fine particle 15 wt% aqueous dispersion 200 mg (manufactured by Strem, concentrated particle size ⁇ 20 nm, concentration 500 mg / L) on the polymer electrolyte membrane f4 (size 7 cm ⁇ 7 cm) produced in Example 4, amount of ruthenium 30 mg) was applied. After the application, the ruthenium coating film f15 having a size of 7 cm ⁇ 7 cm was obtained by drying at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were prepared in the same manner as in Example 4 except that a ruthenium coating film f15 was used instead of the polymer electrolyte membrane f4, and the catalyst sheet c1 was used as both the cathode and anode catalyst layers. Produced.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. At this time, the ruthenium-coated surface was evaluated as an anode. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 20 (Production of ruthenium-coated GDL) 5 mg ⁇ 5 cm carbon cloth (ELAT (registered trademark) B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA) was concentrated with 100 mg of a ruthenium fine particle 15% by weight aqueous dispersion (manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentration 500 mg / L). A ruthenium amount of 10 mg) was applied. After coating, drying was performed at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour to obtain a ruthenium-coated GDL gas diffusion layer g2 having a size of 5 cm ⁇ 5 cm.
  • ELAT registered trademark
  • aqueous dispersion manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentration 500 mg / L
  • a ruthenium amount of 10 mg was applied. After coating, drying was performed at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour to obtain a ruthenium-coated
  • Catalyst sheet c1 was a catalyst layer for both cathode and anode Then, a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 4 except that the gas diffusion layer of the anode was changed to g2.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, and the initial voltage was compared with the voltage at the time when 7000 hours passed. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 21 (Preparation of PBI, ruthenium acetylacetonate complex-added film) A polymer electrolyte membrane f16 was produced in the same manner as in Example 1, except that 200 mg of tris (acetylacetonato) ruthenium (manufactured by Aldrich) was used instead of 1 g of the ruthenium fine particle 20 wt% aqueous dispersion.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f16 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 22 (Production of phthalocyanine and ruthenium-added films) A polymer electrolyte membrane f17 was produced in the same manner as in Example 1 except that 200 mg of phthalocyanine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of 200 mg of PBI.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f17 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 23 (Preparation of NRE211CS-based ruthenium-containing catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode composite) A catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 11 except that the catalyst sheet c3 was used instead of the catalyst sheet c2.
  • Example 24 (Preparation of PES block copolymer-based catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode composite) A polymer electrolyte membrane f18 was produced in the same manner as in Example 14 except that the PES block copolymer b2 obtained in Synthesis Example 5 was used instead of the block copolymer b1.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f18 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as the power generation performance described in Example 1, set in an evaluation cell, and kept at 80 ° C. while maintaining low humidity in hydrogen (70 mL / min, back pressure 0.1 MPaG). Air (174 mL / min, back pressure 0.05 MPaG) was introduced into the cell, and an accelerated deterioration test was performed in an open circuit. After operating the fuel cell under these conditions for 1000 hours, the membrane electrode assembly was taken out, put into a mixed solution of ethanol / water, and further subjected to ultrasonic treatment to remove the catalyst layer.
  • Example 25 (Preparation of polyarylene block copolymer-based catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode composite) A polymer electrolyte membrane f19 was produced in the same manner as in Example 1 except that the polyarylene block copolymer b3 obtained in Synthesis Example 8 was used instead of the block copolymer b1.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f19 was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 26 (PBI, production of silver-added film)
  • Example 1 except that 1 g of silver fine particle 20 wt% aqueous dispersion (manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentrated 500 mg / L, silver amount 200 mg) was added instead of 200 mg of cobalt fine particles.
  • a polymer electrolyte membrane f20 was manufactured.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 27 (Preparation of PBI, palladium-added film) Except for adding 200 mg of cobalt fine particles, 1 g of palladium fine particle 20 wt% aqueous dispersion (manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentrated 500 mg / L, palladium amount 200 mg) was added in the same manner as in Example 1. Thus, a polymer electrolyte membrane f21 was manufactured.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 28 (Preparation of PBI, palladium nitrate-added film) A polymer electrolyte membrane f22 was produced in the same manner as in Example 9, except that 0.380 g of palladium (II) nitrate was added instead of 0.480 g of cobalt nitrate hexahydrate.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 29 (Preparation of PBI, rhodium-added film) Except for adding 200 mg of cobalt fine particles, 1 g of a 20 wt% aqueous dispersion of rhodium fine particles (manufactured by Strem, particle size ⁇ 20 nm, concentrated 500 mg / L, rhodium content 200 mg) was added in the same manner as in Example 1. Thus, a polymer electrolyte membrane f23 was manufactured.
  • Example 1 Since the obtained film was insoluble in NMP and the molecular weight retention rate could not be measured, the power generation performance and chemical durability were evaluated in the same manner as in Example 1. As in Example 1, the open circuit voltage did not drop below 0.7V even after 7000 hours had passed, so the evaluation was terminated, the initial voltage was compared with the voltage at the 7000 hour point, and the chemical durability of the electrolyte membrane was measured as the voltage holding ratio. Sex was evaluated. Separately, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane was measured, and the results are shown in Table 1.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f1 'was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 2 A polymer electrolyte membrane f2 ′ was produced in the same manner as in Example 1 except that no cobalt fine particles were used.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f2 'was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 3 A polymer electrolyte membrane f3 ′ was produced in the same manner as in Example 1 except that PBI was not used.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f3 'was used instead of the polymer electrolyte membrane f1.
  • Example 4 A catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Example 5 except that the polymer electrolyte membrane f1 ′ was used instead of the polymer electrolyte membrane f4.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f4 'was used instead of the polymer electrolyte membrane f1'.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f5 'was used instead of the polymer electrolyte membrane f1'.
  • a catalyst layer-covered electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the polymer electrolyte membrane f6 'was used instead of the polymer electrolyte membrane f1'.
  • Examples 1 to 10 and 14 to 22 in which polymer electrolyte membranes, catalyst layer-covered electrolyte membranes and membrane electrode composites containing a compound (B) having an azole ring and a transition metal-containing additive (C) were prepared. And the open circuit retention times of 26 to 29 are Comparative Example 1 in which no additive was added, Comparative Example 2 in which only the compound (B) having an azole ring was added, Comparative Example 3 in which only the transition metal-containing additive was added, and Comparative Example It was longer than Example 4.
  • Examples 11 and 23 with Comparative Example 5, Examples 12 and 24 with Comparative Example 6, Examples 13 and 25 with Comparative Example 7, a compound (B) having an azole ring and a transition metal-containing additive ( The addition of C) was superior in open circuit retention time or molecular weight retention.
  • the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer-covered electrolyte membrane, and the membrane electrode assembly containing the compound (B) having an azole ring and the transition metal-containing additive (C) are produced by hydrogen peroxide generated by power generation of the fuel cell. Or it was shown that the thing which can provide the outstanding durability with respect to a hydroxyl radical.
  • the polymer electrolyte composition and polymer electrolyte membrane of the present invention can be applied to various electrochemical devices (for example, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, hydrogen compression devices, redox flow batteries, etc.).
  • electrochemical devices for example, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, hydrogen compression devices, redox flow batteries, etc.
  • it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using hydrogen as a fuel.
  • Applications of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are not particularly limited, but are portable devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras, digital cameras, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, automatic It is preferably used as a power supply source for vehicles such as motorcycles, automobiles, buses, trucks, etc., moving bodies such as ships, railways, etc., conventional primary batteries such as stationary generators, alternatives to secondary batteries, or hybrid power sources with these. .

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Abstract

　本発明は、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えうる優れた化学的安定性を有し、なおかつ、低加湿条件下における優れたプロトン伝導性、優れた機械強度と物理的耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質組成物、ならびにそれを用いた高分子電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池を提供せんとするものである。 イオン性基含有ポリマー（Ａ）、アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含有する高分子電解質組成物であって、前記遷移金属がコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる１種以上である高分子電解質組成物。

Description

高分子電解質組成物、ならびに、それを用いた高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池
　本発明は、高分子電解質組成物、高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池に関するものである。
　燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも固体高分子型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、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幅広い応用が期待されている。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。
　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の電極と、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（以降、ＭＥＡと略称することがある。）を構成し、このＭＥＡ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。高分子電解質膜の主成分は、イオン性基含有ポリマー（高分子電解質材料）であるが、耐久性を高めるために添加剤等を配合した高分子電解質組成物を使用することもできる。高分子電解質組成物は、特に厳しい酸化雰囲気で使用される電極触媒層のバインダー等にも好適である。高分子電解質膜および高分子電解質組成物の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられ、特に高温低加湿条件でも高いプロトン伝導性を有する必要がある。また、高分子電解質膜および高分子電解質組成物は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。その他にも燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度および物理的耐久性などを併せ持つ必要がある。
　これまで高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン（登録商標）（デュポン社製。）が広く用いられてきた。ナフィオン（登録商標）は多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題が指摘されてきた。また、ナフィオン（登録商標）に替わり得る安価で膜特性に優れた高分子電解質膜として、炭化水素系電解質膜の開発も近年活発化してきている。
　しかしながら、これらの高分子電解質膜はいずれも、固体高分子型燃料電池に用いる場合、化学的安定性が不足するという問題があった。化学劣化に関するメカニズムは十分には解明されていないが、発電時に主に電極にて発生する過酸化水素や、前記過酸化水素が膜中の鉄イオンや銅イオンと反応することで生成するヒドロキシラジカルにより、ポリマー鎖や側鎖が切断され、高分子電解質膜が膜痩せしたり、脆弱になったりすることが考えられる。加えて、湿度変化に合わせて膨潤・収縮を繰り返すうちに、脆弱になった高分子電解質膜が破損し、発電できなくなるという問題があった。
　こうした問題に対して、パーフルオロ系電解質膜や炭化水素系電解質膜に酸化防止剤を配合した高分子電解質組成物により、機械強度や化学安定性を向上し、耐久性を改善する検討が行われている。
　例えば、特許文献１には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーに硫黄含有ポリマーであるポリフェニレンスルフィド（以下ＰＰＳと略称することがある）と、窒素含有ポリマーであるポリベンズイミダゾール（以下ＰＢＩと略称することがある）とを配合する高分子電解質組成物が提案されている。
　特許文献２には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーやスルホン酸基含有ポリエーテルケトン系重合体（以下ｓＰＥＫと略称することがある）にポリアミック酸やポリイミドを配合する高分子電解質組成物が提案されている。
　また、特許文献３には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーやｓＰＥＫに不溶性のＰＢＩ粒子を配合する高分子電解質組成物が提案されている。
国際公開第２００８／１０２８５１号 特開２００５－３５０６５８号公報 特開２０１３－８０７０１号公報
　しかしながら、特許文献１では、長期耐久性は未だ不十分なものであった。
　特許文献２は、ポリアミック酸を混合し熱処理を行うことによりメタノール透過量を抑制しているが、発電性能、長期耐久性共に不充分であった。
　また、特許文献３は、ＰＢＩを添加することにより過酸化水素やヒドロキシラジカルを分解することで、高分子電解質組成物の耐久性をある程度向上させることができているものの、長期耐久性の観点において未だ不充分なものであった。
　このように、従来技術による高分子電解質組成物は、経済性、加工性、プロトン伝導性、機械強度、化学的安定性、物理的耐久性を向上する手段としては不充分であり、産業上有用な高分子電解質組成物とはなり得ていなかった。
　本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えうる優れた化学的安定性を有し、なおかつ、低加湿条件下における優れたプロトン伝導性、優れた機械強度と物理的耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質組成物、ならびにそれを用いた高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池を提供せんとするものである。
　本発明者らは、前記課題を克服すべく、鋭意検討を重ねた結果、イオン性基含有ポリマーとアゾール環を有する化合物と特定の遷移金属含有添加剤とを含有することにより、高分子電解質組成物、特に燃料電池用高分子電解質膜や膜電極複合体として、低加湿条件下を含むプロトン伝導性と発電特性、製膜性などの加工性、耐酸化性、耐ラジカル性、耐加水分解性などの化学的安定性、膜の機械強度、耐熱水性などの物理的耐久性において優れた性能を発現でき、かかる課題を一挙に解決できることを究明するとともに、さらに種々の検討を加え、本発明を完成した。
　すなわち、本発明の高分子電解質組成物は、イオン性基含有ポリマー（Ａ）、アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含有する高分子電解質組成物であって、前記遷移金属がコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる１種以上である。
　本発明によれば、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えうる優れた化学的安定性を有し、なおかつ、低加湿条件下における優れたプロトン伝導性、優れた機械強度と物理的耐久性を有する実用性に優れた高分子電解質組成物、ならびにそれを用いた高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池を提供することができる。
（Ｍ１）～（Ｍ４）は、高分子電解質膜における相分離構造の態様を模式的に示す説明図であり、（Ｍ１）は共連続様、（Ｍ２）はラメラ様、（Ｍ３）はシリンダー構造、（Ｍ４）は海島構造を例示する。
　以下、本発明について詳細に説明する。
　〔アゾール環を有する化合物（Ｂ）〕
　アゾール環を有する化合物（Ｂ）とは、アゾール環を分子内に少なくとも１つ有する化合物である。ここでアゾール環とは、環内に窒素原子を１個以上含む複素五員環である。なお、複素五員環には、炭素以外の異原子として窒素以外に酸素、イオウ等の原子を含むものであっても構わない。
　アゾール環としては、例えば、炭素原子以外の異原子として１個の窒素原子のみを含有するピロール環の他に、炭素原子以外の異原子が２個のものとしては、イミダゾール（１，３－ジアゾール）環、オキサゾール環、チアゾール環、セレナゾール環、ピラゾール（１，２－ジアゾール）環、イソオキサゾール環、イソチアゾール環、等が、異原子が３個のものとしては、１Ｈ－１，２，３－トリアゾール（１，２，３－トリアゾール）環、１Ｈ－１，２，４－トリアゾール（１，２，４－トリアゾール）環、１，２，３－オキサジアゾール（ジアゾアンヒドリド）環、１，２，４－オキサジアゾール（ジアゾアンヒドリド）環、１，２，３－チアジアゾール環、１，２，４－チアジアゾール環等が、異原子が４個のものとしては、１Ｈ－１，２，３，４－テトラゾール（１，２，３，４－テトラゾール）環、１，２，３，５－オキサトリアゾール環、１，２，３，５－チアトリアゾール環などが挙げられるが、特に限定されるものではない。
　これらアゾール環の中でも、酸性条件下における安定性から、イミダゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、セレナゾール環、１Ｈ－１，２，３－トリアゾール（１，２，３－トリアゾール）環、１Ｈ－１，２，４－トリアゾール（１，２，４－トリアゾール）環が好ましく、合成が容易で安価に用いることができることから、イミダゾール環がより好ましい。
　前記したようなアゾール環は、ベンゼン環などの芳香族環と縮合したものであってもよく、例えば、ｐ－フェニレン基、ｍ－フェニレン基、ナフタレン基、ジフェニレンエーテル基、ジフェニレンスルホン基、ビフェニレン基、ターフェニル基、２，２－ビス（４－カルボキシフェニレン）ヘキサフルオロプロパン基等の２価の芳香族基が複素五員環と結合した化合物を用いることが耐熱性を得る観点から好ましい。
　アゾール環を有する化合物（Ｂ）としては、化学的安定性および耐溶出性の観点から、ポリアゾール系化合物が好ましい。ポリアゾール系化合物としては、例えば、ポリイミダゾール系化合物、ポリベンズイミダゾール系化合物、ポリベンゾビスイミダゾール系化合物、ポリベンゾオキサゾール系化合物、ポリオキサゾール系化合物、ポリチアゾール系化合物、ポリベンゾチアゾール系化合物等の重合体が挙げられるが、特に限定されるものではない。
　これらポリアゾール系化合物の中でも、耐熱性、加工性の観点からポリベンズイミダゾール系化合物、ポリベンズビスイミダゾール系化合物、ポリベンズオキサゾール系化合物、ポリベンズチアゾール系化合物が好ましく、合成が容易で安価に用いることができることから、ポリベンズイミダゾール系化合物がより好ましい。
　また、本発明において用いられるアゾール環を有する化合物（Ｂ）としては、化学的安定性および耐溶出性の観点から大環状化合物も好ましい。大環状化合物としては、コリン骨格、ポルフィリン骨格、フタロシアニン骨格を有する化合物や、アザカリックスアレーン骨格を有する化合物が挙げられる。具体的には、コリン、ポルフィリン、プロトポルフィリン、フタロシアニン、コロール、クロリン、バクテリオクロリン、コプロポルフィリノーゲンＩ、コプロポルフィリノーゲンＩＩＩ、ウロポルフィリノーゲンＩ、ウロポルフィリノーゲンＩＩＩ、プロトポルフィリノーゲンＩＸ、アザカリックスアレーンなどが挙げられるが、特に限定されるものではない。この中でも、製造コストの観点から、コリン、ポルフィリン、フタロシアニン、アザカリックスアレーンが好ましく用いられ、金属不活性化能力の観点からポルフィリン、フタロシアニンがより好ましく用いられる。
　本発明における耐久性向上のメカニズムは十分に解明されていないが、発明者らは、次の３点が理由であると推定している。但し、これらの推定は何ら本発明を限定するものではない。
（１）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる３価の窒素原子が５価のＮ－オキシドに酸化されることで、過酸化物分解剤として機能すること。
（２）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子と、イオン性基含有ポリマー（Ａ）に含まれるイオン性基との、イオンコンプレックスや水素結合などの分子間相互作用により三次元的な架橋を形成し、電解質組成物の機械強度の向上と燃料電池運転中の膨潤・収縮を抑制により物理的な劣化を抑制すること。
（３）窒素原子の部分が金属イオン（Ｆｅ２＋、Ｃｕ２＋など）に対する配位子として作用し、強固な錯体を形成することにより不活性化する金属不活性化剤としても機能すること。
　本発明の高分子電解質組成物においては、イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とが、均一に混合されていることが好ましい。イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とが均一に混合されていない場合、すなわち相分離構造を有する場合、燃料電池運転中における高分子電解質組成物の膨潤・収縮により、相分離構造の界面部分において剥離が生じこれを起点として破断することにより耐久性が低下する場合がある。加えて、相分離の界面部分のみにおいて、アゾール環を有する化合物（Ｂ）とイオン性基含有ポリマー（Ａ）とが接触している状態であるため、本発明の効果が充分に得られなくなる場合がある。なお、後述する高分子電解質膜において、イオン性基含有ポリマー（Ａ）としてブロックコポリマーを用い後述する高分子電解質膜が共連続様やラメラ様等の相分離構造を有する場合には、イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とが均一に混合されているとは、相分離しているイオン性基含有ポリマー（Ａ）の何れの相においてもアゾール環を有する化合物（Ｂ）が相分離していないことをいうものとする。
　前記イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とが均一に混合しているか否かについては、以下のような方法で確認することができる。
　即ち、高分子電解質組成物の厚み方向の断面について、任意に１箇所の１５μｍ×１５μｍの領域を透過型電子顕微鏡（以下「ＴＥＭ」と略称することがある）で観察し、相分離が観察されるか否かを確認することができる。イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）が均一に混合せず相分離している場合、染色処理を施さずにＴＥＭ観察を行った場合のＴＥＭ像に、黒い島状の粒子（島相、或いは島粒子）が、灰色又は白色の海相（連続相）に分散した状態が観察される。島相（島粒子）の形状は、円形、楕円形、多角形、不定形等がある。海／島構造において、黒い島粒子のコントラストは主にアゾール環を有する化合物（Ｂ）に起因し、白色の海（連続相）の部分は主にイオン性基含有ポリマー（Ａ）に起因するものと考えられる。ここで島相（島粒子）とは最大長が２ｎｍ以上の長さを有するものをとし、それ以下のサイズのものしかない場合は均一に混合されているものと判断する。なお、海相に関しては、ポリマーの構造やＴＥＭ観察のコントラストによっては白色と灰色の共連続様またはラメラ様の相分離構造を有していることもある。
　本発明に用いられるアゾール環を有する化合物（Ｂ）は、加工の簡便さと相分離構造の形成を抑制する観点から、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素系溶媒、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン等の非プロトン性極性溶媒といった汎用有機溶媒に溶解するものであることが好ましい。汎用有機溶媒に可溶なアゾール環を有する化合物（Ｂ）を用いることで、イオン性基含有ポリマー（Ａ）との均一な溶液を得ることが可能となり、海島構造の形成を抑制できるようになる。
　前記アゾール環を有する化合物（Ｂ）が溶解しているか否かについては、以下のような方法で確認することが可能である。即ち、アゾール環を有する化合物（Ｂ）の０．５重量％溶液を調製し、動的光散乱法（以下ＤＬＳと略称することがある）を用いて粒子径分布を測定することにより確認することができる。溶液中のアゾール環を有する化合物（Ｂ）の粒径としては、算術平均粒子径が１０ｎｍ以下であれば好ましく、５ｎｍ以下であればより好ましく、２ｎｍ以下であれば特に好ましい。粒径２ｎｍを超える粒子が確認されない溶液は最も好ましく用いることができる。
　前記アゾール環を有する化合物（Ｂ）の内、特にポリアゾール系化合物や大環状化合物は一般的に溶媒への溶解性が低いため、イオン性基含有ポリマー（Ａ）との均一な組成物を得るためには、ポリマー溶液へ可溶化させる必要がある。可溶化させる方法としては特に限定されないが、（１）スプレードライ法、（２）アルカリ溶解、（３）低分子量化、を適用することが好ましく、（１）スプレードライ法、（２）アルカリ溶解を適用することがより好ましく、（１）スプレードライ法を適用することが更に好ましい。
　前記（１）のスプレードライ法とは、高温の空気や窒素ガスのフロー中、または減圧チャンバー内に、目的物質の溶液を数百μｍ以下の微細粒子として噴霧することで瞬間的に乾燥させる方法である。この方法を適用することで、アゾール環を有する化合物（Ｂ）のアモルファス状の多孔質体を得ることができ、通常では不溶性・難溶性のポリアゾール系化合物や大環状化合物を、常温での撹拌により容易に溶解させることが可能となる。
　前記（２）のアルカリ溶解とは、アゾール環を有する化合物（Ｂ）とアルカリ金属水酸化物を反応させることにより塩を形成させ可溶化させる方法である。アゾール環を有する化合物（Ｂ）とアルカリ金属水酸化物を反応させる方法としては、メタノール、エタノール、１－プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール又はグリセリン等の有機溶媒と、水との混合物からなるプロトン性の溶媒にアルカリ金属水酸化物を溶解させたものにアゾール環を有する化合物（Ｂ）を混合させる方法などが挙げられるが、特に限定されるものではない。この方法を適用することにより、アゾール環を有する化合物（Ｂ）の塩を形成させ、ジメチルスルホキシドやＮ－メチル－２－ピロリドン等の極性溶媒に溶解させることが可能となる。
　前記（３）の低分子量化においては、アゾール環を有する化合物（Ｂ）の構造によってどの程度の分子量のものを用いるかが異なるが、例えばポリアゾール化合物の一種であるポリベンズイミダゾールの場合には、重量平均分子量で１０００以上１万以下のものが好ましくに用いられる。比較的分子量の低い化合物を適用することにより、添加剤分子鎖同士の相互作用を低減し可溶化することができる。
　（１）スプレードライ法または（２）アルカリ溶解を用いる場合には、本発明に用いられるアゾール環を有する化合物（Ｂ）の重量平均分子量は、５００以上が好ましく、１０００以上がより好ましい。重量平均分子量が５００未満の場合、アゾール環を有する化合物（Ｂ）が高分子電解質組成物の表面にブリードアウトすることにより発電性能を低下させる場合がある。一方、重量平均分子量は、１００万以下が好ましく、５０万以下がより好ましく、３０万以下がさらに好ましい。重量平均分子量が１００万よりも大きい場合には、組成物中におけるアゾール環を有する化合物（Ｂ）の分散性が悪くなり加工が困難になる場合がある。
　本発明の高分子電解質組成物に使用するアゾール環を有する化合物（Ｂ）としては、スルホン酸基などを有する強酸性物質を含む水溶液に溶解しないことも好ましい。アゾール環を有する化合物（Ｂ）は、６０℃の水及び硫酸に対する溶解度が１００ｍｇ／Ｌ以下であれば好ましく、２０ｍｇ／Ｌ以下であればより好ましく、４ｍｇ／Ｌ以下であれば特に好ましい。この範囲内であれば、アゾール環を有する化合物（Ｂ）が、膜外に溶出することなく、効果を維持でき、より優れた化学的安定性や耐久性を得ることができる。
　本発明において使用されるアゾール環を有する化合物（Ｂ）の含有率は、発電特性と耐久性のバランスを考慮して適宜選択することができ、限定されるものではないが、高分子電解質組成物全体の０．００２重量％以上が好ましく、０．０１重量％以上がより好ましく、０．０２重量％以上がさらに好ましい。一方上限は１５重量％以下が好ましく、５重量％以下がより好ましく、３重量％以下がさらに好ましい。０．００２重量％未満である場合は、耐久性が不足する場合がある。また、１５重量％を越えると、プロトン伝導性が不足する場合がある。
　本発明の高分子電解質組成物においては、イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とがイオン性基含有ポリマー（Ａ）に含まれるイオン性基とアゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子の部分において分子間相互作用を形成しているものも好ましい。一般に、過酸化水素やヒドロキシラジカルは親水性の高い化合物であり、電解質膜中においても親水性が高く水濃度の高いイオン性基近傍に拡散しやすい。それゆえ、イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とがイオン性基と窒素の部分において分子間相互作用を形成することにより、イオン性基近傍に拡散する過酸化水素やヒドロキシラジカルを分解することで、高分子電解質組成物の化学的安定性をより向上させることが可能となる。また、イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）とが上述した分子間相互作用を有することにより、三次元的な架橋を形成するため、湿度変化に起因する膨潤・収縮を抑制すると共に、機械強度も向上させることが可能となる。
　前記分子間相互作用の具体例としては、イオンコンプレックスや水素結合、双極子相互作用、ファンデルワールス力などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。中でも、イオンコンプレックス、水素結合、双極子相互作用を形成するものが好ましく、イオンコンプレックス、水素結合を形成するものがより好ましく、イオンコンプレックスを形成するものが特に好ましい。イオン性基含有ポリマー（Ａ）に含まれるイオン性基とアゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子との間にはたらく分子間相互作用が強固であるほど、アゾール環を有する化合物（Ｂ）はイオン性基の近傍に集中し、拡散する過酸化水素やヒドロキシラジカルを分解する速度を向上させることが可能となる。更に、分子間相互作用が強固な力であるほど、イオン性基含有ポリマー（Ａ）とアゾール環を有する化合物（Ｂ）の架橋も強固なものとなり、高分子電解質組成物の膨潤・収縮を抑制し、機械強度を向上させることが可能となる。
　上記分子間相互作用が生じているか否かについては、フーリエ変換赤外分光計（Ｆｏｕｒｉｅｒ－Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）（以下「ＦＴ－ＩＲ」と略称することがある。）を用いて確認することができる。
　本実施の形態の高分子電解質膜をＦＴ－ＩＲを用いて測定した場合、高分子電解質の本来のピーク位置や、アゾール環を有する化合物（Ｂ）の本来のピーク位置がシフトしたスペクトルが観察されれば、高分子電解質の一部が、アゾール環を有する化合物（Ｂ）中の一部と分子間相互作用を形成していると判定できる。
　アゾール環を有する化合物（Ｂ）はイオン性基を含有していないものが好ましい。ここでイオン性基とは、カルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基等を指す。アゾール環を有する化合物（Ｂ）がイオン性基を有すると、水及び酸への溶解性が上がるため、アゾール環を有する化合物（Ｂ）が膜外へ溶出し化学的安定性や耐久性が低下する場合がある。また、アゾール環を有する化合物（Ｂ）が含有するイオン性基とアゾール環の窒素原子とが中和反応を起こすため、イオン性基含有ポリマー（Ａ）が有するイオン性基との分子間相互作用を形成しにくくなり、過酸化水素やヒドロキシラジカルの分解、膨潤・収縮の抑制、機械強度の向上といった効果が充分に得られない場合がある。
　本発明において、イオン性基含有ポリマー（Ａ）にアゾール環を有する化合物（Ｂ）を配合する方法は特に限定されないが、例えば以下の方法が挙げられる。なかでも、量産性に優れるという観点で、（１）の方法を用いることがより好ましい。
（１）イオン性基含有ポリマー（Ａ）の溶液または分散液に、アゾール環を有する化合物（Ｂ）を溶解または分散させた後、得られた液を用いて製膜し、高分子電解質膜を作製する方法。
（２）アゾール環を有する化合物（Ｂ）を溶解させた液に、イオン性基含有ポリマー（Ａ）からなる高分子電解質成形体を接触させる方法。
　前記（２）において、接触させる方法として、浸漬、バーコーティング、スプレーコーティング、スリットダイ、ナイフコーティング、エアナイフ、ブラッシング、グラビアコーティング、スクリーン印刷、インクジェット印刷、ドクターブレードオーバーロール（添加剤溶液または分散液を高分子電解質組成物成形体に塗布し、次いでナイフと支持ロールとの間の隙間に通し余分な液を除去する方法）、などが挙げられるがこれらに限定されない。
　〔遷移金属含有添加剤（Ｃ）〕
　本発明に用いられる遷移金属含有添加剤（Ｃ）に含まれる遷移金属としては、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、金が挙げられる。これらの金属を用いることで高分子電解質組成物に特に優れた耐久性を付与することができるようになる。中でも、より耐久性を向上させられることから、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウムを用いることが好ましく、安価に用いることができることからコバルト、ニッケル、ルテニウムを用いることが特に好ましい。
　本発明に用いられる遷移金属含有添加剤（Ｃ）の態様としては特に限定されるものではないが、具体例として、０価の金属、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、アセチルアセトナト錯体、フェナントロリン錯体などが挙げられる。中でも、酸化劣化を抑制する効果が高いことから、０価の金属、酸化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩、酢酸塩、アセチルアセトナト錯体、フェナントロリン錯体が好ましく、耐溶出性が高いことから０価の金属、酸化物、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩、アセチルアセトナト錯体、フェナントロリン錯体がより好ましく、安価で電解質組成物への添加が容易であることから、０価の金属、酸化物、硝酸塩、アセチルアセトナト錯体、フェナントロリン錯体がより好ましい。
　使用する遷移金属含有添加剤（Ｃ）の含有率は、発電特性と耐久性のバランスを考慮して適宜選択することができ、限定されるものではないが、高分子電解質組成物全体の０．００２重量％以上が好ましく、０．０１重量％以上がより好ましく、０．０２重量％以上がさらに好ましい。一方上限は、１５重量％以下が好ましくは、５重量％以下がより好ましく、３重量％以下がさらに好ましい。０．００２重量％未満である場合は、耐久性が不足する場合がある。また、１５重量％を越える場合は、プロトン伝導性が不足する場合がある。
　また、本発明で使用するアゾール環を有する化合物（Ｂ）と遷移金属含有添加剤（Ｃ）の含有比率も、発電特性と耐久性のバランスを考慮して適宜選択することができ、限定されるものではないが、窒素／遷移金属のモル比率が、０．０１以上が好ましく、０．１以上がより好ましく、１以上がさらに好ましい。一方上限は、１００以下が好ましく、２０以下がより好ましく、１０以下がさらに好ましい。０．０１未満である場合は、プロトン伝導性や耐熱水性が不足する場合がある。また、１００を越えると、耐久性向上効果が小さくなる場合がある。
　後述する触媒層被覆電解質膜や膜電極複合体において、遷移金属含有添加剤（Ｃ）が含まれている場所は特に限定されないが、具体的には電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、カソード触媒層と高分子電解質膜の第一面との間、アノード触媒層と高分子電解質膜の第二面との間、カソードガス拡散層、カソードガス拡散層とカソード触媒層の間、アノードガス拡散層、アノードガス拡散層とアノード触媒層の間などが挙げられる。その中でも、逆電流による触媒層の劣化を抑制し優れた発電性能を得られることからカソード触媒層、カソード触媒層と高分子電解質膜の第二面との間カソードガス拡散層とカソード触媒層の間が好ましい。
　後述する触媒層被覆電解質膜や膜電極複合体に遷移金属含有添加剤（Ｃ）を配合する方法は特に限定されず遷移金属含有添加剤（Ｃ）の種類や添加する場所に応じて適宜選択することができるが、例えば以下の方法が挙げられる。
（１）イオン性基含有ポリマー（Ａ）の溶液または分散液に、遷移金属含有添加剤（Ｃ）を溶解または分散させた後、得られた液を用いて製膜し、高分子電解質膜を作製する方法。
（２）遷移金属含有添加剤（Ｃ）を溶解させた液に、高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散層を接触させる方法。
（３）触媒インクやデカールシートに遷移金属含有添加剤（Ｃ）を配合しておく方法。
　前記、接触させる方法として、浸漬、バーコーティング、スプレーコーティング、スリットダイ、ナイフコーティング、エアナイフ、ブラッシング、グラビアコーティング、スクリーン印刷、インクジェット印刷、ドクターブレードオーバーロール（添加剤溶液または分散液を高分子電解質組成物成形体に塗布し、次いでナイフと支持ロールとの間の隙間に通し余分な液を除去する方法）、などが挙げられるがこれらに限定されない。
　遷移金属含有添加剤（Ｃ）配合による耐久性向上のメカニズムは十分に解明されていないが、発明者らは、次の３点が理由であると推定している。但し、これらの推定は何ら本発明を限定するものではない。
（１）過酸化物と反応し５価のＮ－オキシドに酸化されたアゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子の水素による還元を触媒し３価の窒素として再生していること。
（２）遷移金属そのものが過酸化物やヒドロキシラジカルと反応し無害化していること。
（３）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子と遷移金属原子及び／またはイオンが錯体を形成することにより過酸化物やヒドロキシラジカルを分解する錯体として機能していると共に遷移金属の溶出を抑制していること。
　〔高分子電解質成形体および高分子電解質膜〕
　本発明の高分子電解質組成物は、特に、高分子電解質成形体として好適に用いられる。本発明において高分子電解質成形体とは、本発明の高分子電解質組成物を含有する成形体を意味する。本発明の高分子電解質成形体としては、膜類（フィルムおよびフィルム状のものを含む）の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発泡体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。ポリマーの設計自由度の向上および機械特性や耐溶剤性等の各種特性の向上が図れることから、幅広い用途に適応可能である。特に高分子電解質成形体が膜であることが好ましい。
　本発明の高分子電解質成形体としては、共連続様またはラメラ様の相分離構造を有しているものが好ましい。このような相分離構造は、例えばイオン性基含有ポリマー（Ａ）が、後述する様にイオン性基を含有するセグメントとイオン性基を含有しないセグメントのような非相溶な２種以上のセグメントからなるブロック共重合体である場合において発現し得るものであり、その構造形態は大きく共連続（Ｍ１）、ラメラ（Ｍ２）、シリンダー（Ｍ３）、海島（Ｍ４）の四つに分けられる（図１）。
　本発明のようなイオン性基含有ポリマー（Ａ）を含有する高分子電解質成形体においては、前記相分離構造はイオン性基を含む成分からなる親水性ドメインと、イオン性基を含まない成分からなる疎水性ドメインから形成されることが多い。図１（Ｍ１）～（Ｍ４）において、白色の連続相が親水性ドメイン、疎水性ドメインから選ばれる一方のドメインにより形成され、濃い色の連続相または分散相が、他方のドメインにより形成される。とくに共連続（Ｍ１）およびラメラ（Ｍ２）からなる相分離構造において、親水性ドメインおよび疎水性ドメインが、いずれも連続相を形成する。
　本発明の高分子電解質組成物においてイオン性基含有ポリマー（Ａ）として後述するブロックコポリマーを用いる場合、アゾール環を有する化合物（Ｂ）や遷移金属含有添加剤（Ｃ）は、その極性（親水性や疎水性）を適宜選択することにより、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が形成する親水性ドメイン、または、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が形成する疎水性ドメインに集中して配置させることが可能である。
　ヒドロキシラジカルや過酸化水素は、通常親水性が高く、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が形成する親水性ドメインに存在して、当該セグメントを切断すると考えられている。従って、親水性のアゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）を安定化するために有効である。かかる観点から、親水性ドメイン中に存在する前記アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）のそれぞれの濃度が、疎水性ドメイン中に存在する前記アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）の濃度のそれぞれ２倍以上であることが好ましい。
　各ドメインにおけるアゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）の濃度は、前記相分離構造をＴＥＭにより観察する際、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）もしくは電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて、窒素および遷移金属の含有量をマッピングすることにより判定する。
　具体的な方法として、親水性ドメイン、疎水性ドメイン、各々について５０点において元素分析を行いドメイン内の平均窒素量および平均遷移金属量を求め、アゾール環を有する化合物（Ｂ）の濃度については、下記の式に従い各ドメインにおける濃度を算出することができる。
　アゾール環を有する化合物（Ｂ）の濃度（重量％）＝
　１００×〔ドメイン内平均窒素量（重量％）－ポリマー窒素量（重量％）〕／
　〔アゾール環を有する化合物（Ｂ）の窒素量（重量％）－ポリマー窒素量（重量％）〕
　なお、ポリマー窒素量及びアゾール環を有する化合物（Ｂ）の窒素量は、各々高分子電解質及びアゾール環を有する化合物（Ｂ）が含有する窒素量である。
　一方、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が形成する疎水性ドメインは、機械強度を担う成分であるため、疎水性のアゾール環を有する化合物（Ｂ）を配置させることにより、物理的耐久性を向上する効果があると考えられる。親水性のアゾール環を有する化合物（Ｂ）と疎水性のアゾール環を有する化合物（Ｂ）は、必要に応じて併用することも好ましい。
　かかる相分離構造は、例えばアニュアル　レビュー　オブ　フィジカル　ケミストリー（Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ），　４１，　１９９０，　ｐ．５２５等に記載がある。これら親水性ドメインを構成する化合物と疎水性ドメインを形成する化合物の構造や組成を制御することで、低加湿および低温条件下においても優れたプロトン伝導性が実現可能となるが、特にその構造が図１に示した（Ｍ１）、（Ｍ２）すなわち共連続様（Ｍ１）、ラメラ様（Ｍ２）からなる構造の際、連続したプロトン伝導チャネルが形成されることによりプロトン伝導性に優れる高分子電解質成形体を得ることができるが、同時に疎水性ドメインの結晶性により極めて優れた燃料遮断性、耐溶剤性や機械強度、物理的耐久性を有した高分子電解質成形体が実現可能となり得る。なかでも共連続様（Ｍ１）の相分離構造が特に好ましい。
　一方、図１に示した（Ｍ３）、（Ｍ４）すなわちシリンダー構造（Ｍ３）、海島構造（Ｍ４）の相分離構造の場合でも、連続したプロトン伝導チャネルを形成可能と考えられる。しかしながら、両構造ともに、親水性ドメインを構成する成分の比率が疎水性ドメインを構成する成分に対して相対的に少ない場合、もしくは疎水性ドメインを構成する成分の比率が親水性ドメインを構成する成分に対して相対的に少ない場合に構築され得る構造である。前者の場合、プロトン伝導を担うイオン性基量が絶対的に減少し、特に海島構造では、連続したプロトン伝導チャネルそのものが形成されないため、プロトン伝導性に劣る場合があり、後者の場合、プロトン伝導性には優れるものの、結晶性の疎水性ドメインが少ないため、燃料遮断性、耐溶剤性や機械強度、物理的耐久性に劣る場合がある。
　ここでドメインとは、一つの成形体において、類似する物質やセグメントが凝集してできた塊のことを意味する。
　本発明において、共連続様（Ｍ１）、ラメラ様（Ｍ２）の相分離構造を有することは、以下の手法により、所望とする像が観察されることで確認することができる。高分子電解質成形体の、ＴＥＭトモグラフィー観察により得られた３次元図に対して、縦、横、高さの３方向から切り出したデジタルスライス３面図を比較する。例えば、後述するイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）とをそれぞれ１個以上有するブロック共重合体からなる高分子電解質成形体において、その相分離構造が、共連続様（Ｍ１）またはラメラ様（Ｍ２）の場合、３面図すべてにおいて（Ａ１）を含む親水性ドメインと（Ａ２）を含む疎水性ドメインがともに連続相を形成する。
　一方、シリンダー構造（Ｍ３）や海島構造（Ｍ４）の場合、少なくとも１面で前記ドメインのいずれかが連続相を形成しないため前者と区別でき、また３面図の各々が示す模様から構造を判別できる。具体的には、共連続構造の場合、連続相のそれぞれが入り組んだ模様を示すのに対し、ラメラ構造では、層状に連なった模様を示す。ここで連続相とは、巨視的に見て、個々のドメインが孤立せずに繋がっている相のことを意味するが、一部繋がっていない部分があってもかまわない。
　特に、本発明においては、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の凝集状態やコントラストを明確にするために、２重量％酢酸鉛水溶液中に高分子電解質成形体を２日間浸漬することにより、イオン性基を鉛でイオン交換した後、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）およびＴＥＭトモグラフィー観察に供するものとする。
　イオン性基含有ポリマー（Ａ）として用いるブロックコポリマーとしては、ＴＥＭによる観察を５万倍で行った場合に相分離構造が観察され、画像処理により計測した平均層間距離または平均粒子間距離が５ｎｍ以上であるものが好ましく、１０ｎｍ以上であるものがより好ましく、１５ｎｍ以上であるものがさらに好ましい。上限については、５００ｎｍ以下であるものが好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましく、３０ｎｍ以下がさらに好ましい。透過型電子顕微鏡によって相分離構造が観察されない、または、平均層間距離または平均粒子間距離が５ｎｍ未満である場合には、イオンチャンネルの連続性が不足し、伝導度が不足する場合がある。また、層間距離が５００ｎｍを越える場合には、機械強度や寸法安定性が不良となる場合がある。
　イオン性基含有ポリマー（Ａ）として用いるブロックコポリマーは、相分離構造を有しながら、結晶性を有することが好ましく、示差走査熱量分析法（ＤＳＣ）あるいは広角Ｘ線回折によって結晶性が認められることが好ましい。具体的には示差走査熱量分析法によって測定される結晶化熱量が０．１Ｊ／ｇ以上、または、広角Ｘ線回折によって測定される結晶化度が０．５％以上であることが好ましい。なお、「結晶性を有する」とはポリマーが昇温すると結晶化されうる、結晶化可能な性質を有する、あるいは既に結晶化していることを意味する。また、非晶性ポリマーとは、結晶性ポリマーではない、実質的に結晶化が進行しないポリマーを意味する。従って、結晶性ポリマーであっても、結晶化が十分に進行していない場合には、ポリマーの状態としては非晶状態である場合がある。
　本発明の高分子電解質膜の膜厚は、実用に耐える膜の機械強度、物理的耐久性の観点から１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上がさらに好ましい。膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには２０００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましく、３０μｍ以下がさらに好ましい。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。
　また、本発明の高分子電解質膜には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、通常の高分子化合物に使用される結晶化核剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤あるいは離型剤等の添加剤を、含有させてもよい。また、微多孔膜、不織布、メッシュ等で補強しても良い。
　〔触媒層被覆電解質膜〕
　本発明の触媒層被覆電解質膜は、後述するイオン性基含有ポリマー（Ａ）を含む高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の第一の面に形成されたアノード触媒層と該高分子電解質膜の第二の面に形成されたカソード触媒層とを有する触媒層被覆電解質膜であって、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層から選ばれる少なくとも一箇所に前述のアゾール環を有する化合物（Ｂ）を含み、かつ、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、高分子電解質膜とアノード触媒層の間、高分子電解質膜とカソード触媒層の間から選ばれる少なくとも一箇所にコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる少なくとも一種の遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含む触媒層被覆電解質膜である。かかる構成を採ることによる耐久性向上のメカニズムは十分に解明されていないが、発明者らは、次の６点が理由であると推定している。但し、これらの推定は何ら本発明を限定するものではない。
（１）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる３価の窒素原子が５価のＮ－オキシドに酸化されることで、過酸化物分解剤として機能すること。
（２）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子と、イオン性基含有ポリマー（Ａ）に含まれるイオン性基との、イオンコンプレックスや水素結合などの分子間相互作用により三次元的な架橋が形成され、高分子電解質組成物の機械強度の向上と燃料電池運転中の膨潤・収縮が抑制されることにより物理的な劣化が抑制されること。
（３）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子の部分が金属イオン（Ｆｅ２＋、Ｃｕ２＋など）に対する配位子として作用し、強固な錯体を形成することにより不活性化する金属不活性化剤として機能すること。
（４）過酸化物と反応し５価のＮ－オキシドに酸化されたアゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子が、遷移金属含有添加剤（Ｃ）の触媒作用により、水素で還元され３価の窒素として再生すること。
（５）遷移金属そのものが過酸化物やヒドロキシラジカルと反応しそれらを無害化すること。
（６）アゾール環を有する化合物（Ｂ）に含まれる窒素原子と、遷移金属含有添加剤（Ｃ）に含まれる遷移金属原子及び／またはイオンが錯体を形成することにより過酸化物やヒドロキシラジカルを分解する錯体として機能すると共に遷移金属の溶出を抑制すること。
　〔膜電極複合体〕
　本発明の膜電極複合体は、後述するイオン性基含有ポリマー（Ａ）を含む高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の第一の面に形成されたアノード触媒層と該高分子電解質膜の第二の面に形成されたカソード触媒層とアノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを有する膜電極複合体であって、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層から選ばれる少なくとも一箇所にアゾール環を有する化合物（Ｂ）を含み、かつ、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、高分子電解質膜とアノード触媒層の間、高分子電解質膜とカソード触媒層の間、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層、アノードガス拡散層とアノード触媒層の間、カソードガス拡散層とカソード触媒層の間から選ばれる少なくとも一箇所にコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる少なくとも一種の遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含む膜電極複合体である。
　本発明の高分子電解質膜を燃料電池として用いる際の高分子電解質膜と電極等（アノード触媒層、カソード触媒層、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層）の接合法（膜電極複合体の製法）については特に制限はなく、公知の方法（例えば、電気化学，１９８５，　５３，　ｐ．２６９．記載の化学メッキ法、電気化学協会編（Ｊ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．　Ｓｏｃ．）、エレクトロケミカル　サイエンス　アンド　テクノロジー　（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），１９８８，　１３５，　９，　ｐ．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。また、触媒担持カーボンやイオン伝導体などからなる触媒インクを高分子電解質膜へ塗布する方法や、前記触媒インクを基材への塗布、乾燥によりシート状に加工したデカールシートを熱プレスにより高分子電解質膜へ転写する方法により作製した触媒層被覆電解質膜に、更にガス拡散電極を貼り合わせる方法も適用可能である。
　加熱プレスにより一体化する場合は、その温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、本発明では電解質膜が乾燥した状態または吸水した状態でもプレスによる複合化が可能である。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、工業的生産性やイオン性基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から０℃～２５０℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、１０ＭＰａ以下の圧力が好ましく、加熱プレス工程による複合化を実施せずに電極と電解質膜を重ね合わせ燃料電池セル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、燃料電池として発電を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、燃料電池として耐久性が良好となる。
　本発明の触媒層被覆電解質膜や膜電極複合体において、アゾール環を有する化合物（Ｂ）が含まれる場所は特に限定されないが、電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層から選ばれる少なくとも一箇所に含まれる。本発明の触媒層被覆電解質膜や膜電極複合体において、遷移金属含有添加剤（Ｃ）が含まれる場所は特に限定されないが、電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、カソード触媒層と高分子電解質膜の第一面との間、アノード触媒層と高分子電解質膜の第二面との間、カソードガス拡散層、カソードガス拡散層とカソード触媒層の間、アノードガス拡散層、アノードガス拡散層とアノード触媒層の間から選ばれる少なくとも一箇所に含まれる。これらの中でも、アゾール環を有する化合物（Ｂ）及び／または遷移金属含有添加剤（Ｃ）が含まれる場所は酸化劣化を抑制する効果が高いことから、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層の何れかであることが好ましく、化学劣化による分子量の低下や膨潤収縮に起因する膜の破断を抑制する観点から高分子電解質膜に含まれることがより好ましい。
　本発明の高分子電解質組成物、高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体は、リン原子を含有する添加剤を更に含有することも好ましい。該添加剤におけるリン原子が含まれる形態は特に限定されるものではないが、過酸化水素やヒドロキシラジカルを分解する能力が高いことから、３価の有機リン化合物であることが好ましく、燃料電池運転中における溶出を抑制することから、ホスフィン、ホスフィナイト化合物であることがより好ましい。
　本発明において使用されるリン含有添加剤の含有率は、発電特性と耐久性のバランスを考慮して適宜選択することができ、限定されるものではないが、高分子電解質組成物全体の０．００２重量％以上が好ましく、０．０１重量％以上がより好ましく、０．０２重量％以上がさらに好ましい。上限については、１５重量％以下が好ましく、５重量％以下がより好ましく、３重量％以下がさらに好ましい。０．００２重量％未満では、耐久性が不足する場合がある。また、１５重量％を越えると、プロトン伝導性が不足する場合がある。
　本発明の高分子電解質組成物、高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体としては、セリウム、マンガン、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、イリジウムから選ばれた少なくとも１種のその他の遷移金属をさらに含有することも好ましい。これらその他の遷移金属は、金属そのもの、金属のイオン、金属イオンを含む塩、金属イオンを含む錯体、金属の酸化物からなる群から選ばれる１種以上の態様で用いることができる。
　なかでも、ラジカル捕捉剤、過酸化物分解剤としての機能が高いことから、セリウム、マンガン、バナジウム、モリブデン、タングステン、イリジウムを用いることが好ましく、より好ましくは、セリウム、マンガン、イリジウム、さらに好ましくは、セリウム、マンガン、イリジウム、特に好ましくはセリウム、マンガンである。
　本発明において使用されるその他の遷移金属の含有率は、発電特性と耐久性のバランスを考慮して適宜選択することができ、限定されるものではないが、高分子電解質組成物全体の０．００２重量％以上が好ましく、０．０１重量％以上がより好ましく、０．０２重量％以上がさらに好ましい。上限は、１５重量％以下が好ましく、５重量％以下がより好ましく、３重量％以下がさらに好ましい。０．００２重量％未満であると、耐久性が不足する場合がある。また、１５重量％を越えると、プロトン伝導性が不足する場合がある。
　また、本発明において使用されるアゾール環を有する化合物（Ｂ）とその他の遷移金属の含有比率も、発電特性と耐久性のバランスを考慮して適宜選択することができ、限定されるものではないが、窒素／その他の遷移金属のモル比率が、０．０１以上が好ましく、０．１以上がより好ましく、１以上がさらに好ましい。上限は、１００以下が好ましく、２０以下がより好ましく、１０以下がさらに好ましい。０．０１未満であると、プロトン伝導性や耐熱水性が不足する場合がある。また、１００を越えると、耐久性向上効果が小さくなる場合がある。
　かかるその他の遷移金属イオンの態様としては特に限定されるものではないが、具体例として、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、硝酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、アセチルアセトナト錯体などが挙げられる。中でも、酸化劣化を抑制する効果が高いことから、硝酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩、酢酸塩が好ましく、安価で電解質組成物への添加が容易であることから、硝酸塩、リン酸塩、酢酸塩がより好ましい。
　また、その他の遷移金属の酸化物としては、酸化セリウム、酸化マンガン、酸化クロム、酸化イリジウムが挙げられる。なかでも、酸化劣化を抑制する効果が高いことから、酸化セリウム、酸化マンガンを用いることが好ましい。
　本発明の高分子電解質組成物としては、硫黄含有添加剤を更に含有することも好ましい。中でも、発電性能の観点からスルフィド類が好ましく、耐熱性、化学的安定性の観点から芳香族ポリスルフィドがより好ましく、製造コストの観点からポリパラフェニレンスルフィドが特に好ましい。
　〔イオン性基含有ポリマー（Ａ）〕
　次に、本発明において使用されるイオン性基含有ポリマー（Ａ）について説明する。
　本発明において使用されるイオン性基含有ポリマー（Ａ）としては、後述する様なイオン性基を含有し発電特性と化学的安定性を両立できるものであれば、構造は限定されないが、例えばパーフルオロ系ポリマーや炭化水素系ポリマーが代表的なものとして挙げられる。
　パーフルオロ系ポリマーとは、ポリマー中のアルキル基および／またはアルキレン基の水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものであり、イオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの代表例としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デュポン社製）、フレミオン（登録商標）（旭硝子社製）およびアシプレックス（登録商標）（旭化成社製）などの市販品を挙げることができる。これらパーフルオロ系ポリマーは、湿度変化に伴う膨潤・収縮が小さいため、湿度変化に伴う電解質膜の破損は起こりにくいことから好ましく用いることができる。
　一方で、これらパーフルオロ系ポリマーは、非常に高価であり、ガスクロスオーバーが大きいという課題がある。かかる観点からは、イオン性基含有高分子電解質として炭化水素系ポリマーを用いることが好ましい。また、炭化水素系ポリマーは、機械強度、物理的耐久性、化学的安定性などの点からも、好ましく用いることができ、主鎖に芳香環を有する炭化水素系ポリマーであることがより好ましい。中でも、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および物理的耐久性を有するポリマーが好ましい。ここで、芳香環は、炭化水素のみからなる芳香環だけでなく、ヘテロ環などを含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。
　主鎖に芳香環を有する炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等のポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。
　機械強度や物理的耐久性と、製造コストの観点を総合すると、芳香族ポリエーテル系ポリマーが好ましい。さらに、主鎖骨格構造のパッキングの良さおよび極めて強い分子間凝集力から結晶性を示し、一般的な溶剤に溶解しない性質を有するとともに、引張強伸度、引裂強度および耐疲労性に優れる点から、芳香族ポリエーテルケトン系ポリマーが特に好ましい。ここで、芳香族ポリエーテルケトン系ポリマーとは、主鎖に少なくとも芳香環、エーテル結合およびケトン結合を有しているポリマーの総称であり、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルケトンケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトンケトン、芳香族ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、芳香族ポリエーテルケトンスルホン、芳香族ポリエーテルケトンホスフィンオキシド、芳香族ポリエーテルケトンニトリルなどを含む。
　イオン性基含有ポリマー（Ａ）のイオン性基は、負電荷を有する原子団が好ましく、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、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。中でも、プロトン伝導度が高いという点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基または硫酸基を有することがより好ましく、原料コストの点から少なくともスルホン酸基を有することがさらに好ましい。
　また、イオン性基は、塩となっている場合を含むものとする。イオン性基が、塩を形成している場合の対カチオンとしては、任意の金属カチオン、ＮＲ４ ＋（Ｒは任意の有機基）等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属カチオンの具体例としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ等のカチオンが挙げられる。中でも、安価でかつ容易にプロトン置換可能なＮａ、Ｋ、Ｌｉのカチオンが好ましく使用される。
　本発明に使用するイオン性基含有ポリマー（Ａ）の構造について詳細は後述するが、当該構造中にイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。
　イ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、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いればよい。かかる方法は例えば、ジャーナル　オブ　メンブレン　サイエンス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ），１９７，２００２，ｐ．２３１－２４２に記載がある。この方法はポリマーのイオン交換容量（以降、ＩＥＣと略記することもある）の制御が容易であり好ましい。
　高分子反応でイオン性基を導入する方法としては、例えば、ポリマープレプリンツ（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ），５１，２００２，ｐ．７５０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。芳香族系高分子へのスルホン酸基の導入は、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を用いることができる。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させたり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、制御することができる。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。
　このようにして得られるイオン性基含有ポリマー（Ａ）の分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、０．１万以上が好ましく、１万以上がより好ましい。上限については、５００万以下が好ましく、５０万以下がより好ましい。０．１万未満では、成形した膜にクラックが発生するなど機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性のいずれかが不十分な場合がある。一方、５００万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題が生じる場合がある。
　本発明において使用されるイオン性基含有ポリマー（Ａ）としては、低加湿条件でのプロトン伝導性や発電特性の点から、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）とをそれぞれ１個以上含有するブロックコポリマーであることがより好ましい。また、セグメント間を連結するリンカー部位を有するブロックコポリマーはさらに好ましい。リンカーの存在により、副反応を効果的に抑制しながら異なるセグメントを連結することができる。
　イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の数平均分子量は、相分離構造のドメインサイズに関係し、低加湿でのプロトン伝導性と物理的耐久性のバランスから、それぞれ０．５万以上がより好ましく、さらに好ましくは１万以上、最も好ましくは１．５万以上である。また、５万以下がより好ましく、さらに好ましくは、４万以下、最も好ましくは３万以下である。
　イオン性基含有ポリマー（Ａ）がこのようなブロックコポリマーである場合、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が下記一般式（Ｓ１）で、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が下記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を含有するものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
（一般式（Ｓ１）中、Ａｒ１～Ａｒ４は任意の２価のアリーレン基を表し、Ａｒ１およびＡｒ２の少なくとも１つは置換基としてイオン性基を有している。Ａｒ３およびＡｒ４は置換基としてイオン性基を有しても有しなくても良い。Ａｒ１～Ａｒ４はイオン性基以外の基で任意に置換されていても良い。Ａｒ１～Ａｒ４は構成単位ごとに同じでも異なっていてもよい。＊は一般式（Ｓ１）または他の構成単位との結合部位を表す。）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
（一般式（Ｓ２）中、Ａｒ５～Ａｒ８は任意の２価のアリーレン基を表し、置換されていてもよいが、イオン性基を有しない。Ａｒ５～Ａｒ８は構成単位ごとに同じでも異なっていてもよい。＊は一般式（Ｓ２）または他の構成単位との結合部位を表す。）
　上記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）で表される構成単位を含有するブロックコポリマーは、電子求引性のケトン基で全てのアリーレン基が化学的に安定化されており、なおかつ、平面に近い構造であるため分子のパッキングが良くなることから結晶性の付与により強靱化され、ガラス転移温度が低下することにより柔軟化し、物理的耐久性が高くなる。
　上記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）における２価のアリーレン基Ａｒ１～Ａｒ８の無置換の骨格としては、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレンジイル基などの炭化水素系アリーレン基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイルなどのヘテロアリーレン基が挙げられ、好ましくはフェニレン基であり、より好ましくはｐ－フェニレン基である。
　上記イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としては、化学的に安定で、電子求引効果により酸性度が高められ、イオン性基が高密度に導入された構成単位がより好ましい。また、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としては、化学的に安定な上、強い分子間凝集力から結晶性を示す構成単位がより好ましい。
　上記イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）中に含まれる一般式（Ｓ１）で表される構成単位の含有率としては、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）中の２０モル％以上が好ましく、５０モル％以上がより好ましく、８０モル％以上がさらに好ましい。また、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）中に含まれる一般式（Ｓ２）で表される構成単位の含有率としては、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）中の２０モル％以上が好ましく、５０モル％以上がより好ましく、８０モル％以上がさらに好ましい。イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）中に含まれる一般式（Ｓ２）の含有率が２０モル％未満である場合には、結晶性による機械強度、寸法安定性、物理的耐久性に対する本発明の効果が不足する場合がある。
　上記一般式（Ｓ１）で表される構成単位の好ましい具体例としては、原料入手性の点で、下記一般式（Ｐ２）で表される構成単位が挙げられる。中でも、原料入手性と重合性の点から、下記式（Ｐ３）で表される構成単位がより好ましく、下記式（Ｐ４）で表される構成単位がさらに好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
（式（Ｐ２）（Ｐ３）（Ｐ４）中、Ｍ１～Ｍ４は、水素カチオン、金属カチオン、アンモニウムカチオンＮＲ４ ＋（Ｒは任意の有機基）を表し、Ｍ１～Ｍ４は互いに同一であっても異なっていてもよい。また、ｒ１～ｒ４は、それぞれ独立に０～４の整数、ｒ１＋ｒ２は１～８の整数を表し、ｒ１～ｒ４は構成単位ごとに異なっていても良い。＊は式（Ｐ２）（Ｐ３）（Ｐ４）または他の構成単位との結合部位を表す。）
　本発明においてイオン性基含有ポリマー（Ａ）としてイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）とをそれぞれ１個以上含有するブロックコポリマーを使用する場合における、ブロックコポリマーとしては、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）と、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のモル組成比（Ａ１／Ａ２）が、０．２以上であることがより好ましく、０．３３以上がさらに好ましく、０．５以上がさらに好ましい。また、５以下が好ましく、３以下がより好ましく、２以下がさらに好ましい。モル組成比Ａ１／Ａ２が、０．２未満あるいは５を越えると、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足したり、耐熱水性や物理的耐久性が不足したりする場合がある。
　イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）のイオン交換容量は、低加湿条件下でのプロトン伝導性の点から、２．５ｍｅｑ／ｇ以上が好ましく、３ｍｅｑ／ｇ以上がより好ましく、３．５ｍｅｑ／ｇ以上がさらに好ましい。また、６．５ｍｅｑ／ｇ以下が好ましく、５ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、４．５ｍｅｑ／ｇ以下がさらに好ましい。イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）のイオン交換容量が２．５ｍｅｑ／ｇ未満であると、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足する場合があり、６．５ｍｅｑ／ｇを越えると、耐熱水性や物理的耐久性が不足する場合がある。
　イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のイオン交換容量は、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性の点から、１ｍｅｑ／ｇ以下が好ましく、０．５ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、０．１ｍｅｑ／ｇ以下がさらに好ましい。イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のイオン交換容量が１ｍｅｑ／ｇを越えると、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性が不足する場合がある。
　イオン性基含有ポリマー（Ａ）としてイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）とをそれぞれ１個以上含有するブロックコポリマーを使用し、このブロックコポリマーがスルホン酸基を有する場合、そのイオン交換容量は、プロトン伝導性と耐水性のバランスの点から、０．１～５ｍｅｑ／ｇが好ましく、１．５ｍｅｑ／ｇ以上がより好ましく、は２ｍｅｑ／ｇ以上がさらに好ましい。また、３．５ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、３ｍｅｑ／ｇ以下がさらに好ましい。イオン交換容量が０．１ｍｅｑ／ｇより小さい場合には、プロトン伝導性が不足する場合があり、５ｍｅｑ／ｇより大きい場合には、耐水性が不足する場合がある。
　なお、本明細書において、イオン交換容量は中和滴定法により求めた値である。中和滴定法は、以下のとおりに行う。なお、測定は３回以上行ってその平均値を取るものとする。
（１）プロトン置換し、純水で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、１００℃にて１２時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求める。
（２）電解質に５重量％硫酸ナトリウム水溶液を５０ｍＬ加え、１２時間静置してイオン交換する。
（３）０．０１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液０．１ｗ／ｖ％を加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
（４）下記式によりイオン交換容量を求める。
　　イオン交換容量（ｍｅｑ／ｇ）＝
　　〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度（ｍｍｏｌ／ｍｌ）×滴下量（ｍｌ）〕／試料の乾燥重量（ｇ）
　イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）およびイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の合成方法は、実質的に十分な分子量が得られる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と２価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
　イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）の合成に用いる芳香族活性ジハライド化合物として、芳香族活性ジハライド化合物にイオン性基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、化学的安定性、製造コスト、イオン性基の量を精密制御が可能な点から好ましい。イオン性基としてスルホン酸基を有するモノマーの好ましい具体例としては、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジクロロジフェニルスルホン、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロジフェニルスルホン、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジクロロジフェニルケトン、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロジフェニルケトン、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。なかでも化学的安定性と物理的耐久性の点から、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジクロロジフェニルケトン、３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。
　また、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）およびイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の合成に用いるイオン性基を有しない芳香族活性ジハライド化合物としては、４，４’－ジクロロジフェニルスルホン、４，４’－ジフルオロジフェニルスルホン、４，４’－ジクロロジフェニルケトン、４，４’－ジフルオロジフェニルケトン、４，４’－ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、４，４’－ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、２，６－ジクロロベンゾニトリル、２，６－ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。中でも４，４’－ジクロロジフェニルケトン、４，４’－ジフルオロジフェニルケトンが結晶性の付与、機械強度や物理的耐久性、耐熱水性の点からより好ましく、重合活性の点から４，４’－ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。
　また、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）およびイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の合成に用いるイオン性基を有しないモノマーとして、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を挙げることができる。当該化合物は、前記芳香族活性ジハライド化合物と共重合することで、前記セグメントを合成できる。ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物は特に制限されることはないが、４－ヒドロキシ－４’－クロロベンゾフェノン、４－ヒドロキシ－４’－フルオロベンゾフェノン、４－ヒドロキシ－４’－クロロジフェニルスルホン、４－ヒドロキシ－４’－フルオロジフェニルスルホン、４－（４’－ヒドロキシビフェニル）（４－クロロフェニル）スルホン、４－（４’－ヒドロキシビフェニル）（４－フルオロフェニル）スルホン、４－（４’－ヒドロキシビフェニル）（４－クロロフェニル）ケトン、４－（４’－ヒドロキシビフェニル）（４－フルオロフェニル）ケトン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、２種以上の混合物として使用することもできる。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応においてこれらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系化合物を合成しても良い。
　ブロックコポリマーの合成方法は、実質的に十分な分子量が得られる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、前記イオン性基を含有するセグメントとイオン性基を含有しないセグメントの芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
　ブロックコポリマーのセグメントやブロックコポリマーを得るために行う芳香族求核置換反応は、前記モノマー混合物やセグメント混合物を塩基性化合物の存在下で反応させる。かかる重合は、０～３５０℃の温度範囲で行うことができるが、５０～２５０℃の温度であることが好ましい。０℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、３５０℃より高い場合には、ポリマーの分解が起こる場合がある。
　重合反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性有機溶媒などを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも２種以上の混合物として使用されても良い。
　芳香族求核置換反応に用いる塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。また、フェノキシドの求核性を高めるために、１８－クラウン－６などのクラウンエーテルを添加することも好ましい。これらクラウンエーテル類は、スルホン酸基のナトリウムイオンやカリウムイオンに配位して有機溶媒に対する溶解性が向上する場合があり、好ましく使用できる。
　芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。
　反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約２５℃～約２５０℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。通常用いられる共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼン、シクロヘキサンなどが含まれる。もちろん、その沸点が用いた双極性溶媒の沸点よりも低いような共沸剤を選定することが有益である。共沸剤は通常用いられる場合が多いが、高い反応温度、例えば２００℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。
　芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として５～５０重量％となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。５重量％よりも低いと、重合度が上がりにくい場合がある。一方、５０重量％よりも高いと、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる場合がある。
　重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。
　本発明の高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜および膜電極複合体は、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えうる優れた化学的安定性を有し、なおかつ、低加湿条件下における優れたプロトン伝導性、優れた機械強度と物理的耐久性を有することから、これらのいずれかを用いると長期に安定して稼働可能な固体高分子型燃料電池が得られることから好ましい。
　本発明の高分子電解質組成物または高分子電解質膜を使用した固体高分子型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、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、ＤＶＤプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。
　以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。測定ｎ数は特に記載のないものは、ｎ＝１で実施した。
　（１）イオン交換容量（ＩＥＣ）
　以下の手順による中和滴定法により測定した。測定は３回行って、その平均値を取った。
（ｉ）プロトン置換し、純水で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、１００℃にて１２時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求めた。
（ｉｉ）電解質に５重量％硫酸ナトリウム水溶液を５０ｍＬ加え、１２時間静置してイオン交換した。
（ｉｉｉ）０．０１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定した。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液０．１ｗ／ｖ％を加え、薄い赤紫色になった点を終点とした。
（ｉｖ）イオン交換容量は下記の式により求めた。　
　イオン交換容量（ｍｅｑ／ｇ）＝
　〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度（ｍｍｏｌ／ｍｌ）×滴下量（ｍｌ）〕／試料の乾燥重量（ｇ）
　（２）数平均分子量、重量平均分子量
　ポリマーの数平均分子量、重量平均分子量をＧＰＣにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製ＨＬＣ－８０２２ＧＰＣを、またＧＰＣカラムとして東ソー製ＴＳＫ　ｇｅｌ　ＳｕｐｅｒＨＭ－Ｈ（内径６．０ｍｍ、長さ１５ｃｍ）２本を用い、Ｎ－メチル－２－ピロリドン溶媒（臭化リチウムを１０ｍｍｏｌ／Ｌ含有するＮ－メチル－２－ピロリドン溶媒）にて、サンプル濃度０．１重量％、流量０．２ｍＬ／分、温度４０℃で測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量、重量平均分子量を求めた。
　（３）膜厚
　ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドＢＳＧ－２０にセットしたミツトヨ製ＩＤ－Ｃ１１２型を用いて測定した。測定は電解質膜左端より１ｃｍの部位、電解質膜の中央部位、電解質膜の右端より１ｃｍの部位、左端より１ｃｍの部位と中央部位との中間部位、右端より１ｃｍの部位と中央部位との中間部位の五箇所で実施し、その平均を膜厚とした。
　（４）純度の測定方法
　下記条件のガスクロマトグラフィー（ＧＣ）により定量分析した。
カラム：ＤＢ－５（Ｊ＆Ｗ社製）　Ｌ＝３０ｍ　Φ＝０．５３ｍｍ　Ｄ＝１．５０μｍ
キャリヤー：ヘリウム（線速度＝３５．０ｃｍ／ｓｅｃ）
分析条件
Ｉｎｊ．ｔｅｍｐ．　３００℃
Ｄｅｔｃｔ．ｔｅｍｐ．　３２０℃
Ｏｖｅｎ　５０℃×１分
Ｒａｔｅ　１０℃／分
Ｆｉｎａｌ　３００℃×１５分
ＳＰ　ｒａｔｉｏ　５０：１
　（５）核磁気共鳴スペクトル（ＮＭＲ）
　下記の測定条件で、１Ｈ－ＮＭＲの測定を行い、構造確認、およびイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のモル組成比の定量を行った。該モル組成比は、８．２ｐｐｍ（ジスルホネート－４，４’－ジフルオロベンゾフェノン由来）と６．５～８．０ｐｐｍ（ジスルホネート－４，４’－ジフルオロベンゾフェノンを除く全芳香族プロトン由来）に認められるピークの積分値から算出した。
　　装置　　　　：日本電子社製ＥＸ－２７０
　　共鳴周波数　：２７０ＭＨｚ（１Ｈ－ＮＭＲ）
　　測定温度　　：室温
　　溶解溶媒　　：ＤＭＳＯ－ｄ６
　　内部基準物質：ＴＭＳ（０ｐｐｍ）
　　積算回数　　：１６回
　（６）透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による相分離構造の観察
　染色剤として２重量％酢酸鉛水溶液中に試料片を浸漬し、２５℃下で２４時間放置した。染色処理された試料を取りだし、可視光硬化樹脂で包埋し、可視光を３０秒照射し固定した。
　ウルトラミクロトームを用いて室温下で１００ｎｍの厚さの薄片を切削し、得られた薄片をＣｕグリッド上に回収しＴＥＭ観察に供した。観察は加速電圧１００ｋＶで実施し、写真倍率として×８，０００、×２０，０００、×１００，０００になるように撮影を実施した。機器としては、ＴＥＭ　Ｈ７１００ＦＡ（日立製作所社製）を使用した。
　また、酢酸鉛溶液浸漬による染色工程を経ず、同様のＴＥＭ観察を実行することでアゾール環を有する化合物（Ｂ）に由来する島状の相分離構造の有無を確認した。
　（７）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）
　ｒＴＥＭ検出器（アメテック製）を上記ＴＥＭに接続し使用した。詳細な分析内容は下記（ａ）、（ｂ）に示す通りである。
　（ａ）親水性ドメイン及び疎水性ドメインにおけるアゾール環を有する化合物（Ｂ）の濃度の分析
　親水性ドメイン、疎水性ドメイン、各々について５０点において元素分析を行いドメイン内平均窒素量を求め、下記の式に従い各ドメインにおけるアゾール環を有する化合物（Ｂ）の濃度を算出した。
　アゾール環を有する化合物（Ｂ）の濃度（重量％）＝
　１００×〔ドメイン内平均窒素量（重量％）－ポリマー窒素量（重量％）〕／
　〔アゾール環を有する化合物（Ｂ）の窒素量（重量％）－ポリマー窒素量（重量％）〕
　なお、ポリマー窒素量及びアゾール環を有する化合物（Ｂ）の窒素量は、各々高分子電解質及びアゾール環を有する化合物（Ｂ）が含有する窒素量である。
　（ｂ）海／島構造形成時におけるアゾール環を有する化合物（Ｂ）のを主成分とする相分離構造の分析
　前記高分子電解質膜が海／島構造を形成した場合は、以下に示す方法を用いてアゾール環を有する化合物（Ｂ）の分布を測定した。
　即ち、前記海／島構造において島相の５０点において元素分析を行い島相内平均窒素量求め前記（ａ）項と同様にして、島相におけるアゾール環を有する化合物（Ｂ）の含有量を求めた。このとき、アゾール環を有する化合物（Ｂ）の含有量が５０％以上のとき、該島相はアゾール環を有する化合物（Ｂ）が主成分であると判定した。
　合成例１
　下記一般式（Ｇ１）で表される２，２－ビス（４－ヒドロキシフェニル）－１，３－ジオキソラン（Ｋ－ＤＨＢＰ）の合成
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
　攪拌器、温度計及び留出管を備えた５００ｍＬフラスコに、４，４′－ジヒドロキシベンゾフェノン４９．５ｇ、エチレングリコール１３４ｇ、オルトギ酸トリメチル９６．９ｇ及びｐ－トルエンスルホン酸１水和物０．５０ｇを仕込み溶解する。その後７８～８２℃で２時間保温攪拌した。更に、内温を１２０℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を５重量％炭酸カリウム水溶液１００ｍＬで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン８０ｍＬを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して２，２－ビス（４－ヒドロキシフェニル）－１，３－ジオキソラン５２．０ｇを得た。この結晶をＧＣ分析したところ９９．９％の２，２－ビス（４－ヒドロキシフェニル）－１，３－ジオキソランと０．１％の４，４′－ジヒドロキシベンゾフェノンであった。
　合成例２
　下記一般式（Ｇ２）で表されるジソジウム　３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロベンゾフェノンの合成
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　４，４’－ジフルオロベンゾフェノン１０９．１ｇ（アルドリッチ試薬）を発煙硫酸（５０重量％ＳＯ３）１５０ｍＬ（和光純薬試薬）中、１００℃で１０ｈ反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、ＮａＯＨで中和した後、食塩２００ｇを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式（Ｇ２）で示されるジソジウム　３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は９９．４％であった。構造は１Ｈ－ＮＭＲで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動（有機物）およびイオンクロマトグラフィー（無機物）で定量分析を行った。
　合成例３
　（下記一般式（Ｇ３）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ１’の合成）
　かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ－Ｓｔａｒｋトラップを備えた１０００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム１６．５９ｇ（アルドリッチ試薬、１２０ｍｍｏｌ）、前記合成例１で得たＫ－ＤＨＢＰ２５．８ｇ（１００ｍｍｏｌ）および４，４’－ジフルオロベンゾフェノン２０．３ｇ（アルドリッチ試薬、９３ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）３００ｍＬ、トルエン１００ｍＬ中にて１６０℃で脱水後、昇温してトルエンを除去、１８０℃で１時間重合を行った。多量のメタノールで再沈殿することで精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１（末端ヒドロキシル基）を得た。数平均分子量は１００００であった。
　かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ－Ｓｔａｒｋトラップを備えた５００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム１．１ｇ（アルドリッチ試薬、８ｍｍｏｌ）、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ１（末端ヒドロキシル基）を２０．０ｇ（２ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）１００ｍＬ、シクロヘキサン３０ｍＬ中にて１００℃で脱水後、昇温してシクロヘキサンを除去し、デカフルオロビフェニル４．０ｇ（アルドリッチ試薬、１２ｍｍｏｌ）を入れ、１０５℃で１時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式（Ｇ３）で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）を得た。数平均分子量は１２０００であり、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’の数平均分子量は、リンカー部位（分子量６３０）を差し引いた値１１４００と求められた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
　（下記一般式（Ｇ４）で表されるイオン性基を含有するオリゴマーａ２の合成）
　かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ－Ｓｔａｒｋトラップを備えた１０００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム２７．６ｇ（アルドリッチ試薬、２００ｍｍｏｌ）、前記合成例１で得たＫ－ＤＨＢＰ１２．９ｇ（５０ｍｍｏｌ）および４，４’－ビフェノール９．３ｇ（アルドリッチ試薬、５０ｍｍｏｌ）、前記合成例２で得たジソジウム　３，３’－ジスルホネート－４，４’－ジフルオロベンゾフェノン３９．３ｇ（９３ｍｍｏｌ）、および１８－クラウン－６、１７．９ｇ（和光純薬８２ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）３００ｍＬ、トルエン１００ｍＬ中にて１７０℃で脱水後、昇温してトルエンを除去、１８０℃で１時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式（Ｇ４）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ヒドロキシル基）を得た。数平均分子量は１７０００であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
（式（Ｇ４）において、Ｍは、ＮａまたはＫを表す。）
　（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ２、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ１、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ１の合成）
　かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ－Ｓｔａｒｋトラップを備えた５００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム０．５６ｇ（アルドリッチ試薬、４ｍｍｏｌ）、イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ヒドロキシル基）を１６ｇ（１ｍｍｏｌ）入れ、窒素置換後、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）１００ｍＬ、シクロヘキサン３０ｍＬ中にて１００℃で脱水後、昇温してシクロヘキサンを除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）１１ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れ、１０５℃で２４時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、ブロック共重合体ｂ１を得た。重量平均分子量は３７万であった。
　ブロックコポリマーｂ１は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）で表される構成単位をそれぞれ５０モル％、１００モル％含有していた。
　ブロックコポリマーｂ１そのものを高分子電解質膜としたときの、中和滴定から求めたイオン交換容量は１．８ｍｅｑ／ｇ、１Ｈ－ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、５６モル／４４モル＝１．２７、ケタール基の残存は認められなかった。
　合成例４
　（下記式（Ｇ６）で表されるセグメントと下記式（Ｇ７）で表されるセグメントからなるポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）系ブロックコポリマー前駆体ｂ２’の合成）
　無水塩化ニッケル１．６２ｇとジメチルスルホキシド１５ｍＬとを混合し、７０℃に調整した。これに、２，２’－ビピリジル２．１５ｇを加え、同温度で１０分撹拌し、ニッケル含有溶液を調製した。
　ここに、２，５－ジクロロベンゼンスルホン酸（２，２－ジメチルプロピル）１．４９ｇと下記式（Ｇ５）で示される、スミカエクセルＰＥＳ５２００Ｐ（住友化学社製、Ｍｎ＝４０，０００、Ｍｗ＝９４，０００）０．５０ｇとを、ジメチルスルホキシド５ｍＬに溶解させて得られた溶液に、亜鉛粉末１．２３ｇを加え、７０℃に調整した。これに前記ニッケル含有溶液を注ぎ込み、７０℃で４時間重合反応を行った。反応混合物をメタノール６０ｍＬ中に加え、次いで、６ｍｏｌ／Ｌ塩酸６０ｍＬを加え１時間攪拌した。析出した固体を濾過により分離し、乾燥し、灰白色の下記式（Ｇ６）と下記式（Ｇ７）で表されるセグメントを含むブロック共重合体ｂ２’を１．６２ｇを収率９９％で得た。重量平均分子量は２３万であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
　合成例５
　（式（Ｇ７）で表されるセグメントと下記式（Ｇ８）で表されるセグメントからなるＰＥＳ系ブロックコポリマーｂ２の合成）
　合成例４で得られたブロックコポリマー前駆体ｂ２’０．２３ｇを、臭化リチウム１水和物０．１６ｇとＮ－メチル－２－ピロリドン８ｍＬとの混合溶液に加え、１２０℃で２４時間反応させた。反応混合物を、６ｍｏｌ／Ｌ塩酸８０ｍＬ中に注ぎ込み、１時間撹拌した。析出した固体を濾過により分離した。分離した固体を乾燥し、灰白色の式（Ｇ７）で示されるセグメントと下記式（Ｇ８）で表されるセグメントからなるブロックコポリマーｂ２を得た。得られたポリアリーレンの重量平均分子量は１９万であった。
　ブロックコポリマーｂ２そのものを高分子電解質膜としたときの、中和滴定から求めたイオン交換容量は２．０ｍｅｑ／ｇであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
　合成例６
　（下記式（Ｇ９）で表される疎水性オリゴマ－ａ３の合成）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
　撹拌機、温度計、冷却管、Ｄｅａｎ－Ｓｔａｒｋ管、窒素導入の三方コックを取り付けた１Ｌの三口フラスコに、２，６－ジクロロベンゾニトリル４９．４ｇ（０．２９ｍｏｌ）、２，２－ビス（４－ヒドロキシフェニル）－１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロプロパン８８．４ｇ（０．２６ｍｏｌ）、炭酸カリウム４７．３ｇ（０．３４ｍｏｌ）をはかりとった。
　窒素置換後、スルホラン３４６ｍＬ、トルエン１７３ｍＬを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、１５０℃に加熱還流させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Ｄｅａｎ－Ｓｔａｒｋ管で系外に除去しながら反応させると、約３時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、２００℃で３時間反応を続けた。次に、２，６－ジクロロベンゾニトリル１２．３ｇ（０．０７２ｍｏｌ）を加え、さらに５時間反応した。
　得られた反応液を放冷後、トルエン１００ｍＬを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過して除去し、濾液を２Ｌのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン２５０ｍＬに溶解した。これをメタノール２Ｌに再沈殿し、目的のオリゴマーａ３　１０７ｇを得た。オリゴマーａ３の数平均分子量は７，６００であった。
　合成例７
　（下記式（Ｇ１０）で表される親水性モノマーａ４の合成）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
　攪拌機、冷却管を備えた３Ｌの三口フラスコに、クロロスルホン酸２３３．０ｇ（２ｍｏｌ）を加え、続いて２，５－ジクロロベンゾフェノン１００．４ｇ（４００ｍｍｏｌを加え、１００℃のオイルバスで８時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷１０００ｇにゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶３－（２，５－ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸クロリドを得た。粗結晶は精製せず、そのまま次工程に用いた。
　２，２－ジメチル－１－プロパノール（ネオペンチルアルコール）３８．８ｇ（４４０ｍｍｏｌ）をピリジン３００ｍＬに加え、約１０℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約３０分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに３０分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水１０００ｍＬ中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、式（Ｇ１０）で表される３－（２，５－ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸ネオペンチルａ４の白色結晶を得た。
　合成例８
　（下記式（Ｇ１１）で表されるポリアリーレン系ブロックコポリマーｂ３の合成）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
　撹拌機、温度計、窒素導入管を接続した１Ｌの３口フラスコに、乾燥したＮ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）１６６ｍＬを合成例６で合成した疎水性オリゴマー１３．４ｇ（１．８ｍｍｏｌ）、合成例７で合成した３－（２，５－ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸ネオペンチル３７．６ｇ（９３．７ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド２．６２ｇ（４．０ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン１０．５ｇ（４０．１ｍｍｏｌ）、ヨウ化ナトリウム０．４５ｇ（３．０ｍｍｏｌ）、亜鉛１５．７ｇ（２４０．５ｍｍｏｌ）の混合物中に窒素下で加えた。
　反応系を撹拌下に加熱し（最終的には８２℃まで加温）、３時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をＤＭＡｃ１７５ｍＬで希釈し、３０分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い濾過した。撹拌機を取り付けた１Ｌの３つ口で、この濾液に臭化リチウム２４．４ｇ（２８１ミリモル）を１／３ずつ３回に分け１時間間隔で加え、１２０℃で５時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン４Ｌに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、１Ｎ硫酸１５００ｍＬで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のｐＨが５以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、８０℃で一晩乾燥し、目的のブロックコポリマーｂ３　３８．０ｇを得た。このブロックコポリマーの重量平均分子量は１８万であった。
　ブロックコポリマーｂ３そのものを高分子電解質膜としたときの、中和滴定から求めたイオン交換容量は２．５ｍｅｑ／ｇであった。
　合成例９
（下記式（Ｇ１２）で表されるポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）化合物の合成）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
　窒素導入管を備えた２５０ｍＬ二口フラスコに、イソフタル酸ジフェニル（東京化成製）２９．７ｇ（９３．３ｍｍｏｌ）及びポリリン酸（和光純薬製）５ｇを入れ窒素置換後、１５０℃まで昇温し、溶融、混合した。室温まで冷却後、３，３’－ジアミノベンジジン（Ａｌｄｒｉｃｈ製）２０．０ｇ（９３．３ｍｍｏｌ））を加え、再度１５０℃まで昇温した。イソフタル酸ジフェニルの融解後、５時間かけ２００℃まで昇温した。２００℃到達より１時間経過後、３０分間減圧しフェノールを除去した後、２００℃にて８時間反応を行った。得られた褐色固体を３５０ｇのＮＭＰに溶解、濾過後、２重量％重曹水溶液３Ｌで再沈殿することで精製を行い、式（Ｇ１２）で示すＰＢＩ化合物２５．９ｇ（収率９０％）を得た。
　［実施例１］
　（ＰＢＩ、コバルト添加膜の作製）
　合成例３にて得た２０ｇのブロックコポリマーｂ１を８０ｇのＮＭＰに溶解した。この溶液に、合成例９にて得た２００ｍｇのＰＢＩ及びコバルト微粒子２００ｍｇ（アルドリッチ社製）を混合し、撹拌機で２０，０００ｒｐｍ、３分間撹拌しポリマー濃度２０質量％の透明な溶液を得た。得られた溶液を、ガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、１００℃にて４ｈ乾燥後、窒素下１５０℃で１０分間熱処理し、ポリケタールケトン膜（膜厚１５μｍ）を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。９５℃で１０重量％硫酸水溶液に２４時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に２４時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜ｆ１を得た。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４：１６であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８７：１３であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　ＢＡＳＦ社製燃料電池用ガス拡散電極“ＥＬＡＴ（登録商標）ＬＴ１２０ＥＮＳＩ”５ｇ／ｍ２Ｐｔを５ｃｍ角にカットしたものを１対準備し、燃料極、酸化極として高分子電解質膜ｆ１を挟むように対向して重ね合わせ、１５０℃、５ＭＰａで３分間加熱プレスを行い、膜電極複合体とした。
　この膜電極複合体を評価用セルにセットし、８０℃に保ちながらアノード側に水素ガスを４００ｍＬ／分、カソード側に空気ガスを４００ｍＬ／分で流した。ガス加湿には水バブリング方式を用い、水素ガス、空気ガス共に３０℃で加湿してセルへ供給した状態にて、電流電圧曲線を測定し、電流値１Ａ／ｃｍ２における電圧を比較することで発電性能を測定した。
　高分子電解質膜ｆ１は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、耐久性試験として開回路保持時間を測定した。前記発電性能と同様の方法にて膜電極複合体を作製し、評価セルにセットし、低加湿状態の水素（７０ｍＬ／分、背圧０．１ＭＰａＧ）と空気（１７４ｍＬ／分、背圧０．０５ＭＰａＧ）をセルに導入し、開回路での劣化加速試験を行った。７０００時間評価を行ったが開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定し、その結果を表１に示す。
　［実施例２］
　ＰＢＩ及びコバルトの添加量を３ｇにした以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ２を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝７０：３０であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝７２：２８であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例３］
　ＰＢＩ及びコバルトの添加量を４ｍｇにした以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ３を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝９２：８であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝９３：７であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例４］
　（ＰＢＩ添加膜の作製）
　合成例３にて得た２０ｇのブロックコポリマーｂ１を８０ｇのＮＭＰに溶解した。この溶液に、合成例９にて得た２００ｍｇのＰＢＩを混合し、撹拌機で２０，０００ｒｐｍ、３分間撹拌しポリマー濃度２０質量％の透明な溶液を得た。得られた溶液を、ガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、１００℃にて４ｈ乾燥後、窒素下１５０℃で１０分間熱処理し、ポリケタールケトン膜（膜厚１５μｍ）を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。９５℃で１０重量％硫酸水溶液に２４時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に２４時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜ｆ４を得た。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６：１４であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　（Ｐｔ触媒シートの作製）
　Ｐｔ担持カーボン（田中貴金属（株）社製ＴＥＣ１０Ｅ４０Ｅ、Ｐｔ４０重量％）１．００ｇに対し、５質量％Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）分散液（Ａｌｄｒｉｃｈ製、イオン交換容量（ＩＥＣ）：０．９２ｍｅｑ／ｇ、溶媒組成（質量比）：１－プロパノール／水＝５０／５０）を１１質量％に濃縮したポリマー溶液を３．３１ｇ添加、さらに３．２４ｇのエタノールを添加して後、ホモジナイザーでよく混合して電極インクを得た。この電極インクをスクリーン印刷法にてＰＴＦＥシート上に塗布した。塗布量は、Ｐｔ担持量及びポリマー担持量共に０．５０ｍｇ／ｃｍ２になる塗布量とした。塗布後、室温下で１時間、空気中１２０℃にて１時間、乾燥を行うことにより大きさ５ｃｍ×５ｃｍ、厚み１０μｍ程度の触媒シートｃ１を得た。
　（Ｐｔ、Ｃｏ含有触媒シートの作製）
　Ｋ２ＰｔＣｌ４：０．４５ｇ，ＣｏＣｌ３：０．１４ｇ，カーボンブラック（一次粒径：４０～６０ｎｍ）：０．５０ｇを超純水：２．５Ｌに添加し攪拌することにより、白金塩，コバルト塩，カーボン微粒子を含む水溶液を調製した。
　該水溶液をＡｒパージしながら３０分攪拌した後、流量：０．２Ｌ／分で水素ガスを吹き込み、更に１２時間機械攪拌した。次いで、水溶液を濾過し、Ｐｔ／Ｃｏ合金ナノ粒子を担持したカーボン微粒子を水溶液から濾別し、８０℃で３時間乾燥した。
　ＴＥＭ観察の結果、Ｐｔ／Ｃｏ合金担持カーボンにおいては、白金コバルト合金（Ｒｕ：５０質量％）のナノ粒子（平均粒径：２ｎｍ，比表面積：１００～２００ｃｍ２／ｍｇ）が担持量：３６質量％でカーボン微粒子に高分散していた。
　Ｐｔ担持カーボン１ｇの代わりにＰｔ担持カーボン０．５ｇとＰｔ／Ｃｏ合金担持カーボン０．５ｇを使用した以外は、前記触媒シートｃ１と同様にして、Ｐｔ、Ｃｏ触媒シートｃ２を得た。
　これらの触媒シートのうち、触媒シートｃ１をアノード触媒層とし、触媒シートｃ２をカソード触媒層とした。
　（コバルト含有カソードを含む触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体の作製）
　このようにして得たアノード触媒層とカソード触媒層を向い合わせて、その間に７ｃｍ×７ｃｍにカットした高分子電解質膜ｆ４を挟み込み、１６０℃、面圧０．１ＭＰａでホットプレスすることにより、アノード触媒層とカソード触媒層を高分子電解質膜に転写、接合して触媒層被覆電解質膜を作製した。
　このＭＥＡの両側（アノード触媒層とカソード触媒層の外表面）にガス拡散層（ＧＤＬ）としてカーボンクロス（米国ＤＥ　ＮＯＲＡ　ＮＯＲＴＨ　ＡＭＥＲＩＣＡ社製ＥＬＡＴ（登録商標）Ｂ－１）をセットして膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例５］
　（コバルト含有アノードを含む触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体の作製）
　触媒シートｃ１をカソード触媒層とし、触媒シートｃ２をアノード触媒層とした以外は実施例４と同様にして、触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例６］
　（コバルト微粒子塗布膜の作製）
　実施例４にて作製した高分子電解質膜ｆ４（大きさ７ｃｍ×７ｃｍ）にコバルト微粒子１５重量％水分散液２００ｍｇ（アルドリッチ社製コバルト微粒子を、超純水中において分散させたもの）を塗布した。塗布後、室温下で１時間、空気中１２０℃にて１時間、乾燥を行うことにより大きさ７ｃｍ×７ｃｍのコバルト塗布膜ｆ５を得た。
　高分子電解質膜ｆ４の代わりにコバルト塗布膜ｆ５を使用し、触媒シートｃ１をカソード、アノード双方の触媒層とした以外は実施例４と同様にして、触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。この際、コバルト塗布面をカソードとし評価を行った。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例７］
　（コバルト塗布ＧＤＬの作製）
　５ｃｍ×５ｃｍのカーボンクロス（米国ＤＥ　ＮＯＲＡ　ＮＯＲＴＨ　ＡＭＥＲＩＣＡ社製ＥＬＡＴ（登録商標）Ｂ－１）にコバルト微粒子１５重量％水分散液１００ｍｇ（アルドリッチ社製コバルト微粒子を、超純水中において分散させたもの）を塗布した。塗布後、室温下で１時間、空気中１２０℃にて１時間、乾燥を行うことにより大きさ５ｃｍ×５ｃｍのコバルト塗布ＧＤＬガス拡散層ｇ１を得た
　触媒シートｃ１をカソード、アノード双方の触媒層とし、アノードのガス拡散層をｇ１とした以外は実施例４と同様にして、触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例８］
　（ＰＢＩ、コバルトアセチルアセトナト錯体添加膜の作製）
　１ｇのコバルト微粒子２０重量％水分散液の代わりに、トリス（アセチルアセトナト）コバルト（アルドリッチ社製）２００ｍｇを使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ６を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８２：１８であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８７：１３であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ６を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例９］
　（ＰＢＩ、硝酸コバルト添加膜の作製）
　０．４８０ｇの硝酸コバルト（ＩＩ）六水和物（アルドリッチ社製）を純水に溶解し３０Ｌとして５５μｍｏｌ／Ｌの硝酸コバルト（ＩＩ）溶液を調製した。この溶液に、実施例４にて製造した２０ｇの高分子電解質膜ｆ４を７２時間浸漬し、スルホン酸基とのイオン交換により、コバルトイオンを取り込ませた高分子電解質膜ｆ７を得た。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６：１４であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝９１：９であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１０］
　（フタロシアニン、コバルト添加膜の作製）
　２００ｍｇのＰＢＩの代わりに、フタロシアニン（和光純薬工業社製）２００ｍｇを使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ８を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８５：１５であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６：１４であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ８を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１１］
　（ＮＲＥ２１１ＣＳベースコバルト含有触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体の作製）
　２０ｇのブロックコポリマーｂ１の代わりに、ナフィオン（登録商標）の一種であるＮＲＥ２１１ＣＳ　２０ｇを使用した以外は、実施例４と同様にして高分子電解質膜ｆ９を製造した。
　ＴＥＭ観察においていかなる相分離構造も確認できなかった（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離についても見られなかった）。
　高分子電解質膜ｆ４の代わりに、高分子電解質膜ｆ９を使用した以外は、実施例５と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１２］
　（ＰＥＳ系ブロックコポリマーベースコバルト含有触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体の作製）
　ブロックコポリマーｂ１の代わりに合成例５で得たＰＥＳ系ブロックコポリマーｂ２を使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ１０を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８３：１７であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６：１４であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１０を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに可溶であったため、耐久性試験として分子量保持率を測定した。実施例１記載の発電性能と同様の方法にて膜電極複合体を作製し、評価セルにセットし、８０℃に保ちながら、低加湿状態の水素（７０ｍＬ／分、背圧０．１ＭＰａＧ）と空気（１７４ｍＬ／分、背圧０．０５ＭＰａＧ）をセルに導入し、開回路での劣化加速試験を行った。この条件で燃料電池セルを１０００時間作動させた後、膜電極複合体を取り出してエタノール／水の混合溶液に投入し、さらに超音波処理することで触媒層を取り除いた。そして、残った高分子電解質膜の分子量を測定し、分子量保持率として評価した。別途電解質膜のイオン交換容量及び発電性能を測定し、その結果を表１に示す。
　［実施例１３］
　（ポリアリーレン系ブロックコポリマーベースコバルト含有触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体の作製）
　ブロックコポリマーｂ１の代わりに合成例８で得たポリアリーレン系ブロックコポリマーｂ３を使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ１１を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４：１６であった。ＥＤＸを用いて測定したコバルトの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８８：１２であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１１を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに可溶であったため、実施例１２と同様にして発電性能及び分子量保持率を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定し、その結果を表１に示す。
　［実施例１４］
　（ＰＢＩ、ルテニウム添加膜の作製）
　コバルト微粒子２００ｍｇの代わりにルテニウム微粒子２０重量％水分散液１ｇ（Ｓｔｒｅｍ社製、粒径＜２０ｎｍ、濃度５００ｍｇ／Ｌを濃縮したもの、ルテニウム量２００ｍｇ）を添加した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ１２を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４：１６であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８７：１３であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１５］
　ＰＢＩ及びルテニウムの添加量を３ｇにした以外は、実施例１４と同様にして高分子電解質膜ｆ１３を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝７０：３０であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝７２：２８であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１６］
　ＰＢＩ及びルテニウムの添加量を４ｍｇにした以外は、実施例１４と同様にして高分子電解質膜ｆ１４を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝９２：８であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝９３：７であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１７］
　（Ｐｔ、Ｒｕ含有触媒シートの作製）
　Ｐｔ担持カーボンの代わりにＰｔ、Ｒｕ担持カーボン（田中貴金属（株）社製ＴＥＣ６６Ｅ５０、Ｐｔ２５重量％、Ｒｕ２５重量％）を使用した以外は、前記触媒シートｃ１と同様にして、Ｐｔ、Ｒｕ触媒シートｃ３を得た。
　（ルテニウム含有カソードを含む触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体の作製）
　触媒シートｃ２の代わりに触媒シートｃ３を用いた以外は、実施例４と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１８］
　（ルテニウム含有アノードを含む触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体の作製）
　触媒シートｃ１をカソード触媒層とし、触媒シートｃ３をアノード触媒層とした以外は実施例１７と同様にして、触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例１９］
　（ルテニウム微粒子塗布膜の作製）
　実施例４にて作製した高分子電解質膜ｆ４（大きさ７ｃｍ×７ｃｍ）にルテニウム微粒子１５重量％水分散液２００ｍｇ（Ｓｔｒｅｍ社製、粒径＜２０ｎｍ、濃度５００ｍｇ／Ｌを濃縮したもの、ルテニウム量３０ｍｇ）を塗布した。塗布後、室温下で１時間、空気中１２０℃にて１時間、乾燥を行うことにより大きさ７ｃｍ×７ｃｍのルテニウム塗布膜ｆ１５を得た。
　高分子電解質膜ｆ４の代わりにルテニウム塗布膜ｆ１５を使用し、触媒シートｃ１をカソード、アノード双方の触媒層とした以外は実施例４と同様にして、触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。この際、ルテニウム塗布面をアノードとし評価を行った。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２０］
　（ルテニウム塗布ＧＤＬの作製）
　５ｃｍ×５ｃｍのカーボンクロス（米国ＤＥ　ＮＯＲＡ　ＮＯＲＴＨ　ＡＭＥＲＩＣＡ社製ＥＬＡＴ（登録商標）Ｂ－１）にルテニウム微粒子１５重量％水分散液１００ｍｇ（Ｓｔｒｅｍ社製、粒径＜２０ｎｍ、濃度５００ｍｇ／Ｌを濃縮したもの、ルテニウム量１０ｍｇ）を塗布した。塗布後、室温下で１時間、空気中１２０℃にて１時間、乾燥を行うことにより大きさ５ｃｍ×５ｃｍのルテニウム塗布ＧＤＬガス拡散層ｇ２を得た
　触媒シートｃ１をカソード、アノード双方の触媒層とし、アノードのガス拡散層をｇ２とした以外は実施例４と同様にして、触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２１］
　（ＰＢＩ、ルテニウムアセチルアセトナト錯体添加膜の作製）
　１ｇのルテニウム微粒子２０重量％水分散液の代わりに、トリス（アセチルアセトナト）ルテニウム（アルドリッチ社製）２００ｍｇを使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ１６を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８２：１８であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８７：１３であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１６を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２２］
　（フタロシアニン、ルテニウム添加膜の作製）
　２００ｍｇのＰＢＩの代わりに、フタロシアニン（和光純薬工業社製）２００ｍｇを使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ１７を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８５／１５であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６／１４であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１７を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２３］
　（ＮＲＥ２１１ＣＳベースルテニウム含有触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体の作製）
　触媒シートｃ２の代わりに、触媒シートｃ３を用いた以外は実施例１１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２４］
　（ＰＥＳ系ブロックコポリマーベース触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体の作製）
　ブロックコポリマーｂ１の代わりに合成例５で得たＰＥＳ系ブロックコポリマーｂ２を使用した以外は、実施例１４と同様にして高分子電解質膜ｆ１８を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８７／１３であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６／１４であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１８を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに可溶であったため、耐久性試験として分子量保持率を測定した。実施例１記載の発電性能と同様の方法にて膜電極複合体を作製し、評価セルにセットし、８０℃に保ちながら、低加湿状態の水素（７０ｍＬ／分、背圧０．１ＭＰａＧ）と空気（１７４ｍＬ／分、背圧０．０５ＭＰａＧ）をセルに導入し、開回路での劣化加速試験を行った。この条件で燃料電池セルを１０００時間作動させた後、膜電極複合体を取り出してエタノール／水の混合溶液に投入し、さらに超音波処理することで触媒層を取り除いた。そして、残った高分子電解質膜の分子量を測定し、分子量保持率として評価した。別途電解質膜のイオン交換容量及び発電性能を測定し、その結果を表１に示す。
　［実施例２５］
　（ポリアリーレン系ブロックコポリマーベース触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体の作製）
　ブロックコポリマーｂ１の代わりに合成例８で得たポリアリーレン系ブロックコポリマーｂ３を使用した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ１９を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４／１６であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８８／１２であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１９を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに可溶であったため、実施例１２と同様にして発電性能及び分子量保持率を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定し、その結果を表１に示す。
　［実施例２６］
　（ＰＢＩ、銀添加膜の作製）
　コバルト微粒子２００ｍｇの代わりに銀微粒子２０重量％水分散液１ｇ（Ｓｔｒｅｍ社製、粒径＜２０ｎｍ、濃度５００ｍｇ／Ｌを濃縮したもの、銀量２００ｍｇ）を添加した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ２０を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４／１７であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８７／１３であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２７］
　（ＰＢＩ、パラジウム添加膜の作製）
　コバルト微粒子２００ｍｇの代わりにパラジウム微粒子２０重量％水分散液１ｇ（Ｓｔｒｅｍ社製、粒径＜２０ｎｍ、濃度５００ｍｇ／Ｌを濃縮したもの、パラジウム量２００ｍｇ）を添加した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ２１を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４／１７であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８５／１５であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２８］
　（ＰＢＩ、硝酸パラジウム添加膜の作製）
　硝酸コバルト六水和物０．４８０ｇの代わりに硝酸パラジウム（ＩＩ）０．３８０ｇを添加した以外は、実施例９と同様にして高分子電解質膜ｆ２２を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４／１６であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８６／１４であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［実施例２９］
　（ＰＢＩ、ロジウム添加膜の作製）
　コバルト微粒子２００ｍｇの代わりにロジウム微粒子２０重量％水分散液１ｇ（Ｓｔｒｅｍ社製、粒径＜２０ｎｍ、濃度５００ｍｇ／Ｌを濃縮したもの、ロジウム量２００ｍｇ）を添加した以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ２３を製造した。
　ＴＥＭ観察において、周期長３０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。また、ＥＤＸを用いて窒素原子の分布から計算したＰＢＩの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４／１６であった。ＥＤＸを用いて測定したルテニウムの存在比は、親水性ドメイン中：疎水性ドメイン中＝８４／１６であった。ＰＢＩに由来する島状の相分離構造（ＰＢＩを主成分とする２ｎｍ以上の相分離）は見られなかった。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。実施例１と同様、７０００時間経過後も開回路電圧が０．７Ｖ以下まで下がらなかったため評価を打ち切り、初期電圧と７０００時間経過時点での電圧を比較し、電圧保持率として電解質膜の化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例１］
　ＰＢＩ及びコバルト微粒子を使用しなかった以外は、実施例１と同様にして電解質膜ｆ１’を製造した。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ１’を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例２］
　コバルト微粒子を使用しなかった以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ２’を製造した。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ２’を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例３］
　ＰＢＩを使用しなかった以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜ｆ３’を製造した。
　高分子電解質膜ｆ１の代わりに、高分子電解質膜ｆ３’を使用した以外は、実施例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例４］
　高分子電解質膜ｆ４の代わりに、高分子電解質膜ｆ１’を使用した以外は、実施例５と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、実施例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例５］
　ブロックコポリマーｂ１の代わりにＮＲＥ２１１ＣＳを使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜ｆ４’を製造した。
　高分子電解質膜ｆ１’の代わりに、高分子電解質膜ｆ４’を使用した以外は、比較例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに不溶であり分子量保持率が測定不能であったため、比較例１と同様にして発電性能及び化学耐久性を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例６］
　ブロックコポリマーｂ１の代わりにブロックコポリマーｂ２を使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜ｆ５’を製造した。
　高分子電解質膜ｆ１’の代わりに、高分子電解質膜ｆ５’を使用した以外は、比較例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに可溶であったため、実施例１２と同様にして発電性能及び分子量保持率を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
　［比較例７］
　ブロックコポリマーｂ１の代わりにブロックコポリマーｂ３を使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜ｆ６’を製造した。
　高分子電解質膜ｆ１’の代わりに、高分子電解質膜ｆ６’を使用した以外は、比較例１と同様にして触媒層被覆電解質膜及び膜電極複合体を作製した。
　得られた膜は、ＮＭＰに可溶であったため、実施例１２と同様にして発電性能及び分子量保持率を評価した。別途電解質膜のイオン交換容量を測定しその結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　表１より、アゾール環を有する化合物（Ｂ）及び遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含む高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体を作製した実施例１～１０、１４～２２および２６～２９の開回路保持時間は、添加剤未配合の比較例１やアゾール環を有する化合物（Ｂ）のみを添加した比較例２、遷移金属含有添加剤のみを添加した比較例３や比較例４よりも長いものであった。また、実施例１１および２３と比較例５、実施例１２および２４と比較例６、実施例１３および２５と比較例７を比較により、アゾール環を有する化合物（Ｂ）及び遷移金属含有添加剤（Ｃ）を加えた方が開回路保持時間或いは分子量保持率が優れていた。以上より、アゾール環を有する化合物（Ｂ）及び遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含む高分子電解質膜、触媒層被覆電解質膜、膜電極複合体は、燃料電池の発電により生成される過酸化水素またはヒドロキシラジカルに対する優れた耐久性を付与することが出来るものであることが示された。
　本発明の高分子電解質組成物および高分子電解質膜は、種々の電気化学装置（例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置、水素圧縮装置、レドックスフロー電池等）に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特に水素を燃料とする燃料電池に好適である。
　本発明の固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、ＰＤＡ、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。

Claims (10)

  1. イオン性基含有ポリマー（Ａ）、アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含有する高分子電解質組成物であって、前記遷移金属がコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる１種以上である高分子電解質組成物。
  2. 前記遷移金属がコバルトおよびルテニウムから選ばれる１種以上である、請求項１に記載の高分子電解質組成物。
  3. イオン性基含有ポリマー（Ａ）が、イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーである、請求項１または２に記載の高分子電解質組成物。
  4. イオン性基含有ポリマー（Ａ）が、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）をそれぞれ１個以上含有するブロックコポリマーである、請求項３に記載の高分子電解質組成物。
  5. 請求項１～４のいずれかに記載の高分子電解質組成物からなる高分子電解質膜。
  6. 共連続様またはラメラ様の相分離構造を有する、請求項５に記載の高分子電解質膜。
  7. 前記相分離構造が親水性ドメインと疎水性ドメインからなり、親水性ドメイン中に存在する前記アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）のそれぞれの濃度が、疎水性ドメイン中に存在する前記アゾール環を有する化合物（Ｂ）および遷移金属含有添加剤（Ｃ）の濃度のそれぞれ２倍以上である、請求項６に記載の高分子電解質膜。
  8. イオン性基含有ポリマー（Ａ）を含む高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の第一の面に形成されたアノード触媒層と該高分子電解質膜の第二の面に形成されたカソード触媒層とを有する触媒層被覆電解質膜であって、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層から選ばれる少なくとも一箇所にアゾール環を有する化合物（Ｂ）を含み、かつ、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、高分子電解質膜とアノード触媒層の間、高分子電解質膜とカソード触媒層の間から選ばれる少なくとも一箇所にコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる少なくとも一種の遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含む触媒層被覆電解質膜。
  9. イオン性基含有ポリマー（Ａ）を含む高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の第一の面に形成されたアノード触媒層と該高分子電解質膜の第二の面に形成されたカソード触媒層とアノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを有する膜電極複合体であって、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層から選ばれる少なくとも一箇所にアゾール環を有する化合物（Ｂ）を含み、かつ、高分子電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、高分子電解質膜とアノード触媒層の間、高分子電解質膜とカソード触媒層の間、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層、アノードガス拡散層とアノード触媒層の間、カソードガス拡散層とカソード触媒層の間から選ばれる少なくとも一箇所にコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀および金からなる群より選ばれる少なくとも一種の遷移金属含有添加剤（Ｃ）を含む膜電極複合体。
  10. 請求項５～７のいずれかに記載の高分子電解質膜、請求項８に記載の触媒層被覆電解質膜または請求項９に記載の膜電極複合体を用いて構成された固体高分子型燃料電池。
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