膜−電極接合体の製造方法、膜−電極接合体および燃料電池
【課題】膜と触媒層が良好に接合され、燃料電池とした場合に出力低下の原因となる膜と触媒層の界面の抵抗を低減することができる膜−電極接合体の製造方法、この製造方法にて得られる膜−電極接合体、およびそれを用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体の製造方法、並びに、これにより製造される膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、近年、住宅用や自動車用等の用途における発電機としての実用化が期待されている。該固体高分子型燃料電池に用いられるイオン伝導膜（高分子電解質膜）に用いられる高分子電解質は、従来、主として用いられてきた「ナフィオン」（デュポン社の登録商標）に代表されるフッ素系高分子電解質に代わり、廉価で、かつ機械強度や耐熱性に優れる炭化水素系高分子電解質が注目されている。
【０００３】
周知のように、燃料電池は、セルという基本的な最小単位から構成されている。各単位セルは、電解質膜、該電解質膜の両側に設けられた触媒層、これら触媒層の外側に設けられるガス拡散層によって構成されている。各単位セルは、前記ガス拡散層の外側に設けられるセパレータによって隔離されて積層され、一つの燃料電池を構成する。
【０００４】
前記電解質膜の両側に設けられる触媒層または触媒層とガス拡散層は、単位セルの電極部分を構成している。したがって、単位セルにおいて、電極と呼称した場合、触媒層のみを意味する場合もあれば、触媒層とガス拡散層からなる一体化物を意味する場合もある。かかる単位セルにおいて、一方の電極部分（アノード）に燃料（水素分子、メタノール水溶液など）が供給され、燃料が、前記アノード内の細かい孔（拡散層）を通って触媒層に達すると、この触媒層中で酸化反応が生じて、水素イオンと電子が放出される。水素イオンは、電解質膜中に入り、電解質膜中を他方の電極部分（カソード）の方向に移動する。電子は、アノードを経て外部回路に達し、外部回路を通ってカソード側の触媒層に到達する。
【０００５】
カソードでは、外部回路を経て到達した電子と、アノードから電解質膜中を移動してきた水素イオンと、そして外部から導入された酸素分子（空気）がカソード側の触媒層中で反応して水となり、系外に排出される。
【０００６】
また、上述のように燃料電池の単位セルにおける電極とは、触媒層のみを示す場合もあれば、触媒層とガス拡散層との接合体を示す場合もある。そして、かかる電極により電解質膜が挟まれてなる組立体を、膜−電極接合体（ＭＥＡ＝Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼称している。したがって、膜−電極接合体は、電解質膜が触媒層あるいは触媒層とガス拡散層により挟まれてなる組立体を意味する。すなわち、膜−電極接合体は、電解質の両面に少なくとも触媒層が形成されてなる組立体である。
【０００７】
かかる膜−電極接合体の製造方法としては、高分子電解質膜上に直接触媒層を形成する方法と、予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法の２つがある。後者の方法としては、カーボンペーパー等のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、これを高分子電解質膜と接合する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成して、これを高分子電解質膜に転写した後、前記支持基材を剥離する方法等がある。
【０００８】
前述の後者の製造方法は、前者の方法よりは、簡便であり生産性にも優れている。しかし、炭化水素系電解質膜を用いた場合、炭化水素系電解質膜の弾性率が高いために、この製造方法では、膜と触媒層を良好に接合することが困難であり、接合不良であれば、接合界面に大きな抵抗が生じ、燃料電池の特性が膜物性から予想される特性よりも低くなる問題があった。
【０００９】
上述の接合性を良好に行なう方法として、弾性率の低い高分子電解質を表面に積層させる方法（特許文献１）や高分子電解質膜に溶媒を含有させた状態で、触媒層を圧着させる方法が開示されている（特許文献２）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３５３５８１号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上記特許文献１の方法では、高分子電解質膜として、少なくとも、弾性率の低い表面層とそれ以外の層とからなる複数層とする必要があり、各層の膜厚が薄くなるため、膜厚の制御が難しくなり、製膜工程が複雑になり、製造工数が増えるという欠点がある。また、上記特許文献２の方法では、膜厚や膜内部のモルフォロジー変化により膜物性の変化を引き起こしたり、添加溶媒による触媒の被毒が懸念されるなどの問題があり、更なる改善が求められている。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、膜と触媒層が良好に接合され、それ故、燃料電池とした場合に出力低下の原因となる膜と触媒層の界面の抵抗を低減することができる膜−電極接合体の製造方法を提供することにある。また、当該製造方法にて得られる膜−電極接合体、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池を提供することも、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする。
なお、前記イオン置換処理する電解質膜の表面としては、電解質膜の一方の片面側の表面でも良いし、他方の片面側の表面でも良いし、両面の表面でも良いが、両面の表面であることが好ましい。
【００１４】
上述のように、本発明に用いる電解質膜は、炭化水素系高分子電解質から得られる炭化水素系高分子電解質膜であるが、本明細書の記載においては、冗長とならないように、必要に応じて、高分子電解質膜、さらには電解質膜と略記する場合がある。また、同様に本発明の電解質膜を形成するために使用する炭化水素系高分子電解質についても、高分子電解質と略記する場合がある。
【００１５】
前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、前記アンモニウムイオンが炭素数３以上のアルキル基を含むことが、好ましい。
【００１６】
また、前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、前記アンモニウムイオンが４級アンモニウムイオンを含むことが、好ましい。
【００１７】
前記イオン置換工程としては、アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させることにより行われること工程であることが、好ましい。
【００１８】
前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させる工程としては、前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系膜の表面を浸漬することにより行われる工程であることが、好ましい。
【００１９】
前記イオン置換工程としては、前記炭化水素系高分子電解質における全てのカチオン交換基数に対して、その１〜９０％のカチオン交換基の対イオンを、アンモニウムイオンとする工程であることが、好ましい。
【００２０】
前記炭化水素系高分子電解質膜の厚みとしては、５〜２００μｍとすることが、好ましい。
【００２１】
前記触媒層を接合する工程に続いて、前記対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする第２のイオン置換工程を有することが、好ましい。
【００２２】
前記触媒層を接合する工程としては、熱プレスにより行う工程であることが、好ましい。
【００２３】
前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、対イオンをアンモニウムイオンとする前の炭化水素系高分子電解質膜における炭化水素系高分子電解質の全てのカチオン交換基数に対して９０％以上のカチオン交換基がプロトン型であることが、好ましい。
【００２４】
前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質の実質的に全てのカチオン交換基がプロトン型であるとした場合の１２０℃における前記炭化水素系高分子電解質膜の弾性率が、７５０〜２０００ＭＰａであることが、好ましい。
【００２５】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、下記一般式（１）：
【００２６】
【化１】
［式（１）中、Ａｒ1は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基を有していてもよい２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ1は、直接結合、オキシ基、チオキソ基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。］で表される構造単位を有するものであることが、好ましい。
上記式（１）中のＡｒ1は、２価の芳香族基を示しており、該２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよい。また、本願明細書において、上記オキシ基とは、−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは、−Ｓ−で示される基を意味する。
【００２７】
また、前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体が、好適に用いられる。
【００２８】
前記カチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式（２）：
【００２９】
【化２】
［式（２）中、Ａｒ11は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基を有していてもよい２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ11は、直接結合、オキシ基、チオキソ基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、ｄは５以上の整数である。］で表される構造を有するものが、好ましい。
上記式（２）中のＡｒ11は、２価の芳香族基を示しており、該２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよい。また、本願明細書において、上記オキシ基とは、−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは、−Ｓ−で示される基を意味する。
【００３０】
前記カチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式（３）：
【００３１】
【化３】
［式（３）中、Ｒ１は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｊ１はカチオン交換基を表し、ｐは１または２であり、ｄは前記一般式（２）と同義である。］で表される構造を有するものが、さらに好ましい。
【００３２】
本発明に係る膜−電極接合体は、前記製造方法によって得られたものであることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明に係る燃料電池は、前記膜−電極接合体を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、炭化水素系高分子電解質膜の高弾性率という特徴を失うことなく、該炭化水素系高分子電解質膜と触媒層が良好に接合された膜−電極接合体の簡便な製造方法を提供できる。そして、本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体は、高分子電解質膜と触媒層の界面における密着度の低さに基づく抵抗が生じにくく、優れた燃料電池を提供できるため、工業的に極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
前述のように、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする。そして、前記触媒層を接合する工程に続いて、前記対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンにする第２のイオン置換工程を有することを特徴とする。
【００３６】
したがって、以下に、本発明で用いる高分子電解質、及びこの高分子電解質を用いた電解質膜の製造方法、上記対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程、このイオン置換工程によって処理された電解質膜を用いた膜−電極接合体の製造方法、膜−電極接合体に組み込まれた後の高分子電解質膜に対してなされる第２のイオン置換工程、そして、前記第２のイオン置換工程の結果得られた膜−電極接合体を用いた燃料電池について、順次、説明する。
【００３７】
（炭化水素系電解質および炭化水素系電解質膜）
本発明に適用する電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質とは、高分子を構成する原子の数の５０％以上が炭素または水素である高分子であり、かつイオン伝導に係るカチオン交換基を有する高分子のことを示す。カチオン交換基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、ホスフィン酸基、スルホニルアミド基（−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−）、フェノール性水酸基等が挙げられるが、中でもイオン伝導性に優れたスルホン酸基又はホスホン酸基がより好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。
【００３８】
上記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、下記一般式（１）で表される構造単位を有するものが好ましい。
【００３９】
【化４】
［式（１）中、Ａｒ1は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ1は、直接結合、オキシ基（−Ｏ−で示される基）、チオキソ基（−Ｓ−で示される基）、カルボニル基またはスルホニル基を示す。］
【００４０】
上記置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、イソブチル基、ｎ−ペンチル基、２，２−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、ｎ−ヘキシル基、シクロヘキシル基、２−メチルペンチル基、２−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、アダマンチル基、イコシル基等の炭素数１〜２０のアルキル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が１〜２０のアルキル基等が挙げられる。
【００４１】
また、上記置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、ｎ−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、ｎ−ブチルオキシ基、ｓｅｃ−ブチルオキシ基、ｔｅｒｔ−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、ｎ−ペンチルオキシ基、２，２−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、ｎ−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、２−メチルペンチルオキシ基、２−エチルヘキシルオキシ基、デシルオキシ基、アダマンチルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基、イコシルオキシ基等の炭素数１〜２０のアルコキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が１〜２０のアルコキシ基等が挙げられる。
【００４２】
上記置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ビフェニル基等のアリール基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が６〜２０のアリール基等が挙げられる。
【００４３】
上記置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基としては、例えば、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、アントラセニルオキシ基、ビフェニルオキシ基等のアリールオキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が６〜２０のアリールオキシ基等が挙げられる。
【００４４】
上記置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ベンゾイル基、１−ナフトイル基、２−ナフトイル基等の炭素数２〜２０のアシル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が２０以下であるアシル基が挙げられる。
【００４５】
また、上記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、高い発電性能と耐久性を両立させるという観点から、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体であることが好ましい。
【００４６】
本発明において、「ブロック型高分子電解質」とは、化学的に性質の異なる２種類以上のブロックが、直接結合あるいは連結基を介して結合した共重合体からなる電解質のことをいう。本発明に用いるブロック型高分子電解質を構成する共重合体は、化学的に性質の異なる２種類以上のブロックとして、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとを有するブロック共重合体であることが好ましい。
【００４７】
また、本発明の高分子電解質で用いるブロック共重合体は、膜化した際にミクロ相分離構造を形成するものが好ましく、このようなミクロ相分離構造を形成するブロック共重合体からなる高分子電解質は、特性に優れた燃料電池を与える。ここでいう「ミクロ相分離構造」とは、高分子電解質を膜化した際に、異種のポリマーセグメント同士が化学結合で結合されていることにより、分子鎖サイズのオーダーでの微視的相分離が生じてできる構造を指す。例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で見た場合に、カチオン交換基を有するブロックの密度が高い微細な相（ミクロドメイン）と、イオン交換基を実質的に有さないブロックの密度が高い微細な相（ミクロドメイン）とが混在し、各ミクロドメイン構造のドメイン幅、すなわち恒等周期が数ｎｍ〜数１００ｎｍであるような構造を指す。好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍのミクロドメイン構造を有するものが挙げられる。
【００４８】
このようなブロック共重合体の具体的な例としては、特開２００１−２５０５６７号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーブロックを有するブロック共重合体、特開２００３−３１２３２号公報、特開２００４−３５９９２５号公報、特開２００５−２３２４３９号公報、特開２００３−１１３１３６号公報等の特許文献に記載の「ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造とし、スルホン酸基を有するブロックを有するブロック共重合体」を挙げることができる。
【００４９】
上記ブロック共重合体のカチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式（２）で表される構造を含むブロックであることが好ましく、構造単位１つ当たりのカチオン交換基数で表して、平均して０.５個以上有するものであり、好ましくは平均して１．０個以上有することが好ましい。
【００５０】
【化５】
［式（２）中、Ａｒ11は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合している。Ｘ11は、直接結合、オキシ基（−Ｏ−で示される基）、チオキソ基（−Ｓ−で示される基）、カルボニル基またはスルホニル基を示す。ｄは５以上の整数である。］
【００５１】
ここで、上記一般式（２）の芳香族基Ａｒ１１の置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基およびアシル基の具体的な例示は、上記一般式（１）におけるそれらと同等である。
【００５２】
ここで、ｄは当該ブロックの重合度を表す数であり、５以上の整数である。このｄは、５〜１０００の範囲がより好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００であり、特に好ましくは２０〜５００である。ｄの値が５以上であると、燃料電池用の高分子電解質として、プロトン伝導度が十分であるので好ましい。一方、ｄの値が１０００以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
【００５３】
上記一般式（２）で表されるブロックの好適な例としては、下記一般式（３ａ）または（３ｂ）で表されるブロックであることが好ましい。
【００５４】
【化６】
［式（３ａ）および（３ｂ）中、Ｒ1は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｘ12は、直接結合、オキシ基（−Ｏ−で示される基）、チオキソ基（−Ｓ−で示される基）、カルボニル基またはスルホニル基を表し、Ｊ1はカチオン交換基を表し、ｐ、ｑは１または２であり、ｄは上記一般式（２）におけるｄと同義である。］
【００５５】
上記のようなイオン交換基を有するブロックを有すると、本発明の高分子電解質膜が高水準のプロトン伝導度と吸水寸法安定性が確保されることに加え、膜強度をより向上させることができるため、好ましい。
【００５６】
また、Ｒ1は上記のとおり、置換基を表すが、とりわけ好ましくは水素原子であり、実質的にフェニレン基、ナフタレンジイル基が、カチオン交換基以外の置換基を有さないものが好ましい。
【００５７】
上記一般式（３ａ）で表されるブロックの具体例としては、カチオン交換基をスルホン酸基で代表させて示すと、下記の式（３ａ−１）〜（３ａ−３０）で示される構造単位の群から選ばれる一つの構造単位がｄ個連結してなるブロックを挙げることができる。ここで、ｄは、上記一般式（２）におけるｄと同義の数、すなわち５以上の整数である。
【００５８】
【化７】
【００５９】
【化８】
【００６０】
【化９】
【００６１】
【化１０】
上掲のブロックは、例えば、特開２００４−１９０００２号公報に記載の製造方法などに基づいて製造することができる。
【００６２】
また、上記一般式（３ｂ）で表されるブロックの具体例としては、カチオン交換基をスルホン酸基で代表させて示すと、下記の（３ｂ−１）〜（３ｂ−２８）で示される構造単位の群から選ばれる構造単位がｄ個連結してなるブロックを挙げることができる。ここで、ｄは一般式（２）におけるｄと同等の定義の数、すなわち５以上の整数である。
【００６３】
【化１１】
【００６４】
さらに、上記一般式（３ａ）で表されるブロックを構成する構造単位、上記一般式（３ｂ）で表されるブロックを構成する構造単位を併せ持つブロックでもよく、それらがｄ個連結してなるブロックであればよい。
【００６５】
また、カチオン交換基としては、カルボン酸基、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホニルイミド基が例示され、これらを併せ持つものでもよい。中でも強酸基であるスルホン酸基をカチオン交換基として含むと、特に好ましい。
【００６６】
上記一般式（３ａ）で表されるブロックの中でも、下記一般式（４）で表されるブロックであることが好ましい。
【００６７】
【化１２】
［式（４）中、Ｒ1は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｊ1はカチオン交換基を表し、ｐ、ｑは１または２であり、ｄは前記一般式（２）におけるｄと同義である。］
【００６８】
次に、上記イオン交換基を実質的に有さないブロックについて説明する。
ここで、「イオン交換基を実質的に有さない」とは、このブロックを主として構成する繰り返し単位のほとんどがイオン交換基を有していないことを意味する。具体的には、このブロックを構成している構造単位１個当たり、イオン交換基が平均して０.１個以下であり、０.０５個以下であることが好ましく、構造単位中にイオン交換基が全く含まれていないことが、特に好ましい。
【００６９】
このイオン交換基を実質的に有さないブロックの中でも、とりわけ好ましくは、下記一般式（５）で表されるブロックである。
【００７０】
【化１３】
［式（５）中、Ａｒ22は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を置換基として有していてもよい２価の芳香族基を示す。Ｘ22は、直接結合、オキシ基、チオキソ基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。ｅは５以上の整数である。］
上記式（５）中のＡｒ22は、２価の芳香族基を示しており、該２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも１種で置換されていてもよい。また、本願明細書において、上記オキシ基とは、−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは、−Ｓ−で示される基を意味する。
【００７１】
ここで、一般式（５）の芳香族基Ａｒ22の置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、およびアシル基の具体的な例示は、上記一般式（１）と同等である。
【００７２】
また、ｅは５以上の整数であり、５〜１０００の範囲が好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００であり、特に好ましくは２０〜５００である。ｅの値が５以上であると、燃料電池用の高分子電解質として、膜強度に優れるものが得られるため好ましい。一方、ｅの値が１０００以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
【００７３】
上記イオン交換基を実質的に有さないブロックとしては、特に、下記一般式（６）で表されるブロックであると、好適である。
【００７４】
【化１４】
［式（６）中、ａ、ｂ、ｃは互いに独立に０か１を表し、ｎは５以上の整数を表す。Ａｒ2、Ａｒ3、Ａｒ4、Ａｒ5は互いに独立に２価の芳香族基を表し、ここで、これらの２価の芳香族基は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基，炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基で置換されていても良い。Ｘ、Ｘ’は、互いに独立に直接結合または２価の基を表す。Ｙ、Ｙ’は、互いに独立にオキシ基またはチオキソ基を表す。］
上記式（６）中のＡｒ2、Ａｒ3、Ａｒ4、Ａｒ5は互いに独立に２価の芳香族基を表しており、これらの２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基，炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種で置換されていてもよい。また、Ｙ、Ｙ’は、互いに独立にオキシ基またはチオキソ基を表しており、本願明細書において、オキシ基とは−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは−Ｓ−で示される基を意味する。
【００７５】
上記式（６）中のｎは該ブロックに係る重合度を表す正の整数である。ｎは５以上の整数であり、５〜１０００の範囲が好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００であり、特に好ましくは２０〜５００である。ｎの値が５以上であると、燃料電池用の高分子電解質として、膜強度に優れるものが得られるため好ましい。一方、ｎの値が１０００以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
【００７６】
上記一般式（６）で表されるブロックの好適な代表例としては、下記式（６−１）〜（６−２２）で示されるブロックが挙げられる。
【００７７】
【化１５−１】
【００７８】
【化１５−２】
【００７９】
【化１５−３】
【００８０】
具体的に、本発明に適用するに好適なブロック共重合体としては、下記（表１）に示した（７−１）〜（７−１８）が例示される。なお、下記（表１）において、「カチオン交換基を有するブロック（３ａ−１）、（３ａ−４）、（３ａ−１９）、および（３ａ−２５）」とは、それぞれ、先に式（３ａ−１）、（３ａ−４）、（３ａ−１９）、（３ａ−２５）を用いて説明したブロックを意味し、同様に、「実質的にイオン交換基を有さないブロック（６−１）、（６−２）、（６−９）、（６−１０）、（６−２１）、（６−２２）」とは、それぞれ、先に式（６−１）、（６−２）、（６−９）、（６−１０）、（６−２１）、（６−２２）を用いて説明したブロックを意味する。
【００８１】
【表１】
【００８２】
とりわけ好ましいブロック共重合体としては、下記一般式（８）で示されるものを挙げることができる。
【００８３】
【化１６】
【００８４】
なお、上記ブロック共重合体としては、カチオン基を有するブロックと、実質的にイオン基を有さないブロックの存在比を調整することにより、上記ブロック共重合体のイオン交換容量が、０．５〜４．０ｍｅｑ／ｇの範囲となることが好ましく、より好ましくは０．８〜３．５ｍｅｑ／ｇの範囲となることが好ましい。上記イオン交換容量は、滴定法によって求めることができる。
【００８５】
上記炭化水素系高分子電解質は、その構造などにより最適分子量範囲を適宜求めることができるが、一般的にはＧＰＣ（ゲル浸透クロマトグラフィー）法によるポリスチレン換算の数平均分子量で表して、１０００〜１００００００が好ましい。この数平均分子量の下限としては５０００以上、とりわけ１００００以上が好ましく、一方、上限としては５０００００以下、とりわけ３０００００以下が好ましい。
【００８６】
上記平均分子量が、１０００以上であると、膜強度がより向上する傾向にあり、１００００００以下であると、該高分子電解質の溶媒に対する溶解性が良好となり、得られる溶液の溶液粘度が低下することから、溶液キャスト法による製膜が容易になるため、上記の分子量範囲が好ましい。
【００８７】
（高分子電解質膜の膜化方法）
高分子電解質膜の製膜法としては、溶媒キャスト法、スピンコート法など公知の方法を用いることができるが、通常の溶媒キャスト法が、操作が簡便である点で好ましい。ここで、溶液キャスト法とは、高分子電解質を、適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法である。製膜に用いる溶媒は、適用する高分子電解質が溶解可能であり、且つ膜化した後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（以下、「ＤＭＦ」という）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（以下、「ＤＭＡｃ」という）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下、「ＮＭＰ」という）、ジメチルスルホキシド（以下、「ＤＭＳＯ」という）等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。
【００８８】
これらの溶媒は単独で用いることもできるが、必要に応じて２種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、ＤＭＦ、ＤＭＡｃ、ＮＭＰ、ＤＭＳＯ等が高分子電解質の溶解性が高く好ましい。
【００８９】
上述のように成膜化して得られた炭化水素系高分子電解質膜は、硫酸や塩酸などで酸処理することにより、全てのカチオン交換基数に対して９０％以上のカチオン交換基をプロトン型とすることが好ましく、実質的に全てのカチオン交換基をプロトン型とすることがより好ましい。さらに、残存溶媒を除去するために、水洗工程を経ることが好ましい。
【００９０】
本発明の炭化水素系高分子電解質膜の厚みは、特に制限されないが、好ましくは５〜２００μｍであり、さらに好ましくは８〜１００μｍ、特に好ましくは１０〜８０μｍである。実用に耐える膜強度を得るには、５μｍより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには、２００μｍより薄い方が好ましい。
【００９１】
さらに、本発明に用いられる高分子電解質膜は、上記に例示した高分子電解質に加え、所望の特性に応じて、プロトン伝導性を著しく低下させない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤が挙げられる。
【００９２】
特に、燃料電池の動作中に、高分子電解質膜に隣接する触媒層において過酸化物が生成し、この過酸化物が拡散しながらラジカル種に変化し、これが高分子電解質膜を構成している高分子電解質を劣化させることがある。かかる不都合を回避するために、高分子電解質には、ラジカル耐性を付与し得る安定剤を添加することが好ましい。
【００９３】
電解質膜の機械的強度を向上させる目的で、高分子電解質と所定の支持体とを複合化した複合膜を、後述のイオン置換工程を行う際に用いることもできる。支持体としては、フィブリル形状や多孔膜形状等の基材が挙げられる。
【００９４】
炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質の実質的に全てのカチオン交換基がプロトン型であるとした場合の電解質膜の１２０℃の弾性率が７５０〜２０００ＭＰａであると、ハンドリング性や、実際の燃料電池中での形態安定性及び耐久性に優れているために好ましい。
【００９５】
（イオン置換工程（対イオンをアンモニウムイオンとする工程））
上記電解質膜の対イオンをアンモニウムイオンとする主な処理方法としては、アンモニウムイオンを含む溶液に上記炭化水素系高分子電解質膜を接触させる方法が好ましく、この接触方法としては、
（ｉ）アンモニウムイオンを含む溶液に浸漬させる方法
（ｉｉ）電解質膜の表面に、アンモニウムイオンを含む溶液をスプレーする方法
の２つがあげられる。これらの方法は、電解質膜の触媒層との接合表面近傍のカチオン交換基の対イオンを選択的にアンモニウムイオンとすることができるため好ましい。
これらの方法に用いるアンモニウムイオンを含む溶液において、アンモニウムイオンを溶解させる溶媒としては、水もしくはアルコールが用いられるが、好ましくは水が用いられる。
【００９６】
本発明の膜−電極接合体の製造方法において、触媒層を電解質膜に接合する前に、電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとすることにより、電解質膜が柔軟化され、電解質膜と触媒層との接合性が向上すると考えられる。前記イオン置換処理する電解質の表面としては、電解質膜の一方の片面側の表面でも良いし、他方の片面側の表面でも良いし、両面の表面でも良いが、両面の表面であることが好ましい。電解質膜の触媒層を接合させる表面近傍のカチオン交換基を選択的にアンモニウムイオンとすると、表面から選択的に柔軟化し、目的とする電解質膜と触媒層との接合性の向上だけでなく、触媒層接合時の電解質膜の変形を抑えることができると考えられる。さらに、後述の触媒層接合後の第２のイオン置換工程（アンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする工程）に要する時間が短くなるため、好ましい。
【００９７】
上記（ｉ）の方法は、アンモニウムイオンを含む溶液に浸漬させることで、表面のカチオン交換基の対イオンから選択的にアンモニウムイオンに交換する方法である。浸漬時間としては、膜種や溶液温度によって最適値は異なるものの、２秒〜２４時間、好ましくは５秒〜２時間、より好ましくは５秒〜３００秒である。該範囲の浸漬時間であると、電解質膜の表面のカチオン交換基の対イオンが充分量アンモニウムイオンに交換され十分な触媒層接合性向上効果を得ることが可能であり、かつアンモニウムイオンへの交換が電解質膜表面近傍に留まりやすいため好ましい。
【００９８】
溶液中のアンモニウムイオン量としては、膜の表面のカチオン交換基の対イオンがアンモニウムイオンへ交換するだけ存在していれば十分である。浸漬時間によっても多少異なるが、膜のカチオン交換基量に対して、０．５〜１００当量が好ましい。溶液の温度としては、特に限定はなく室温で十分であるが、加熱することもできる。
【００９９】
上記（ｉｉ）の方法は、アンモニウムイオンを含む溶液を、電解質膜表面にスプレーすることで、表面のカチオン交換基の対イオンを選択的にアンモニウムイオンに交換する方法である。アンモニウムイオンの塗布量としては、電解質膜の表面のカチオン交換基の対イオンがアンモニウムイオンに交換するだけの量で十分であり、膜のカチオン交換基量に対して、０．０１〜０．５当量、より好ましくは０．０５〜０．３当量である。
【０１００】
上記アンモニウムイオンへの置換を電解質膜表面に留めたい場合は、上記（ｉ）、（ｉｉ）のいずれの方法でも、イオン交換後に、表面に付着しているアンモニウムイオンを含む溶液を洗い流した方が好ましい。その際に用いる溶媒は膜を溶解させないものであれば、特に限定はされない。
【０１０１】
ここで、カチオン交換基の対イオンと交換するアンモニウムイオンを提供しうる化合物を「イオン交換剤」と呼ぶこととする。
【０１０２】
アンモニウムイオンとしては、電解質膜と触媒層との接合性を向上させる観点から、炭素数が３以上であるアルキル基を含むことが好ましい。アルキル基を含むアンモニウムイオンとしては、アルキルアンモニウムイオンやアルキルイミダゾリウムイオン、アルキルピリジニウムイオンなどが好ましく、中でもアルキルアンモニウムイオンがより好ましい。また、電解質膜と触媒層との接合性を向上させる観点から、４級アンモニウムイオンが好ましく、中でも４級アルキルアンモニウムイオンが好ましい。
【０１０３】
上記４級アルキルアンモニウムイオンとしては、テトラメチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラペンチルアンモニウムイオン、トリエチルヘキシルアンモニウムイオン、ヘキシルトリメチルアンモニウムイオン、テトラヘプチルアンモニウムイオン、テトラオクチルアンモニウムイオン、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン、ベンジルトリメチルアンモニウムイオン等が挙げられる。
【０１０４】
前記イオン交換剤としては、上記イオンのフッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、水酸化物が挙げられる。また、イオン交換剤の分子量が小さいと、対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程に要する時間や、触媒層接合後の第２のイオン置換工程（対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする工程）に要する時間が短くなるため、イオン交換剤の分子量は１０００以下が好ましく、５００以下がより好ましい。
【０１０５】
上記対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程は、高分子電解質膜のイオン交換容量や厚みにも依存するが、前記炭化水素系高分子電解質における全てのカチオン交換基数に対して、その１〜９０％のカチオン交換基量の対イオンをアンモニウムイオンとすることが好ましく、３〜８０％がより好ましく、５〜５０％が特に好ましい。
【０１０６】
（膜−電極接合体）
本発明の膜−電極接合体（ＭＥＡ）は、上述のイオン置換工程により膜面の対イオンをアンモニウムイオンとした電解質膜に少なくとも触媒層を接合することで製造することができる。電解質膜の少なくとも表面における電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとした後、電解質膜の両面に触媒層を形成させる方法としては、大きく分けて電解質膜上に直接触媒層を形成させる方法と、予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法の２つがある。後者の方法は、簡便であり、生産性に優れているという点で好ましい。
【０１０７】
本発明に用いられる触媒層には触媒物質が含まれる。該触媒物質としては、水素またはメタノールと酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば、特に制限はなく、公知のものを用いることができる。例えば、白金、白金−ルテニウム合金のような貴金属類や、錯体系電極触媒（例えば、高分子学会燃料電池材料研究会編、「燃料電池と高分子」、１０３〜１１２頁、共立出版、２００５年１１月１０日発行に記載されている）が挙げられる。中でも、白金や白金ルテニウム合金の微粒子を用いることが好ましい。通常、燃料極（アノード）側の触媒層（第１の触媒層）の触媒として白金または白金ルテニウム（微粒子）が用いられ、空気極側（カソード）の触媒層（第２の触媒層）の触媒として白金（微粒子）が用いられる。また、該触媒物質を表面に担持させた導電性材料を用いると、触媒層での水素イオンと電子の輸送を容易にできるため、好ましい。該導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどの導電性カーボン材料、酸化チタンなどのセラミック材料などの公知の材料が挙げられる。
【０１０８】
また、本発明に適用する触媒層には、高分子電解質が含まれることが好ましい。該高分子電解質としては、イオン伝導性があり、かつ上記触媒物質を結着させるバインダーとして働くものであれば、特に制限はなく、従来知られているデュポン社製のナフィオン（商品名）や脂肪族高分子電解質、芳香族高分子電解質が挙げられる。触媒物質や高分子電解質以外に、触媒層の撥水性を高める目的で、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの撥水材が、また触媒層のガス拡散性を高める目的で、炭酸カルシウムなどの造孔材が、さらに得られる膜−電極接合体の耐久性を高める目的で金属酸化物などの安定剤などが含まれる場合もある。
【０１０９】
本発明の膜−電極接合体を構成する触媒層の外側には、燃料を効率よくかつ均一に拡散させるために、ガス拡散層を設けることが好ましい。該ガス拡散層は導電性のものであれば特に限定されないが、多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーが、安価で取り扱いも容易なため、好ましい。
【０１１０】
電解質膜上、または電解質膜以外の他の基材上に、触媒層を形成させる方法としては、特に制限はなく、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の既存の方法を使用することができる。
【０１１１】
予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法としては、上述のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、該触媒層付き拡散層を電解質膜と接合する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成した後に、電解質膜に触媒層のみを転写し、該支持基材を剥離する方法等が挙げられる。
【０１１２】
上記電解質膜以外の他の基材としては、該触媒層を電解質膜に形成させる時に、膨潤あるいは溶解しないものであれば、特に制限はなく、例えば、上述のガス拡散層や、ガラス、ステンレス材、ステンレスベルト、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルム等が好適に用いられる。該基材表面は必要に応じ、離型処理、鏡面処理、エンボス処理、或いは艶消し処理等施しても良い。
【０１１３】
予め他の基材上に触媒層を形成させ、該触媒層を電解質膜に接合させる方法の場合、接合の際に温度や圧力をかける熱プレス法を行う方が好ましい。加熱温度としては、膜が変性しない温度領域や圧力領域であれば、特に限定されないが、通常、温度は、接合性が向上し、かつ電解質膜が変質しない、３０℃以上３００℃以下が好ましく、５０℃以上２５０℃以下がより好ましい。また圧力は電解質膜が変形しない、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３００ｋｇｆ／ｃｍ２以下が好ましく、３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上２００ｋｇｆ／ｃｍ２以下がより好ましい。
【０１１４】
以上のようにして、本発明の製造方法にて得られた高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合してなる膜−電極接合体が得られる。
【０１１５】
（第２のイオン置換工程）
上述のようにして、少なくとも触媒層を電解質膜に接合することにより膜−電極接合体を形成した後に、対イオンがアンモニウムイオンに交換されているカチオン交換基の少なくとも一部をプロトン型にする（アンモニウムイオンを水素イオンに交換する）工程（第２のイオン置換工程）を行うことが好ましい。プロトン型にする方法として、特に限定はされないが、酸溶液に接触させる方法が簡便であり好ましい。接触させる方法としては、浸漬する方法が好ましい。酸溶液としては、カチオン交換基をプロトン型にするものであれば、特に限定されないが、硫酸、塩酸、硝酸などが簡便で取扱いが容易であることから好ましい。また、上記酸処理において、該膜−電極接合体の形態を損なわない範囲で、浸漬に用いる酸水溶液を攪拌してもよい。
【０１１６】
上記第２のイオン置換工程は、電解質膜に触媒層を接合し、次にガス拡散層を接合する場合では、電解質膜に触媒層を接合した後の、ガス拡散層を接合する前に、行う方が効率的である。それは、ガス拡散層が撥水性のカーボンを含むため、ガス拡散層を接合した後では、酸水溶液の浸透効率が幾分落ちるからである。しかし、ガス拡散層までの接合が完了した後でも酸処理は可能であるので、ガス拡散層までの接合が完了した後に、上記第２のイオン置換工程を行っても良い。また、触媒層に予めガス拡散層を接合した後、これらの接合体を電解質膜に接合する場合では、当然、電解質膜へ触媒層−ガス拡散層接合体を接合した後に、上記第２のイオン置換工程を行うことになる。
【０１１７】
上記酸処理工程後、酸が処理後の膜−電極接合体内部に残存することもあるため、この酸処理に引き続き、水洗を行うことが好ましい。このようにすると、内部に残存する酸性分を除去することができる。水洗方法としては、酸処理後の膜−電極接合体を流水に所定時間曝す方法が有効である。また、このようにして酸処理、必要に応じて水洗を行った後、乾燥させてもよい。
【０１１８】
上述のように、触媒層を電解質膜に接合した後に、アンモニウムイオンに交換されているカチオン交換基をプロトン型に変更することにより、得られた膜−電極接合体においては、触媒層と電解質膜との大きな接合度を保ったまま、電解質膜の硬度が向上すると考えられる。そのため、前記第２のイオン置換工程を行った場合の本発明の膜−電極接合体は、耐久性が高く、機械的強度に優れたものとなると考えられる。
【０１１９】
（燃料電池）
本発明の燃料電池は、上述の触媒層と電解質膜とが大きな接合度を持って接合されてなる膜−電極接合体を用いて構成される。したがって、本発明の固体高分子型燃料電池は、発電性能に優れる高性能な燃料電池である。
【実施例】
【０１２０】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。以下に示す実施例は、本発明を説明するための好適な例示であり、なんら本発明を限定するものではない。
本発明の実施例の具体的説明に移る前に、各製造例、各実施例および各比較例で得られた高分子電解質膜の分子量、弾性率、イオン交換容量、膜−電極接合体における接合性等の諸特性値を測定する各測定方法を以下に説明する。
【０１２１】
［分子量測定］
ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）により、下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量および重量平均分子量を求めた。
ＧＰＣ測定装置 ＴＯＳＯＨ社製 ＨＬＣ−８２２０
カラム ＴＯＳＯＨ社製 ＴＳＫ−ＧＥＬ ＧＭＨＨＲ−Ｍ
カラム温度 ４０℃
移動相溶媒 ＤＭＡｃ（ＬｉＢｒを１０ｍｍｏｌ／ｄｍ3になるように添加）
溶媒流量 ０．５ｍＬ／ｍｉｎ
【０１２２】
［弾性率測定方法］
日本工業規格（ＪＩＳ Ｋ ７１２７）に準拠して１２０℃下において実施した引張り試験から弾性率を求めた。
【０１２３】
［高分子電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）］
得られた高分子電解質膜を１１０℃にて乾燥させ、ハロゲン水分率計（メトラートレド社製、商品名「ＨＲ７３」）で絶乾重量を求めた、この高分子電解質膜を、０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液５ｍＬに浸漬した後、５０ｍＬのイオン交換水を加え、２時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に０．１ｍｏｌ／Ｌの塩酸を徐々に加えることで滴定し、中和点を求めた。中和点に要する０．１ｍｏｌ／Ｌ塩酸の量と、上記絶乾重量とから、イオン交換容量を求めた。
また、塩交換率Ｙ（％）を下記式（Ｂ）に基づいて求めた。
Ｙ＝（１−Ｈ／Ｔ）×１００ ……（Ｂ）
Ｔ：塩置換処理前の高分子電解質膜のグラム当たりの全イオン交換基量
Ｈ：塩置換処理後の高分子電解質膜のグラム当たりの対イオンがプロトンであるイオン交換基量
【０１２４】
［電極シートの作成］
市販の５重量％ナフィオン溶液（溶媒：水と低級アルコールの混合物）６．３ｍＬに５０重量％白金が担持された白金担持カーボン（ＳＡ５０ＢＫ、エヌ・イー・ケムキャット製）を１．０ｇ投入し、さらに水１．０ｇとジエチレングリコール８．２ｇを加えた。得られた混合物を１時間超音波処理したのち、スターラーで５時間攪拌し、触媒層形成用の触媒インクを得た。
【０１２５】
得られた触媒インクをバーコーターを用いてＰＴＦＥシート上に流延塗布し、８０℃で３時間常圧で、その後、２時間真空下で乾燥させた。これによりＰＴＦＥシート上に触媒層が形成されてなる電極シートを得た。得られた電極シート上の触媒層における白金付着量は０．６ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２６】
［接合性評価法］
上記電極シートの触媒層が後述のイオン置換処理された電解質膜のサンプルの表面に接するように、サンプルの電解質膜と上記電極シートを重ね、熱プレス法により１３５℃、１００ｋｇｆ／ｃｍ２にて５分間加圧、加熱した。その後、ＰＴＦＥシートを触媒層から剥離することにより膜−電極接合体を得た。この膜−電極接合体における電解質膜に対する触媒層の接合度を下記式（Ｃ）に基づいて求めた。
（ＣＷafter／ＣＷbefore）×１００ ・・・・・（Ｃ）
ＣＷafter：膜に転写された触媒層の重量
ＣＷbefore：ホットプレス前の電極シート上の触媒層重量
【０１２７】
[高分子電解質膜表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンに置換されていることの確認]
各実施例で得られた高分子電解質膜の膜表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンに置換されていることを、以下に示すＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）による測定により確認した。
[ＸＰＳ測定]
ＳＳＩ（Surface Science Instruments）社製のＸＰＳ測定装置（商品名「ＳＳＸ−１００」）を用いてワイドスキャンスペクトルを測定し、試料表面における組成比分析を行った。
Ｘ線：ＡｌＫα線（１４８６．６ｅＶ）
Ｘ線スポット径：１０００μｍ
中和条件：中和電子銃・Ｎｉメッシュ使用
【０１２８】
（炭化水素系高分子電解質膜の製造例１）
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、ＤＭＳＯ：６００ｍＬ、トルエン：２００ｍＬ、２，５−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム：２６．５ｇ（１０６．３ｍｍｏｌ）、末端クロロ型である下記一般式（９）：
【０１２９】
【化１７】
で示されるポリエーテルスルホン（住友化学製、商品名「スミカエクセルＰＥＳ５２００Ｐ」、Ｍｎ＝５．４×１０４、Ｍｗ＝１．２×１０５［条件１］）：１０．０ｇ、および２，２’−ビピリジル：４３．８ｇ(２８０．２ｍｍｏｌ)を入れて攪拌した。その後、バス温を１５０℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、６０℃に冷却した。次いで、これに、ビス（１，５−シクロオクタジエン）ニッケル（０）：７３．４ｇ(２６６．９ｍｍｏｌ)を加え、８０℃に昇温し、同温度で５時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の６ｍｏｌ／Ｌの塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ濾別した。その後、６ｍｏｌ／Ｌ塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする下記一般式（１０）で示されるブロック共重合体（Ａ）１６．３ｇを得た。このブロック共重合体（Ａ）の数平均分子量は７２０００、重量平均分子量は１８８０００であった。このブロック共重合体（Ａ）の熱分解温度は２００℃であった。
【０１３０】
【化１８】
【０１３１】
得られたブロック共重合体（Ａ）を１０重量％となるようにＤＭＳＯに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、８０℃で常圧乾燥した。得られた高分子電解質膜を１ｍｏｌ／Ｌの塩酸に３時間浸漬し、実質的に全てのカチオン交換基をプロトン型にし、流水で３時間洗浄することで、厚みが３０μｍの高分子電解質膜（Ｍ１）を得た。高分子電解質膜（Ｍ１）のイオン交換容量（ＩＥＣ）は２．２ｍｅｑ／ｇであった。また弾性率は１１５０ＭＰａであった。
【０１３２】
（実施例１）
３０ｍｇの上記高分子電解質膜（Ｍ１）を、臭化トリブチルアンモニウム１ｇ（酸基に対して大過剰）を溶かした２００ｍＬの水溶液に、室温で、２時間浸漬させた。この処理膜を５００ｍＬの純水で５分間浸漬洗浄し、乾燥させることにより、表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンをアンモニウムイオンに交換した電解質膜（Ｍ−ａ）を得た。得られた電解質膜（Ｍ−ａ）の接合度、塩交換率を測定した。
【０１３３】
（実施例２〜５）
上記実施例１において高分子電解質膜（Ｍ１）の臭化トリブチルアンモニウム水溶液への浸漬時間のみを以下のように変えて同様の実験を行なった。
実施例２：２秒
実施例３：１０秒
実施例４：３０秒
実施例５：１８０秒
【０１３４】
（実施例６）
３０ｍｇの前記高分子電解質膜（Ｍ１）を、ｎ-ヘキシルトリメチルアンモニウムブロマイド１ｇ（酸基に対して大過剰）を溶かした２００ｍＬの水溶液に、室温で、２時間浸漬させた。この処理膜（Ｍ１）を５００ｍＬの純水で５分間浸漬洗浄し、乾燥させることにより、表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンをアンモニウムイオンに交換した電解質膜（Ｍ−ｂ）を得た。得られた電解質膜（Ｍ−ｂ）を膜−電極接合体に用いた場合の接合度と、膜の塩交換率（イオン交換率）を測定した。
【０１３５】
（比較例１）
高分子電解質膜（Ｍ１）をアンモニウム水溶液により処理せず、そのままの高分子電解質膜（Ｍ１）を膜−電極接合体に用いた場合の接合度と、膜の塩交換率（イオン交換率）を測定した。
【０１３６】
【表２】
【０１３７】
実施例２〜４で得られた高分子電解質膜の表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンとなっていることを、ＸＰＳ測定により確認した。ＸＰＳ測定装置を用いて、各実施例２〜４の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比を測定した。
測定の結果、実施例２の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比は、０．０２２であり、実施例３の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比は、０．０３１であり、実施例４の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比は、０．０５６であった。
この結果より、実施例２〜４の高分子電解質膜の表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンとなっていることが確認された。
【０１３８】
（実施例７）
上記実施例１で作成した膜−電極接合体と拡散層であるカーボンクロスをＪＡＲＩ標準セル（(財)日本自動車研究所が開発した固体高分子形燃料電池標準セル）に組み込み、燃料電池セルとした。該セルを８０℃に保ち、アノードには相対湿度１００％の水素ガスを２１．０ｍＬ／（ｍｉｎ・ｃｍ２）で、カソードには相対湿度１００％の空気ガスを６６．６ｍＬ／（ｍｉｎ・ｃｍ２）を流し、その発電特性を測定した。測定結果の電流−電圧曲線を図１に示した。
【０１３９】
上記実施例１〜６および比較例１から明らかなように、本発明の製造方法により電解質膜（実施例１〜６）は、触媒層の接合前に、少なくともその表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンがアンモニウムイオンへ交換され、それによって、電解質膜への触媒層の接合度が大幅に向上されている。これに対して、比較例１では発電特性の評価が実施不可能な程、電解質膜への触媒層の密着性が低くなっている。本発明による電解質膜の触媒層への接合度は、実施例１で得た膜−電極接合体を用いた燃料電池の発電特性が、実施例７に示すように、良好なものであることによっても、確認できる。さらに、本発明の製造方法により触媒層を接合した後の膜−電極接合体に対して、接合前にその表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンがアンモニウムイオンへ交換された電解質膜の表面のアンモニウムイオンの少なくとも一部を水素イオンに交換すれば、電解質膜の硬度を向上させることが可能となり、電解質膜の機械的特性を向上し得る。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
以上説明したように、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、触媒層を接合する前の炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンに交換した上で触媒層を接合し、前記高分子電解質膜と触媒層との接合強度を向上させることを特徴としている。従って、本発明によれば、炭化水素系高分子電解質膜の高弾性率という特徴を失うことなく、該炭化水素系高分子電解質膜と触媒層が良好に接合された膜−電極接合体を簡便に製造することができる。そして、本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体は、高分子電解質膜と触媒層の界面における密着度の低さに基づく抵抗が生じにくく、優れた燃料電池を提供できるため、工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】実施例７で得た燃料電池の発電特性をグラフにて示した図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体の製造方法、並びに、これにより製造される膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、近年、住宅用や自動車用等の用途における発電機としての実用化が期待されている。該固体高分子型燃料電池に用いられるイオン伝導膜（高分子電解質膜）に用いられる高分子電解質は、従来、主として用いられてきた「ナフィオン」（デュポン社の登録商標）に代表されるフッ素系高分子電解質に代わり、廉価で、かつ機械強度や耐熱性に優れる炭化水素系高分子電解質が注目されている。
【０００３】
周知のように、燃料電池は、セルという基本的な最小単位から構成されている。各単位セルは、電解質膜、該電解質膜の両側に設けられた触媒層、これら触媒層の外側に設けられるガス拡散層によって構成されている。各単位セルは、前記ガス拡散層の外側に設けられるセパレータによって隔離されて積層され、一つの燃料電池を構成する。
【０００４】
前記電解質膜の両側に設けられる触媒層または触媒層とガス拡散層は、単位セルの電極部分を構成している。したがって、単位セルにおいて、電極と呼称した場合、触媒層のみを意味する場合もあれば、触媒層とガス拡散層からなる一体化物を意味する場合もある。かかる単位セルにおいて、一方の電極部分（アノード）に燃料（水素分子、メタノール水溶液など）が供給され、燃料が、前記アノード内の細かい孔（拡散層）を通って触媒層に達すると、この触媒層中で酸化反応が生じて、水素イオンと電子が放出される。水素イオンは、電解質膜中に入り、電解質膜中を他方の電極部分（カソード）の方向に移動する。電子は、アノードを経て外部回路に達し、外部回路を通ってカソード側の触媒層に到達する。
【０００５】
カソードでは、外部回路を経て到達した電子と、アノードから電解質膜中を移動してきた水素イオンと、そして外部から導入された酸素分子（空気）がカソード側の触媒層中で反応して水となり、系外に排出される。
【０００６】
また、上述のように燃料電池の単位セルにおける電極とは、触媒層のみを示す場合もあれば、触媒層とガス拡散層との接合体を示す場合もある。そして、かかる電極により電解質膜が挟まれてなる組立体を、膜−電極接合体（ＭＥＡ＝Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼称している。したがって、膜−電極接合体は、電解質膜が触媒層あるいは触媒層とガス拡散層により挟まれてなる組立体を意味する。すなわち、膜−電極接合体は、電解質の両面に少なくとも触媒層が形成されてなる組立体である。
【０００７】
かかる膜−電極接合体の製造方法としては、高分子電解質膜上に直接触媒層を形成する方法と、予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法の２つがある。後者の方法としては、カーボンペーパー等のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、これを高分子電解質膜と接合する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成して、これを高分子電解質膜に転写した後、前記支持基材を剥離する方法等がある。
【０００８】
前述の後者の製造方法は、前者の方法よりは、簡便であり生産性にも優れている。しかし、炭化水素系電解質膜を用いた場合、炭化水素系電解質膜の弾性率が高いために、この製造方法では、膜と触媒層を良好に接合することが困難であり、接合不良であれば、接合界面に大きな抵抗が生じ、燃料電池の特性が膜物性から予想される特性よりも低くなる問題があった。
【０００９】
上述の接合性を良好に行なう方法として、弾性率の低い高分子電解質を表面に積層させる方法（特許文献１）や高分子電解質膜に溶媒を含有させた状態で、触媒層を圧着させる方法が開示されている（特許文献２）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３５３５８１号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上記特許文献１の方法では、高分子電解質膜として、少なくとも、弾性率の低い表面層とそれ以外の層とからなる複数層とする必要があり、各層の膜厚が薄くなるため、膜厚の制御が難しくなり、製膜工程が複雑になり、製造工数が増えるという欠点がある。また、上記特許文献２の方法では、膜厚や膜内部のモルフォロジー変化により膜物性の変化を引き起こしたり、添加溶媒による触媒の被毒が懸念されるなどの問題があり、更なる改善が求められている。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、膜と触媒層が良好に接合され、それ故、燃料電池とした場合に出力低下の原因となる膜と触媒層の界面の抵抗を低減することができる膜−電極接合体の製造方法を提供することにある。また、当該製造方法にて得られる膜−電極接合体、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池を提供することも、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする。
なお、前記イオン置換処理する電解質膜の表面としては、電解質膜の一方の片面側の表面でも良いし、他方の片面側の表面でも良いし、両面の表面でも良いが、両面の表面であることが好ましい。
【００１４】
上述のように、本発明に用いる電解質膜は、炭化水素系高分子電解質から得られる炭化水素系高分子電解質膜であるが、本明細書の記載においては、冗長とならないように、必要に応じて、高分子電解質膜、さらには電解質膜と略記する場合がある。また、同様に本発明の電解質膜を形成するために使用する炭化水素系高分子電解質についても、高分子電解質と略記する場合がある。
【００１５】
前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、前記アンモニウムイオンが炭素数３以上のアルキル基を含むことが、好ましい。
【００１６】
また、前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、前記アンモニウムイオンが４級アンモニウムイオンを含むことが、好ましい。
【００１７】
前記イオン置換工程としては、アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させることにより行われること工程であることが、好ましい。
【００１８】
前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させる工程としては、前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系膜の表面を浸漬することにより行われる工程であることが、好ましい。
【００１９】
前記イオン置換工程としては、前記炭化水素系高分子電解質における全てのカチオン交換基数に対して、その１〜９０％のカチオン交換基の対イオンを、アンモニウムイオンとする工程であることが、好ましい。
【００２０】
前記炭化水素系高分子電解質膜の厚みとしては、５〜２００μｍとすることが、好ましい。
【００２１】
前記触媒層を接合する工程に続いて、前記対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする第２のイオン置換工程を有することが、好ましい。
【００２２】
前記触媒層を接合する工程としては、熱プレスにより行う工程であることが、好ましい。
【００２３】
前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、対イオンをアンモニウムイオンとする前の炭化水素系高分子電解質膜における炭化水素系高分子電解質の全てのカチオン交換基数に対して９０％以上のカチオン交換基がプロトン型であることが、好ましい。
【００２４】
前記構成の膜−電極接合体の製造方法において、炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質の実質的に全てのカチオン交換基がプロトン型であるとした場合の１２０℃における前記炭化水素系高分子電解質膜の弾性率が、７５０〜２０００ＭＰａであることが、好ましい。
【００２５】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、下記一般式（１）：
【００２６】
【化１】
［式（１）中、Ａｒ1は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基を有していてもよい２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ1は、直接結合、オキシ基、チオキソ基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。］で表される構造単位を有するものであることが、好ましい。
上記式（１）中のＡｒ1は、２価の芳香族基を示しており、該２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよい。また、本願明細書において、上記オキシ基とは、−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは、−Ｓ−で示される基を意味する。
【００２７】
また、前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体が、好適に用いられる。
【００２８】
前記カチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式（２）：
【００２９】
【化２】
［式（２）中、Ａｒ11は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基を有していてもよい２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ11は、直接結合、オキシ基、チオキソ基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、ｄは５以上の整数である。］で表される構造を有するものが、好ましい。
上記式（２）中のＡｒ11は、２価の芳香族基を示しており、該２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよい。また、本願明細書において、上記オキシ基とは、−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは、−Ｓ−で示される基を意味する。
【００３０】
前記カチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式（３）：
【００３１】
【化３】
［式（３）中、Ｒ１は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｊ１はカチオン交換基を表し、ｐは１または２であり、ｄは前記一般式（２）と同義である。］で表される構造を有するものが、さらに好ましい。
【００３２】
本発明に係る膜−電極接合体は、前記製造方法によって得られたものであることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明に係る燃料電池は、前記膜−電極接合体を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、炭化水素系高分子電解質膜の高弾性率という特徴を失うことなく、該炭化水素系高分子電解質膜と触媒層が良好に接合された膜−電極接合体の簡便な製造方法を提供できる。そして、本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体は、高分子電解質膜と触媒層の界面における密着度の低さに基づく抵抗が生じにくく、優れた燃料電池を提供できるため、工業的に極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
前述のように、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする。そして、前記触媒層を接合する工程に続いて、前記対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンにする第２のイオン置換工程を有することを特徴とする。
【００３６】
したがって、以下に、本発明で用いる高分子電解質、及びこの高分子電解質を用いた電解質膜の製造方法、上記対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程、このイオン置換工程によって処理された電解質膜を用いた膜−電極接合体の製造方法、膜−電極接合体に組み込まれた後の高分子電解質膜に対してなされる第２のイオン置換工程、そして、前記第２のイオン置換工程の結果得られた膜−電極接合体を用いた燃料電池について、順次、説明する。
【００３７】
（炭化水素系電解質および炭化水素系電解質膜）
本発明に適用する電解質膜製造用の炭化水素系高分子電解質とは、高分子を構成する原子の数の５０％以上が炭素または水素である高分子であり、かつイオン伝導に係るカチオン交換基を有する高分子のことを示す。カチオン交換基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、ホスフィン酸基、スルホニルアミド基（−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−）、フェノール性水酸基等が挙げられるが、中でもイオン伝導性に優れたスルホン酸基又はホスホン酸基がより好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。
【００３８】
上記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、下記一般式（１）で表される構造単位を有するものが好ましい。
【００３９】
【化４】
［式（１）中、Ａｒ1は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ1は、直接結合、オキシ基（−Ｏ−で示される基）、チオキソ基（−Ｓ−で示される基）、カルボニル基またはスルホニル基を示す。］
【００４０】
上記置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、イソブチル基、ｎ−ペンチル基、２，２−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、ｎ−ヘキシル基、シクロヘキシル基、２−メチルペンチル基、２−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、アダマンチル基、イコシル基等の炭素数１〜２０のアルキル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が１〜２０のアルキル基等が挙げられる。
【００４１】
また、上記置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、ｎ−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、ｎ−ブチルオキシ基、ｓｅｃ−ブチルオキシ基、ｔｅｒｔ−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、ｎ−ペンチルオキシ基、２，２−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、ｎ−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、２−メチルペンチルオキシ基、２−エチルヘキシルオキシ基、デシルオキシ基、アダマンチルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基、イコシルオキシ基等の炭素数１〜２０のアルコキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が１〜２０のアルコキシ基等が挙げられる。
【００４２】
上記置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ビフェニル基等のアリール基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が６〜２０のアリール基等が挙げられる。
【００４３】
上記置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基としては、例えば、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、アントラセニルオキシ基、ビフェニルオキシ基等のアリールオキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が６〜２０のアリールオキシ基等が挙げられる。
【００４４】
上記置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ベンゾイル基、１−ナフトイル基、２−ナフトイル基等の炭素数２〜２０のアシル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が２０以下であるアシル基が挙げられる。
【００４５】
また、上記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質としては、高い発電性能と耐久性を両立させるという観点から、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体であることが好ましい。
【００４６】
本発明において、「ブロック型高分子電解質」とは、化学的に性質の異なる２種類以上のブロックが、直接結合あるいは連結基を介して結合した共重合体からなる電解質のことをいう。本発明に用いるブロック型高分子電解質を構成する共重合体は、化学的に性質の異なる２種類以上のブロックとして、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとを有するブロック共重合体であることが好ましい。
【００４７】
また、本発明の高分子電解質で用いるブロック共重合体は、膜化した際にミクロ相分離構造を形成するものが好ましく、このようなミクロ相分離構造を形成するブロック共重合体からなる高分子電解質は、特性に優れた燃料電池を与える。ここでいう「ミクロ相分離構造」とは、高分子電解質を膜化した際に、異種のポリマーセグメント同士が化学結合で結合されていることにより、分子鎖サイズのオーダーでの微視的相分離が生じてできる構造を指す。例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で見た場合に、カチオン交換基を有するブロックの密度が高い微細な相（ミクロドメイン）と、イオン交換基を実質的に有さないブロックの密度が高い微細な相（ミクロドメイン）とが混在し、各ミクロドメイン構造のドメイン幅、すなわち恒等周期が数ｎｍ〜数１００ｎｍであるような構造を指す。好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍのミクロドメイン構造を有するものが挙げられる。
【００４８】
このようなブロック共重合体の具体的な例としては、特開２００１−２５０５６７号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーブロックを有するブロック共重合体、特開２００３−３１２３２号公報、特開２００４−３５９９２５号公報、特開２００５−２３２４３９号公報、特開２００３−１１３１３６号公報等の特許文献に記載の「ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造とし、スルホン酸基を有するブロックを有するブロック共重合体」を挙げることができる。
【００４９】
上記ブロック共重合体のカチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式（２）で表される構造を含むブロックであることが好ましく、構造単位１つ当たりのカチオン交換基数で表して、平均して０.５個以上有するものであり、好ましくは平均して１．０個以上有することが好ましい。
【００５０】
【化５】
［式（２）中、Ａｒ11は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合している。Ｘ11は、直接結合、オキシ基（−Ｏ−で示される基）、チオキソ基（−Ｓ−で示される基）、カルボニル基またはスルホニル基を示す。ｄは５以上の整数である。］
【００５１】
ここで、上記一般式（２）の芳香族基Ａｒ１１の置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基およびアシル基の具体的な例示は、上記一般式（１）におけるそれらと同等である。
【００５２】
ここで、ｄは当該ブロックの重合度を表す数であり、５以上の整数である。このｄは、５〜１０００の範囲がより好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００であり、特に好ましくは２０〜５００である。ｄの値が５以上であると、燃料電池用の高分子電解質として、プロトン伝導度が十分であるので好ましい。一方、ｄの値が１０００以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
【００５３】
上記一般式（２）で表されるブロックの好適な例としては、下記一般式（３ａ）または（３ｂ）で表されるブロックであることが好ましい。
【００５４】
【化６】
［式（３ａ）および（３ｂ）中、Ｒ1は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｘ12は、直接結合、オキシ基（−Ｏ−で示される基）、チオキソ基（−Ｓ−で示される基）、カルボニル基またはスルホニル基を表し、Ｊ1はカチオン交換基を表し、ｐ、ｑは１または２であり、ｄは上記一般式（２）におけるｄと同義である。］
【００５５】
上記のようなイオン交換基を有するブロックを有すると、本発明の高分子電解質膜が高水準のプロトン伝導度と吸水寸法安定性が確保されることに加え、膜強度をより向上させることができるため、好ましい。
【００５６】
また、Ｒ1は上記のとおり、置換基を表すが、とりわけ好ましくは水素原子であり、実質的にフェニレン基、ナフタレンジイル基が、カチオン交換基以外の置換基を有さないものが好ましい。
【００５７】
上記一般式（３ａ）で表されるブロックの具体例としては、カチオン交換基をスルホン酸基で代表させて示すと、下記の式（３ａ−１）〜（３ａ−３０）で示される構造単位の群から選ばれる一つの構造単位がｄ個連結してなるブロックを挙げることができる。ここで、ｄは、上記一般式（２）におけるｄと同義の数、すなわち５以上の整数である。
【００５８】
【化７】
【００５９】
【化８】
【００６０】
【化９】
【００６１】
【化１０】
上掲のブロックは、例えば、特開２００４−１９０００２号公報に記載の製造方法などに基づいて製造することができる。
【００６２】
また、上記一般式（３ｂ）で表されるブロックの具体例としては、カチオン交換基をスルホン酸基で代表させて示すと、下記の（３ｂ−１）〜（３ｂ−２８）で示される構造単位の群から選ばれる構造単位がｄ個連結してなるブロックを挙げることができる。ここで、ｄは一般式（２）におけるｄと同等の定義の数、すなわち５以上の整数である。
【００６３】
【化１１】
【００６４】
さらに、上記一般式（３ａ）で表されるブロックを構成する構造単位、上記一般式（３ｂ）で表されるブロックを構成する構造単位を併せ持つブロックでもよく、それらがｄ個連結してなるブロックであればよい。
【００６５】
また、カチオン交換基としては、カルボン酸基、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホニルイミド基が例示され、これらを併せ持つものでもよい。中でも強酸基であるスルホン酸基をカチオン交換基として含むと、特に好ましい。
【００６６】
上記一般式（３ａ）で表されるブロックの中でも、下記一般式（４）で表されるブロックであることが好ましい。
【００６７】
【化１２】
［式（４）中、Ｒ1は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｊ1はカチオン交換基を表し、ｐ、ｑは１または２であり、ｄは前記一般式（２）におけるｄと同義である。］
【００６８】
次に、上記イオン交換基を実質的に有さないブロックについて説明する。
ここで、「イオン交換基を実質的に有さない」とは、このブロックを主として構成する繰り返し単位のほとんどがイオン交換基を有していないことを意味する。具体的には、このブロックを構成している構造単位１個当たり、イオン交換基が平均して０.１個以下であり、０.０５個以下であることが好ましく、構造単位中にイオン交換基が全く含まれていないことが、特に好ましい。
【００６９】
このイオン交換基を実質的に有さないブロックの中でも、とりわけ好ましくは、下記一般式（５）で表されるブロックである。
【００７０】
【化１３】
［式（５）中、Ａｒ22は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を置換基として有していてもよい２価の芳香族基を示す。Ｘ22は、直接結合、オキシ基、チオキソ基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。ｅは５以上の整数である。］
上記式（５）中のＡｒ22は、２価の芳香族基を示しており、該２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも１種で置換されていてもよい。また、本願明細書において、上記オキシ基とは、−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは、−Ｓ−で示される基を意味する。
【００７１】
ここで、一般式（５）の芳香族基Ａｒ22の置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、およびアシル基の具体的な例示は、上記一般式（１）と同等である。
【００７２】
また、ｅは５以上の整数であり、５〜１０００の範囲が好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００であり、特に好ましくは２０〜５００である。ｅの値が５以上であると、燃料電池用の高分子電解質として、膜強度に優れるものが得られるため好ましい。一方、ｅの値が１０００以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
【００７３】
上記イオン交換基を実質的に有さないブロックとしては、特に、下記一般式（６）で表されるブロックであると、好適である。
【００７４】
【化１４】
［式（６）中、ａ、ｂ、ｃは互いに独立に０か１を表し、ｎは５以上の整数を表す。Ａｒ2、Ａｒ3、Ａｒ4、Ａｒ5は互いに独立に２価の芳香族基を表し、ここで、これらの２価の芳香族基は、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基，炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基で置換されていても良い。Ｘ、Ｘ’は、互いに独立に直接結合または２価の基を表す。Ｙ、Ｙ’は、互いに独立にオキシ基またはチオキソ基を表す。］
上記式（６）中のＡｒ2、Ａｒ3、Ａｒ4、Ａｒ5は互いに独立に２価の芳香族基を表しており、これらの２価の芳香族基は、より正確に換言すれば、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基，炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種で置換されていてもよい。また、Ｙ、Ｙ’は、互いに独立にオキシ基またはチオキソ基を表しており、本願明細書において、オキシ基とは−Ｏ−で示される基を意味し、チオキソ基とは−Ｓ−で示される基を意味する。
【００７５】
上記式（６）中のｎは該ブロックに係る重合度を表す正の整数である。ｎは５以上の整数であり、５〜１０００の範囲が好ましく、さらに好ましくは１０〜１０００であり、特に好ましくは２０〜５００である。ｎの値が５以上であると、燃料電池用の高分子電解質として、膜強度に優れるものが得られるため好ましい。一方、ｎの値が１０００以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
【００７６】
上記一般式（６）で表されるブロックの好適な代表例としては、下記式（６−１）〜（６−２２）で示されるブロックが挙げられる。
【００７７】
【化１５−１】
【００７８】
【化１５−２】
【００７９】
【化１５−３】
【００８０】
具体的に、本発明に適用するに好適なブロック共重合体としては、下記（表１）に示した（７−１）〜（７−１８）が例示される。なお、下記（表１）において、「カチオン交換基を有するブロック（３ａ−１）、（３ａ−４）、（３ａ−１９）、および（３ａ−２５）」とは、それぞれ、先に式（３ａ−１）、（３ａ−４）、（３ａ−１９）、（３ａ−２５）を用いて説明したブロックを意味し、同様に、「実質的にイオン交換基を有さないブロック（６−１）、（６−２）、（６−９）、（６−１０）、（６−２１）、（６−２２）」とは、それぞれ、先に式（６−１）、（６−２）、（６−９）、（６−１０）、（６−２１）、（６−２２）を用いて説明したブロックを意味する。
【００８１】
【表１】
【００８２】
とりわけ好ましいブロック共重合体としては、下記一般式（８）で示されるものを挙げることができる。
【００８３】
【化１６】
【００８４】
なお、上記ブロック共重合体としては、カチオン基を有するブロックと、実質的にイオン基を有さないブロックの存在比を調整することにより、上記ブロック共重合体のイオン交換容量が、０．５〜４．０ｍｅｑ／ｇの範囲となることが好ましく、より好ましくは０．８〜３．５ｍｅｑ／ｇの範囲となることが好ましい。上記イオン交換容量は、滴定法によって求めることができる。
【００８５】
上記炭化水素系高分子電解質は、その構造などにより最適分子量範囲を適宜求めることができるが、一般的にはＧＰＣ（ゲル浸透クロマトグラフィー）法によるポリスチレン換算の数平均分子量で表して、１０００〜１００００００が好ましい。この数平均分子量の下限としては５０００以上、とりわけ１００００以上が好ましく、一方、上限としては５０００００以下、とりわけ３０００００以下が好ましい。
【００８６】
上記平均分子量が、１０００以上であると、膜強度がより向上する傾向にあり、１００００００以下であると、該高分子電解質の溶媒に対する溶解性が良好となり、得られる溶液の溶液粘度が低下することから、溶液キャスト法による製膜が容易になるため、上記の分子量範囲が好ましい。
【００８７】
（高分子電解質膜の膜化方法）
高分子電解質膜の製膜法としては、溶媒キャスト法、スピンコート法など公知の方法を用いることができるが、通常の溶媒キャスト法が、操作が簡便である点で好ましい。ここで、溶液キャスト法とは、高分子電解質を、適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法である。製膜に用いる溶媒は、適用する高分子電解質が溶解可能であり、且つ膜化した後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（以下、「ＤＭＦ」という）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（以下、「ＤＭＡｃ」という）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下、「ＮＭＰ」という）、ジメチルスルホキシド（以下、「ＤＭＳＯ」という）等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。
【００８８】
これらの溶媒は単独で用いることもできるが、必要に応じて２種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、ＤＭＦ、ＤＭＡｃ、ＮＭＰ、ＤＭＳＯ等が高分子電解質の溶解性が高く好ましい。
【００８９】
上述のように成膜化して得られた炭化水素系高分子電解質膜は、硫酸や塩酸などで酸処理することにより、全てのカチオン交換基数に対して９０％以上のカチオン交換基をプロトン型とすることが好ましく、実質的に全てのカチオン交換基をプロトン型とすることがより好ましい。さらに、残存溶媒を除去するために、水洗工程を経ることが好ましい。
【００９０】
本発明の炭化水素系高分子電解質膜の厚みは、特に制限されないが、好ましくは５〜２００μｍであり、さらに好ましくは８〜１００μｍ、特に好ましくは１０〜８０μｍである。実用に耐える膜強度を得るには、５μｍより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには、２００μｍより薄い方が好ましい。
【００９１】
さらに、本発明に用いられる高分子電解質膜は、上記に例示した高分子電解質に加え、所望の特性に応じて、プロトン伝導性を著しく低下させない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤が挙げられる。
【００９２】
特に、燃料電池の動作中に、高分子電解質膜に隣接する触媒層において過酸化物が生成し、この過酸化物が拡散しながらラジカル種に変化し、これが高分子電解質膜を構成している高分子電解質を劣化させることがある。かかる不都合を回避するために、高分子電解質には、ラジカル耐性を付与し得る安定剤を添加することが好ましい。
【００９３】
電解質膜の機械的強度を向上させる目的で、高分子電解質と所定の支持体とを複合化した複合膜を、後述のイオン置換工程を行う際に用いることもできる。支持体としては、フィブリル形状や多孔膜形状等の基材が挙げられる。
【００９４】
炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質の実質的に全てのカチオン交換基がプロトン型であるとした場合の電解質膜の１２０℃の弾性率が７５０〜２０００ＭＰａであると、ハンドリング性や、実際の燃料電池中での形態安定性及び耐久性に優れているために好ましい。
【００９５】
（イオン置換工程（対イオンをアンモニウムイオンとする工程））
上記電解質膜の対イオンをアンモニウムイオンとする主な処理方法としては、アンモニウムイオンを含む溶液に上記炭化水素系高分子電解質膜を接触させる方法が好ましく、この接触方法としては、
（ｉ）アンモニウムイオンを含む溶液に浸漬させる方法
（ｉｉ）電解質膜の表面に、アンモニウムイオンを含む溶液をスプレーする方法
の２つがあげられる。これらの方法は、電解質膜の触媒層との接合表面近傍のカチオン交換基の対イオンを選択的にアンモニウムイオンとすることができるため好ましい。
これらの方法に用いるアンモニウムイオンを含む溶液において、アンモニウムイオンを溶解させる溶媒としては、水もしくはアルコールが用いられるが、好ましくは水が用いられる。
【００９６】
本発明の膜−電極接合体の製造方法において、触媒層を電解質膜に接合する前に、電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとすることにより、電解質膜が柔軟化され、電解質膜と触媒層との接合性が向上すると考えられる。前記イオン置換処理する電解質の表面としては、電解質膜の一方の片面側の表面でも良いし、他方の片面側の表面でも良いし、両面の表面でも良いが、両面の表面であることが好ましい。電解質膜の触媒層を接合させる表面近傍のカチオン交換基を選択的にアンモニウムイオンとすると、表面から選択的に柔軟化し、目的とする電解質膜と触媒層との接合性の向上だけでなく、触媒層接合時の電解質膜の変形を抑えることができると考えられる。さらに、後述の触媒層接合後の第２のイオン置換工程（アンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする工程）に要する時間が短くなるため、好ましい。
【００９７】
上記（ｉ）の方法は、アンモニウムイオンを含む溶液に浸漬させることで、表面のカチオン交換基の対イオンから選択的にアンモニウムイオンに交換する方法である。浸漬時間としては、膜種や溶液温度によって最適値は異なるものの、２秒〜２４時間、好ましくは５秒〜２時間、より好ましくは５秒〜３００秒である。該範囲の浸漬時間であると、電解質膜の表面のカチオン交換基の対イオンが充分量アンモニウムイオンに交換され十分な触媒層接合性向上効果を得ることが可能であり、かつアンモニウムイオンへの交換が電解質膜表面近傍に留まりやすいため好ましい。
【００９８】
溶液中のアンモニウムイオン量としては、膜の表面のカチオン交換基の対イオンがアンモニウムイオンへ交換するだけ存在していれば十分である。浸漬時間によっても多少異なるが、膜のカチオン交換基量に対して、０．５〜１００当量が好ましい。溶液の温度としては、特に限定はなく室温で十分であるが、加熱することもできる。
【００９９】
上記（ｉｉ）の方法は、アンモニウムイオンを含む溶液を、電解質膜表面にスプレーすることで、表面のカチオン交換基の対イオンを選択的にアンモニウムイオンに交換する方法である。アンモニウムイオンの塗布量としては、電解質膜の表面のカチオン交換基の対イオンがアンモニウムイオンに交換するだけの量で十分であり、膜のカチオン交換基量に対して、０．０１〜０．５当量、より好ましくは０．０５〜０．３当量である。
【０１００】
上記アンモニウムイオンへの置換を電解質膜表面に留めたい場合は、上記（ｉ）、（ｉｉ）のいずれの方法でも、イオン交換後に、表面に付着しているアンモニウムイオンを含む溶液を洗い流した方が好ましい。その際に用いる溶媒は膜を溶解させないものであれば、特に限定はされない。
【０１０１】
ここで、カチオン交換基の対イオンと交換するアンモニウムイオンを提供しうる化合物を「イオン交換剤」と呼ぶこととする。
【０１０２】
アンモニウムイオンとしては、電解質膜と触媒層との接合性を向上させる観点から、炭素数が３以上であるアルキル基を含むことが好ましい。アルキル基を含むアンモニウムイオンとしては、アルキルアンモニウムイオンやアルキルイミダゾリウムイオン、アルキルピリジニウムイオンなどが好ましく、中でもアルキルアンモニウムイオンがより好ましい。また、電解質膜と触媒層との接合性を向上させる観点から、４級アンモニウムイオンが好ましく、中でも４級アルキルアンモニウムイオンが好ましい。
【０１０３】
上記４級アルキルアンモニウムイオンとしては、テトラメチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラペンチルアンモニウムイオン、トリエチルヘキシルアンモニウムイオン、ヘキシルトリメチルアンモニウムイオン、テトラヘプチルアンモニウムイオン、テトラオクチルアンモニウムイオン、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン、ベンジルトリメチルアンモニウムイオン等が挙げられる。
【０１０４】
前記イオン交換剤としては、上記イオンのフッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、水酸化物が挙げられる。また、イオン交換剤の分子量が小さいと、対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程に要する時間や、触媒層接合後の第２のイオン置換工程（対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする工程）に要する時間が短くなるため、イオン交換剤の分子量は１０００以下が好ましく、５００以下がより好ましい。
【０１０５】
上記対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程は、高分子電解質膜のイオン交換容量や厚みにも依存するが、前記炭化水素系高分子電解質における全てのカチオン交換基数に対して、その１〜９０％のカチオン交換基量の対イオンをアンモニウムイオンとすることが好ましく、３〜８０％がより好ましく、５〜５０％が特に好ましい。
【０１０６】
（膜−電極接合体）
本発明の膜−電極接合体（ＭＥＡ）は、上述のイオン置換工程により膜面の対イオンをアンモニウムイオンとした電解質膜に少なくとも触媒層を接合することで製造することができる。電解質膜の少なくとも表面における電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとした後、電解質膜の両面に触媒層を形成させる方法としては、大きく分けて電解質膜上に直接触媒層を形成させる方法と、予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法の２つがある。後者の方法は、簡便であり、生産性に優れているという点で好ましい。
【０１０７】
本発明に用いられる触媒層には触媒物質が含まれる。該触媒物質としては、水素またはメタノールと酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば、特に制限はなく、公知のものを用いることができる。例えば、白金、白金−ルテニウム合金のような貴金属類や、錯体系電極触媒（例えば、高分子学会燃料電池材料研究会編、「燃料電池と高分子」、１０３〜１１２頁、共立出版、２００５年１１月１０日発行に記載されている）が挙げられる。中でも、白金や白金ルテニウム合金の微粒子を用いることが好ましい。通常、燃料極（アノード）側の触媒層（第１の触媒層）の触媒として白金または白金ルテニウム（微粒子）が用いられ、空気極側（カソード）の触媒層（第２の触媒層）の触媒として白金（微粒子）が用いられる。また、該触媒物質を表面に担持させた導電性材料を用いると、触媒層での水素イオンと電子の輸送を容易にできるため、好ましい。該導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどの導電性カーボン材料、酸化チタンなどのセラミック材料などの公知の材料が挙げられる。
【０１０８】
また、本発明に適用する触媒層には、高分子電解質が含まれることが好ましい。該高分子電解質としては、イオン伝導性があり、かつ上記触媒物質を結着させるバインダーとして働くものであれば、特に制限はなく、従来知られているデュポン社製のナフィオン（商品名）や脂肪族高分子電解質、芳香族高分子電解質が挙げられる。触媒物質や高分子電解質以外に、触媒層の撥水性を高める目的で、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの撥水材が、また触媒層のガス拡散性を高める目的で、炭酸カルシウムなどの造孔材が、さらに得られる膜−電極接合体の耐久性を高める目的で金属酸化物などの安定剤などが含まれる場合もある。
【０１０９】
本発明の膜−電極接合体を構成する触媒層の外側には、燃料を効率よくかつ均一に拡散させるために、ガス拡散層を設けることが好ましい。該ガス拡散層は導電性のものであれば特に限定されないが、多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーが、安価で取り扱いも容易なため、好ましい。
【０１１０】
電解質膜上、または電解質膜以外の他の基材上に、触媒層を形成させる方法としては、特に制限はなく、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の既存の方法を使用することができる。
【０１１１】
予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法としては、上述のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、該触媒層付き拡散層を電解質膜と接合する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成した後に、電解質膜に触媒層のみを転写し、該支持基材を剥離する方法等が挙げられる。
【０１１２】
上記電解質膜以外の他の基材としては、該触媒層を電解質膜に形成させる時に、膨潤あるいは溶解しないものであれば、特に制限はなく、例えば、上述のガス拡散層や、ガラス、ステンレス材、ステンレスベルト、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルム等が好適に用いられる。該基材表面は必要に応じ、離型処理、鏡面処理、エンボス処理、或いは艶消し処理等施しても良い。
【０１１３】
予め他の基材上に触媒層を形成させ、該触媒層を電解質膜に接合させる方法の場合、接合の際に温度や圧力をかける熱プレス法を行う方が好ましい。加熱温度としては、膜が変性しない温度領域や圧力領域であれば、特に限定されないが、通常、温度は、接合性が向上し、かつ電解質膜が変質しない、３０℃以上３００℃以下が好ましく、５０℃以上２５０℃以下がより好ましい。また圧力は電解質膜が変形しない、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３００ｋｇｆ／ｃｍ２以下が好ましく、３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上２００ｋｇｆ／ｃｍ２以下がより好ましい。
【０１１４】
以上のようにして、本発明の製造方法にて得られた高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合してなる膜−電極接合体が得られる。
【０１１５】
（第２のイオン置換工程）
上述のようにして、少なくとも触媒層を電解質膜に接合することにより膜−電極接合体を形成した後に、対イオンがアンモニウムイオンに交換されているカチオン交換基の少なくとも一部をプロトン型にする（アンモニウムイオンを水素イオンに交換する）工程（第２のイオン置換工程）を行うことが好ましい。プロトン型にする方法として、特に限定はされないが、酸溶液に接触させる方法が簡便であり好ましい。接触させる方法としては、浸漬する方法が好ましい。酸溶液としては、カチオン交換基をプロトン型にするものであれば、特に限定されないが、硫酸、塩酸、硝酸などが簡便で取扱いが容易であることから好ましい。また、上記酸処理において、該膜−電極接合体の形態を損なわない範囲で、浸漬に用いる酸水溶液を攪拌してもよい。
【０１１６】
上記第２のイオン置換工程は、電解質膜に触媒層を接合し、次にガス拡散層を接合する場合では、電解質膜に触媒層を接合した後の、ガス拡散層を接合する前に、行う方が効率的である。それは、ガス拡散層が撥水性のカーボンを含むため、ガス拡散層を接合した後では、酸水溶液の浸透効率が幾分落ちるからである。しかし、ガス拡散層までの接合が完了した後でも酸処理は可能であるので、ガス拡散層までの接合が完了した後に、上記第２のイオン置換工程を行っても良い。また、触媒層に予めガス拡散層を接合した後、これらの接合体を電解質膜に接合する場合では、当然、電解質膜へ触媒層−ガス拡散層接合体を接合した後に、上記第２のイオン置換工程を行うことになる。
【０１１７】
上記酸処理工程後、酸が処理後の膜−電極接合体内部に残存することもあるため、この酸処理に引き続き、水洗を行うことが好ましい。このようにすると、内部に残存する酸性分を除去することができる。水洗方法としては、酸処理後の膜−電極接合体を流水に所定時間曝す方法が有効である。また、このようにして酸処理、必要に応じて水洗を行った後、乾燥させてもよい。
【０１１８】
上述のように、触媒層を電解質膜に接合した後に、アンモニウムイオンに交換されているカチオン交換基をプロトン型に変更することにより、得られた膜−電極接合体においては、触媒層と電解質膜との大きな接合度を保ったまま、電解質膜の硬度が向上すると考えられる。そのため、前記第２のイオン置換工程を行った場合の本発明の膜−電極接合体は、耐久性が高く、機械的強度に優れたものとなると考えられる。
【０１１９】
（燃料電池）
本発明の燃料電池は、上述の触媒層と電解質膜とが大きな接合度を持って接合されてなる膜−電極接合体を用いて構成される。したがって、本発明の固体高分子型燃料電池は、発電性能に優れる高性能な燃料電池である。
【実施例】
【０１２０】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。以下に示す実施例は、本発明を説明するための好適な例示であり、なんら本発明を限定するものではない。
本発明の実施例の具体的説明に移る前に、各製造例、各実施例および各比較例で得られた高分子電解質膜の分子量、弾性率、イオン交換容量、膜−電極接合体における接合性等の諸特性値を測定する各測定方法を以下に説明する。
【０１２１】
［分子量測定］
ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）により、下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量および重量平均分子量を求めた。
ＧＰＣ測定装置 ＴＯＳＯＨ社製 ＨＬＣ−８２２０
カラム ＴＯＳＯＨ社製 ＴＳＫ−ＧＥＬ ＧＭＨＨＲ−Ｍ
カラム温度 ４０℃
移動相溶媒 ＤＭＡｃ（ＬｉＢｒを１０ｍｍｏｌ／ｄｍ3になるように添加）
溶媒流量 ０．５ｍＬ／ｍｉｎ
【０１２２】
［弾性率測定方法］
日本工業規格（ＪＩＳ Ｋ ７１２７）に準拠して１２０℃下において実施した引張り試験から弾性率を求めた。
【０１２３】
［高分子電解質膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）］
得られた高分子電解質膜を１１０℃にて乾燥させ、ハロゲン水分率計（メトラートレド社製、商品名「ＨＲ７３」）で絶乾重量を求めた、この高分子電解質膜を、０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液５ｍＬに浸漬した後、５０ｍＬのイオン交換水を加え、２時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に０．１ｍｏｌ／Ｌの塩酸を徐々に加えることで滴定し、中和点を求めた。中和点に要する０．１ｍｏｌ／Ｌ塩酸の量と、上記絶乾重量とから、イオン交換容量を求めた。
また、塩交換率Ｙ（％）を下記式（Ｂ）に基づいて求めた。
Ｙ＝（１−Ｈ／Ｔ）×１００ ……（Ｂ）
Ｔ：塩置換処理前の高分子電解質膜のグラム当たりの全イオン交換基量
Ｈ：塩置換処理後の高分子電解質膜のグラム当たりの対イオンがプロトンであるイオン交換基量
【０１２４】
［電極シートの作成］
市販の５重量％ナフィオン溶液（溶媒：水と低級アルコールの混合物）６．３ｍＬに５０重量％白金が担持された白金担持カーボン（ＳＡ５０ＢＫ、エヌ・イー・ケムキャット製）を１．０ｇ投入し、さらに水１．０ｇとジエチレングリコール８．２ｇを加えた。得られた混合物を１時間超音波処理したのち、スターラーで５時間攪拌し、触媒層形成用の触媒インクを得た。
【０１２５】
得られた触媒インクをバーコーターを用いてＰＴＦＥシート上に流延塗布し、８０℃で３時間常圧で、その後、２時間真空下で乾燥させた。これによりＰＴＦＥシート上に触媒層が形成されてなる電極シートを得た。得られた電極シート上の触媒層における白金付着量は０．６ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２６】
［接合性評価法］
上記電極シートの触媒層が後述のイオン置換処理された電解質膜のサンプルの表面に接するように、サンプルの電解質膜と上記電極シートを重ね、熱プレス法により１３５℃、１００ｋｇｆ／ｃｍ２にて５分間加圧、加熱した。その後、ＰＴＦＥシートを触媒層から剥離することにより膜−電極接合体を得た。この膜−電極接合体における電解質膜に対する触媒層の接合度を下記式（Ｃ）に基づいて求めた。
（ＣＷafter／ＣＷbefore）×１００ ・・・・・（Ｃ）
ＣＷafter：膜に転写された触媒層の重量
ＣＷbefore：ホットプレス前の電極シート上の触媒層重量
【０１２７】
[高分子電解質膜表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンに置換されていることの確認]
各実施例で得られた高分子電解質膜の膜表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンに置換されていることを、以下に示すＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）による測定により確認した。
[ＸＰＳ測定]
ＳＳＩ（Surface Science Instruments）社製のＸＰＳ測定装置（商品名「ＳＳＸ−１００」）を用いてワイドスキャンスペクトルを測定し、試料表面における組成比分析を行った。
Ｘ線：ＡｌＫα線（１４８６．６ｅＶ）
Ｘ線スポット径：１０００μｍ
中和条件：中和電子銃・Ｎｉメッシュ使用
【０１２８】
（炭化水素系高分子電解質膜の製造例１）
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、ＤＭＳＯ：６００ｍＬ、トルエン：２００ｍＬ、２，５−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム：２６．５ｇ（１０６．３ｍｍｏｌ）、末端クロロ型である下記一般式（９）：
【０１２９】
【化１７】
で示されるポリエーテルスルホン（住友化学製、商品名「スミカエクセルＰＥＳ５２００Ｐ」、Ｍｎ＝５．４×１０４、Ｍｗ＝１．２×１０５［条件１］）：１０．０ｇ、および２，２’−ビピリジル：４３．８ｇ(２８０．２ｍｍｏｌ)を入れて攪拌した。その後、バス温を１５０℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、６０℃に冷却した。次いで、これに、ビス（１，５−シクロオクタジエン）ニッケル（０）：７３．４ｇ(２６６．９ｍｍｏｌ)を加え、８０℃に昇温し、同温度で５時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の６ｍｏｌ／Ｌの塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ濾別した。その後、６ｍｏｌ／Ｌ塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする下記一般式（１０）で示されるブロック共重合体（Ａ）１６．３ｇを得た。このブロック共重合体（Ａ）の数平均分子量は７２０００、重量平均分子量は１８８０００であった。このブロック共重合体（Ａ）の熱分解温度は２００℃であった。
【０１３０】
【化１８】
【０１３１】
得られたブロック共重合体（Ａ）を１０重量％となるようにＤＭＳＯに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、８０℃で常圧乾燥した。得られた高分子電解質膜を１ｍｏｌ／Ｌの塩酸に３時間浸漬し、実質的に全てのカチオン交換基をプロトン型にし、流水で３時間洗浄することで、厚みが３０μｍの高分子電解質膜（Ｍ１）を得た。高分子電解質膜（Ｍ１）のイオン交換容量（ＩＥＣ）は２．２ｍｅｑ／ｇであった。また弾性率は１１５０ＭＰａであった。
【０１３２】
（実施例１）
３０ｍｇの上記高分子電解質膜（Ｍ１）を、臭化トリブチルアンモニウム１ｇ（酸基に対して大過剰）を溶かした２００ｍＬの水溶液に、室温で、２時間浸漬させた。この処理膜を５００ｍＬの純水で５分間浸漬洗浄し、乾燥させることにより、表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンをアンモニウムイオンに交換した電解質膜（Ｍ−ａ）を得た。得られた電解質膜（Ｍ−ａ）の接合度、塩交換率を測定した。
【０１３３】
（実施例２〜５）
上記実施例１において高分子電解質膜（Ｍ１）の臭化トリブチルアンモニウム水溶液への浸漬時間のみを以下のように変えて同様の実験を行なった。
実施例２：２秒
実施例３：１０秒
実施例４：３０秒
実施例５：１８０秒
【０１３４】
（実施例６）
３０ｍｇの前記高分子電解質膜（Ｍ１）を、ｎ-ヘキシルトリメチルアンモニウムブロマイド１ｇ（酸基に対して大過剰）を溶かした２００ｍＬの水溶液に、室温で、２時間浸漬させた。この処理膜（Ｍ１）を５００ｍＬの純水で５分間浸漬洗浄し、乾燥させることにより、表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンをアンモニウムイオンに交換した電解質膜（Ｍ−ｂ）を得た。得られた電解質膜（Ｍ−ｂ）を膜−電極接合体に用いた場合の接合度と、膜の塩交換率（イオン交換率）を測定した。
【０１３５】
（比較例１）
高分子電解質膜（Ｍ１）をアンモニウム水溶液により処理せず、そのままの高分子電解質膜（Ｍ１）を膜−電極接合体に用いた場合の接合度と、膜の塩交換率（イオン交換率）を測定した。
【０１３６】
【表２】
【０１３７】
実施例２〜４で得られた高分子電解質膜の表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンとなっていることを、ＸＰＳ測定により確認した。ＸＰＳ測定装置を用いて、各実施例２〜４の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比を測定した。
測定の結果、実施例２の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比は、０．０２２であり、実施例３の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比は、０．０３１であり、実施例４の高分子電解質膜の表面の炭素原子数に対する窒素原子数の比は、０．０５６であった。
この結果より、実施例２〜４の高分子電解質膜の表面のスルホン酸基の対イオンがアンモニウムイオンとなっていることが確認された。
【０１３８】
（実施例７）
上記実施例１で作成した膜−電極接合体と拡散層であるカーボンクロスをＪＡＲＩ標準セル（(財)日本自動車研究所が開発した固体高分子形燃料電池標準セル）に組み込み、燃料電池セルとした。該セルを８０℃に保ち、アノードには相対湿度１００％の水素ガスを２１．０ｍＬ／（ｍｉｎ・ｃｍ２）で、カソードには相対湿度１００％の空気ガスを６６．６ｍＬ／（ｍｉｎ・ｃｍ２）を流し、その発電特性を測定した。測定結果の電流−電圧曲線を図１に示した。
【０１３９】
上記実施例１〜６および比較例１から明らかなように、本発明の製造方法により電解質膜（実施例１〜６）は、触媒層の接合前に、少なくともその表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンがアンモニウムイオンへ交換され、それによって、電解質膜への触媒層の接合度が大幅に向上されている。これに対して、比較例１では発電特性の評価が実施不可能な程、電解質膜への触媒層の密着性が低くなっている。本発明による電解質膜の触媒層への接合度は、実施例１で得た膜−電極接合体を用いた燃料電池の発電特性が、実施例７に示すように、良好なものであることによっても、確認できる。さらに、本発明の製造方法により触媒層を接合した後の膜−電極接合体に対して、接合前にその表面のカチオン交換基の少なくとも一部の対イオンがアンモニウムイオンへ交換された電解質膜の表面のアンモニウムイオンの少なくとも一部を水素イオンに交換すれば、電解質膜の硬度を向上させることが可能となり、電解質膜の機械的特性を向上し得る。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
以上説明したように、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、触媒層を接合する前の炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンに交換した上で触媒層を接合し、前記高分子電解質膜と触媒層との接合強度を向上させることを特徴としている。従って、本発明によれば、炭化水素系高分子電解質膜の高弾性率という特徴を失うことなく、該炭化水素系高分子電解質膜と触媒層が良好に接合された膜−電極接合体を簡便に製造することができる。そして、本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体は、高分子電解質膜と触媒層の界面における密着度の低さに基づく抵抗が生じにくく、優れた燃料電池を提供できるため、工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】実施例７で得た燃料電池の発電特性をグラフにて示した図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、
前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記アンモニウムイオンが炭素数３以上のアルキル基を含むことを特徴とする請求項１に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記アンモニウムイオンが４級アンモニウムイオンを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記イオン置換工程が、アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させることにより行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させる工程が、前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を浸漬することにより行われることを特徴とする請求項４に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項６】
前記イオン置換工程が、前記炭化水素系高分子電解質における全てのカチオン交換基数に対して、その１〜９０％のカチオン交換基の対イオンを、アンモニウムイオンとする工程であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項７】
前記炭化水素系高分子電解質膜の厚みを５〜２００μｍとすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項８】
前記触媒層を接合する工程に続いて、前記対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする第２のイオン置換工程を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項９】
前記触媒層を接合する工程を熱プレスにより行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記対イオンをアンモニウムイオンとする前の炭化水素系高分子電解質膜における炭化水素系高分子電解質の全てのカチオン交換基数に対して９０％以上のカチオン交換基がプロトン型であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質の実質的に全てのカチオン交換基がプロトン型であるとした場合の１２０℃における前記炭化水素系高分子電解質膜の弾性率が、７５０〜２０００ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質が、下記一般式（１）：
【化１】
［式（１）中、Ａｒ1は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ1は、直接結合、−Ｏ−で示される基、−Ｓ−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。］で表される構造単位を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質が、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
前記カチオン交換基を有するブロックが、下記一般式（２）：
【化２】
［式（２）中、Ａｒ11は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ11は、直接結合、−Ｏ−で示される基、−Ｓ−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、ｄは５以上の整数である。］で表される構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１５】
前記カチオン交換基を有するブロックが、下記一般式（３）：
【化３】
［式（３）中、Ｒ１は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｊ１はカチオン交換基を表し、ｐは１または２であり、ｄは前記一般式（２）におけるｄと同義である。］で表される構造を有することを特徴とする請求項１３記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の製造方法によって得られたものであることを特徴とする膜−電極接合体。
【請求項１７】
請求項１６に記載の膜−電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
カチオン交換基を含有する炭化水素系高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合することにより燃料電池用の膜−電極接合体を得る膜−電極接合体の製造方法であって、
前記触媒層を接合する工程の前に、前記炭化水素系高分子電解質膜の少なくとも表面における炭化水素系高分子電解質のカチオン交換基の一部または全部の対イオンをアンモニウムイオンとするイオン置換工程を有することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記アンモニウムイオンが炭素数３以上のアルキル基を含むことを特徴とする請求項１に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記アンモニウムイオンが４級アンモニウムイオンを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記イオン置換工程が、アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させることにより行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を接触させる工程が、前記アンモニウムイオンを含む溶液に前記炭化水素系高分子電解質膜の表面を浸漬することにより行われることを特徴とする請求項４に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項６】
前記イオン置換工程が、前記炭化水素系高分子電解質における全てのカチオン交換基数に対して、その１〜９０％のカチオン交換基の対イオンを、アンモニウムイオンとする工程であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項７】
前記炭化水素系高分子電解質膜の厚みを５〜２００μｍとすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項８】
前記触媒層を接合する工程に続いて、前記対イオンをアンモニウムイオンとしたカチオン交換基の少なくとも一部を水素イオンとする第２のイオン置換工程を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項９】
前記触媒層を接合する工程を熱プレスにより行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記対イオンをアンモニウムイオンとする前の炭化水素系高分子電解質膜における炭化水素系高分子電解質の全てのカチオン交換基数に対して９０％以上のカチオン交換基がプロトン型であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質の実質的に全てのカチオン交換基がプロトン型であるとした場合の１２０℃における前記炭化水素系高分子電解質膜の弾性率が、７５０〜２０００ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質が、下記一般式（１）：
【化１】
［式（１）中、Ａｒ1は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ1は、直接結合、−Ｏ−で示される基、−Ｓ−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。］で表される構造単位を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記炭化水素系高分子電解質膜を構成する炭化水素系高分子電解質が、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
前記カチオン交換基を有するブロックが、下記一般式（２）：
【化２】
［式（２）中、Ａｒ11は、２価の芳香族基を示し、該２価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数６〜２０のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数２〜２０のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該２価の芳香族基は、少なくとも１つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、Ｘ11は、直接結合、−Ｏ−で示される基、−Ｓ−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、ｄは５以上の整数である。］で表される構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１５】
前記カチオン交換基を有するブロックが、下記一般式（３）：
【化３】
［式（３）中、Ｒ１は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数６〜２０のアリールオキシ基、または炭素数２〜２０のアシル基を表し、Ｊ１はカチオン交換基を表し、ｐは１または２であり、ｄは前記一般式（２）におけるｄと同義である。］で表される構造を有することを特徴とする請求項１３記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の製造方法によって得られたものであることを特徴とする膜−電極接合体。
【請求項１７】
請求項１６に記載の膜−電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１１０９５０（Ｐ２００９−１１０９５０Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６４２７８（Ｐ２００８−２６４２７８）
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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