高分子電解質膜の製造方法、並びに当該製造方法によって製造された高分子電解質膜およびその利用
【課題】本発明の目的は、プロトン伝導性を充分に確保しつつ、水素含有液体などの燃料成分の透過を抑制した高分子電解質膜の製造方法、並びに当該製造方法によって製造された高分子電解質膜およびその代表的な利用例を提供することである。
【解決手段】本発明は、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）に関する。
【解決手段】本発明は、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜の製造方法、並びに当該製造方法によって製造された高分子電解質膜およびその利用に関するものである。特に、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等に用いる高分子電解質膜の製造方法、当該製造方法によって製造された高分子電解質膜、並びに当該高分子電解質膜を使用した膜−電極接合体および燃料電池等の利用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。それに対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。
【０００３】
上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な部材の一つが電解質である。このような燃料と酸化剤とを隔てる電解質としては、これまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。
【０００４】
これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。また、直接液体形燃料電池、特に、メタノールを直接燃料に使用する直接メタノール形燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度化が可能などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民生用小型携帯機器への応用が期待されている。
【０００５】
ここで、固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、１９５０年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。
【０００６】
一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。
【０００７】
しかしながらナフィオン（登録商標）は、フッ素系電解質膜であるため、使用原料が高く、また複雑な製造工程を経るため、非常に高価である。また電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。さらに直接液体形燃料電池の原料になるメタノールなどの水素含有液体などの透過（クロスオーバーともいう）が大きく、いわゆる化学ショート反応が起こる。これにより、カソード電位、燃料効率、セル特性などの低下が生じ、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池の電解質膜として用いるのが困難である。またナフィオン（登録商標）は、膜自身の形態変化、つまり膨潤が大きいため、膜自身に機械的適応力がかかり、膜が破損する恐れがある。さらに、ナフィオン（登録商標）は、その水素含有液体などの透過率が高いため、未発電時にもクロスオーバーによる燃料の消失が懸念される。
【０００８】
上記の問題点を解決すべく、高分子電解質膜として、種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、非プロトン性極性溶媒に可溶なスルホン酸基含有ポリフェニレンサルファイドが提案されている。これはポリフェニレンサルファイドのクロロスルホン酸均一溶液下でスルホン酸基を導入することにより、非プロトン性極性溶媒への溶解性が付与でき、容易にフィルムに加工できることが開示されている。しかし、ここに開示されている方法では、燃料電池の燃料として検討されているメタノールへの溶解性も同時に高分子電解質膜へ付与される恐れがあり、当該高分子電解質膜の使用範囲が著しく制約されるという問題点がある。また、特許文献１に記載されている高分子電解質膜の水素含有液体（メタノールなど）の透過（クロスオーバーともいう）抑制効果について、当特許文献には一切言及されておらず、また当該特許文献に記載された高分子電解質膜は、実際、直接液体形燃料電池の原料になるメタノールなどの水素含有液体に対する膨潤性が大きく、ナフィオン（登録商標）と同様の問題を有している。
【０００９】
また、特許文献２には、高分子の多孔質支持体に電解質モノマーを充填し、当該モノマーを高分子量化する方法、および当該方法によって得られる高分子電解質膜について開示されている。また、特許文献３には、高分子の多孔質支持体に、電解質モノマーを充填して高分子量化したものにスルホン酸基を導入する方法、および当該方法によって得られる高分子電解質膜について開示されている。これらの高分子電解質膜は、燃料として使用するメタノールや水に対する膨潤を多孔質支持体によって抑制するため、それらの透過（クロスオーバー）が抑制されるとされている。しかしながら、その製造工程が複雑であるため、製造コストや生産性の面で問題点を、特許文献２および３に開示された技術は有している。また、高分子電解質膜に充分なプロトン伝導性を発現させるためには、電解質部分のプロトン伝導性基の含有量を高くする必要があり、この部分の耐久性や、電解質と支持体との界面の耐久性に懸念がある。
【特許文献１】特表平１１−５１０１９８号公報（公表日：平成１１（１９９９）年９月７日）
【特許文献２】国際公開第００／５４３５１号パンフレット（国際公開日：平成１２（２０００）年９月１４日）
【特許文献３】特開２００５−５１７１号公報（公開日：平成１７（２００５）年１月６日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の通り、プロトン伝導性を充分に確保しつつ、水素含有液体などの燃料成分の透過を抑制した高分子電解質の開発が、現在強く望まれている。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的はプロトン伝導性を充分に確保しつつ、水素含有液体などの燃料成分の透過が抑制され、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体に対する耐久性を持った高分子電解質膜の製造方法、並びに当該製造方法によって製造された高分子電解質膜およびその代表的な利用例を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、一般式（１）：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）
で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させて高分子電解質膜を得ることにより、当該高分子電解質膜のプロトン伝導性を充分に確保しつつも、水素含有液体などの燃料成分の透過を抑制できること、およびメタノールなどの水素含有液体に対する膨潤を抑制でき、さらにメタノールなどの水素含有液体に対する耐久性を持たせることができることを見出し、本願発明を完成させるに至った。本発明は、かかる新規知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
【００１３】
すなわち本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、
当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法である：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【００１４】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、芳香族系化合物誘導体、またはメラミン誘導体であってもよい。
【００１５】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールであってもよい。
【００１６】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、一般式（２）で示される化合物であってもよい。
【００１７】
【化１】
【００１８】
（式中、Ｒ１〜Ｒ６はそれぞれ水素またはメチル基を表す。）。
【００１９】
上記本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法を用いることによって、後述のごとく、充分なプロトン伝導性を有しながら、低メタノール透過性を備え、かつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜を製造することが可能となる。
【００２０】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記導入工程の後に、含浸工程が行われる方法であってもよい。上記態様によれば、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入して高分子電解質膜をあらかじめ製造しておいた後に、上記化合物Ｘを高分子電解質膜に含浸させるために、所望の物性を有する高分子電解質膜をさらに簡便に得ることができる。また上記態様によれば、化合物Ｘが高分子電解質膜により含浸しやすくなるというメリットを享受できる。
【００２１】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記高分子フィルムは、芳香族単位を有する高分子化合物を含む高分子フィルムであることが好ましい。上記態様によれば、耐熱性および化学的安定性に優れた高分子電解質膜を製造することができるとともに、プロトン伝導性基の導入が容易であるという効果を享受できる。
【００２２】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
上記高分子フィルムが、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムであることが好ましい。
【００２３】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
上記高分子電解質膜が、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜であることが好ましい。
上記態様は、芳香族単位を有する高分子化合物と、芳香族単位がない高分子化合物とを含む高分子フィルムを用いて高分子電解質膜を製造するものである。かかる態様によれば、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制した電解質膜が製造できるという効果を享受できる。
【００２４】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法においては、上記（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物が、下記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）から選択される１種のポリマー、またはこれらポリマーの混合物であってもよい：
（ｉ）ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも１種のポリマー；
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載のポリマーを含む共重合体；
（ｉｉｉ）上記（ｉ）および（ｉｉ）に記載のポリマーの誘導体。
上記態様によれば、得られる高分子フィルムおよび高分子電解質膜の加工性や機械的特性が優れるとともに、プロトン伝導性基の導入が容易であるという効果を享受できる。また適当なブロック共重合体、グラフト共重合体、酸変性品などを用いれば（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物との相溶性や分散状態を調節することも可能となる。
【００２５】
さらに本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法においては、上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物が、下記一般式（３）の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であってもよい：
−（ＣＸ１Ｘ２−ＣＸ３Ｘ４）− ・・・（３）
（式中、Ｘ１〜４は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃｌ、Ｆ、ＯＣＯＣＨ３、ＣＮ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＣＨ３、およびＯＣ４Ｈ９からなる群から選択されるいずれかであって、Ｘ１〜４は互いに独立で、同一であっても異なっていてもよい）。上記態様によれば、化学的安定性が高くかつメタノール遮断性に優れた高分子電解質膜が得られる。
【００２６】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法においては、上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、およびそれらの誘導体からなる群より選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であってもよい。上記態様によれば、化学的安定性が高くかつメタノール遮断性に優れた高分子電解質膜が得られるとともに、安価に当該高分子電解質膜を製造することができるという効果を享受できる。
【００２７】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記プロトン伝導性基が、スルホン酸基を含むものであることが好ましい。高分子電解質膜がプロトン伝導性基としてスルホン酸基を含むことによって、プロトン伝導性のさらに優れた高分子電解質膜が得られる。
【００２８】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、以下に示される（Ｉ）および／または（ＩＩ）の工程を含む方法であることが好ましい：
（Ｉ）上記含浸工程時に触媒を化合物Ｘと共存させる工程；
（ＩＩ）上記含浸工程後に触媒を、高分子フィルム、または高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜と接触させる工程。
【００２９】
上記態様によれば、化合物Ｘと高分子フィルムとの結合が促進されるために、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制し、メタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜をさらに効率的に製造することができる。
【００３０】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルム、若しくは上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜を加熱する工程を含む方法であることが好ましい。かかる態様によれば、化合物Ｘと高分子フィルムとの結合が促進されるために、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制し、メタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜をさらに効率的に製造することができる。
【００３１】
一方、本発明にかかる高分子電解質膜は、上記本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法によって製造された高分子電解質膜である。また、本発明にかかる高分子電解質膜は、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘが含まれていることを特徴とする高分子電解質膜であってもよい：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【００３２】
上記本発明にかかる高分子電解質膜は、メタノール透過性が小さく、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜であるため、燃料電池の材料として優れている。
【００３３】
また本発明にかかる膜−電極接合体は、上記本発明にかかる高分子電解質膜を用いてなるものである。本発明にかかる膜−電極接合体は、高いメタノール遮断性を有し、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制された高分子電解質膜を備えているため、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池用の膜−電極接合体として特に優れている。
【００３４】
また本発明にかかる燃料電池は、上記本発明にかかる高分子電解質膜を用いてなるものである。本発明にかかる燃料電池は、本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法により得られた高分子電解質膜を使用した燃料電池（固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等）である。よって、本発明にかかる燃料電池は、高いメタノール遮断性を有し、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜を備えているため、優れた性能を有する。特に本発明は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池への利用が特に好ましい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、上記化合物Ｘを高分子フィルム、または高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に浸漬させることによって、メタノール透過性をできるだけ小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜を製造することが可能である。また、上記高分子フィルムとして（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムを用いることによって、上記好ましい物性に加え、さらに、加工性、機械的特性、および化学的安定性に優れた高分子電解質膜を製造することが可能となる。
【００３６】
それゆえ、本発明は燃料電池の分野において利用可能であり、特に固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等に好ましく利用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。
【００３８】
＜１．本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法＞
すなわち本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法（以下「本発明の製造方法」という）は、
高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、
当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法である：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
すなわち本発明の製造方法は、「導入工程」および「含浸工程」を少なくとも含む方法である。以下、工程毎に説示する。また本発明の製造方法には、高分子フィルムを製造する「製膜工程」が含まれていてもよい。
【００３９】
（１−１）含浸工程
本発明の製造方法における含浸工程で用いられる「化合物Ｘ」は、上記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物である。上記化合物Ｘが上記一般式（１）で示される基を２つ以上含むことにより、当該化合物Ｘが複数の結合を持つことができ、
(a)化合物Ｘが高分子フィルム（または高分子電解質膜）と結合する、および
(b)化合物Ｘ同士が結合する
ことによって、化合物Ｘが架橋剤として機能し、本発明の効果の一つである高いメタノール遮断性を持った高分子電解質膜の製造方法が可能となる。なお化合物Ｘと、高分子フィルム、高分子電解質膜、または化合物Ｘとの「結合」は、最終的に製造される高分子電解質膜が本発明の目的とする物性を有するものである限りにおいては特に限定されるものではなく、例えば化学結合であっても、物理的な結合であってもよい。
【００４０】
なお化合物Ｘ同士の結合時、および化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）と結合時の反応性、並びに、結合した状態での耐熱性を考慮すると、化合物Ｘは芳香族系化合物誘導体か、もしくはメラミン誘導体であることが望ましい。また高分子フィルム（または高分子電解質膜）との反応性を考慮すると、一般式（１）で示される基中のＲは、水素、メチル基、またはアセチル基である事が望ましい。このような化合物としては、例えば、１，３−ビス（ヒドロキシメチル）−ベンゼン、１，４−ビス（ヒドロキシメチル）−ベンゼン、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−フェノール、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾール、オキシビス（３，４−ジヒドロキシメチル）ベンゼン、４，４’−メチレンビス［２，６−ジ（ヒドロキシメチル）］フェノール、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジン、日本サイテック製サイメル(登録商標)、ＤＭＬ-ＰＣ（本州化学工業株式会社製）、ＴＭＬ-ＢＰＡ-ＭＦ（本州化学工業株式会社製）、ＴＭＬ−ＢＰＡＦ−ＭＦ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＯＣ（本州化学工業株式会社製）、Ｄｉｍｅｔｈｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｐ−ＣＲ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＭＢＰＣ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＢＰＣ（本州化学工業株式会社製）、ＴＭＬ−ＢＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＥＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−３４Ｘ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＳＢＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＣＨＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＯＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＦＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＭＢＯＣ（本州化学工業株式会社製）、２６ＤＭＰＣ（旭有機材工業株式会社製）、４６ＤＭＯＣ（旭有機材工業株式会社製）、ＤＭ−ＢＩＰＣ−Ｆ（旭有機材工業株式会社製）、ＤＭ−ＢＩＯＣ−Ｆ（旭有機材工業株式会社製）、ＴＭ−ＢＩＰ−Ａ（旭有機材工業株式会社製）、ニカラック（株式会社三和ケミカル）などがあり、他には〔参考文献１〕中のスキーム１に示される化合物で、化合物Ｘの条件を満たすもの、すなわち下記の構造式（４）〜（１６）で示される１３種類の化合物、および下記構造式（１７）〜（３２）で示される１６種類の化合物のほかに例示されるものがあるが、これらのみに限定されるものではない。
【００４１】
【化２】
【００４２】
【化３】
【００４３】
【化４】
【００４４】
また化合物の種類は１種類に限られるものではない。なお、上記化合物のうち、入手のし易さ、反応のし易さ、および所望の効果などを考慮すると、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールまたは２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンが好ましい。
〔参考文献１〕Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ １９９４、２７、５１５４−５１５９。
【００４５】
本含浸工程において、化合物Ｘは、既にフィルム状に成形された高分子フィルムまたは高分子電解質膜に含浸させて用いることが好ましい。この形態で化合物Ｘを含浸させることによって、本含浸工程の操作が簡便となり、また最終的に製造される高分子電解質膜の設計が容易になる。化合物Ｘを含浸させる際には、化合物Ｘが液体の状態であればそのままでもよく、あるいは適当な溶媒で希釈しても良い。また化合物Ｘが固体の場合は、適当な溶媒に溶解させて用いるのが好ましい。いずれの場合も、適当な溶媒で希釈して溶液中の化合物Ｘの濃度を制御することによって、化合物Ｘの高分子フィルムまたは高分子電解質膜への反応を制御することができる。溶媒としては、化合物Ｘの高分子フィルムまたは高分子電解質への反応を阻害するものではなく、高分子フィルムまたは高分子電解質を劣化させないものが好ましい。また溶媒は、化合物Ｘを高分子フィルム（または高分子電解質膜）に含浸させるため、高分子フィルムまたは高分子電解質を膨潤させやすいものが好ましい。このような溶媒の例としては、例えば、水、メタノール、エタノールなどのアルコール類、およびアセトンなどの極性溶媒、等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また溶媒は２種類以上の溶媒を適宜混合して用いても良い。
【００４６】
化合物Ｘを高分子フィルム中に効率よく含浸および結合させるためには、
（Ｉ）上記含浸工程時に、上記化合物Ｘと、高分子フィルムまたは高分子電解質膜との結合を促進する触媒を、化合物Ｘと共存させる工程；および
（ＩＩ）上記含浸工程後に、上記化合物Ｘと、高分子フィルムまたは高分子電解質膜との結合を促進する触媒を、高分子フィルムと接触させる工程
が本発明の製造方法に含まれていることが好ましい。また本発明の製造方法は、上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルム（または高分子電解質膜）を加熱する工程を含むことが好ましい。上記態様によれば、化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合が促進されるために、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制し、メタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜をさらに効率的に製造することができる。
【００４７】
ここで上記触媒は、化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合を促進する物質であれば特に限定されるものではないが、特に酸が好ましい。上記酸の種類としては、たとえばメタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸などのスルホン酸類；酢酸や安息香酸などのカルボン酸のごとき有機酸類；または一般的な無機酸を利用することができる。また、導入工程時に酸を用いる場合においては、導入工程に用いられる酸を上記触媒として利用することができる。よって、導入工程後に含浸工程を行なうことが好ましいといえる。
【００４８】
また化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合を促進するために行なう加熱条件は、反応を適切に進めるための条件を適宜設定すればよい。特に高分子フィルム（または高分子電解質膜）の熱的安定性や化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合の速度等を考慮して、上記加熱条件は設定され得る。
【００４９】
本発明の製造方法において、高分子フィルム（または高分子電解質膜）に含浸させる化合物Ｘの量は、化合物Ｘおよび高分子フィルム（または高分子電解質膜）の種類によって異なるために限定されるものではなく、適宜好適な条件を設定すればよい。
【００５０】
本発明で用いられる高分子フィルムは、高分子電解質膜の材料となるフィルムである。この高分子フィルムは、化合物Ｘが含浸し得るものであれば特に限定されるものではない。ただし、上記高分子フィルムは、燃料電池用高分子電解質膜の材料として好ましい特性を有するものであることが好ましい。上記好ましい特性としては、例えば、燃料電池として用いられる際の温度に対して安定であること、燃料である水素やメタノールなどに対して化学的に安定であること、等が挙げられる。上記高分子フィルムとしては、ポリオレフィン系フィルム、フッ素系フィルム、芳香族系フィルムなどが挙げられる。
【００５１】
また、優れたプロトン伝導性および高いメタノール遮断性を実現するために、異なる材料を組み合わせて製造される高分子フィルムを、本発明の製造方法に用いることがより好ましい。具体的には、芳香族単位を有する高分子化合物と、芳香族単位がない高分子化合物とを含む高分子フィルムを、本発明の製造方法に用いることが好ましい。高分子フィルムにおいて、芳香族単位を有する部分にはスルホン酸基などのプロトン伝導性基が導入されるが、芳香族単位がない部分にはスルホン酸基などのプロトン伝導性基が導入されることがない。従って、上記高分子フィルムから得られる高分子電解質膜は、スルホン酸基などの親水性のプロトン伝導性基が導入されているにも関わらず、水やメタノール水溶液に対して膨潤しにくい構成となり、高いメタノール遮断性を有する高分子電解質膜を得ることができる。
【００５２】
ここで本発明の製造方法において使用する芳香族単位を有する高分子化合物とは、文字通り、当業者にとって従来公知の芳香族単位を有する高分子化合物であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。芳香族単位を有する高分子化合物しては、例えば、ポリアリールエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエーテルスルホン、スチレン−（エチレン−ブチレン）スチレン共重合体、スチレン−（ポリイソブチレン）−スチレン共重合体、ポリ１，４−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、シアン酸エステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体、ポリエチレン−ポリスチレンブロック共重合体、ポリプロピレン−ポリスチレングラフト共重合体、（エチレン−グリシジルメタクリレート）−ポリスチレングラフト共重合体、（エチレン−エチルアクリレート）−ポリスチレングラフト共重合体、ポリプロピレン−（アクリロニトリル−スチレン）グラフト共重合体、ポリカーボネート−ポリスチレングラフト共重合体、ポリカーボネート−（アクリロニトリル−スチレン）グラフト共重合体、酢酸ビニル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、アクリル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、モディパーシリーズ（日本油脂株式会社製、登録商標）、エポフレンドシリーズ（ダイセル化学株式会社製）などが例示される。特に、化学的安定性および熱的安定性や、プロトン伝導性置換基の導入のし易さ、得られるプロトン伝導性高分子電解質のプロトン伝導性、さらに得られプロトン伝導性高分子電解質膜のメタノール遮断性、などを考慮すると、上記（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物は、下記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）から選択される１種のポリマー、又はこれらポリマーの混合物であることが好ましい。
（ｉ）ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも１種のポリマー；
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載のポリマーを含む共重合体；
（ｉｉｉ）上記（ｉ），（ｉｉ）に記載のポリマーの誘導体。
【００５３】
一方、本発明の製造方法に使用可能な芳香族単位がない高分子化合物（芳香族単位を有しない高分子化合物）とは、文字通り構造中に芳香族単位を一切有しない化合物のことを意味する。高分子化合物中に芳香族単位が含まれているか否かは、ＮＭＲ等の公知の方法により容易に確認することができるために、「芳香族単位がない高分子化合物」および「芳香族単位を有する高分子化合物」を当業者は容易に理解し得る。かかる芳香族単位がない高分子化合物としては、例えば、エチレン；プロピレン；１−ブテン；１−ペンテン；１−ヘキセン；３−メチル−１−ブテン；４−メチル−１−ペンテン；５−メチル−１−ヘプテンなどのα−オレフィンの単独重合体またはこれらの共重合体などを含むポリオレフィン樹脂、ノルボルネン系樹脂などの環状ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル；塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体；塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体；塩化ビニル−オレフィン共重合体などを含む塩化ビニル系樹脂、ナイロン６；ナイロン６６などを含むポリアミド樹脂、および、ポリテトラフルオロエチレン；テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体；テトラフルオロエチレン−エキサフルオロプロピレン共重合体；テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体；ポリクロロトリフルオロエチレン；ポリビニリデンフルオライド；ポリビニルフルオライドなどのフッ素系樹脂などが例示される。
【００５４】
上記芳香族単位がない高分子化合物は、他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や得られる高分子フィルムのハンドリング性、さらにはそれから得られる高分子電解質膜のメタノール遮断性、化学的安定性、および熱的安定性などを考慮すると、下記一般式（３）の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であることが特に好ましい。
【００５５】
−（ＣＸ１Ｘ２−ＣＸ３Ｘ４）− ・・・（３）
（式中、Ｘ１〜４は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃｌ、Ｆ、ＯＣＯＣＨ３、ＣＮ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＣＨ３、及びＯＣ４Ｈ９、からなる群から選択されるいずれかであって、Ｘ１〜４は互いに同一であっても異なっていてもよい）
さらに、工業的入手の容易さや、得られる高分子フィルムの機械的特性やハンドリング性、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的安定性などを考慮すると、上記芳香族単位がない高分子化合物は、ポリエチレンおよび／またはポリプロピレンを含むことが好ましい。また高分子フィルムの製造に通常用いられる、各種添加剤、例えば相溶性向上のための相溶化剤、樹脂劣化防止のための酸化防止剤、フィルムとしての成型加工における取り扱いを向上するための帯電防止剤や滑剤などは、高分子電解質膜への加工性や性能に影響を及さない限りにおいて、適宜用いられ得る。特に異なる材料を組み合わせて高分子樹脂フィルムを製造する場合には、互いの相溶性を上げるために相溶化剤を用いることが好ましい。
【００５６】
（１−２）製膜工程
本発明の製造方法における製膜工程は、高分子フィルムを製造する工程である。かかる製膜工程は、高分子フィルムの製造方法として公知の方法が適宜使用され得る。上記放置の方法としては、例えば、インフレーション法、Ｔダイ法などの溶融押出成形、カレンダー法、キャスト法、切削法、エマルション法、ホットプレス法、などが例示され得る。さらに、本発明の製造方法においては、高分子フィルムの分子配向などを制御するために、得られた高分子フィルムに対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。また、高分子フィルムの機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子フィルムとをプレスにより複合化させたりすることも、本発明の範疇である。
【００５７】
また、本工程においては、高分子フィルムの製造に通常用いられる各種添加剤を用いることもできる。
【００５８】
上記方法の中でも生産性や得られる高分子フィルムの機械的特性、フィルムの厚み制御のし易さ、種々の樹脂への適用性、環境への負荷などを考慮すると、溶融押出成形で高分子フィルムを製造することが好ましい。具体的には、高分子フィルムの材料を、Ｔダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながらフィルム化を行なう方法が適用され得る。さらに、芳香族単位を有しない高分子化合物のペレットやパウダーを所定の配合比で予め混合し、同様に溶融混練しながらフィルム化を行う方法が適用できる。このとき、使用する押出機が二軸押出機であれば、これらの成分を溶融して均一に分散させた高分子フィルムを得ることができる。また、予め所定の配合比になるように二軸押出機で溶融混練したペレットを使用してフィルム化を実施しても構わないし、マスターバッチ化したペレットを使用して、所定の配合比になるように溶融混練しながらフィルム化しても構わない。また、組み合わせる成分の分散性に問題がない場合には、Ｔダイをセットした単軸押出機でフィルム化を実施しても構わない。
【００５９】
製造される高分子フィルムの厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、高分子フィルムから得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のメタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子フィルムの厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子フィルムの厚みは、１．２μｍ以上３５０μｍ以下であることが好ましい。上記高分子フィルムの厚さが上記数値の範囲内であれば、フィルム化が容易であり、かつプロトン伝導性基を導入する際の加工時や乾燥時にもシワが発生しにくい。また、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。
【００６０】
（１−３）導入工程
本発明の製造方法における導入工程は、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する工程である。換言すれば、導入工程は、高分子フィルムとプロトン伝導性基導入剤とを接触させる工程である。または、本工程は高分子フィルムに対して、いわゆる高分子電解質膜としての機能を発現させる工程であるともいえる。かかる導入工程は、含浸工程の前に行われても、後に行われてもかまわない。また含浸工程と同時に導入工程が行なわれてもよい。ただし、化合物Ｘの含浸し易さを考慮すると、あらかじめプロトン伝導性基を高分子フィルムへ導入しておくのが好ましい。よって、かかる導入工程は、含浸工程の前に行なわれることが好ましいといえる。
【００６１】
上記導入工程としては、公知のプロトン伝導性基の導入方法を使用できる。特に、高分子フィルムを有機溶媒存在下でプロトン伝導性基導入剤と接触させる方法は、優れたプロトン伝導性及び高いメタノール遮断性を両立する高分子電解質膜が簡便かつ高い生産性で得られるため好ましい。
【００６２】
ここで上記プロトン伝導性基としては、含水状態でプロトンを解離するものであれば使用可能である。例えば、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フェノール性水酸基などが例示できるが、これらのみに限定されるものではない。特にプロトン伝導性基の導入のし易さや得られる高分子電解質のプロトン伝導性などを考慮すると、スルホン酸基であることが好ましい。上記プロトン伝導性基の含有量に由来する高分子電解質のイオン交換容量は、好ましくは０．３ミリ当量／ｇ以上であり、より好ましくは０．５ミリ当量／ｇ以上である。上記イオン交換容量が０．３ミリ当量／ｇ以上であれば、高分子電解質膜が好ましいプロトン伝導性を発現し易くなる。
【００６３】
プロトン伝導性基の導入に用いられるプロトン伝導性基導入剤としては、スルホン化剤が好ましく利用され得る。有機溶媒存在下で高分子フィルムとプロトン伝導性基導入剤（好ましくはスルホン化剤）とを接触させることで、プロトン伝導性基導入剤（好ましくはスルホン化剤）が高分子フィルムと直接接触し劣化するのを抑制しつつ、所望量のスルホン酸基を導入することが可能となる。
【００６４】
本発明で使用可能なスルホン化剤としては、例えば、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄−トリエチルフォスフェート、濃硫酸、トリメチルシリルクロロサルフェート等の公知のスルホン化剤を用いることが好ましい。工業的入手の容易さやスルホン酸基の導入の容易さや得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、クロロスルホン酸単体又はクロロスルホン酸を含む混合物を用いることが好ましい。つまり、本発明では、上記スルホン化剤は、クロロスルホン酸であることが好ましい。スルホン化剤がクロロスルホン酸であると、プロトン伝導性基であるスルホン酸基が導入しやすく、高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を得やすくなるためである。
【００６５】
上記工程に利用可能な有機溶媒は、スルホン化剤を分解することなく、芳香族単位へのスルホン酸基導入を阻害せずに、フィルム中の熱可塑性高分子や酸化防止剤の分解などの劣化を引き起こさないようなものであれば使用可能であり、特に限定されるものではない。このように有機溶媒を使用することによって、高分子フィルムが膨潤しやすくなり、フィルム内部までスルホン化剤を拡散させることができる。また、スルホン化剤と高分子フィルムとが直接接触し、過度の反応が生じてフィルムが劣化するのを抑制することができる。
【００６６】
本発明においては、スルホン酸基の導入のしやすさや得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、特に、上記有機溶媒はハロゲン化炭化水素であることが好ましい。ハロゲン化炭化水素としては、例えば、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、クロロフォルム、１−クロロプロパン、１−クロロブタン、２−クロロブタン、１，４−ジクロロブタン、１−クロロ−２−メチルプロパン、１−クロロペンタン、１−クロロヘキサン、クロロシクロヘキサンなどを挙げることができる。特に、工業的入手の容易さやスルホン酸基の導入のしやすさ、得られる電解質膜の特性を考慮すると、ハロゲン化炭化水素は、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン及び１−クロロブタンからなる群から選択される少なくとも１種を含む有機溶媒であることが好ましい。すなわち、本発明では、上記有機溶媒が、ジクロロメタン又は１−クロロブタンを含むものであることが好ましい。有機溶媒が、ジクロロメタン又は１−クロロブタンであると、これらは工業的入手が容易であるとともに、プロトン伝導性基が導入しやすく、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性及びメタノール遮断性が両立できる。
【００６７】
スルホン化剤の使用量としては、高分子フィルムに対して、０．１倍量以上１００倍量以下（重量比）、さらには０．５重量以上５０倍量以下（重量比）であるのが好ましい。スルホン化剤の使用量が、上記の好ましい数値範囲内であれば、スルホン酸基の導入量が好適な範囲となり、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性などの特性が充分担保できる。また、高分子フィルムが化学的に劣化することを防止でき、得られる高分子電解質膜の機械的強度の低下も防げる。このため、ハンドリングが容易である。加えて、スルホン酸基を好適な範囲で導入でき、メタノール遮断性を維持しつつ、水溶性やメタノール水溶液に可溶になるなど、高分子電解質膜の実用的な特性の低下を防止できる。
【００６８】
また、有機溶媒中のスルホン化剤の濃度は、スルホン酸基の目標とする導入量や反応条件（温度や時間等）を勘案して適宜設定すればよい。具体的には、０．０５重量％以上２０重量％以下であることが好ましく、より好ましい範囲は、０．２重量％以上１０重量％以下である。０．０５重量％〜２０重量％の範囲内であれば、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位とが接触しやすく、所望のスルホン酸基量を導入でき、また導入する時間も短時間でよい。また、スルホン酸基の導入も均一となり、得られた高分子電解質膜の機械的特性も十分担保できる。
【００６９】
また、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応温度については特に限定されるものではないが、０℃以上１００℃以下が好ましく、１０℃以上３０℃以下がさらに好ましい。反応温度が、０℃以上であれば、設備上冷却等の措置が必要でなく、反応に必要以上の時間がかかることを防止できる。また１００℃以下であれば、反応を適切に調節することができ、副反応の発生を防止でき、膜の特性を低下させる問題を回避できる。さらに、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応温度は、使用する有機溶媒の沸点以下であることが、耐圧容器を用いる必要がないため好ましいといえる。
また、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応時間については特に限定されるものではないが、その下限としては０．５時間以上が好ましく、２時間以上がさらに好ましい。一方、反応時間の上限としては１００時間以下であること好ましい。反応時間が、０．５時間以上である場合は、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位との接触が充分であり、所望量のスルホン酸基を導入することができる。また、反応時間が１００時間以下であれば、生産性を損なうことなく、高分子電解質膜の特性向上を図ることができる。なお実際には、使用するスルホン化剤や有機溶媒などの反応雰囲気、目標とする生産量などを考慮して、所望の特性を有する高分子電解質膜を効率的に製造することができ反応条件を適宜設定すればよい。
【００７０】
なお本発明の製造方法で製造された高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらにメタノール遮断性が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層の接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。
【００７１】
＜２．本発明にかかる高分子電解質膜の利用＞
本発明にかかる高分子電解質膜は、様々な産業上の利用が考えられ、その利用（用途）については、特に制限されるものではないが、例えば、上記高分子電解質膜を用いてなる膜−電極接合体を挙げることができる。かかる膜−電極接合体は、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池に用いることができる。
【００７２】
すなわち、本発明には、上記高分子電解質膜を用いてなる燃料電池が含まれていてもよい。
【００７３】
上記膜−電極接合体や燃料電池によれば、上述したような優れたプロトン伝導性および高いメタノール遮断性を両立する高分子電解質膜を備えているため、高い発電特性と長期耐久性を有する。
【００７４】
次に、本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明するが、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても、固体高分子形燃料電池と同様に実施可能である。
【００７５】
図１は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池１０は、高分子電解質膜１、触媒層２・２、拡散層３・３、セパレーター４・４を備えている。
【００７６】
高分子電解質膜１は、固体高分子形燃料電池１０のセルの略中心部に位置している。触媒層２は、高分子電解質膜１に接触するように設けられている。拡散層３は、触媒層２に隣接して設けられており、さらにその外側にセパレーター４が配置されている。セパレーター４には、燃料ガスまたは液体（メタノール水溶液など）、並びに、酸化剤を送り込むための流路５が形成されている。これらの部材は、固体高分子形燃料電池１０のセルとして構成されていると換言できる。
【００７７】
一般的に、高分子電解質膜１に触媒層２を接合したものや、高分子電解質膜１に触媒層２と拡散層３を接合したものは、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）といわれ、固体高分子形燃料電池（直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池）の基本部材として使用される。
【００７８】
ＭＥＡを作製する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜（例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど）で行われる公知の方法が適用可能である。
【００７９】
ＭＥＡの具体的作製方法の一例を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００８０】
触媒層２の形成は、高分子電解質の溶液あるいは分散液に、金属担持触媒を分散させて、触媒層形成用の分散溶液を調合する。この分散溶液をポリテトラフルオロエチレンなどの離型フィルム上にスプレーで塗布して分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、離型フィルム上に所定の触媒層２を形成させる。この離型フィルム上に形成した触媒層２を高分子電解質膜１の両面に配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスし、高分子電解質膜１と触媒層２を接合し、離型フィルムをはがすことによって、高分子電解質膜１の両面に触媒層２が形成されたＭＥＡが作製できる。
【００８１】
また、上記分散溶液を、コーターなどを用いて拡散層３上に塗工して、分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、拡散層３上に触媒層２が形成された触媒担持ガス拡散電極を作製し、高分子電解質膜１の両側にその触媒担持ガス拡散電極の触媒層２側を配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスすることによって、高分子電解質膜１の両面に触媒層２と拡散層３とが形成されたＭＥＡが製造できる。なお、上記触媒担持ガス拡散電極には、市販のガス拡散電極（米国Ｅ−ＴＥＫ社製、など）を使用しても構わない。
【００８２】
上記高分子電解質の溶液としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子化合物のアルコール溶液（アルドリッチ社製ナフィオン（登録商標）溶液など）やスルホン化された芳香族高分子化合物（例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど）の有機溶媒溶液などが使用できる。上記金属担持触媒としては、高比表面積の導電性粒子が担体として使用可能であり、例えば、活性炭、カーボンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料が例示できる。
【００８３】
金属触媒としては、燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進するものであれば使用可能であり、燃料極と酸化剤極で同じであっても異なっていても構わない。例えば、白金、ルテニウムなどの貴金属あるいはそれらの合金などが例示でき、それらの触媒活性の促進や、反応副生物による被毒を抑制するための助触媒を添加しても構わない。
【００８４】
上記触媒層形成用の分散溶液は、スプレーで塗布したり、コーターで塗工したりしやすい粘度に調整するため、水や有機溶媒で適宜希釈しても構わない。また、必要に応じて触媒層２に撥水性を付与するため、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物を混合してもよい。
【００８５】
上記拡散層３としては、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔質の導電性材料が使用可能である。これらは燃料や酸化剤の拡散性や反応副生物や未反応物質の排出性を促進するため、テトラフルオロエチレンなどで被覆して撥水性を付与したものを使用するのが好ましい。また、高分子電解質膜１と触媒層２との間に必要に応じて前述したような高分子電解質からなる接着層を設けてもよい。
【００８６】
高分子電解質膜１と触媒層２を加熱・加圧条件下でホットプレスする条件は、使用する高分子電解質膜１や触媒層２に含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。上記条件としては、一般的に高分子電解質膜１や触媒層２に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜１あるいは触媒層２に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜１および触媒層２に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下であることが好ましい。
【００８７】
加圧条件としては、概ね０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の範囲であることが、高分子電解質膜１と触媒層２が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。特にＭＥＡが高分子電解質膜１と触媒層２とからのみ形成される場合は、拡散層３を触媒層２の外側に配置して特に接合することなく接触させるのみで使用しても構わない。
【００８８】
上記のような方法で得られたＭＥＡを、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路５が形成された一対のセパレーター４などの間に挿入することにより、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池１０が得られる。
【００８９】
上記セパレーター４としてはカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。
【００９０】
上記の固体高分子形燃料電池１０に対して、燃料ガスまたは液体として、水素を主たる成分とするガスや、メタノールを主たる成分とするガスまたは液体を、酸化剤として、酸素を含むガス（酸素あるいは空気）を、それぞれ別個の流路５より、拡散層３を経由して触媒層２に供給することにより、固体高分子形燃料電池は発電する。このとき燃料として、例えば、含水素液体を使用する場合には直接液体形燃料電池となるし、メタノールを使用する場合には直接メタノール形燃料電池となる。つまり、固体高分子形燃料電池１０について例示した上記実施形態は、そのまま直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても適用可能といえる。
【００９１】
なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池１０を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。
【００９２】
次いで、本発明の高分子電解質膜を使用した直接メタノール形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。
【００９３】
図２は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる直接メタノール形燃料電池２０は、ＭＥＡ１６、燃料タンク１７、支持体１９を備えている。燃料タンク１７は、燃料（メタノールあるいはメタノール水溶液）充填部（供給部）１８を備えており、支持体１９には酸化剤流路１５が形成されている。
【００９４】
上述した方法で得られたＭＥＡ１６が、燃料充填部１８を有する燃料タンク１７の両側に必要数が平面状に配置されている。さらにその外側には、酸化剤流路１５が形成された支持体１９が配置されている。つまり、２つの支持体１９・１９に狭持されることによって、直接メタノール形燃料電池２０のセル、スタックが構成される。
【００９５】
なお、上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質膜は、特開２００１−３１３０４６号公報、特開２００１−３１３０４７号公報、特開２００１−９３５５１号公報、特開２００１−９３５５８号公報、特開２００１−９３５６１号公報、特開２００１−１０２０６９号公報、特開２００１−１０２０７０号公報、特開２００１−２８３８８８号公報、特開２０００−２６８８３５号公報、特開２０００−２６８８３６号公報、特開２００１−２８３８９２号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として、使用可能である。これらの公知文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質膜を用いて容易に固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池を構成することができる。
【００９６】
以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００９７】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。
【００９８】
（実施例１）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド（大日本インキ化学工業株式会社製、ＬＤ１０ｐ１１）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【００９９】
ポリフェニレンサルファイドのペレット３０重量部、高密度ポリエチレンのペレット７０重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを７０重量％含有する）。
【０１００】
ガラス容器に、ジクロロメタン９０５ｇ、クロロスルホン酸９．０ｇを秤量し、１重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを２．１ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して４．３倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１０１】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性基としてスルホン酸基が導入された高分子電解質膜を得た。
【０１０２】
２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールをメタノールに１０重量％溶解した。この溶液に、先に得た高分子電解質膜を６０℃にて浸漬した。２４時間後、浸漬より取り出し、高分子電解質膜の表面の溶液をふき取った。この高分子電解質膜を真空乾燥機内で８０℃、３時間処理した。
【０１０３】
＜イオン交換容量の測定方法＞
高分子電解質膜（約１０ｍｍ×４０ｍｍ）を２５℃での塩化ナトリウム飽和水溶液２０ｍＬに浸漬し、ウォーターバス中で６０℃、３時間イオン交換反応させた。その後２５℃まで冷却し、次いで高分子電解質膜をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、０．０１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、イオン交換容量を算出した。その結果を表１に示す。
【０１０４】
＜プロトン伝導度の測定方法＞
イオン交換水中に保管した高分子電解質膜（約１０ｍｍ×４０ｍｍ）を取り出し、高分子電解質膜表面の水をろ紙で拭き取った。２極非密閉系のポリテトラフルオロエチレン製のセルに高分子電解質膜を設置し、さらに白金電極を電極間距離３０ｍｍとなるように、膜表面（同一側）に設置した。２３℃での膜抵抗を、交流インピーダンス法（周波数：４２Ｈｚ〜５ＭＨｚ、印可電圧：０．２Ｖ、日置電機製ＬＣＲメーター ３５３１Ｚ ＨＩＴＥＳＴＥＲ）により測定し、プロトン伝導度を算出した。その結果を表１に示す。
【０１０５】
＜メタノール遮断性の測定方法＞
２５℃の環境下で、ビードレックス社製膜透過実験装置（ＫＨ-５ＰＳ）を使用して、高分子電解質膜でイオン交換水と６４重量％のメタノール水溶液とを隔離した。所定時間（２時間）経過後にイオン交換水側に透過したメタノールを含む溶液を採取し、ガスクロマトグラフ（株式会社島津製作所製ガスクロマトグラフィーＧＣ−２０１）で透過したメタノール量を定量した。この定量結果から、メタノール透過速度を求め、メタノール透過係数を算出した。メタノール透過係数は、以下の数式１にしたがって算出した。その結果を表１に示す。
〔数式１〕
メタノール透過係数（μmol／（cm・日））
＝メタノール透過量（μmol）×膜厚（cm）／（膜面積（cm2）×透過時間（日））
＜膨潤性の評価方法＞
上記方法で得られた電解質膜を６４重量％メタノール水溶液に浸漬し、６０℃のオーブン中に静置した。１０００時間経過後、電解質膜を回収し、目視にて浸漬前との状態を比較した。膨潤のある場合は面積を測定し、その比を算出した。その結果を表２に示す。
【０１０６】
＜メタノール耐久性の評価方法＞
１００ｃｃの耐圧容器に、上記方法で得られた電解質膜を約１平方ｃｍ四方の大きさに切り取り、６４重量％メタノール水溶液約１００ｃｃと一緒に投入した。そして耐圧容器のふたをしっかり取り付け、１００℃の通風オーブンにて１２０時間保管した。その後耐圧容器をオーブンより取り出し、室温まで冷却した後、内容物のうち電解質膜を取り出し、目視とピンセットによるハンドリングで以下のようにランク付けした。結果を表２に示す。
【０１０７】
Ａ：大きな膨潤がなく、ピンセットでつまんで持ち上げても形状をしっかり維持している。
【０１０８】
Ｂ：大きな膨潤はないが、自己支持性が低下しておりピンセットでつまむと破れたり、破壊したりする。
【０１０９】
Ｃ：試験前と比較し、面積が２倍以上と大きく膨潤している。
【０１１０】
（実施例２）
＜高分子電解質膜の調製＞
実施例１における２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールの代わりに、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンを用いた以外は実施例１と同様にサンプルを作製した。
【０１１１】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表２に示す。
【０１１２】
また、この高分子電解質膜のＴＥＭ像（透過型電子顕微鏡像）を図３（ａ）に示し、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンに由来する窒素をＥＤＸ（株式会社島津製作所製 エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）にてマッピングした像を図３（ｂ）に示す。
【０１１３】
（実施例３）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子共重合体としてポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体（日本油脂株式会社製、モディパー（登録商標）Ａ１１００）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【０１１４】
ポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体のペレット３５重量部、高密度ポリエチレンのペレット６５重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２６５℃、Ｔダイ温度２６５℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを６５重量％含有する）。
【０１１５】
ガラス容器に、１−クロロブタン１４９ｇ、クロロスルホン酸０．７５ｇを秤量し、０．５重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを０．３５ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して２．１倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１１６】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、高分子電解質膜を得た。
【０１１７】
次に実施例１と同様の方法で、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールを用いてサンプルを作製した。
【０１１８】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１および２に示す。
【０１１９】
（実施例４）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド（大日本インキ化学工業株式会社製、ＬＤ１０ｐ１１）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【０１２０】
ポリフェニレンサルファイドのペレット５０重量部、高密度ポリエチレンのペレット５０重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを５０重量％含有する）。
【０１２１】
ガラス容器に、ジクロロメタン１２９５．０ｇ、クロロスルホン酸９．７ｇを秤量し、０．７重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを３．０ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して３．２倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１２２】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性基としてスルホン酸基が導入された高分子電解質膜を得た。
【０１２３】
２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールをメタノールに５０重量％溶解した。この溶液に、先に得た高分子電解質膜を６０℃にて浸漬した。２４時間後、浸漬より取り出し、高分子電解質膜の表面の溶液をふき取った。この高分子電解質膜を真空乾燥機内で１００℃、３時間処理した。
【０１２４】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１および２に示す。
【０１２５】
（実施例５）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド（大日本インキ化学工業株式会社製、ＬＤ１０ｐ１１）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【０１２６】
ポリフェニレンサルファイドのペレット６５重量部、高密度ポリエチレンのペレット３５重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを３５重量％含有する）。
【０１２７】
ガラス容器に、ジクロロメタン９１１ｇ、クロロスルホン酸６．８ｇを秤量し、０．７４重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを２．１ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して３．２倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１２８】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性基としてスルホン酸基が導入された高分子電解質膜を得た。
【０１２９】
ＤＭＬ−ＰＣ（本州化学工業株式会社製）をメタノールに３０重量％溶解した。この溶液に、先に得た高分子電解質膜を６０℃にて浸漬した。２４時間後、浸漬より取り出し、高分子電解質膜の表面の溶液をふき取った。この高分子電解質膜を真空乾燥機内で１２０℃、３時間処理した。
【０１３０】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１および２に示す。
【０１３１】
（比較例１）
＜高分子フィルムの調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物として、ポリフェニレンサルファイド（大日本インキ工業株式会社製、ＤＩＣ−ＰＰＳ ＬＤ１０ｐ１１）を使用した。
【０１３２】
前記ポリフェニレンサルファイドのペレットを、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、２軸混練押出し機にＴダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た。
【０１３３】
＜高分子電解質膜の調製＞
上記方法で得られた高分子フィルムを使用した。１−クロロブタン７０．９ｇ、クロロスルホン酸１．１ｇを秤量し、１．５重量％のクロロスルホン酸溶液を調製し、高分子フィルムを０．１６ｇとした以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜を得た（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムに対して６．９倍量）。その結果を表１および２に示す。
【０１３４】
（比較例２）
デュポン社製ナフィオン（登録商標）１１５を高分子電解質膜とした。その結果を表１および２に示す。
【０１３５】
（比較例３）
実施例１で得た高分子電解質膜を、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールによる処理を行わずにそのまま用いた。その結果を表１および２に示す。
【０１３６】
【表１】
【０１３７】
【表２】
【０１３８】
表１の実施例１、３、４と比較例２との比較から、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜である比較例２と同オーダーのプロトン伝導度を有することから、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として有用であることが示された。
【０１３９】
表１、２の実施例１〜４と比較例１〜３との比較から、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、小さいメタノール透過係数を持ち、なおかつメタノール水溶液に対する膨潤が少なく、さらにメタノールに対する耐久性をあわせもつことが明らかとなり、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池用の高分子電解質膜として有用であることが示された。
【０１４０】
表１、２の実施例５と比較例１〜３との比較から、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、比較例のプロトン伝導度を大きく上回るプロトン伝導度を持ちながらも、比較的小さいメタノール透過係数を持ち、なおかつメタノール水溶液に対する膨潤が少なく、さらにメタノールに対する耐久性をあわせ持つことが明らかとなり、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池用の高分子電解質膜として有用であることが示された。
【０１４１】
図３より、高分子電解質膜中に分散する電解質成分（ポリフェニレンサルファイド）中に、窒素が偏在していることがわかる。これより、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンは電解質成分中に偏在していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明にかかる高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、直接液体型燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池をはじめとして、様々な産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】図１は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は実施例２における電解質膜のＴＥＭ像であり、（ｂ）は２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンに由来する窒素をＥＤＸにてマッピングした像である。
【符号の説明】
【０１４４】
１ 高分子電解質膜
２ 触媒層
３ 拡散層
４ セパレーター
５ 流路
１０ 固体高分子形燃料電池
１５ 酸化剤流路
１６ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１７ 燃料タンク
１８ 燃料充填部
１９ 支持体
２０ 直接メタノール形燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜の製造方法、並びに当該製造方法によって製造された高分子電解質膜およびその利用に関するものである。特に、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等に用いる高分子電解質膜の製造方法、当該製造方法によって製造された高分子電解質膜、並びに当該高分子電解質膜を使用した膜−電極接合体および燃料電池等の利用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。それに対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。
【０００３】
上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な部材の一つが電解質である。このような燃料と酸化剤とを隔てる電解質としては、これまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。
【０００４】
これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。また、直接液体形燃料電池、特に、メタノールを直接燃料に使用する直接メタノール形燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度化が可能などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民生用小型携帯機器への応用が期待されている。
【０００５】
ここで、固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、１９５０年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。
【０００６】
一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。
【０００７】
しかしながらナフィオン（登録商標）は、フッ素系電解質膜であるため、使用原料が高く、また複雑な製造工程を経るため、非常に高価である。また電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。さらに直接液体形燃料電池の原料になるメタノールなどの水素含有液体などの透過（クロスオーバーともいう）が大きく、いわゆる化学ショート反応が起こる。これにより、カソード電位、燃料効率、セル特性などの低下が生じ、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池の電解質膜として用いるのが困難である。またナフィオン（登録商標）は、膜自身の形態変化、つまり膨潤が大きいため、膜自身に機械的適応力がかかり、膜が破損する恐れがある。さらに、ナフィオン（登録商標）は、その水素含有液体などの透過率が高いため、未発電時にもクロスオーバーによる燃料の消失が懸念される。
【０００８】
上記の問題点を解決すべく、高分子電解質膜として、種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、非プロトン性極性溶媒に可溶なスルホン酸基含有ポリフェニレンサルファイドが提案されている。これはポリフェニレンサルファイドのクロロスルホン酸均一溶液下でスルホン酸基を導入することにより、非プロトン性極性溶媒への溶解性が付与でき、容易にフィルムに加工できることが開示されている。しかし、ここに開示されている方法では、燃料電池の燃料として検討されているメタノールへの溶解性も同時に高分子電解質膜へ付与される恐れがあり、当該高分子電解質膜の使用範囲が著しく制約されるという問題点がある。また、特許文献１に記載されている高分子電解質膜の水素含有液体（メタノールなど）の透過（クロスオーバーともいう）抑制効果について、当特許文献には一切言及されておらず、また当該特許文献に記載された高分子電解質膜は、実際、直接液体形燃料電池の原料になるメタノールなどの水素含有液体に対する膨潤性が大きく、ナフィオン（登録商標）と同様の問題を有している。
【０００９】
また、特許文献２には、高分子の多孔質支持体に電解質モノマーを充填し、当該モノマーを高分子量化する方法、および当該方法によって得られる高分子電解質膜について開示されている。また、特許文献３には、高分子の多孔質支持体に、電解質モノマーを充填して高分子量化したものにスルホン酸基を導入する方法、および当該方法によって得られる高分子電解質膜について開示されている。これらの高分子電解質膜は、燃料として使用するメタノールや水に対する膨潤を多孔質支持体によって抑制するため、それらの透過（クロスオーバー）が抑制されるとされている。しかしながら、その製造工程が複雑であるため、製造コストや生産性の面で問題点を、特許文献２および３に開示された技術は有している。また、高分子電解質膜に充分なプロトン伝導性を発現させるためには、電解質部分のプロトン伝導性基の含有量を高くする必要があり、この部分の耐久性や、電解質と支持体との界面の耐久性に懸念がある。
【特許文献１】特表平１１−５１０１９８号公報（公表日：平成１１（１９９９）年９月７日）
【特許文献２】国際公開第００／５４３５１号パンフレット（国際公開日：平成１２（２０００）年９月１４日）
【特許文献３】特開２００５−５１７１号公報（公開日：平成１７（２００５）年１月６日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の通り、プロトン伝導性を充分に確保しつつ、水素含有液体などの燃料成分の透過を抑制した高分子電解質の開発が、現在強く望まれている。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的はプロトン伝導性を充分に確保しつつ、水素含有液体などの燃料成分の透過が抑制され、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体に対する耐久性を持った高分子電解質膜の製造方法、並びに当該製造方法によって製造された高分子電解質膜およびその代表的な利用例を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、一般式（１）：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）
で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させて高分子電解質膜を得ることにより、当該高分子電解質膜のプロトン伝導性を充分に確保しつつも、水素含有液体などの燃料成分の透過を抑制できること、およびメタノールなどの水素含有液体に対する膨潤を抑制でき、さらにメタノールなどの水素含有液体に対する耐久性を持たせることができることを見出し、本願発明を完成させるに至った。本発明は、かかる新規知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
【００１３】
すなわち本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、
当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法である：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【００１４】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、芳香族系化合物誘導体、またはメラミン誘導体であってもよい。
【００１５】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールであってもよい。
【００１６】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、一般式（２）で示される化合物であってもよい。
【００１７】
【化１】
【００１８】
（式中、Ｒ１〜Ｒ６はそれぞれ水素またはメチル基を表す。）。
【００１９】
上記本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法を用いることによって、後述のごとく、充分なプロトン伝導性を有しながら、低メタノール透過性を備え、かつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜を製造することが可能となる。
【００２０】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記導入工程の後に、含浸工程が行われる方法であってもよい。上記態様によれば、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入して高分子電解質膜をあらかじめ製造しておいた後に、上記化合物Ｘを高分子電解質膜に含浸させるために、所望の物性を有する高分子電解質膜をさらに簡便に得ることができる。また上記態様によれば、化合物Ｘが高分子電解質膜により含浸しやすくなるというメリットを享受できる。
【００２１】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記高分子フィルムは、芳香族単位を有する高分子化合物を含む高分子フィルムであることが好ましい。上記態様によれば、耐熱性および化学的安定性に優れた高分子電解質膜を製造することができるとともに、プロトン伝導性基の導入が容易であるという効果を享受できる。
【００２２】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
上記高分子フィルムが、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムであることが好ましい。
【００２３】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、
上記高分子電解質膜が、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜であることが好ましい。
上記態様は、芳香族単位を有する高分子化合物と、芳香族単位がない高分子化合物とを含む高分子フィルムを用いて高分子電解質膜を製造するものである。かかる態様によれば、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制した電解質膜が製造できるという効果を享受できる。
【００２４】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法においては、上記（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物が、下記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）から選択される１種のポリマー、またはこれらポリマーの混合物であってもよい：
（ｉ）ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも１種のポリマー；
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載のポリマーを含む共重合体；
（ｉｉｉ）上記（ｉ）および（ｉｉ）に記載のポリマーの誘導体。
上記態様によれば、得られる高分子フィルムおよび高分子電解質膜の加工性や機械的特性が優れるとともに、プロトン伝導性基の導入が容易であるという効果を享受できる。また適当なブロック共重合体、グラフト共重合体、酸変性品などを用いれば（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物との相溶性や分散状態を調節することも可能となる。
【００２５】
さらに本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法においては、上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物が、下記一般式（３）の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であってもよい：
−（ＣＸ１Ｘ２−ＣＸ３Ｘ４）− ・・・（３）
（式中、Ｘ１〜４は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃｌ、Ｆ、ＯＣＯＣＨ３、ＣＮ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＣＨ３、およびＯＣ４Ｈ９からなる群から選択されるいずれかであって、Ｘ１〜４は互いに独立で、同一であっても異なっていてもよい）。上記態様によれば、化学的安定性が高くかつメタノール遮断性に優れた高分子電解質膜が得られる。
【００２６】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法においては、上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、およびそれらの誘導体からなる群より選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であってもよい。上記態様によれば、化学的安定性が高くかつメタノール遮断性に優れた高分子電解質膜が得られるとともに、安価に当該高分子電解質膜を製造することができるという効果を享受できる。
【００２７】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記プロトン伝導性基が、スルホン酸基を含むものであることが好ましい。高分子電解質膜がプロトン伝導性基としてスルホン酸基を含むことによって、プロトン伝導性のさらに優れた高分子電解質膜が得られる。
【００２８】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、以下に示される（Ｉ）および／または（ＩＩ）の工程を含む方法であることが好ましい：
（Ｉ）上記含浸工程時に触媒を化合物Ｘと共存させる工程；
（ＩＩ）上記含浸工程後に触媒を、高分子フィルム、または高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜と接触させる工程。
【００２９】
上記態様によれば、化合物Ｘと高分子フィルムとの結合が促進されるために、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制し、メタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜をさらに効率的に製造することができる。
【００３０】
また本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法は、上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルム、若しくは上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜を加熱する工程を含む方法であることが好ましい。かかる態様によれば、化合物Ｘと高分子フィルムとの結合が促進されるために、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制し、メタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜をさらに効率的に製造することができる。
【００３１】
一方、本発明にかかる高分子電解質膜は、上記本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法によって製造された高分子電解質膜である。また、本発明にかかる高分子電解質膜は、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘが含まれていることを特徴とする高分子電解質膜であってもよい：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【００３２】
上記本発明にかかる高分子電解質膜は、メタノール透過性が小さく、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜であるため、燃料電池の材料として優れている。
【００３３】
また本発明にかかる膜−電極接合体は、上記本発明にかかる高分子電解質膜を用いてなるものである。本発明にかかる膜−電極接合体は、高いメタノール遮断性を有し、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制された高分子電解質膜を備えているため、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池用の膜−電極接合体として特に優れている。
【００３４】
また本発明にかかる燃料電池は、上記本発明にかかる高分子電解質膜を用いてなるものである。本発明にかかる燃料電池は、本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法により得られた高分子電解質膜を使用した燃料電池（固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等）である。よって、本発明にかかる燃料電池は、高いメタノール遮断性を有し、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜を備えているため、優れた性能を有する。特に本発明は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池への利用が特に好ましい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、上記化合物Ｘを高分子フィルム、または高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に浸漬させることによって、メタノール透過性をできるだけ小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤が抑制され、さらにメタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜を製造することが可能である。また、上記高分子フィルムとして（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムを用いることによって、上記好ましい物性に加え、さらに、加工性、機械的特性、および化学的安定性に優れた高分子電解質膜を製造することが可能となる。
【００３６】
それゆえ、本発明は燃料電池の分野において利用可能であり、特に固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等に好ましく利用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。
【００３８】
＜１．本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法＞
すなわち本発明にかかる高分子電解質膜の製造方法（以下「本発明の製造方法」という）は、
高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、
当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法である：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
すなわち本発明の製造方法は、「導入工程」および「含浸工程」を少なくとも含む方法である。以下、工程毎に説示する。また本発明の製造方法には、高分子フィルムを製造する「製膜工程」が含まれていてもよい。
【００３９】
（１−１）含浸工程
本発明の製造方法における含浸工程で用いられる「化合物Ｘ」は、上記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物である。上記化合物Ｘが上記一般式（１）で示される基を２つ以上含むことにより、当該化合物Ｘが複数の結合を持つことができ、
(a)化合物Ｘが高分子フィルム（または高分子電解質膜）と結合する、および
(b)化合物Ｘ同士が結合する
ことによって、化合物Ｘが架橋剤として機能し、本発明の効果の一つである高いメタノール遮断性を持った高分子電解質膜の製造方法が可能となる。なお化合物Ｘと、高分子フィルム、高分子電解質膜、または化合物Ｘとの「結合」は、最終的に製造される高分子電解質膜が本発明の目的とする物性を有するものである限りにおいては特に限定されるものではなく、例えば化学結合であっても、物理的な結合であってもよい。
【００４０】
なお化合物Ｘ同士の結合時、および化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）と結合時の反応性、並びに、結合した状態での耐熱性を考慮すると、化合物Ｘは芳香族系化合物誘導体か、もしくはメラミン誘導体であることが望ましい。また高分子フィルム（または高分子電解質膜）との反応性を考慮すると、一般式（１）で示される基中のＲは、水素、メチル基、またはアセチル基である事が望ましい。このような化合物としては、例えば、１，３−ビス（ヒドロキシメチル）−ベンゼン、１，４−ビス（ヒドロキシメチル）−ベンゼン、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−フェノール、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾール、オキシビス（３，４−ジヒドロキシメチル）ベンゼン、４，４’−メチレンビス［２，６−ジ（ヒドロキシメチル）］フェノール、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジン、日本サイテック製サイメル(登録商標)、ＤＭＬ-ＰＣ（本州化学工業株式会社製）、ＴＭＬ-ＢＰＡ-ＭＦ（本州化学工業株式会社製）、ＴＭＬ−ＢＰＡＦ−ＭＦ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＯＣ（本州化学工業株式会社製）、Ｄｉｍｅｔｈｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｐ−ＣＲ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＭＢＰＣ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＢＰＣ（本州化学工業株式会社製）、ＴＭＬ−ＢＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＥＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−３４Ｘ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＳＢＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＣＨＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＯＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＰＦＰ（本州化学工業株式会社製）、ＤＭＬ−ＭＢＯＣ（本州化学工業株式会社製）、２６ＤＭＰＣ（旭有機材工業株式会社製）、４６ＤＭＯＣ（旭有機材工業株式会社製）、ＤＭ−ＢＩＰＣ−Ｆ（旭有機材工業株式会社製）、ＤＭ−ＢＩＯＣ−Ｆ（旭有機材工業株式会社製）、ＴＭ−ＢＩＰ−Ａ（旭有機材工業株式会社製）、ニカラック（株式会社三和ケミカル）などがあり、他には〔参考文献１〕中のスキーム１に示される化合物で、化合物Ｘの条件を満たすもの、すなわち下記の構造式（４）〜（１６）で示される１３種類の化合物、および下記構造式（１７）〜（３２）で示される１６種類の化合物のほかに例示されるものがあるが、これらのみに限定されるものではない。
【００４１】
【化２】
【００４２】
【化３】
【００４３】
【化４】
【００４４】
また化合物の種類は１種類に限られるものではない。なお、上記化合物のうち、入手のし易さ、反応のし易さ、および所望の効果などを考慮すると、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールまたは２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンが好ましい。
〔参考文献１〕Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ １９９４、２７、５１５４−５１５９。
【００４５】
本含浸工程において、化合物Ｘは、既にフィルム状に成形された高分子フィルムまたは高分子電解質膜に含浸させて用いることが好ましい。この形態で化合物Ｘを含浸させることによって、本含浸工程の操作が簡便となり、また最終的に製造される高分子電解質膜の設計が容易になる。化合物Ｘを含浸させる際には、化合物Ｘが液体の状態であればそのままでもよく、あるいは適当な溶媒で希釈しても良い。また化合物Ｘが固体の場合は、適当な溶媒に溶解させて用いるのが好ましい。いずれの場合も、適当な溶媒で希釈して溶液中の化合物Ｘの濃度を制御することによって、化合物Ｘの高分子フィルムまたは高分子電解質膜への反応を制御することができる。溶媒としては、化合物Ｘの高分子フィルムまたは高分子電解質への反応を阻害するものではなく、高分子フィルムまたは高分子電解質を劣化させないものが好ましい。また溶媒は、化合物Ｘを高分子フィルム（または高分子電解質膜）に含浸させるため、高分子フィルムまたは高分子電解質を膨潤させやすいものが好ましい。このような溶媒の例としては、例えば、水、メタノール、エタノールなどのアルコール類、およびアセトンなどの極性溶媒、等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また溶媒は２種類以上の溶媒を適宜混合して用いても良い。
【００４６】
化合物Ｘを高分子フィルム中に効率よく含浸および結合させるためには、
（Ｉ）上記含浸工程時に、上記化合物Ｘと、高分子フィルムまたは高分子電解質膜との結合を促進する触媒を、化合物Ｘと共存させる工程；および
（ＩＩ）上記含浸工程後に、上記化合物Ｘと、高分子フィルムまたは高分子電解質膜との結合を促進する触媒を、高分子フィルムと接触させる工程
が本発明の製造方法に含まれていることが好ましい。また本発明の製造方法は、上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルム（または高分子電解質膜）を加熱する工程を含むことが好ましい。上記態様によれば、化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合が促進されるために、メタノール透過性を小さくし、なおかつメタノールなどの水素含有液体などに対する膨潤を抑制し、メタノールなどの水素含有液体などに対する耐久性を持った高分子電解質膜をさらに効率的に製造することができる。
【００４７】
ここで上記触媒は、化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合を促進する物質であれば特に限定されるものではないが、特に酸が好ましい。上記酸の種類としては、たとえばメタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸などのスルホン酸類；酢酸や安息香酸などのカルボン酸のごとき有機酸類；または一般的な無機酸を利用することができる。また、導入工程時に酸を用いる場合においては、導入工程に用いられる酸を上記触媒として利用することができる。よって、導入工程後に含浸工程を行なうことが好ましいといえる。
【００４８】
また化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合を促進するために行なう加熱条件は、反応を適切に進めるための条件を適宜設定すればよい。特に高分子フィルム（または高分子電解質膜）の熱的安定性や化合物Ｘと高分子フィルム（または高分子電解質膜）との結合の速度等を考慮して、上記加熱条件は設定され得る。
【００４９】
本発明の製造方法において、高分子フィルム（または高分子電解質膜）に含浸させる化合物Ｘの量は、化合物Ｘおよび高分子フィルム（または高分子電解質膜）の種類によって異なるために限定されるものではなく、適宜好適な条件を設定すればよい。
【００５０】
本発明で用いられる高分子フィルムは、高分子電解質膜の材料となるフィルムである。この高分子フィルムは、化合物Ｘが含浸し得るものであれば特に限定されるものではない。ただし、上記高分子フィルムは、燃料電池用高分子電解質膜の材料として好ましい特性を有するものであることが好ましい。上記好ましい特性としては、例えば、燃料電池として用いられる際の温度に対して安定であること、燃料である水素やメタノールなどに対して化学的に安定であること、等が挙げられる。上記高分子フィルムとしては、ポリオレフィン系フィルム、フッ素系フィルム、芳香族系フィルムなどが挙げられる。
【００５１】
また、優れたプロトン伝導性および高いメタノール遮断性を実現するために、異なる材料を組み合わせて製造される高分子フィルムを、本発明の製造方法に用いることがより好ましい。具体的には、芳香族単位を有する高分子化合物と、芳香族単位がない高分子化合物とを含む高分子フィルムを、本発明の製造方法に用いることが好ましい。高分子フィルムにおいて、芳香族単位を有する部分にはスルホン酸基などのプロトン伝導性基が導入されるが、芳香族単位がない部分にはスルホン酸基などのプロトン伝導性基が導入されることがない。従って、上記高分子フィルムから得られる高分子電解質膜は、スルホン酸基などの親水性のプロトン伝導性基が導入されているにも関わらず、水やメタノール水溶液に対して膨潤しにくい構成となり、高いメタノール遮断性を有する高分子電解質膜を得ることができる。
【００５２】
ここで本発明の製造方法において使用する芳香族単位を有する高分子化合物とは、文字通り、当業者にとって従来公知の芳香族単位を有する高分子化合物であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。芳香族単位を有する高分子化合物しては、例えば、ポリアリールエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエーテルスルホン、スチレン−（エチレン−ブチレン）スチレン共重合体、スチレン−（ポリイソブチレン）−スチレン共重合体、ポリ１，４−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、シアン酸エステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体、ポリエチレン−ポリスチレンブロック共重合体、ポリプロピレン−ポリスチレングラフト共重合体、（エチレン−グリシジルメタクリレート）−ポリスチレングラフト共重合体、（エチレン−エチルアクリレート）−ポリスチレングラフト共重合体、ポリプロピレン−（アクリロニトリル−スチレン）グラフト共重合体、ポリカーボネート−ポリスチレングラフト共重合体、ポリカーボネート−（アクリロニトリル−スチレン）グラフト共重合体、酢酸ビニル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、アクリル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、モディパーシリーズ（日本油脂株式会社製、登録商標）、エポフレンドシリーズ（ダイセル化学株式会社製）などが例示される。特に、化学的安定性および熱的安定性や、プロトン伝導性置換基の導入のし易さ、得られるプロトン伝導性高分子電解質のプロトン伝導性、さらに得られプロトン伝導性高分子電解質膜のメタノール遮断性、などを考慮すると、上記（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物は、下記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）から選択される１種のポリマー、又はこれらポリマーの混合物であることが好ましい。
（ｉ）ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも１種のポリマー；
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載のポリマーを含む共重合体；
（ｉｉｉ）上記（ｉ），（ｉｉ）に記載のポリマーの誘導体。
【００５３】
一方、本発明の製造方法に使用可能な芳香族単位がない高分子化合物（芳香族単位を有しない高分子化合物）とは、文字通り構造中に芳香族単位を一切有しない化合物のことを意味する。高分子化合物中に芳香族単位が含まれているか否かは、ＮＭＲ等の公知の方法により容易に確認することができるために、「芳香族単位がない高分子化合物」および「芳香族単位を有する高分子化合物」を当業者は容易に理解し得る。かかる芳香族単位がない高分子化合物としては、例えば、エチレン；プロピレン；１−ブテン；１−ペンテン；１−ヘキセン；３−メチル−１−ブテン；４−メチル−１−ペンテン；５−メチル−１−ヘプテンなどのα−オレフィンの単独重合体またはこれらの共重合体などを含むポリオレフィン樹脂、ノルボルネン系樹脂などの環状ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル；塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体；塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体；塩化ビニル−オレフィン共重合体などを含む塩化ビニル系樹脂、ナイロン６；ナイロン６６などを含むポリアミド樹脂、および、ポリテトラフルオロエチレン；テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体；テトラフルオロエチレン−エキサフルオロプロピレン共重合体；テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体；ポリクロロトリフルオロエチレン；ポリビニリデンフルオライド；ポリビニルフルオライドなどのフッ素系樹脂などが例示される。
【００５４】
上記芳香族単位がない高分子化合物は、他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や得られる高分子フィルムのハンドリング性、さらにはそれから得られる高分子電解質膜のメタノール遮断性、化学的安定性、および熱的安定性などを考慮すると、下記一般式（３）の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であることが特に好ましい。
【００５５】
−（ＣＸ１Ｘ２−ＣＸ３Ｘ４）− ・・・（３）
（式中、Ｘ１〜４は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃｌ、Ｆ、ＯＣＯＣＨ３、ＣＮ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＣＨ３、及びＯＣ４Ｈ９、からなる群から選択されるいずれかであって、Ｘ１〜４は互いに同一であっても異なっていてもよい）
さらに、工業的入手の容易さや、得られる高分子フィルムの機械的特性やハンドリング性、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的安定性などを考慮すると、上記芳香族単位がない高分子化合物は、ポリエチレンおよび／またはポリプロピレンを含むことが好ましい。また高分子フィルムの製造に通常用いられる、各種添加剤、例えば相溶性向上のための相溶化剤、樹脂劣化防止のための酸化防止剤、フィルムとしての成型加工における取り扱いを向上するための帯電防止剤や滑剤などは、高分子電解質膜への加工性や性能に影響を及さない限りにおいて、適宜用いられ得る。特に異なる材料を組み合わせて高分子樹脂フィルムを製造する場合には、互いの相溶性を上げるために相溶化剤を用いることが好ましい。
【００５６】
（１−２）製膜工程
本発明の製造方法における製膜工程は、高分子フィルムを製造する工程である。かかる製膜工程は、高分子フィルムの製造方法として公知の方法が適宜使用され得る。上記放置の方法としては、例えば、インフレーション法、Ｔダイ法などの溶融押出成形、カレンダー法、キャスト法、切削法、エマルション法、ホットプレス法、などが例示され得る。さらに、本発明の製造方法においては、高分子フィルムの分子配向などを制御するために、得られた高分子フィルムに対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。また、高分子フィルムの機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子フィルムとをプレスにより複合化させたりすることも、本発明の範疇である。
【００５７】
また、本工程においては、高分子フィルムの製造に通常用いられる各種添加剤を用いることもできる。
【００５８】
上記方法の中でも生産性や得られる高分子フィルムの機械的特性、フィルムの厚み制御のし易さ、種々の樹脂への適用性、環境への負荷などを考慮すると、溶融押出成形で高分子フィルムを製造することが好ましい。具体的には、高分子フィルムの材料を、Ｔダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながらフィルム化を行なう方法が適用され得る。さらに、芳香族単位を有しない高分子化合物のペレットやパウダーを所定の配合比で予め混合し、同様に溶融混練しながらフィルム化を行う方法が適用できる。このとき、使用する押出機が二軸押出機であれば、これらの成分を溶融して均一に分散させた高分子フィルムを得ることができる。また、予め所定の配合比になるように二軸押出機で溶融混練したペレットを使用してフィルム化を実施しても構わないし、マスターバッチ化したペレットを使用して、所定の配合比になるように溶融混練しながらフィルム化しても構わない。また、組み合わせる成分の分散性に問題がない場合には、Ｔダイをセットした単軸押出機でフィルム化を実施しても構わない。
【００５９】
製造される高分子フィルムの厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、高分子フィルムから得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のメタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子フィルムの厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子フィルムの厚みは、１．２μｍ以上３５０μｍ以下であることが好ましい。上記高分子フィルムの厚さが上記数値の範囲内であれば、フィルム化が容易であり、かつプロトン伝導性基を導入する際の加工時や乾燥時にもシワが発生しにくい。また、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。
【００６０】
（１−３）導入工程
本発明の製造方法における導入工程は、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する工程である。換言すれば、導入工程は、高分子フィルムとプロトン伝導性基導入剤とを接触させる工程である。または、本工程は高分子フィルムに対して、いわゆる高分子電解質膜としての機能を発現させる工程であるともいえる。かかる導入工程は、含浸工程の前に行われても、後に行われてもかまわない。また含浸工程と同時に導入工程が行なわれてもよい。ただし、化合物Ｘの含浸し易さを考慮すると、あらかじめプロトン伝導性基を高分子フィルムへ導入しておくのが好ましい。よって、かかる導入工程は、含浸工程の前に行なわれることが好ましいといえる。
【００６１】
上記導入工程としては、公知のプロトン伝導性基の導入方法を使用できる。特に、高分子フィルムを有機溶媒存在下でプロトン伝導性基導入剤と接触させる方法は、優れたプロトン伝導性及び高いメタノール遮断性を両立する高分子電解質膜が簡便かつ高い生産性で得られるため好ましい。
【００６２】
ここで上記プロトン伝導性基としては、含水状態でプロトンを解離するものであれば使用可能である。例えば、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フェノール性水酸基などが例示できるが、これらのみに限定されるものではない。特にプロトン伝導性基の導入のし易さや得られる高分子電解質のプロトン伝導性などを考慮すると、スルホン酸基であることが好ましい。上記プロトン伝導性基の含有量に由来する高分子電解質のイオン交換容量は、好ましくは０．３ミリ当量／ｇ以上であり、より好ましくは０．５ミリ当量／ｇ以上である。上記イオン交換容量が０．３ミリ当量／ｇ以上であれば、高分子電解質膜が好ましいプロトン伝導性を発現し易くなる。
【００６３】
プロトン伝導性基の導入に用いられるプロトン伝導性基導入剤としては、スルホン化剤が好ましく利用され得る。有機溶媒存在下で高分子フィルムとプロトン伝導性基導入剤（好ましくはスルホン化剤）とを接触させることで、プロトン伝導性基導入剤（好ましくはスルホン化剤）が高分子フィルムと直接接触し劣化するのを抑制しつつ、所望量のスルホン酸基を導入することが可能となる。
【００６４】
本発明で使用可能なスルホン化剤としては、例えば、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄−トリエチルフォスフェート、濃硫酸、トリメチルシリルクロロサルフェート等の公知のスルホン化剤を用いることが好ましい。工業的入手の容易さやスルホン酸基の導入の容易さや得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、クロロスルホン酸単体又はクロロスルホン酸を含む混合物を用いることが好ましい。つまり、本発明では、上記スルホン化剤は、クロロスルホン酸であることが好ましい。スルホン化剤がクロロスルホン酸であると、プロトン伝導性基であるスルホン酸基が導入しやすく、高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を得やすくなるためである。
【００６５】
上記工程に利用可能な有機溶媒は、スルホン化剤を分解することなく、芳香族単位へのスルホン酸基導入を阻害せずに、フィルム中の熱可塑性高分子や酸化防止剤の分解などの劣化を引き起こさないようなものであれば使用可能であり、特に限定されるものではない。このように有機溶媒を使用することによって、高分子フィルムが膨潤しやすくなり、フィルム内部までスルホン化剤を拡散させることができる。また、スルホン化剤と高分子フィルムとが直接接触し、過度の反応が生じてフィルムが劣化するのを抑制することができる。
【００６６】
本発明においては、スルホン酸基の導入のしやすさや得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、特に、上記有機溶媒はハロゲン化炭化水素であることが好ましい。ハロゲン化炭化水素としては、例えば、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、クロロフォルム、１−クロロプロパン、１−クロロブタン、２−クロロブタン、１，４−ジクロロブタン、１−クロロ−２−メチルプロパン、１−クロロペンタン、１−クロロヘキサン、クロロシクロヘキサンなどを挙げることができる。特に、工業的入手の容易さやスルホン酸基の導入のしやすさ、得られる電解質膜の特性を考慮すると、ハロゲン化炭化水素は、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン及び１−クロロブタンからなる群から選択される少なくとも１種を含む有機溶媒であることが好ましい。すなわち、本発明では、上記有機溶媒が、ジクロロメタン又は１−クロロブタンを含むものであることが好ましい。有機溶媒が、ジクロロメタン又は１−クロロブタンであると、これらは工業的入手が容易であるとともに、プロトン伝導性基が導入しやすく、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性及びメタノール遮断性が両立できる。
【００６７】
スルホン化剤の使用量としては、高分子フィルムに対して、０．１倍量以上１００倍量以下（重量比）、さらには０．５重量以上５０倍量以下（重量比）であるのが好ましい。スルホン化剤の使用量が、上記の好ましい数値範囲内であれば、スルホン酸基の導入量が好適な範囲となり、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性などの特性が充分担保できる。また、高分子フィルムが化学的に劣化することを防止でき、得られる高分子電解質膜の機械的強度の低下も防げる。このため、ハンドリングが容易である。加えて、スルホン酸基を好適な範囲で導入でき、メタノール遮断性を維持しつつ、水溶性やメタノール水溶液に可溶になるなど、高分子電解質膜の実用的な特性の低下を防止できる。
【００６８】
また、有機溶媒中のスルホン化剤の濃度は、スルホン酸基の目標とする導入量や反応条件（温度や時間等）を勘案して適宜設定すればよい。具体的には、０．０５重量％以上２０重量％以下であることが好ましく、より好ましい範囲は、０．２重量％以上１０重量％以下である。０．０５重量％〜２０重量％の範囲内であれば、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位とが接触しやすく、所望のスルホン酸基量を導入でき、また導入する時間も短時間でよい。また、スルホン酸基の導入も均一となり、得られた高分子電解質膜の機械的特性も十分担保できる。
【００６９】
また、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応温度については特に限定されるものではないが、０℃以上１００℃以下が好ましく、１０℃以上３０℃以下がさらに好ましい。反応温度が、０℃以上であれば、設備上冷却等の措置が必要でなく、反応に必要以上の時間がかかることを防止できる。また１００℃以下であれば、反応を適切に調節することができ、副反応の発生を防止でき、膜の特性を低下させる問題を回避できる。さらに、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応温度は、使用する有機溶媒の沸点以下であることが、耐圧容器を用いる必要がないため好ましいといえる。
また、高分子フィルムとスルホン化剤とを接触させる際の反応時間については特に限定されるものではないが、その下限としては０．５時間以上が好ましく、２時間以上がさらに好ましい。一方、反応時間の上限としては１００時間以下であること好ましい。反応時間が、０．５時間以上である場合は、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位との接触が充分であり、所望量のスルホン酸基を導入することができる。また、反応時間が１００時間以下であれば、生産性を損なうことなく、高分子電解質膜の特性向上を図ることができる。なお実際には、使用するスルホン化剤や有機溶媒などの反応雰囲気、目標とする生産量などを考慮して、所望の特性を有する高分子電解質膜を効率的に製造することができ反応条件を適宜設定すればよい。
【００７０】
なお本発明の製造方法で製造された高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらにメタノール遮断性が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層の接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。
【００７１】
＜２．本発明にかかる高分子電解質膜の利用＞
本発明にかかる高分子電解質膜は、様々な産業上の利用が考えられ、その利用（用途）については、特に制限されるものではないが、例えば、上記高分子電解質膜を用いてなる膜−電極接合体を挙げることができる。かかる膜−電極接合体は、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池に用いることができる。
【００７２】
すなわち、本発明には、上記高分子電解質膜を用いてなる燃料電池が含まれていてもよい。
【００７３】
上記膜−電極接合体や燃料電池によれば、上述したような優れたプロトン伝導性および高いメタノール遮断性を両立する高分子電解質膜を備えているため、高い発電特性と長期耐久性を有する。
【００７４】
次に、本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明するが、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても、固体高分子形燃料電池と同様に実施可能である。
【００７５】
図１は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池１０は、高分子電解質膜１、触媒層２・２、拡散層３・３、セパレーター４・４を備えている。
【００７６】
高分子電解質膜１は、固体高分子形燃料電池１０のセルの略中心部に位置している。触媒層２は、高分子電解質膜１に接触するように設けられている。拡散層３は、触媒層２に隣接して設けられており、さらにその外側にセパレーター４が配置されている。セパレーター４には、燃料ガスまたは液体（メタノール水溶液など）、並びに、酸化剤を送り込むための流路５が形成されている。これらの部材は、固体高分子形燃料電池１０のセルとして構成されていると換言できる。
【００７７】
一般的に、高分子電解質膜１に触媒層２を接合したものや、高分子電解質膜１に触媒層２と拡散層３を接合したものは、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）といわれ、固体高分子形燃料電池（直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池）の基本部材として使用される。
【００７８】
ＭＥＡを作製する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜（例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど）で行われる公知の方法が適用可能である。
【００７９】
ＭＥＡの具体的作製方法の一例を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００８０】
触媒層２の形成は、高分子電解質の溶液あるいは分散液に、金属担持触媒を分散させて、触媒層形成用の分散溶液を調合する。この分散溶液をポリテトラフルオロエチレンなどの離型フィルム上にスプレーで塗布して分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、離型フィルム上に所定の触媒層２を形成させる。この離型フィルム上に形成した触媒層２を高分子電解質膜１の両面に配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスし、高分子電解質膜１と触媒層２を接合し、離型フィルムをはがすことによって、高分子電解質膜１の両面に触媒層２が形成されたＭＥＡが作製できる。
【００８１】
また、上記分散溶液を、コーターなどを用いて拡散層３上に塗工して、分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、拡散層３上に触媒層２が形成された触媒担持ガス拡散電極を作製し、高分子電解質膜１の両側にその触媒担持ガス拡散電極の触媒層２側を配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスすることによって、高分子電解質膜１の両面に触媒層２と拡散層３とが形成されたＭＥＡが製造できる。なお、上記触媒担持ガス拡散電極には、市販のガス拡散電極（米国Ｅ−ＴＥＫ社製、など）を使用しても構わない。
【００８２】
上記高分子電解質の溶液としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子化合物のアルコール溶液（アルドリッチ社製ナフィオン（登録商標）溶液など）やスルホン化された芳香族高分子化合物（例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど）の有機溶媒溶液などが使用できる。上記金属担持触媒としては、高比表面積の導電性粒子が担体として使用可能であり、例えば、活性炭、カーボンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料が例示できる。
【００８３】
金属触媒としては、燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進するものであれば使用可能であり、燃料極と酸化剤極で同じであっても異なっていても構わない。例えば、白金、ルテニウムなどの貴金属あるいはそれらの合金などが例示でき、それらの触媒活性の促進や、反応副生物による被毒を抑制するための助触媒を添加しても構わない。
【００８４】
上記触媒層形成用の分散溶液は、スプレーで塗布したり、コーターで塗工したりしやすい粘度に調整するため、水や有機溶媒で適宜希釈しても構わない。また、必要に応じて触媒層２に撥水性を付与するため、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物を混合してもよい。
【００８５】
上記拡散層３としては、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔質の導電性材料が使用可能である。これらは燃料や酸化剤の拡散性や反応副生物や未反応物質の排出性を促進するため、テトラフルオロエチレンなどで被覆して撥水性を付与したものを使用するのが好ましい。また、高分子電解質膜１と触媒層２との間に必要に応じて前述したような高分子電解質からなる接着層を設けてもよい。
【００８６】
高分子電解質膜１と触媒層２を加熱・加圧条件下でホットプレスする条件は、使用する高分子電解質膜１や触媒層２に含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。上記条件としては、一般的に高分子電解質膜１や触媒層２に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜１あるいは触媒層２に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜１および触媒層２に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下であることが好ましい。
【００８７】
加圧条件としては、概ね０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の範囲であることが、高分子電解質膜１と触媒層２が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。特にＭＥＡが高分子電解質膜１と触媒層２とからのみ形成される場合は、拡散層３を触媒層２の外側に配置して特に接合することなく接触させるのみで使用しても構わない。
【００８８】
上記のような方法で得られたＭＥＡを、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路５が形成された一対のセパレーター４などの間に挿入することにより、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池１０が得られる。
【００８９】
上記セパレーター４としてはカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。
【００９０】
上記の固体高分子形燃料電池１０に対して、燃料ガスまたは液体として、水素を主たる成分とするガスや、メタノールを主たる成分とするガスまたは液体を、酸化剤として、酸素を含むガス（酸素あるいは空気）を、それぞれ別個の流路５より、拡散層３を経由して触媒層２に供給することにより、固体高分子形燃料電池は発電する。このとき燃料として、例えば、含水素液体を使用する場合には直接液体形燃料電池となるし、メタノールを使用する場合には直接メタノール形燃料電池となる。つまり、固体高分子形燃料電池１０について例示した上記実施形態は、そのまま直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても適用可能といえる。
【００９１】
なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池１０を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。
【００９２】
次いで、本発明の高分子電解質膜を使用した直接メタノール形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。
【００９３】
図２は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる直接メタノール形燃料電池２０は、ＭＥＡ１６、燃料タンク１７、支持体１９を備えている。燃料タンク１７は、燃料（メタノールあるいはメタノール水溶液）充填部（供給部）１８を備えており、支持体１９には酸化剤流路１５が形成されている。
【００９４】
上述した方法で得られたＭＥＡ１６が、燃料充填部１８を有する燃料タンク１７の両側に必要数が平面状に配置されている。さらにその外側には、酸化剤流路１５が形成された支持体１９が配置されている。つまり、２つの支持体１９・１９に狭持されることによって、直接メタノール形燃料電池２０のセル、スタックが構成される。
【００９５】
なお、上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質膜は、特開２００１−３１３０４６号公報、特開２００１−３１３０４７号公報、特開２００１−９３５５１号公報、特開２００１−９３５５８号公報、特開２００１−９３５６１号公報、特開２００１−１０２０６９号公報、特開２００１−１０２０７０号公報、特開２００１−２８３８８８号公報、特開２０００−２６８８３５号公報、特開２０００−２６８８３６号公報、特開２００１−２８３８９２号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として、使用可能である。これらの公知文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質膜を用いて容易に固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池を構成することができる。
【００９６】
以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００９７】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。
【００９８】
（実施例１）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド（大日本インキ化学工業株式会社製、ＬＤ１０ｐ１１）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【００９９】
ポリフェニレンサルファイドのペレット３０重量部、高密度ポリエチレンのペレット７０重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを７０重量％含有する）。
【０１００】
ガラス容器に、ジクロロメタン９０５ｇ、クロロスルホン酸９．０ｇを秤量し、１重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを２．１ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して４．３倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１０１】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性基としてスルホン酸基が導入された高分子電解質膜を得た。
【０１０２】
２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールをメタノールに１０重量％溶解した。この溶液に、先に得た高分子電解質膜を６０℃にて浸漬した。２４時間後、浸漬より取り出し、高分子電解質膜の表面の溶液をふき取った。この高分子電解質膜を真空乾燥機内で８０℃、３時間処理した。
【０１０３】
＜イオン交換容量の測定方法＞
高分子電解質膜（約１０ｍｍ×４０ｍｍ）を２５℃での塩化ナトリウム飽和水溶液２０ｍＬに浸漬し、ウォーターバス中で６０℃、３時間イオン交換反応させた。その後２５℃まで冷却し、次いで高分子電解質膜をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、０．０１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、イオン交換容量を算出した。その結果を表１に示す。
【０１０４】
＜プロトン伝導度の測定方法＞
イオン交換水中に保管した高分子電解質膜（約１０ｍｍ×４０ｍｍ）を取り出し、高分子電解質膜表面の水をろ紙で拭き取った。２極非密閉系のポリテトラフルオロエチレン製のセルに高分子電解質膜を設置し、さらに白金電極を電極間距離３０ｍｍとなるように、膜表面（同一側）に設置した。２３℃での膜抵抗を、交流インピーダンス法（周波数：４２Ｈｚ〜５ＭＨｚ、印可電圧：０．２Ｖ、日置電機製ＬＣＲメーター ３５３１Ｚ ＨＩＴＥＳＴＥＲ）により測定し、プロトン伝導度を算出した。その結果を表１に示す。
【０１０５】
＜メタノール遮断性の測定方法＞
２５℃の環境下で、ビードレックス社製膜透過実験装置（ＫＨ-５ＰＳ）を使用して、高分子電解質膜でイオン交換水と６４重量％のメタノール水溶液とを隔離した。所定時間（２時間）経過後にイオン交換水側に透過したメタノールを含む溶液を採取し、ガスクロマトグラフ（株式会社島津製作所製ガスクロマトグラフィーＧＣ−２０１）で透過したメタノール量を定量した。この定量結果から、メタノール透過速度を求め、メタノール透過係数を算出した。メタノール透過係数は、以下の数式１にしたがって算出した。その結果を表１に示す。
〔数式１〕
メタノール透過係数（μmol／（cm・日））
＝メタノール透過量（μmol）×膜厚（cm）／（膜面積（cm2）×透過時間（日））
＜膨潤性の評価方法＞
上記方法で得られた電解質膜を６４重量％メタノール水溶液に浸漬し、６０℃のオーブン中に静置した。１０００時間経過後、電解質膜を回収し、目視にて浸漬前との状態を比較した。膨潤のある場合は面積を測定し、その比を算出した。その結果を表２に示す。
【０１０６】
＜メタノール耐久性の評価方法＞
１００ｃｃの耐圧容器に、上記方法で得られた電解質膜を約１平方ｃｍ四方の大きさに切り取り、６４重量％メタノール水溶液約１００ｃｃと一緒に投入した。そして耐圧容器のふたをしっかり取り付け、１００℃の通風オーブンにて１２０時間保管した。その後耐圧容器をオーブンより取り出し、室温まで冷却した後、内容物のうち電解質膜を取り出し、目視とピンセットによるハンドリングで以下のようにランク付けした。結果を表２に示す。
【０１０７】
Ａ：大きな膨潤がなく、ピンセットでつまんで持ち上げても形状をしっかり維持している。
【０１０８】
Ｂ：大きな膨潤はないが、自己支持性が低下しておりピンセットでつまむと破れたり、破壊したりする。
【０１０９】
Ｃ：試験前と比較し、面積が２倍以上と大きく膨潤している。
【０１１０】
（実施例２）
＜高分子電解質膜の調製＞
実施例１における２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールの代わりに、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンを用いた以外は実施例１と同様にサンプルを作製した。
【０１１１】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表２に示す。
【０１１２】
また、この高分子電解質膜のＴＥＭ像（透過型電子顕微鏡像）を図３（ａ）に示し、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンに由来する窒素をＥＤＸ（株式会社島津製作所製 エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）にてマッピングした像を図３（ｂ）に示す。
【０１１３】
（実施例３）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子共重合体としてポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体（日本油脂株式会社製、モディパー（登録商標）Ａ１１００）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【０１１４】
ポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体のペレット３５重量部、高密度ポリエチレンのペレット６５重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２６５℃、Ｔダイ温度２６５℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを６５重量％含有する）。
【０１１５】
ガラス容器に、１−クロロブタン１４９ｇ、クロロスルホン酸０．７５ｇを秤量し、０．５重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを０．３５ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して２．１倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１１６】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、高分子電解質膜を得た。
【０１１７】
次に実施例１と同様の方法で、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールを用いてサンプルを作製した。
【０１１８】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１および２に示す。
【０１１９】
（実施例４）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド（大日本インキ化学工業株式会社製、ＬＤ１０ｐ１１）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【０１２０】
ポリフェニレンサルファイドのペレット５０重量部、高密度ポリエチレンのペレット５０重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを５０重量％含有する）。
【０１２１】
ガラス容器に、ジクロロメタン１２９５．０ｇ、クロロスルホン酸９．７ｇを秤量し、０．７重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを３．０ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して３．２倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１２２】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性基としてスルホン酸基が導入された高分子電解質膜を得た。
【０１２３】
２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールをメタノールに５０重量％溶解した。この溶液に、先に得た高分子電解質膜を６０℃にて浸漬した。２４時間後、浸漬より取り出し、高分子電解質膜の表面の溶液をふき取った。この高分子電解質膜を真空乾燥機内で１００℃、３時間処理した。
【０１２４】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１および２に示す。
【０１２５】
（実施例５）
＜高分子電解質膜の調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド（大日本インキ化学工業株式会社製、ＬＤ１０ｐ１１）、芳香族単位がない高分子化合物として高密度ポリエチレン（三井化学株式会社製、ＨＩ−ＺＥＸ ３３００Ｆ）を使用した。
【０１２６】
ポリフェニレンサルファイドのペレット６５重量部、高密度ポリエチレンのペレット３５重量部とをドライブレンドした。ドライブレンドしたペレット混合物を、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、Ｔダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た（高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを３５重量％含有する）。
【０１２７】
ガラス容器に、ジクロロメタン９１１ｇ、クロロスルホン酸６．８ｇを秤量し、０．７４重量％のクロロスルホン酸溶液を調製した。前記高分子フィルムを２．１ｇ秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、２５℃で２０時間、放置した（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して３．２倍量）。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
【０１２８】
洗浄後の高分子フィルムを２３℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度９８％、８０％、６０％および５０％の湿度調節下で、それぞれ３０分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性基としてスルホン酸基が導入された高分子電解質膜を得た。
【０１２９】
ＤＭＬ−ＰＣ（本州化学工業株式会社製）をメタノールに３０重量％溶解した。この溶液に、先に得た高分子電解質膜を６０℃にて浸漬した。２４時間後、浸漬より取り出し、高分子電解質膜の表面の溶液をふき取った。この高分子電解質膜を真空乾燥機内で１２０℃、３時間処理した。
【０１３０】
評価方法も実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１および２に示す。
【０１３１】
（比較例１）
＜高分子フィルムの調製＞
芳香族単位を有する高分子化合物として、ポリフェニレンサルファイド（大日本インキ工業株式会社製、ＤＩＣ−ＰＰＳ ＬＤ１０ｐ１１）を使用した。
【０１３２】
前記ポリフェニレンサルファイドのペレットを、スクリュー温度２９０℃、Ｔダイ温度２９０℃の条件で、２軸混練押出し機にＴダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た。
【０１３３】
＜高分子電解質膜の調製＞
上記方法で得られた高分子フィルムを使用した。１−クロロブタン７０．９ｇ、クロロスルホン酸１．１ｇを秤量し、１．５重量％のクロロスルホン酸溶液を調製し、高分子フィルムを０．１６ｇとした以外は、実施例１と同様にして高分子電解質膜を得た（クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムに対して６．９倍量）。その結果を表１および２に示す。
【０１３４】
（比較例２）
デュポン社製ナフィオン（登録商標）１１５を高分子電解質膜とした。その結果を表１および２に示す。
【０１３５】
（比較例３）
実施例１で得た高分子電解質膜を、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールによる処理を行わずにそのまま用いた。その結果を表１および２に示す。
【０１３６】
【表１】
【０１３７】
【表２】
【０１３８】
表１の実施例１、３、４と比較例２との比較から、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜である比較例２と同オーダーのプロトン伝導度を有することから、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として有用であることが示された。
【０１３９】
表１、２の実施例１〜４と比較例１〜３との比較から、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、小さいメタノール透過係数を持ち、なおかつメタノール水溶液に対する膨潤が少なく、さらにメタノールに対する耐久性をあわせもつことが明らかとなり、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池用の高分子電解質膜として有用であることが示された。
【０１４０】
表１、２の実施例５と比較例１〜３との比較から、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、比較例のプロトン伝導度を大きく上回るプロトン伝導度を持ちながらも、比較的小さいメタノール透過係数を持ち、なおかつメタノール水溶液に対する膨潤が少なく、さらにメタノールに対する耐久性をあわせ持つことが明らかとなり、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池用の高分子電解質膜として有用であることが示された。
【０１４１】
図３より、高分子電解質膜中に分散する電解質成分（ポリフェニレンサルファイド）中に、窒素が偏在していることがわかる。これより、２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンは電解質成分中に偏在していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明にかかる高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、直接液体型燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池をはじめとして、様々な産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】図１は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は実施例２における電解質膜のＴＥＭ像であり、（ｂ）は２，４，６−トリス［ビス（メトキシメチル）アミノ］−１，３，５−トリアジンに由来する窒素をＥＤＸにてマッピングした像である。
【符号の説明】
【０１４４】
１ 高分子電解質膜
２ 触媒層
３ 拡散層
４ セパレーター
５ 流路
１０ 固体高分子形燃料電池
１５ 酸化剤流路
１６ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１７ 燃料タンク
１８ 燃料充填部
１９ 支持体
２０ 直接メタノール形燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、
当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【請求項２】
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、芳香族系化合物誘導体、またはメラミン誘導体であることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項３】
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールであることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項４】
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、一般式（２）で示される化合物であることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質膜の製造方法：
【化１】
（式中、Ｒ１〜Ｒ６はそれぞれ水素またはメチル基を表す。）。
【請求項５】
上記導入工程の後に、含浸工程が行われる、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項６】
上記高分子フィルムは、芳香族単位を有する高分子化合物を含む高分子フィルムである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項７】
上記高分子フィルムは、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項８】
上記高分子電解質膜は、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項９】
上記（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物は、下記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）から選択される１種のポリマー、またはこれらポリマーの混合物であることを特徴とする請求項７に記載の高分子電解質膜の製造方法：
（ｉ）ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも１種のポリマー；
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載のポリマーを含む共重合体；
（ｉｉｉ）上記（ｉ）および（ｉｉ）に記載のポリマーの誘導体。
【請求項１０】
上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物は、下記一般式（３）の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法：
−（ＣＸ１Ｘ２−ＣＸ３Ｘ４）− ・・・（３）
（式中、Ｘ１〜４は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃｌ、Ｆ、ＯＣＯＣＨ３、ＣＮ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＣＨ３、およびＯＣ４Ｈ９からなる群から選択されるいずれかであって、Ｘ１〜４は互いに独立で、同一であっても異なっていてもよい。）。
【請求項１１】
上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、およびそれらの誘導体からなる群より選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１２】
上記プロトン伝導性基が、スルホン酸基を含むことを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１３】
以下に示される（Ｉ）および／または（ＩＩ）の工程を含む、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法：
（Ｉ）上記含浸工程時に触媒を化合物Ｘと共存させる工程；
（ＩＩ）上記含浸工程後に触媒を、高分子フィルム、または高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜と接触させる工程。
【請求項１４】
上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルム、若しくは上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜を加熱する工程を含む、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法によって製造された高分子電解質膜。
【請求項１６】
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘが含まれていることを特徴とする高分子電解質膜：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする膜−電極接合体。
【請求項１８】
前記請求項１５または１６に記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入する導入工程を含む高分子電解質膜の製造方法において、
当該導入工程の前、後または同時に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘを、当該高分子フィルムまたは高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に含浸させる含浸工程を含む高分子電解質膜の製造方法：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【請求項２】
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、芳香族系化合物誘導体、またはメラミン誘導体であることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項３】
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−パラ−クレゾールであることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項４】
上記化合物Ｘの少なくとも１種類が、一般式（２）で示される化合物であることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質膜の製造方法：
【化１】
（式中、Ｒ１〜Ｒ６はそれぞれ水素またはメチル基を表す。）。
【請求項５】
上記導入工程の後に、含浸工程が行われる、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項６】
上記高分子フィルムは、芳香族単位を有する高分子化合物を含む高分子フィルムである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項７】
上記高分子フィルムは、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項８】
上記高分子電解質膜は、
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項９】
上記（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物は、下記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）から選択される１種のポリマー、またはこれらポリマーの混合物であることを特徴とする請求項７に記載の高分子電解質膜の製造方法：
（ｉ）ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも１種のポリマー；
（ｉｉ）上記（ｉ）に記載のポリマーを含む共重合体；
（ｉｉｉ）上記（ｉ）および（ｉｉ）に記載のポリマーの誘導体。
【請求項１０】
上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物は、下記一般式（３）の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法：
−（ＣＸ１Ｘ２−ＣＸ３Ｘ４）− ・・・（３）
（式中、Ｘ１〜４は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃｌ、Ｆ、ＯＣＯＣＨ３、ＣＮ、ＣＯＯＨ、ＣＯＯＣＨ３、およびＯＣ４Ｈ９からなる群から選択されるいずれかであって、Ｘ１〜４は互いに独立で、同一であっても異なっていてもよい。）。
【請求項１１】
上記（Ｂ）芳香族単位を有しない高分子化合物は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、およびそれらの誘導体からなる群より選択される１種のポリマー、またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１２】
上記プロトン伝導性基が、スルホン酸基を含むことを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１３】
以下に示される（Ｉ）および／または（ＩＩ）の工程を含む、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法：
（Ｉ）上記含浸工程時に触媒を化合物Ｘと共存させる工程；
（ＩＩ）上記含浸工程後に触媒を、高分子フィルム、または高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜と接触させる工程。
【請求項１４】
上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルム、若しくは上記含浸工程時および／または含浸工程後の高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜を加熱する工程を含む、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の高分子電解質膜の製造方法によって製造された高分子電解質膜。
【請求項１６】
（Ａ）芳香族単位を有する高分子化合物、および
（Ｂ）芳香族単位がない高分子化合物を含む高分子フィルムにプロトン伝導性基が導入されてなる高分子電解質膜に、下記一般式（１）で示される基を２つ以上含む少なくとも１種類以上の化合物Ｘが含まれていることを特徴とする高分子電解質膜：
−ＣＨ２ＯＲ・・・（１）
（式中、Ｒは水素またはアルキル基またはアシル基を表し、１種類の化合物に含まれるＲはそれぞれ同一であっても異なってもよい。）。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする膜−電極接合体。
【請求項１８】
前記請求項１５または１６に記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２１６２７（Ｐ２００８−２１６２７Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２９９４２（Ｐ２００６−３２９９４２）
【出願日】平成１８年１２月６日（２００６．１２．６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１８年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（００００００９４１）株式会社カネカ (3,932)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月６日（２００６．１２．６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１８年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（００００００９４１）株式会社カネカ (3,932)
【Ｆターム（参考）】
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