(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記ポリマー（Ｆ）の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマー（Ｈ）からなり、下記繰り返し単位（Ａ）の前駆体基をイオン交換基に変換した繰り返し単位の少なくとも一種が、下式（ｕ１）で表わされる繰り返し単位であり、該ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量が、１．３〜２．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂である、電解質材料。
ポリマー（Ｆ）：下式（ｇ１）で表される前駆体基を有するペルフルオロモノマーに基づく繰り返し単位（Ａ）と、５員環を有するペルフルオロモノマーまたは環化重合により５員環を形成し得るペルフルオロモノマーに基づく繰り返し単位（Ｂ）とを有し、
前記繰り返し単位（Ｂ）の少なくとも一種が、下式（ｕ２１）で表わされる繰り返し単位、下式（ｕ２２）で表わされる繰り返し単位、または下式（ｕ２４）で表わされる繰り返し単位であり、
密度が、２．０３ｇ／ｃｍ３以下であるポリマー。
【化１】
0005609874.tif 000029
ただし、Ｑ１は、エーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基であり、Ｑ２は、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基であり、Ｙは、フッ素原子または１価のペルフルオロ有機基である。
【化２】
0005609874.tif 000030
ただし、Ｒｆは、エーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキル基であり、Ｘは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であって、Ｘが酸素原子の場合ａ＝０であり、Ｘが窒素原子の場合ａ＝１であり、Ｘが炭素原子の場合ａ＝２であり、ｑは、０または１である。
【化３】
0005609874.tif 000031
ただし、Ｒ１１およびＲ１２は、それぞれ独立にフッ素原子または炭素数１〜５のペルフルオロアルキル基であり、Ｒ１３およびＲ１４は、それぞれ独立にフッ素原子、炭素数１〜５のペルフルオロアルキル基、または炭素数１〜５のペルフルオロアルコキシ基である。
【化４】
0005609874.tif 000032
ただし、Ｒ２１〜Ｒ２６は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい１価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子である。
【化５】
0005609874.tif 000033
ただし、Ｒ４１〜Ｒ４６は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい１価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子である。
【請求項２】
Ｑ１およびＱ２が、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基である、請求項１に記載の電解質材料。
【請求項３】
Ｑ１およびＱ２の少なくとも一方が、エーテル結合性酸素原子を有する炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基である、請求項２に記載の電解質材料。
【請求項４】
前記Ｒ１３およびＲ１４が、フッ素原子である、請求項１〜３のいずれかに記載の電解質材料。
【請求項５】
前記式（ｕ２１）で表わされる繰り返し単位の少なくとも一種が、下式（ｕ２１−１）で表わされる繰り返し単位である、請求項１〜４のいずれかに記載の電解質材料。
【化６】
0005609874.tif 000034
【請求項６】
前記式（ｕ２２）で表わされる繰り返し単位の少なくとも一種が、下式（ｕ２２−１）で表わされる繰り返し単位である、請求項１〜３のいずれかに記載の電解質材料。
【化７】
0005609874.tif 000035
【請求項７】
前記式（ｕ２４）で表わされる繰り返し単位の少なくとも一種が、下式（ｕ２４−１）で表わされる繰り返し単位である、請求項１〜３のいずれかに記載の電解質材料。
【化８】
0005609874.tif 000036
【請求項８】
前記ポリマー（Ｆ）が、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位をさらに有する、請求項１〜７のいずれかに記載の電解質材料。
【請求項９】
分散媒と、該分散媒に分散された請求項１〜８のいずれかに記載の電解質材料とを含み、
前記分散媒が、水酸基を有する有機溶媒を含む、液状組成物。
【請求項１０】
プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するアノードと、
プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜と
を備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、
前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方の触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーが、請求項１〜８のいずれかに記載の電解質材料であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池用の電解質材料、該電解質材料を含む液状組成物、および該電解質材料を触媒層に含む固体高分子形燃料電池用膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の触媒層に含まれる電解質材料としては、一般的に下記のポリマー（１）が知られている。
（１）下式（ｍ３）で表される化合物に基づく繰り返し単位とテトラフルオロエチレン（以下、ＴＦＥと記す。）に基づく繰り返し単位とを有するポリマーの−ＳＯ２Ｆ基をスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ基）に変換したポリマー。
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦＺ）ｍＯｐ（ＣＦ２）ｎＳＯ２Ｆ  ・・・（ｍ３）。
ただし、Ｚは、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、ｍは、０〜３の整数であり、ｐは、０または１であり、ｎは、１〜１２であり、ｍ＋ｐ＞０である。【０００３】
固体高分子形燃料電池には、燃料電池システムの簡素化や低コスト化のために、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の相対湿度が低い低加湿ないし無加湿条件における運転が求められている。
しかし、ポリマー（１）はプロトン伝導性が低いため、ポリマー（１）を触媒層の電解質材料に用いた固体高分子形燃料電池は、低加湿ないし無加湿条件下では発電特性（出力電圧等）が低い。【０００４】
プロトン伝導性が高い電解質材料としては、下記のポリマー（２）が提案されている。
（２）−ＳＯ２Ｆ基を２つ有するペルフルオロモノマーに基づく繰り返し単位とＴＦＥに基づく繰り返し単位とを有するポリマーの−ＳＯ２Ｆ基をスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ基）に変換したポリマー。（特許文献１）。【０００５】
しかし、ポリマー（２）を触媒層の電解質材料に用いた固体高分子形燃料電池であっても、低加湿ないし無加湿条件下における発電特性（出力電圧等）がいまだ不充分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０１３５３３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、低加湿ないし無加湿条件下および高加湿条件下のいずれにおいても発電特性に優れる膜電極接合体；該膜電極接合体の触媒層に好適な電解質材料；および該膜電極接合体の触媒層の形成に好適な液状組成物を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電解質材料は、下記ポリマー（Ｆ）の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマー（Ｈ）からなり、下記繰り返し単位（Ａ）の前駆体基をイオン交換基に変換した繰り返し単位の少なくとも一種は、下式（ｕ１）で表わされる繰り返し単位であり、該ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量が、１．３〜２．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂であることを特徴とする。
ポリマー（Ｆ）：下式（ｇ１）で表される前駆体基を有するペルフルオロモノマーに基づく繰り返し単位（Ａ）と、５員環を有するペルフルオロモノマーまたは環化重合により５員環を形成し得るペルフルオロモノマーに基づく繰り返し単位（Ｂ）とを有し、
前記繰り返し単位（Ｂ）の少なくとも一種は、下式（ｕ２１）で表わされる繰り返し単位、下式（ｕ２２）で表わされる繰り返し単位、または下式（ｕ２４）で表わされる繰り返し単位であり、
密度が、２．０３ｇ／ｃｍ３以下であるポリマー。
【０００９】
【化１】
0005609874.tif 000002
【００１０】
ただし、Ｑ１は、エーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基であり、Ｑ２は、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基であり、Ｙは、フッ素原子または１価のペルフルオロ有機基である。
ただし、Ｒｆは、エーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキル基であり、Ｘは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であって、Ｘが酸素原子の場合ａ＝０であり、Ｘが窒素原子の場合ａ＝１であり、Ｘが炭素原子の場合ａ＝２であり、ｑは、０または１である。
ただし、Ｒ１１およびＲ１２は、それぞれ独立にフッ素原子または炭素数１〜５のペルフルオロアルキル基であり、Ｒ１３およびＲ１４は、それぞれ独立にフッ素原子、炭素数１〜５のペルフルオロアルキル基、または炭素数１〜５のペルフルオロアルコキシ基である。
ただし、Ｒ２１〜Ｒ２６は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい１価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子である。
ただし、Ｒ４１〜Ｒ４６は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい１価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子である。
【００１４】
Ｑ１およびＱ２は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基であることが好ましく、Ｑ１およびＱ２の少なくとも一方は、エーテル結合性酸素原子を有する炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基であることがより好ましい。【００１８】
前記Ｒ１３およびＲ１４は、フッ素原子であることが好ましい。
前記式（ｕ２１）で表わされる繰り返し単位の少なくとも一種は、下式（ｕ２１−１）で表わされる繰り返し単位であることが好ましい。【００１９】
【化４】
0005609874.tif 000003
【００２２】
前記式（ｕ２２）で表わされる繰り返し単位の少なくとも一種は、下式（ｕ２２−１）で表わされる繰り返し単位であることが好ましい。
【００２３】
【化６】
0005609874.tif 000004
【００２６】
前記式（ｕ２４）で表わされる繰り返し単位の少なくとも一種は、下式（ｕ２４−１）で表わされる繰り返し単位であることが好ましい。
【００２７】
【化８】
0005609874.tif 000005
【００２８】
前記ポリマー（Ｆ）は、ＴＦＥに基づく繰り返し単位をさらに有していてもよい。
本発明の液状組成物は、分散媒と、該分散媒に分散された本発明の電解質材料とを含み、前記分散媒が、水酸基を有する有機溶媒を含むことを特徴とする。【００２９】
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するアノードと、プロトン伝導性ポリマーを含む触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方の触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーが、本発明の電解質材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の膜電極接合体は、低加湿ないし無加湿条件下および高加湿条件下のいずれにおいても発電特性に優れる。
本発明の電解質材料は、膜電極接合体の触媒層に好適である。
本発明の液状組成物は、本発明の膜電極接合体の触媒層の形成に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の膜電極接合体の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本明細書においては、式（ｕ１）で表される繰り返し単位を単位（ｕ１）と記す。他の式で表される繰り返し単位も同様に記す。
また、本明細書においては、式（ｍ１）で表される化合物を化合物（ｍ１）と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。
また、本明細書においては、式（ｇ１）で表される基を基（ｇ１）と記す。他の式で表される基も同様に記す。
【００３３】
本明細書において繰り返し単位とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。繰り返し単位は、重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
また、モノマーとは、重合反応性の炭素−炭素二重結合を有する化合物である。
また、イオン交換基とは、Ｈ＋、一価の金属カチオン、アンモニウムイオン等を有する基である。イオン交換基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンメチド基等が挙げられる。
また、前駆体基とは、加水分解処理、酸型化処理等の公知の処理によりイオン交換基に変換できる基である。前駆体基としては、−ＳＯ２Ｆ基等が挙げられる。
【００３４】
＜電解質材料＞
本発明の電解質材料は、ポリマー（Ｆ）の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマー（Ｈ）からなる。
【００３５】
（ポリマー（Ｆ））
ポリマー（Ｆ）は、特定の繰り返し単位（Ａ）と、特定の繰り返し単位（Ｂ）と、必要に応じて他の繰り返し単位（Ｃ）とを有するポリマーである。
【００３６】
繰り返し単位（Ａ）：
繰り返し単位（Ａ）は、イオン交換基の前駆体基である基（ｇ１）を有するペルフルオロモノマー（以下、モノマー（ａ）とも記す。）に基づく繰り返し単位である。
【００３７】
【化９】
0005609874.tif 000006
【００３８】
Ｑ１は、エーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基である。
Ｑ２は、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基である。
【００３９】
Ｑ１、Ｑ２のペルフルオロアルキレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、１〜６が好ましく、１〜４がより好ましい。炭素数が６以下であれば、原料の含フッ素モノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が６以下であれば、ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量の低下が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
【００４０】
Ｑ２は、エーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。Ｑ２がエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基であれば、Ｑ２が単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、発電性能の安定性に優れる。
Ｑ１、Ｑ２の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
【００４１】
Ｙは、フッ素原子または１価のペルフルオロ有機基である。
Ｙは、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数１〜６の直鎖のパーフルオロアルキル基であることが好ましい。
【００４２】
モノマー（ａ）としては、ポリマーが導電性を上げても含水率を低く抑えることができるため、低加湿ないし無加湿条件でも、高加湿条件でもより高い発電性能を発現できるため、化合物（ｍ１）が好ましい。
【００４３】
【化１０】
0005609874.tif 000007
【００４４】
Ｑ１、Ｑ２、Ｙは、基（ｇ１）において説明した通りである。
ｑは、０または１である。
【００４５】
化合物（ｍ１）としては、ポリマー（Ｈ）の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、化合物（ｍ１−１）〜（ｍ１−３）が好ましく、化合物（ｍ１−１）が特に好ましい。
【００４６】
【化１１】
0005609874.tif 000008
【００４７】
化合物（ｍ１）は、国際公開第２００７／０１３５３３号パンフレット、特開２００８−２０２０３９号公報等に記載された方法により合成できる。
【００４８】
繰り返し単位（Ｂ）：
繰り返し単位（Ｂ）は、５員環を有するペルフルオロモノマー（以下、モノマー（ｂ１）とも記す。）または環化重合により５員環を形成し得るペルフルオロモノマー（以下、モノマー（ｂ２）とも記す。）に基づく繰り返し単位である（以下、モノマー（ｂ１）およびモノマー（ｂ２）を総称してモノマー（ｂ）とも記す）。
５員環は、エーテル結合性酸素原子を１個または２個有してもよい環状のペルフルオロ有機基である。
【００４９】
モノマー（ｂ１）における重合反応性の炭素−炭素二重結合は、５員環を構成する隣接する２個の炭素原子から構成されてもよく、５員環を構成する１個の炭素原子とこれに隣接する５員環外に存在する１個の炭素原子から構成されてもよく、５員環外に存在する隣接する２個の炭素原子から構成されてもよい。５員環外に存在する隣接する２個の炭素原子から構成される重合反応性の炭素−炭素二重結合は、エーテル結合性酸素原子を有してもよい２価のペルフルオロ有機基（たとえば、エーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基等）を介して５員環に結合してもよい。
【００５０】
モノマー（ｂ１）としては、たとえば、化合物（ｍ２１）〜（ｍ２３）が挙げられ、ポリマーの電極性能をより一層向上させる効果が高い点から、化合物（ｍ２１）または化合物（ｍ２２）が好ましい。
【００５１】
【化１２】
0005609874.tif 000009
【００５２】
Ｒ１１およびＲ１２は、それぞれ独立にフッ素原子または炭素数１〜５のペルフルオロアルキル基である。
Ｒ１３およびＲ１４は、それぞれ独立にフッ素原子、炭素数１〜５のペルフルオロアルキル基、または炭素数１〜５のペルフルオロアルコキシ基である。Ｒ１３およびＲ１４は、重合反応性が高い点から、少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、両方がフッ素原子であることがより好ましい。
ペルフルオロアルキル基およびペルフルオロアルコキシ基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
【００５３】
Ｒ２１〜Ｒ２６は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい１価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子である。１価のペルフルオロ有機基としては、ペルフルオロアルキル基が好ましい。ペルフルオロアルキル基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
Ｒ２５およびＲ２６は、重合反応性が高い点から、少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、両方がフッ素原子であることがより好ましい。
【００５４】
Ｒ３１〜Ｒ３５は、フッ素原子、炭素数１〜６のペルフルオロアルキル基、または炭素−炭素結合間にエーテル結合性酸素原子を有する炭素数２〜６のペルフルオロアルキル基である。ペルフルオロアルキル基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
【００５５】
Ｒ３６は、単結合、炭素数１〜６のペルフルオロアルキレン基または炭素−炭素結合間にエーテル結合性酸素原子を有する炭素数２〜６のペルフルオロアルキレン基である。ペルフルオロアルキレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
【００５６】
化合物（ｍ２１）としては、たとえば、化合物（ｍ２１−１）〜（ｍ２１−８）が挙げられ、ポリマーの電極性能をより一層向上させる効果が高い点から、化合物（ｍ２１−１）が特に好ましい。
【００５７】
【化１３】
0005609874.tif 000010
【００５８】
化合物（ｍ２２）としては、たとえば、化合物（ｍ２２−１）または化合物（ｍ２２−２）が挙げられ、合成が容易である点および重合反応性が高い点から、化合物（ｍ２２−１）が特に好ましい。
【００５９】
【化１４】
0005609874.tif 000011
【００６０】
化合物（ｍ２３）としては、たとえば、化合物（ｍ２３−１）または化合物（ｍ２３−２）が挙げられる。
【００６１】
【化１５】
0005609874.tif 000012
【００６２】
化合物（ｍ２１）は、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅ、第２６巻  第２２号、１９９３年、ｐ．５８２９−５８３４；特開平６−９２９５７号公報等に記載された方法により合成できる。
化合物（ｍ２２）は、国際公開第２０００／０５６６９４号パンフレット；Ｉｚｖｅｓｔｉｙａ  Ａｋａｄｅｍｉｉ  Ｎａｕｋ  ＳＳＳＲ、Ｓｅｒｉｙａ  Ｋｈｉｍｉｃｈｅｓｋａｙａ、１９８９年、第４巻，ｐ．９３８−４２等に記載された方法により合成できる。
化合物（ｍ２３）は、特開２００６−２４１３０２号公報等に記載された方法により合成できる。
【００６３】
モノマー（ｂ２）としては、たとえば、化合物（ｍ２４）が挙げられる。
ＣＦ（Ｒ４１）＝Ｃ（Ｒ４３）−Ｏ−ＣＦ（Ｒ４６）−ＣＦ（Ｒ４５）−Ｃ（Ｒ４４）＝ＣＦ（Ｒ４２）  ・・・（ｍ２４）。
【００６４】
Ｒ４１〜Ｒ４６は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい１価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子である。１価のペルフルオロ有機基としては、ペルフルオロアルキル基が好ましい。ペルフルオロアルキル基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、１個であってもよく、２個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
Ｒ４１〜Ｒ４４は、重合反応性が高い点から、フッ素原子であることがより好ましい。
【００６５】
化合物（ｍ２４）としては、たとえば、化合物（ｍ２４−１）〜（ｍ２４−３）が挙げられ、モノマーの合成のしやすさから、化合物（ｍ２４−１）が特に好ましい。
ＣＦ２＝ＣＦ−Ｏ−ＣＦ２−ＣＦ２−ＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ２４−１）、
ＣＦ２＝ＣＦ−Ｏ−ＣＦ２−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ２４−２）、  ＣＦ２＝ＣＦ−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ２−ＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ２４−３）。
【００６６】
化合物（ｍ２４）は、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．、第９８巻、１９９５年、ｐ．７５３−７６７等に記載された方法により合成できる。
【００６７】
また、モノマー（ｂ１）として、重合反応性を有する炭素−炭素二重結合を２個以上有し、かつ５員環を有するペルフルオロモノマー（以下、モノマー（ｂ１”）とも記す。）を用いてもよい。モノマー（ｂ１”）を用いることにより、ポリマー（Ｆ）の分子量を上げることができる。
モノマー（ｂ１”）としては、たとえば、化合物（ｍ２５）が挙げられる。
【００６８】
【化１６】
0005609874.tif 000013
【００６９】
Ｑ３は、単結合、酸素原子、またはエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数１〜１０のペルフルオロアルキレン基である。
化合物（ｍ２５）としては、合成が容易である点および重合反応性が高い点から、化合物（ｍ２５−１）〜（ｍ２５−６）が好ましい。
【００７０】
【化１７】
0005609874.tif 000014
【００７１】
モノマー（ｂ１”）の添加量は、ポリマー（Ｆ）を構成する全モノマー（モノマー（ａ）、モノマー（ｂ）およびモノマー（ｃ）の合計）１００モル％のうち、０.００１〜２０モル％が好ましい。０.００１モル％未満では、分子量を上げる効果が充分でなく、また、２０モル％より多いと、モノマー（ａ）、モノマー（ｂ）との反応性の違いからポリマー（Ｆ）の製造が難しくなる。
【００７２】
他の繰り返し単位（Ｃ）：
他の繰り返し単位（Ｃ）は、モノマー（ａ）およびモノマー（ｂ）以外の他のモノマー（以下、モノマー（ｃ）とも記す。）に基づく繰り返し単位である。
モノマー（ｃ）としては、ＴＦＥ、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレン、ペルフルオロ（３−ブテニルビニルエーテル）、ペルフルオロ（アリルビニルエーテル）、ペルフルオロα−オレフィン類（ヘキサフルオロプロピレン等）、（ペルフルオロアルキル）エチレン類（（ペルフルオロブチル）エチレン等）、（ペルフルオロアルキル）プロペン類（３−ペルフルオロオクチル−１−プロペン等）、ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）類等が挙げられる。モノマー（ｃ）としては、ＴＦＥが特に好ましい。ＴＦＥは高い結晶性を有するため、ポリマー（Ｈ）が含水した際の膨潤を抑える効果があり、ポリマー（Ｈ）の含水率を低減できる。
【００７３】
また、モノマー（ｃ）として、重合反応性を有する炭素−炭素二重結合を２個以上有するペルフルオロモノマー（以下、モノマー（ｃ”）とも記す。）を用いてもよい。モノマー（ｃ”）を用いることにより、ポリマー（Ｆ）の分子量を上げることができる。
【００７４】
モノマー（ｃ”）としては、たとえば、化合物（ｍ４）（ただし、化合物（ｍ２４）を除く。）が挙げられる。
ＣＦ２＝ＣＦ−Ｑ４−ＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ４）。
【００７５】
Ｑ４は、酸素原子、または直鎖または分岐構造を有するエーテル結合性酸素原子を有してもよいペルフルオロアルキレン基である。
【００７６】
化合物（ｍ４）としては、合成が容易である点から、化合物（ｍ４−１）〜（ｍ４−３）が好ましい。
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ４−１）、
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｈＯＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ４−２）、
ＣＦ２＝ＣＦ［ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）］ｉＯ（ＣＦ２）ｋ［ＯＣＦ（ＣＦ３）ＣＦ２］ｊＯＣＦ＝ＣＦ２  ・・・（ｍ４−３）。
ただし、ｈ、ｋは、２〜８の整数であり、ｉ、ｊは、それぞれ独立に０〜５の整数であり、ｉ＋ｊ≧１である。
【００７７】
モノマー（ｃ”）の添加量は、ポリマー（Ｆ）を構成する全モノマー（モノマー（ａ）、モノマー（ｂ）およびモノマー（ｃ）の合計）１００モル％のうち、０.００１〜２０モル％が好ましい。０.００１モル％未満では、分子量を上げる効果が充分でなく、また、２０モル％より多いと、モノマー（ａ）、モノマー（ｂ）との反応性の違いからポリマー（Ｆ）の製造が難しくなる。
【００７８】
密度：
ポリマー（Ｆ）の密度は、２．０３ｇ／ｃｍ３以下であり、１．８０〜２．００ｇ／ｃｍ３が好ましく、１．８５〜１．９７ｇ／ｃｍ３がより好ましい。密度が２．０３ｇ／ｃｍ３以下であれば、得られる膜電極接合体が、低加湿ないし無加湿条件下においても発電特性に優れる。
ポリマー（Ｆ）の密度を２．０３ｇ／ｃｍ３以下に調整する方法としては、たとえば、ポリマー（Ｆ）中の繰り返し単位（Ｂ）の割合を増やす方法等が挙げられる。
【００７９】
ポリマー（Ｆ）の密度は、水中置換法により求めた比重の値とする。水中置換法は、空気中でポリマー（Ｆ）の質量を測定した後、ポリマー（Ｆ）を２０℃の水中に沈めて質量を測定して、まず２０℃での比重を算出し、さらに、水の密度が４℃のときに密度が０．９９９９７３ｇ／ｃｍ３であることを利用して、２０℃の水中の比重を４℃の水中での比重への換算を行っている。水中置換法により求められる４℃の水中での比重は、本発明の密度の有効数字範囲（有効数字二桁）内では、密度と同義となるので、この水中置換法により求めた比重の値を本発明では密度としている。
【００８０】
ポリマー（Ｆ）の製造：
ポリマー（Ｆ）は、モノマー（ａ）、モノマー（ｂ）、および必要に応じてモノマー（ｃ）を重合することによって製造される。
【００８１】
重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。また、液体または超臨界の二酸化炭素中にて重合を行ってもよい。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、ラジカル開始剤を添加する方法等が挙げられる。
重合温度は、通常、１０〜１５０℃である。
【００８２】
ラジカル開始剤としては、ビス（フルオロアシル）ペルオキシド類、ビス（クロロフルオロアシル）ペルオキシド類、ジアルキルペルオキシジカーボネート類、ジアシルペルオキシド類、ペルオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられ、不安定末端基が少ないポリマー（Ｆ）が得られる点から、ビス（フルオロアシル）ペルオキシド類等のペルフルオロ化合物が好ましい。
【００８３】
溶液重合法にて用いる溶媒としては、２０〜３５０℃の沸点を有する溶媒が好ましく、４０〜１５０℃の沸点を有する溶媒がより好ましい。溶媒としては、ペルフルオロトリアルキルアミン類（ペルフルオロトリブチルアミン等）、ペルフルオロカーボン類（ペルフルオロヘキサン、ペルフルオロオクタン等）、ハイドロフルオロカーボン類（１Ｈ，４Ｈ−ペルフルオロブタン、１Ｈ−ペルフルオロヘキサン等）、ハイドロクロロフルオロカーボン類（３，３−ジクロロ−１，１，１，２，２−ペンタフルオロプロパン、１，３−ジクロロ−１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパン等）、ハイドロフルオロエーテル類（ＣＦ３ＣＨ２ＯＣＦ２ＣＦ２Ｈ等）が挙げられる。
【００８４】
溶液重合法においては、溶媒中にモノマー、ラジカル開始剤等を添加し、溶媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。モノマーおよび開始剤の添加は、一括添加であってもよく、逐次添加であってもよく、連続添加であってもよい。
【００８５】
懸濁重合法においては、水を分散媒として用い、該分散媒中にモノマー、非イオン性のラジカル開始剤等を添加し、分散媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。
非イオン性のラジカル開始剤としては、ビス（フルオロアシル）ペルオキシド類、ビス（クロロフルオロアシル）ペルオキシド類、ジアルキルペルオキシジカーボネート類、ジアシルペルオキシド類、ペルオキシエステル類、ジアルキルペルオキシド類、ビス（フルオロアルキル）ペルオキシド類、アゾ化合物類等が挙げられる。
分散媒には、助剤として前記溶媒；懸濁粒子の凝集を防ぐ分散安定剤として界面活性剤；分子量調整剤として炭化水素系化合物（ヘキサン、メタノール等）等を添加してもよい。
【００８６】
（ポリマー（Ｈ））
ポリマー（Ｈ）は、ポリマー（Ｆ）の前駆体基をイオン交換基に変換したポリマーであり、特定の繰り返し単位（Ａ’）と、特定の繰り返し単位（Ｂ）と、必要に応じて他の繰り返し単位（Ｃ）とを有するポリマーである。
【００８７】
繰り返し単位（Ａ’）：
繰り返し単位（Ａ’）は、繰り返し単位（Ａ）の前駆体基をイオン交換基に変換した繰り返し単位である。
イオン交換基は、基（ｇ’１）であることが好ましい。
【００８８】
【化１８】
0005609874.tif 000015
【００８９】
Ｑ１、Ｑ２、Ｙは、基（ｇ１）において説明した通りである。
Ｒｆは、エーテル結合性酸素原子を有してもよい直鎖または分岐のペルフルオロアルキル基である。ペルフルオロアルキル基の炭素数は、１〜８が好ましく、１〜６がより好ましい。基（ｇ’１）が２個以上のＲｆを有する場合、Ｒｆは、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
【００９０】
Ｘは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であって、Ｘが酸素原子の場合ａ＝０であり、Ｘが窒素原子の場合ａ＝１であり、Ｘが炭素原子の場合ａ＝２である。
基（ｇ’１）としては、スルホン酸基（−ＳＯ３−Ｈ＋基）、スルホンイミド基（−ＳＯ２Ｎ（ＳＯ２Ｒｆ）−Ｈ＋基）、またはスルホンメチド基（−ＳＯ２Ｃ（ＳＯ２Ｒｆ）２）−Ｈ＋基）が挙げられる。
【００９１】
繰り返し単位（Ａ’）としては、ポリマーが導電性を上げても含水率を低く抑えることができるため、低加湿ないし無加湿条件でも、高加湿条件でもより一層高い発電性能を発現できるため、単位（ｕ１）が好ましい。
【００９２】
【化１９】
0005609874.tif 000016
【００９３】
Ｑ１、Ｑ２、Ｙは、基（ｇ１）において説明した通りである。
ｑは、化合物（ｍ１）において説明した通りである。
Ｒｆ、Ｘ、ａは、基（ｇ’１）において説明した通りである。
【００９４】
単位（ｕ１）としては、ポリマー（Ｈ）の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位（ｕ１−１）〜（ｕ１−３）が好ましく、単位（ｕ１−１）が特に好ましい。
【００９５】
【化２０】
0005609874.tif 000017
【００９６】
繰り返し単位（Ｂ）：
繰り返し単位（Ｂ）は、モノマー（ｂ１）またはモノマー（ｂ２）に基づく繰り返し単位である。
【００９７】
モノマー（ｂ１）に基づく繰り返し単位としては、たとえば、単位（ｕ２１）〜（ｕ２３）が挙げられ、ポリマーの電極性能をより一層向上させる効果が高い点から、単位（ｕ２１）または単位（ｕ２２）が好ましい。
【００９８】
【化２１】
0005609874.tif 000018
【００９９】
Ｒ１１〜Ｒ１４は、化合物（ｍ２１）において説明した通りである。Ｒ１３およびＲ１４は、重合反応性が高い点から、少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、両方がフッ素原子であることがより好ましい。
Ｒ２１〜Ｒ２６は、化合物（ｍ２２）において説明した通りである。
Ｒ３１〜Ｒ３６は、化合物（ｍ２３）において説明した通りである。
【０１００】
単位（ｕ２１）としては、ポリマーの電極性能をより一層向上させる効果が高い点から、単位（ｕ２１−１）が特に好ましい。
単位（ｕ２２）としては、モノマーの合成のしやすさから、単位（ｕ２２−１）が特に好ましい。
【０１０１】
【化２２】
0005609874.tif 000019
【０１０２】
モノマー（ｂ２）に基づく繰り返し単位としては、たとえば、単位（ｕ２４）が挙げられる。Ｒ４１〜Ｒ４６は、化合物（ｍ２４）において説明した通りである。
【０１０３】
【化２３】
0005609874.tif 000020
【０１０４】
単位（ｕ２４）としては、モノマーの合成のしやすさから、単位（ｕ２４−１）が特に好ましい。
【０１０５】
【化２４】
0005609874.tif 000021
【０１０６】
他の繰り返し単位（Ｃ）：
他の繰り返し単位（Ｃ）は、モノマー（ｃ）に基づく繰り返し単位である。
他の繰り返し単位（Ｃ）としては、ポリマー（Ｈ）の含水率を低減できる点から、ＴＦＥに基づく繰り返し単位が特に好ましい。
【０１０７】
イオン交換容量：
ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量は、１．３〜２．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂であり、１．４〜２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂が好ましい。イオン交換容量が１．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂以上であれば、ポリマー（Ｈ）の導電性が高くなるため、固体高分子形燃料電池の触媒層の電解質材料として用いた場合、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が２．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂以下であれば、密度の低いポリマー（Ｆ）の合成が容易である。
【０１０８】
ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量を１．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂以上にするには、ポリマー（Ｆ）を合成する際のモノマー（ａ）の割合を調整する。具体的には、重合時のモノマー組成を制御することが重要であり、そのためには、モノマーの重合反応性を考慮した上で仕込み組成を決める必要がある。また、モノマーを２種以上反応させる場合は、より反応性の高いモノマーを逐次的または連続的に添加することで、一定の組成で反応を進めることができる。
【０１０９】
ポリマー（Ｈ）の製造：
ポリマー（Ｈ）は、ポリマー（Ｆ）の前駆体基をイオン交換基に変換することによって製造される。
【０１１０】
−ＳＯ２Ｆ基をスルホン酸基（−ＳＯ３−Ｈ＋基）に変換する方法としては、下記（ｉ）の方法が挙げられ、−ＳＯ２Ｆ基をスルホンイミド基（−ＳＯ２Ｎ（ＳＯ２Ｒｆ）−Ｈ＋基）に変換する方法としては、下記（ii）の方法が挙げられる。
（ｉ）ポリマー（Ｆ）の−ＳＯ２Ｆ基を加水分解してスルホン酸塩とし、スルホン酸塩を酸型化してスルホン酸基に変換する方法。
（ii）ポリマー（Ｆ）の−ＳＯ２Ｆ基をイミド化して塩型のスルホンイミド基とし、さらに酸型化して酸型のスルホンイミド基に変換する方法。
【０１１１】
（ｉ）の方法：
加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマー（Ｆ）と塩基性化合物とを接触させて行う。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類（メタノール、エタノール等）、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
酸型化は、たとえば、スルホン酸塩を有するポリマーを、塩酸、硫酸等の水溶液に接触させて行う。
加水分解および酸型化は、通常、０〜１２０℃にて行う。
【０１１２】
（ii）の方法：
イミド化としては、下記の方法が挙げられる。
（ii−１）−ＳＯ２Ｆ基と、ＲｆＳＯ２ＮＨＭとを反応させる方法。
（ii−２）アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、ＭＦ、アンモニアまたは１〜３級アミンの存在下で、−ＳＯ２Ｆ基と、ＲｆＳＯ２ＮＨ２とを反応させる方法。
（ii−３）−ＳＯ２Ｆ基と、ＲｆＳＯ２ＮＭＳｉ（ＣＨ３）３とを反応させる方法。
ただし、Ｍは、アルカリ金属または１〜４級のアンモニウムである。
酸型化は、塩型のスルホンイミド基を有するポリマーを、酸（硫酸、硝酸、塩酸等）で処理することにより行う。
【０１１３】
なお、イオン交換基がスルホンイミド基であるポリマー（Ｈ）は、モノマー（ａ）の−ＳＯ２Ｆ基をスルホンイミド基に変換したモノマー（ａ'）と、モノマー（ｂ）と、必要に応じてモノマー（ｃ）とを重合させることによっても製造できる。
モノマー（ａ'）は、モノマー（ａ）の炭素−炭素二重結合に塩素または臭素を付加し、−ＳＯ２Ｆ基を（ii）の方法でスルホンイミド基に変換した後、金属亜鉛を用いて脱塩素または脱臭素反応を行うことにより製造できる。
【０１１４】
以上説明した本発明の電解質材料にあっては、特定の繰り返し単位（Ａ）と特定の繰り返し単位（Ｂ）とを有し、密度が、２．０３ｇ／ｃｍ３以下であるポリマー（Ｆ）の前駆体基をイオン交換基に変換した、イオン交換容量が１．３〜２．３ミリ当量／ｇ乾燥樹脂のポリマー（Ｈ）からなるため、該電解質材料を触媒層に含ませた膜電極接合体は、低加湿ないし無加湿条件下、および高加湿条件下のいずれにおいても充分な発電特性（出力電圧等）を発揮できる。特に、高温条件、かつ低加湿度条件ないし無加湿条件（セル温度：９０℃以上、加湿度：３０％ＲＨ以下）というような厳しい条件下においてでも、高い発電特性（出力電圧等）を発揮できる。
【０１１５】
＜液状組成物＞
本発明の液状組成物は、分散媒と、該分散媒に分散された本発明の電解質材料とを含む組成物である。
【０１１６】
分散媒は、水酸基を有する有機溶媒を含む。
水酸基を有する有機溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、２，２，２−トリフルオロエタノール、２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノール、２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノール、４，４，５，５，５−ペンタフルオロ−１−ペンタノール、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２−プロパノール、３，３，３−トリフルオロ−１−プロパノール、３，３，４，４，５，５，６，６，６−ノナフルオロ−１−ヘキサノール、３，３，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，８−トリデカフルオロ−１−オクタノール等が挙げられる。
水酸基を有する有機溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【０１１７】
分散媒は、水を含むことが好ましい。
水の割合は、分散媒（１００質量％）のうち、１０〜９９質量％が好ましく、４０〜９９質量％がより好ましい。水の割合を増やすことにより、分散媒に対する電解質材料の分散性を向上できる。
水酸基を有する有機溶媒の割合は、分散媒（１００質量％）のうち、１〜９０質量％が好ましく、１〜６０質量％がより好ましい。
電解質材料の割合は、液状組成物（１００質量％）のうち、１〜５０質量％が好ましく、３〜３０質量％がより好ましい。
【０１１８】
液体組成物の調製方法については、いくつか報告がされており、たとえば、特公平４−３５２２６号公報、特表２００１−５０４８７２号公報、特開２００５−８２７４９号公報、国際公開第２００６／３８９２８号パンフレット、特開２００４−５１９２９６号公報等に記載の調製方法に基づいて調製できる。
具体的な液状組成物の調製方法としては、大気圧下、またはオートクレーブ等で密閉した状態下において、分散媒中の電解質材料に撹拌等のせん断を加える方法が挙げられる。調製温度は、０〜２５０℃が好ましく、２０〜１５０℃がより好ましい。必要に応じて、超音波等のせん断を付与してもよい。
【０１１９】
また、電解質材料と有機溶媒と水とを混合した混合液を撹拌等のせん断を加えて液状組成物にする場合、電解質材料に有機溶媒と水とを一度に全部加えた混合液に撹拌等のせん断を加えてもよいし、また、電解質材料に有機溶媒や水を複数回に分けて混合し、その合間に撹拌等のせん断を加えてもよい。たとえば、電解質材料に有機溶媒の一部と水の一部を加えた混合液に撹拌等のせん断を加え、その後に、その混合液に残りの有機溶媒や水を加えて再度撹拌等のせん断を加えるようにしてもよい。また、電解質材料に有機溶剤のみを加えて撹拌等のせん断を加え、その後に水のみを加えて再度、撹拌等のせん断を加えるようにしてもよい。
本発明の液状組成物は、後述の膜電極接合体における触媒層の形成に好適に用いられる。
【０１２０】
＜膜電極接合体＞
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体（以下、膜電極接合体と記す。）の一例を示す断面図である。膜電極接合体１０は、触媒層１１およびガス拡散層１２を有するアノード１３と、触媒層１１およびガス拡散層１２を有するカソード１４と、アノード１３とカソード１４との間に、触媒層１１に接した状態で配置される固体高分子電解質膜１５とを具備する。
【０１２１】
（触媒層）
触媒層１１は、触媒と、プロトン伝導性ポリマーとを含む層である。
触媒としては、カーボン担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。
カーボン担体としては、カーボンブラック粉末が挙げられる。
【０１２２】
プロトン伝導性ポリマーとしては、本発明の電解質材料、または公知の電解質材料が挙げられ、カソードおよびアノードの少なくとも一方の触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーが、本発明の電解質材料であり、カソードの触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーが、本発明の電解質材料であることがより好ましい。
【０１２３】
触媒層１１は、フラッディングの抑制効果が高まる点から、撥水化剤を含んでいてもよい。撥水化剤としては、テトラフルオロエチレン−ヘ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−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。撥水化剤としては、触媒層１１を撥水化処理しやすい点から、溶媒に溶解できる含フッ素ポリマーが好ましい。撥水化剤の量は、触媒層１１（１００質量％）中、０．０１〜３０質量％が好ましい。
【０１２４】
触媒層１１の形成方法としては、下記の方法が挙げられる。
（ｉ）触媒層形成用液を、固体高分子電解質膜１５、ガス拡散層１２、またはカーボン層１６上に塗布し、乾燥させる方法。
（ii）触媒層形成用液を基材フィルム上に塗布し、乾燥させ触媒層１１を形成し、該触媒層１１を固体高分子電解質膜１５上に転写する方法。
【０１２５】
触媒層形成用液は、電解質材料および触媒を分散媒に分散させた液である。触媒層形成用液は、たとえば、本発明の液状組成物と、触媒の分散液とを混合することにより調製できる。
【０１２６】
（ガス拡散層）
ガス拡散層１２は、触媒層１１に均一にガスを拡散させる機能および集電体としての機能を有する。
ガス拡散層１２としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層１２は、ポリテトラフルオロエチレン等によって撥水化処理されていることが好ましい。
【０１２７】
（カーボン層）
膜電極接合体１０は、図２に示すように、触媒層１１とガス拡散層１２との間にカーボン層１６を有してもよい。カーボン層１６を配置することにより、触媒層１１の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の発電性能が大きく向上する。
【０１２８】
カーボン層１６は、カーボンと非イオン性含フッ素ポリマーとを含む層である。
カーボンとしては、繊維径１〜１０００ｎｍ、繊維長１０００μｍ以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
非イオン性含フッ素ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。
【０１２９】
（固体高分子電解質膜）
固体高分子電解質膜１５は、プロトン伝導性ポリマーを含む膜である。
プロトン伝導性ポリマーとしては、本発明の電解質材料、または公知の電解質材料が挙げられる。公知の電解質材料としては、化合物（ｍ３）に基づく繰り返し単位とＴＦＥに基づく繰り返し単位とを有するポリマーの−ＳＯ２Ｆ基をスルホン酸基に変換したポリマー；化合物（ｍ１）に基づく繰り返し単位とＴＦＥに基づく繰り返し単位とを有するポリマーの−ＳＯ２Ｆ基をスルホン酸基に変換したポリマー等が挙げられる。
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦＺ）ｍＯｐ（ＣＦ２）ｎＳＯ２Ｆ  ・・・（ｍ３）。
【０１３０】
Ｚは、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、ｍは、０〜３の整数であり、ｐは、０または１であり、ｎは、１〜１２であり、ｍ＋ｐ＞０である。
【０１３１】
固体高分子電解質膜１５は、たとえば、電解質材料の液状組成物を基材フィルムまたは触媒層１１上に塗布し、乾燥させる方法（キャスト法）により形成できる。
液状組成物は、水酸基を有する有機溶媒および水を含む分散媒に、電解質材料を分散させた分散液である。
【０１３２】
固体高分子電解質膜１５を安定化させるために、熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、電解質材料の種類にもよるが、１３０〜２００℃が好ましい。熱処理の温度が１３０℃以上であれば、電解質材料が過度に含水しなくなる。熱処理の温度が２００℃以下であれば、イオン交換基の熱分解が抑えられ、固体高分子電解質膜１５のプロトン伝導率の低下が抑えられる。
固体高分子電解質膜１５は、必要に応じて過酸化水素水で処理してもよい。
【０１３３】
固体高分子電解質膜１５は、補強材で補強されていてもよい。補強材としては、多孔体、繊維、織布、不織布等が挙げられる。補強材の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘ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−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等が挙げられる。
【０１３４】
固体高分子電解質膜１５は、耐久性をさらに向上させるために、セリウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の原子を含んでいてもよい。セリウム、マンガンは、固体高分子電解質膜１５の劣化を引き起こす原因物質である過酸化水素を分解する。セリウム、マンガンは、イオンとして固体高分子電解質膜１５中に存在することが好ましく、イオンとして存在すれば固体高分子電解質膜１５中でどのような状態で存在してもかまわない。
固体高分子電解質膜１５は、乾燥を防ぐための保水剤として、シリカ、またはヘテロポリ酸（リン酸ジルコニウム、リンモリブデン酸、リンタングステン酸等）を含んでいてもよい。
【０１３５】
（膜電極接合体の製造方法）
膜電極接合体１０は、たとえば、下記の方法にて製造される。
（ｉ）固体高分子電解質膜１５上に触媒層１１を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層１２で挟み込む方法。
（ii）ガス拡散層１２上に触媒層１１を形成して電極（アノード１３、カソード１４）とし、固体高分子電解質膜１５を該電極で挟み込む方法。
【０１３６】
膜電極接合体１０がカーボン層１６を有する場合、膜電極接合体１０は、たとえば、下記の方法にて製造される。
（ｉ）基材フィルム上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層１６を形成し、カーボン層１６上に触媒層１１を形成し、触媒層１１と固体高分子電解質膜１５とを貼り合わせ、基材フィルムを剥離して、カーボン層１６を有する膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層１２で挟み込む方法。
（ii）ガス拡散層１２上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層１６を形成し、固体高分子電解質膜１５上に触媒層１１を形成した膜触媒層接合体を、カーボン層１６を有するガス拡散層１２で挟み込む方法。
【０１３７】
以上説明した膜電極接合体１０は、触媒層１１が本発明の電解質材料を含んでいるため、低加湿、無加湿条件下および高加湿条件下のいずれにおいても発電特性に優れる。特に、高温条件かつ低加湿度条件ないし無加湿条件というような厳しい条件下においてでも、発電特性に優れる。
【０１３８】
＜固体高分子形燃料電池＞
本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に用いられる。固体高分子形燃料電池は、たとえば、２枚のセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックすることにより製造される。
【０１３９】
セパレータとしては、燃料ガスまたは酸素を含む酸化剤ガス（空気、酸素等）の通路となる溝が形成された導電性カーボン板等が挙げられる。
固体高分子形燃料電池の種類としては、水素／酸素型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等が挙げられる。ＤＭＦＣの燃料に用いるメタノールまたはメタノール水溶液は、液フィードであってもよく、ガスフィードであってもよい。
【実施例】
【０１４０】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。例１〜８、１６〜２３は実施例であり、例９〜１５、２４〜３０は比較例である。【０１４１】
（イオン交換容量）
ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量は、下記方法により求めた。
ポリマー（Ｈ）をグローブボックス中に入れ、乾燥窒素を流した雰囲気中に２４時間以上放置し、乾燥させた。グローブボックス中でポリマー（Ｈ）の乾燥質量を測定した。
ポリマー（Ｈ）を２モル／Ｌの塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、６０℃で１時間放置した後、室温まで冷却した。ポリマー（Ｈ）を浸漬していた塩化ナトリウム水溶液を、０．５モル／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液で滴定することにより、ポリマー（Ｈ）のイオン交換容量を求めた。【０１４２】
（密度）
ポリマー（Ｆ）の密度は、水中置換法を利用した電子比重計（アルファーミラージュ社製、ＭＤ−３００Ｓ）を用いて求めた。具体的には、空気中でポリマー（Ｆ）の質量を測定した後、ポリマー（Ｆ）を２０℃の水中に沈めて質量を測定した。これら質量から２０℃水中における比重を求め、更に４℃水中での比重に換算し、密度として求めた。【０１４３】
（化合物（ｍ１））
化合物（ｍ１−１）の合成：
特開２００８−２０２０３９号公報の例１に記載の方法にしたがって、化合物（ｍ１−１）を合成した。【０１４４】
【化２５】
0005609874.tif 000022
【０１４５】
（化合物（ｍ２））
化合物（ｍ２１−１）：【０１４６】
【化２６】
0005609874.tif 000023
【０１４７】
化合物（ｍ２２−１）：【０１４８】
【化２７】
0005609874.tif 000024
【０１４９】
化合物（ｍ２４−１）：【０１５０】
【化２８】
0005609874.tif 000025
【０１５１】
（化合物（ｍ３））
化合物（ｍ３−１）：【０１５２】
【化２９】
0005609874.tif 000026
【０１５３】
（ラジカル開始剤）
化合物（ｉ−１）：
（Ｃ３Ｆ７ＣＯＯ）２  ・・・（ｉ−１）。
化合物（ｉ−２）：
（（ＣＨ３）２ＣＨＯＣＯＯ）２  ・・・（ｉ−２）。【０１５４】
（溶媒）
化合物（ｓ−１）：
ＣＣｌＦ２ＣＦ２ＣＨＣｌＦ  ・・・（ｓ−１）。
化合物（ｓ−２）：
ＣＨ３ＣＣｌ２Ｆ  ・・・（ｓ−２）。【０１５５】
〔例１〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の９．１５ｇ、化合物（ｍ１−１）の４５．６５ｇおよび化合物（ｉ−２）の６．４ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、４０℃に昇温して、２４．５時間保持した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１）を得た。収量は４．５ｇであった。ポリマー（Ｆ−１）の密度を測定した。結果を表１に示す。【０１５６】
ポリマー（Ｆ−１）を、メタノール２０質量％および水酸化カリウム１５質量％を含む５０℃の水溶液に４０時間浸漬させることにより、ポリマー（Ｆ−１）中の−ＳＯ２Ｆ基を加水分解し、−ＳＯ３Ｋ基に変換した。ついで、該ポリマーを、３モル／Ｌの塩酸水溶液に室温で２時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに４回繰り返し、ポリマー中の−ＳＯ３Ｋ基がスルホン酸基に変換されたポリマー（Ｈ−１）を得た。ポリマー（Ｈ−１）を超純水で充分に水洗した。ポリマー（Ｈ−１）のイオン交換容量を測定した。結果を表１に示す。【０１５７】
ポリマー（Ｈ−１）に、エタノールと水との混合溶媒（エタノール／水＝６０／４０質量比）を加え、固形分濃度を１５質量％に調整し、オートクレーブを用い１０５℃で８時間、撹拌し、ポリマー（Ｈ−１）が分散媒に分散した液状組成物（Ｄ−１）を得た。【０１５８】
〔例２〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の９．０１ｇ、化合物（ｍ１−１）の５０．０１ｇおよび化合物（ｉ−２）の５．６ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、４０℃に昇温して、２４時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−２）を得た。収量は５．７ｇであった。ポリマー（Ｆ−２）の密度を測定した。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−２）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−２）、液状組成物（Ｄ−２）を得た。ポリマー（Ｈ−２）のイオン交換容量を測定した。結果を表１に示す。【０１５９】
〔例３〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の９．０ｇ、化合物（ｍ１−１）の６９．２７ｇおよび化合物（ｉ−２）の１０．０ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、４０℃に昇温して、２６時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−３）を得る。収量は８．０ｇである。ポリマー（Ｆ−３）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−３）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−３）、液状組成物（Ｄ−３）を得る。ポリマー（Ｈ−３）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１６０】
〔例４〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の７．３２ｇ、化合物（ｍ１−１）の７１．４ｇおよび化合物（ｉ−２）の１０ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、４０℃に昇温して、２２時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−４）を得る。収量は９．０ｇである。ポリマー（Ｆ−４）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−４）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−４）、液状組成物（Ｄ−４）を得る。ポリマー（Ｈ−４）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１６１】
〔例５〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の５．８６ｇ、化合物（ｍ１−１）の７５．１ｇおよび化合物（ｉ−２）の１５ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、４０℃に昇温して、２４時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−５）を得る。収量は６．５ｇである。ポリマー（Ｆ−５）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−５）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−５）、液状組成物（Ｄ−５）を得る。ポリマー（Ｈ−５）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１６２】
〔例６〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２２−１）の３．５ｇ、化合物（ｍ１−１）の７６．３３ｇおよび化合物（ｉ−２）の８．５ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、４０℃に昇温して、２４時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−６）を得る。収量は６．４ｇである。ポリマー（Ｆ−６）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−６）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−６）、液状組成物（Ｄ−６）を得る。ポリマー（Ｈ−６）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１６３】
〔例７〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２４−１）の４１．７ｇ、化合物（ｍ１−１）の３１．３ｇおよび化合物（ｓ−１）に３．２質量％の濃度で溶解した化合物（ｉ−１）の２５．０ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、２０℃に昇温して、２０時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−７）を得る。収量は５．９ｇである。ポリマー（Ｆ−７）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−７）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−７）、液状組成物（Ｄ−７）を得る。ポリマー（Ｈ−７）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１６４】
〔例８〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の１１．７１ｇ、化合物（ｍ１−１）の９５．１５ｇおよび化合物（ｉ−２）の３３ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、ＴＦＥの０．６ｇを仕込んで、４０℃に昇温して、１８時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−８）を得る。収量は１１．５ｇである。共重合体を構成する繰り返し単位の組成を、１９Ｆ−ＮＭＲにより分析したところ、ＴＦＥに基づく繰り返し単位は、１０ｍｏｌ％である。
ポリマー（Ｆ−８）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−８）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−８）、液状組成物（Ｄ−８）を得る。ポリマー（Ｈ−８）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１６５】
〔例９〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ３−１）の４９．６４ｇ、化合物（ｓ−１）の２８．２２ｇおよび化合物（ｓ−１）に３．２質量％の濃度で溶解した化合物（ｉ−１）の３８．９ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、３０℃に昇温して、ＴＦＥを系内に導入し、圧力を０．３７ＭＰａＧに保持した。４．８時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これに化合物（ｓ−２）を添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、化合物（ｓ−２）で再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−９）を得た。収量は１５．０ｇであった。ポリマー（Ｆ−９）の密度を測定した。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−９）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−９）を得た。ポリマー（Ｈ−９）のイオン交換容量を測定した。結果を表１に示す。【０１６６】
ポリマー（Ｈ−９）に、エタノールと水との混合溶媒（エタノール／水＝７０／３０質量比）を加え、固形分濃度を１５質量％に調整し、オートクレーブを用い１２５℃で８時間、撹拌した。さらに水を加え、固形分濃度を７．０質量％に調製し、ポリマー（Ｈ−９）が分散媒に分散した液状組成物（Ｄ−９）を得た。分散媒の組成は、エタノール／水＝３５／６５（質量比）であった。【０１６７】
〔例１０〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ１−１）の４５．９ｇ、化合物（ｓ−１）の１６．５ｇおよび化合物（ｉ−２）の１２．６５ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、４０℃に昇温して、ＴＦＥを系内に導入し、圧力を０．５５ＭＰａＧに保持した。４０℃で４．３時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了した。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これに化合物（ｓ−２）を添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、化合物（ｓ−２）で再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１０）を得た。収量は６．５ｇであった。ポリマー（Ｆ−１０）の密度を測定した。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−１０）を用いて、例９と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−１０）を得た。ポリマー（Ｈ−１０）のイオン交換容量を測定した。結果を表１に示す。【０１６８】
ポリマー（Ｈ−１０）に、エタノール、水および１−ブタノールの混合溶媒（エタノール／水／１−ブタノール＝３５／５０／１５質量比）を加え、固形分濃度を１５質量％に調整し、オートクレーブを用い１２５℃で８時間、撹拌した。さらに水を加え、固形分濃度を９質量％に調整し、ポリマー（Ｈ−１０）が分散媒に分散した液状組成物（Ｄ−１０）を得た。分散媒の組成は、エタノール／水／１−ブタノール＝２０／７０／１０（質量比）であった。【０１６９】
〔例１１〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の１１．４７ｇ、化合物（ｍ３−１）の６６．９ｇおよび化合物（ｉ−２）の２３ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、４０℃に昇温して、２４時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１１）を得る。収量は１９．５ｇである。ポリマー（Ｆ−１１）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−１１）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−１１）、液状組成物（Ｄ−１１）を得る。ポリマー（Ｈ−１１）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１７０】
〔例１２〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２４−１）の３３．３６ｇ、化合物（ｍ１−１）の５２．５８ｇおよび化合物（ｓ−１）に３．２質量％の濃度で溶解した化合物（ｉ−１）の３０ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、２０℃に昇温して、２４時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１２）を得る。収量は６．１ｇである。ポリマー（Ｆ−１２）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−１２）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−１２）、液状組成物（Ｄ−１２）を得る。ポリマー（Ｈ−１２）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１７１】
〔例１３〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２４−１）の２７．８ｇ、化合物（ｍ１−１）の３７．５６ｇおよび化合物（ｓ−１）に３．２質量％の濃度で溶解した化合物（ｉ−１）の３０ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、テトラフルオロエチレンを８．０ｇ仕込んで、２０℃に昇温して、８時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１３）を得る。収量は７．０ｇである。共重合体を構成する繰り返し単位の組成を、１９Ｆ−ＮＭＲにより分析したところ、ＴＦＥに基づく繰り返し単位は、７６ｍｏｌ％である。
ポリマー（Ｆ−１３）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−１３）を用いて、例９と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−１３）、液状組成物（Ｄ−１３）を得る。ポリマー（Ｈ−１３）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１７２】
〔例１４〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の２．９３ｇ、化合物（ｍ１−１）の７５．１ｇおよび化合物（ｉ−２）の２３ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気する。その後、４０℃に昇温して、２６時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止する。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過する。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１４）を得る。収量は６．１ｇである。
ポリマー（Ｆ−１４）の密度を測定する。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−１４）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−１４）、液状組成物（Ｄ−１４）を得る。ポリマー（Ｈ−１４）のイオン交換容量を測定する。結果を表１に示す。【０１７３】
〔例１５〕
内容積１２５ｍＬのステンレス製オートクレーブに、化合物（ｍ２１−１）の１５．２６ｇ、化合物（ｍ１−１）の４５．９８ｇおよび化合物（ｉ−２）の７．２ｍｇを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、４０℃に昇温して、２６時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物（ｓ−１）で希釈した後、これにｎ−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物（ｓ−１）中でポリマーを撹拌し、ｎ−ヘキサンで再凝集し、８０℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー（Ｆ−１５）を得た。収量は１０．２ｇであった。ポリマー（Ｆ−１５）の密度を測定した。結果を表１に示す。
ポリマー（Ｆ−１５）を用いて、例１と同様の方法で、ポリマー（Ｈ−１５）、液状組成物（Ｄ−１５）を得た。ポリマー（Ｈ−１５）のイオン交換容量を測定した。結果を表１に示す。【０１７４】
【表１】
0005609874.tif 000027
【０１７５】
〔例１６〕
カーボン粉末に白金を５０質量％担持した担持触媒の１０ｇに水の３９ｇを加え、１０分間超音波を照射し、触媒の分散液を得た。触媒の分散液に、液状組成物（Ｄ−１）の６０ｇを加え、さらにエタノールの６４ｇを加えて固形分濃度を８質量％とし、触媒層形成用液を得た。該液を別途用意したエチレンとＴＦＥとの共重合体からなるシート（商品名：アフレックス１００Ｎ、旭硝子社製、厚さ１００μｍ）（以下、ＥＴＦＥシートと記す。）上に塗布し、８０℃で３０分乾燥させ、さらに１６５℃で３０分の熱処理を施し、白金量が０．３５ｍｇ／ｃｍ２の触媒層を形成した。【０１７６】
液状組成物（Ｄ−１０）をＥＴＦＥシート上にダイコータにて塗布し、８０℃で３０分乾燥し、さらに１９０℃で３０分の熱処理を施し、厚さ２０μｍの固体高分子電解質膜を形成した。
固体高分子電解質膜からＥＴＦＥシートを剥離した後、固体高分子電解質膜を２枚のＥＴＦＥシート付き触媒層で挟み、プレス温度１６０℃、プレス時間５分、圧力３ＭＰａの条件にて加熱プレスし、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合し、触媒層からＥＴＦＥシートを剥離して、電極面積２５ｃｍ２の膜触媒層接合体を得た。【０１７７】
カーボンペーパーからなるガス拡散層上に、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとからなるカーボン層を形成した。
カーボン層と触媒層とが接するように、膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み、膜電極接合体を得た。
膜電極接合体を発電用セルに組み込み、下記の２つの条件下で発電特性の評価を実施した。【０１７８】
（発電条件１）
膜電極接合体の温度を１００℃に維持し、アノードに水素（利用率５０％）、カソードに空気（利用率５０％）を、それぞれ１７５ｋＰａ（絶対圧力）に加圧して供給した。水素および空気ともに加湿をせずに供給し、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２のときのセル電圧を記録し、下記基準にて評価した。結果を表２に示す。
◎：セル電圧が０．６Ｖ以上。
○：セル電圧が０．５５Ｖ以上  ０．６Ｖ未満。
△：セル電圧が０．５Ｖ以上  ０．５５Ｖ未満。
×：セル電圧が０．４Ｖ以上  ０．５Ｖ未満。
××：セル電圧が０．４Ｖ未満。【０１７９】
（発電条件２）
膜電極接合体の温度を８０℃に維持し、アノードに水素（利用率５０％）、カソードに空気（利用率５０％）を、それぞれ１７５ｋＰａ（絶対圧力）に加圧して供給した。水素および空気ともに相対湿度１００％ＲＨで供給し、電流密度が１．５Ａ／ｃｍ２のときのセル電圧を記録し、下記基準にて評価した。結果を表２に示す。
○：セル電圧が０．５Ｖ以上。
△：セル電圧が０．５Ｖ未満。
×：発電できなかった。【０１８０】
〔例１７〜３０〕
触媒層を形成するのに用いた液状組成物（Ｄ−１）を、それぞれ液状組成物（Ｄ−２）〜（Ｄ−１５）に変更した以外は、例１６と同様の方法で膜電極接合体を作製し、発電特性の評価を実施する。評価結果を表２に示す。【０１８１】
【表２】
0005609874.tif 000028
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本発明の電解質材料は、固体高分子形燃料電池用の電解質材料として有用である。また、他の用途（水電解、過酸化水素製造、オゾン製造、廃酸回収等に用いるプロトン選択透過膜；食塩電解、レドックスフロー電池の隔膜、脱塩または製塩に用いる電気透析用陽イオン交換膜等）にも用いることができる。
なお、２００９年７月３１日に出願された日本特許出願２００９−１７９０６６号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【符号の説明】
【０１８３】
１０  膜電極接合体
１１  触媒層
１２  ガス拡散層
１３  アノード
１４  カソード
１５  固体高分子電解質膜
１６  カーボン層
【図１】
0005609874.tif 000037
【図２】
0005609874.tif 000038