(57)【要約】      （修正有）【課題】特性が高い新規な高分子電解質およびそれを含む電解質膜を提供する。【解決手段】開示される製造方法は、プロトン伝導性を有する高分子電解質の製造方法である。この製造方法は、３つ以上の官能基（Ｃ）を有する架橋モノマー（Ｍ）、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー（Ｏ）、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する工程（ｉ）と、官能基（Ａ）と官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に溶液（Ｓ）を配置して、官能基（Ａ）と官能基（Ｃ）とを反応させる工程（ii）とを含む。官能基（Ｃ）は、官能基（Ａ）と反応することによって、所定の酸性基またはその前駆体を生成する官能基である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する高分子電解質の製造方法であって、
（ｉ）３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する工程と、
（ii）前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に前記溶液（Ｓ）を配置して、前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）とを反応させる工程と、を含み、
前記官能基（Ｃ）は、前記官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である、高分子電解質の製造方法。
【請求項２】
前記反応促進剤が、蒸気、ガス、またはエアロゾルの状態で前記空間内に分散している、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記官能基（Ａ）が、以下の式（Ｆ１）で表される少なくとも１種の官能基、または、以下の式（Ｆ２）で表される少なくとも１種の官能基であり、
前記官能基（Ｃ）が、以下の式（Ｆ３）で表される少なくとも１種の官能基、または、以下の式（Ｆ４）で表される少なくとも１種の官能基である、請求項１または２に記載の製造方法。
（Ｆ１）−ＳＯ2ＮＺ1Ｚ2
［ただし、Ｚ1およびＺ2は、それぞれ独立に、水素原子、金属原子、またはＳｉ（ＣＨ3）3を示す。］
（Ｆ２）−ＣＯＮＺ1Ｚ2
［ただし、Ｚ1およびＺ2は、それぞれ独立に、水素原子、金属原子、またはＳｉ（ＣＨ3）3を示す。］
（Ｆ３）−ＳＯ2Ｘ
［ただし、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを示す。］
（Ｆ４）−ＣＯＸ
［ただし、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを示す。］
【請求項４】
前記少なくとも１種の化合物が、前記官能基（Ｃ）として−ＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌを含み、
前記反応促進剤が塩基性化合物であり、
前記（ｉ）の工程で調製される溶液（Ｓ）が前記塩基性化合物を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記（ｉ）の工程の前に、
（ｘ）第１の鎖状部分と前記第１の鎖状部分の両端のそれぞれに結合した２つの前記官能基（Ａ）とを有する少なくとも１種の第１のモノマーと、第２の鎖状部分と前記第２の鎖状部分の両端のそれぞれに結合した２つの官能基（Ｂ）とを有する少なくとも１種の第２のモノマーとを反応させることによって、前記官能基（Ａ）を両端に備える前記オリゴマーを合成する工程をさらに含み、
前記官能基（Ｂ）は、前記官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項６】
前記（ｘ）の工程で合成されるオリゴマーの末端基の６０モル％以上が前記官能基（Ａ）である、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法で製造されたプロトン伝導性を有する高分子電解質であって、
複数の鎖状部分と、前記複数の鎖状部分を架橋する架橋部分とを含み、
前記複数の鎖状部分のそれぞれが、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基を含み、
前記架橋部分と前記鎖状部分との結合部分が、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基を含む、高分子電解質。
【請求項８】
請求項７に記載の高分子電解質を用いた高分子電解質膜を含む、膜・電極接合体。
【請求項９】
プロトン伝導性を有する高分子電解質膜の製造方法であって、
（Ｉ）３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する工程と、
（II）前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に、前記溶液（Ｓ）が浸透した多孔質膜を配置し、前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）とを前記多孔質膜内で反応させる工程と、を含み、
前記官能基（Ｃ）は、前記官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である、高分子電解質膜の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の製造方法で製造されたプロトン伝導性を有する高分子電解質膜であって、
多孔質膜と前記多孔質膜内に配置された高分子電解質とを含み、
前記高分子電解質は、複数の鎖状部分と、前記複数の鎖状部分を架橋する架橋部分とを含み、
前記複数の鎖状部分のそれぞれが、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基を含み、
前記架橋部分と前記鎖状部分との結合部分が、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基を含む、高分子電解質膜。
【請求項１１】
燃料電池用の膜・電極接合体であって、
請求項１０に記載の高分子電解質膜を含む、膜・電極接合体。
【請求項１２】
膜・電極接合体を含む燃料電池であって、
前記膜・電極接合体が、請求項８または１１に記載の膜・電極接合体である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン伝導性を有する高分子電解質および高分子電解質膜、それらの製造方法、ならびに、それらを用いた膜・電極接合体および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代のエネルギー源として燃料電池が脚光を浴びている。中でも、電解質膜にプロトン伝導性膜を用いる固体高分子形燃料電池は、エネルギー密度が高いことから、家庭用コージェネ電源、携帯機器用電源、電気自動車の電源、および簡易補助電源等の広い分野での使用が期待されている。固体高分子形燃料電池において、電解質膜は、プロトンを伝導するための電解質として機能するとともに、燃料である水素などを直接混合させない隔膜としても機能する。この様な電解質膜には、高いイオン交換容量、電気的化学的に高い安定性、低い電気抵抗、高い力学的強度、燃料ガス（水素ガスや酸素ガスなど）に対するバリア性が要求される。
【０００３】
燃料電池用の電解質膜として、酸性基（特にスルホン酸基）を有し、高いプロトン伝導性を持つ高分子膜が注目されている。その中でも、デュポン社によって開発されたパーフルオロスルホン酸膜（ナフィオン（登録商標））等が一般に用いられている。しかしながら、「ナフィオン」を始めとする従来のフッ素系高分子イオン交換膜は、化学的な安定性には優れるものの酸性基の量を表すイオン交換容量が低く、また保水性が不充分であった。
【０００４】
これら従来の電解質膜を固体高分子形燃料電池に用いた場合、始動前の電解質膜は、乾燥した状態にある。一方、燃料電池が作動すると、反応ガスに含まれる加湿水や、電池反応によって生成する水によって膜が膨潤する。従って、固体高分子形燃料電池の始動と停止とを繰り返すと、電解質膜が膨潤と収縮とを繰り返す。その結果、電解質膜が裂けたり、あるいは、電解質膜から電極が剥離したりして、性能の低下をもたらす場合がある。この問題の対策として高分子中に酸性基を多く導入すると、保水によって膜の強度が極端に低下し、膜が容易に破損したり、膜が水に溶解しやすくなる傾向がある。
【０００５】
このような問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１（特開２００３−２７２６６４号公報）には、以下の工程を有する架橋含浸フィルムの製造方法が開示されている（請求項３および４）。
（１）−ＳＯ2Ｆ基およびＳＯ2ＮＨＲ基（Ｒは、Ｈ、非置換炭化水素基または置換炭化水素基）を有するパーフルオロ共重合体と、液状のフルオロオリゴエーテルとを所定の比率で含む混合物を、ポリテトラフルオロエチレン多孔質フィルムに塗布し、
（２）多孔質フィルムを、加圧下、１６０〜３４０℃に加熱することにより、含浸フィルムとし、
（３）含浸フィルムをルイス塩基で処理した後に、加水分解および酸処理する。
【０００６】
また、特許文献１には、以下の事項が記載されている。
（ａ）原料混合物は、フルオロオリゴエーテルの可塑化効果によって、優れた溶融成形加工性を示す点（段落［００５９］）、
（ｂ）加圧下で加熱することによって、多孔質フィルムの空隙にパーフルオロ共重合体を含む組成物が充填されると同時に、分離したフルオロオリゴエーテルが多孔質フィルムの外側に排出される点（段落［００６２］）、および、
（ｃ）ルイス塩基で処理することによって、スルホンアミド基の一部がスルホンイミド架橋構造になる点（段落［００６３］）。
【０００７】
特許文献１に開示されているように、多孔質膜にパーフルオロ共重合体を充填して架橋させることによって得られる複合電解質膜は、電解質のみからなる膜に比べて、機械的強度が高い。しかしながら、この方法では、当量重量（ＥＷ）を６００ｇ／ｅｑ程度までしか下げられず、高い電気伝導度は得られない。
【０００８】
また、特許文献２（特開２００５−１７４８００号公報）および特許文献３（国際公開ＷＯ２００７／１１４４０６（Ａ１）パンフレット）には、所定の強酸基（ビススルホンイミド基（−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−）、スルホンカルボンイミド基（−ＳＯ2ＮＨＣＯ−）、またはビスカルボンイミド基（−ＣＯＮＨＣＯ−））を含む固体高分子電解質が開示されている。この電解質は、２つ以上の反応性官能基Ａおよび／またはＢを備える第１のモノマーと、３つ以上の反応性官能基Ａおよび／またはＢを備える第２のモノマーとを反応させることによって形成される。反応性官能基Ａと反応性官能基Ｂとは、それらが互いに反応することによって上記強酸基を生成可能な官能基である。このような方法によって、高い電気伝導度を有する高分子電解質が得られることが、特許文献２および３に記載されている。
【０００９】
また、特許文献２は、上記第１のモノマーおよび第２のモノマーを含む溶液を多孔質膜に含浸させた後に、それらを反応させることによって得られる電解質を開示している（請求項５）。同様に、特許文献３は、多孔質膜の細孔内に電解質が充填された複合電解質膜の製造方法を開示している（請求項１４）。多孔質膜の細孔内に充填された電解質は、多孔質膜中に充填した上記第１のモノマーと第２のモノマーとを反応させてイミドネットワークポリマを形成した後、そのイミドネットワークポリマをプロトン化することによって形成されている。
【００１０】
特許文献２および３に開示されている方法によれば、多量の強酸基を分子鎖中に備え、かつ、強酸基を介して分子鎖が架橋された高分子電解質が得られる。この高分子電解質は、従来の電解質に比べて格段に高い伝導度を持つ。また、この高分子電解質は、化学架橋と、分子鎖が物理的に絡み合うことによって形成される物理架橋とを併せ持つ構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２７２６６４号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４８００号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００７／１１４４０６（Ａ１）パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献２および３に記載の製造方法では、架橋反応に長時間を要する場合があった。また、架橋反応が不均一に生じて、高分子電解質の充填率が不充分となる場合があった。
【００１３】
このような状況において、本発明の目的の１つは、特性が高い新規な高分子電解質およびそれを含む電解質膜を提供すること、ならびにそれらを効率よく製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、プロトン伝導性を有する高分子電解質を製造するための本発明の方法は、（ｉ）３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する工程と、（ii）前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に前記溶液（Ｓ）を配置して、前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）とを反応させる工程と、を含み、前記官能基（Ｃ）は、前記官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である。
【００１５】
また、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を製造するための本発明の方法は、（Ｉ）３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する工程と、（II）前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に、前記溶液（Ｓ）が浸透した多孔質膜を配置し、前記オリゴマーの前記官能基（Ａ）と前記少なくとも１種の化合物の前記官能基（Ｃ）とを前記多孔質膜内で反応させる工程と、を含み、前記官能基（Ｃ）は、前記官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、特性が高い新規な高分子電解質およびそれを含む電解質膜を効率よく製造できる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態について、以下に説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。また、以下で説明する化合物は、特に記載がない限り、単独で用いてもよいし、複数種を併用してもよい。
【００１８】
（高分子電解質の製造方法）
プロトン伝導性を有する高分子電解質を製造するための本発明の方法は、以下の工程（ｉ）および（ii）を含む。なお、本発明の方法は、工程（ｉ）の前に、工程（ｘ）を含んでもよい。それらの工程について、以下に説明する。
【００１９】
（工程（ｘ））
工程（ｘ）では、第１の鎖状部分と第１の鎖状部分の両端のそれぞれに結合した２つの官能基（Ａ）とを有する少なくとも１種の第１のモノマーと、第２の鎖状部分と第２の鎖状部分の両端のそれぞれに結合した２つの官能基（Ｂ）とを有する少なくとも１種の第２のモノマーとを反応させることによって、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマーを合成する。より具体的には、工程（ｘ）において、第１のモノマーの官能基（Ａ）と第２のモノマーの官能基（Ｂ）とを反応させることによって、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマーを合成する。
【００２０】
工程（ｘ）では、官能基（Ａ）と官能基（Ｂ）とが反応することによって、両端が官能基（Ａ）であるオリゴマー、両端が官能基（Ｂ）であるオリゴマー、および一端が官能基（Ａ）で他端が官能基（Ｂ）であるオリゴマーが生成する可能性があるが、両端が官能基（Ａ）であるオリゴマーが少なくとも合成される。以下では、両端が官能基（Ａ）であるオリゴマーを、「オリゴマー（Ｏ）」という場合がある。
【００２１】
官能基（Ｂ）は、官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である。以下では、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−を、総称して、「イミド基類（Ｇ）」という場合がある。換言すれば、官能基（Ａ）および官能基（Ｂ）は、それらが反応することによってイミド基類（Ｇ）またはその前駆体を生成する官能基である。
【００２２】
典型的には、第１のモノマーに含まれる官能基（Ａ）は２つのみであり、第２のモノマーに含まれる官能基（Ｂ）は２つのみである。なお、官能基（Ａ）は、工程（ｘ）の反応条件において、官能基（Ａ）同士で反応しないか、または、官能基（Ａ）同士で実質的に反応しないことが好ましい。同様に、官能基（Ｂ）は、工程（ｘ）の反応条件において、官能基（Ｂ）同士で反応しないか、または、官能基（Ｂ）同士で実質的に反応しないことが好ましい。また、通常、第１のモノマーは、工程（ｘ）の反応条件において官能基（Ｂ）と反応する官能基を官能基（Ａ）以外に含まず、工程（ｘ）の反応条件において官能基（Ａ）と反応する官能基を含まず、官能基（Ａ）を２つだけ含む。また、通常、第２のモノマーは、工程（ｘ）の反応条件において官能基（Ａ）と反応する官能基を官能基（Ｂ）以外に含まず、工程（ｘ）の反応条件において官能基（Ｂ）と反応する官能基を含まず、官能基（Ｂ）を２つだけ含む。
【００２３】
典型的には、第１のモノマーは、第１の鎖状部分と２つの官能基（Ａ）のみによって構成され、第２のモノマーは、第２の鎖状部分と２つの官能基（Ｂ）のみによって構成される。しかし、第１のモノマーの第１の鎖状部分、および、第２のモノマーの第２の鎖状部分は、官能基（Ａ）および（Ｂ）と反応しない側鎖（たとえば官能基）をペンダント状に有していてもよい。そのようなモノマーを用いる場合には、オリゴマー（Ｏ）の鎖中に、官能基（Ａ）および（Ｂ）と反応しない側鎖（たとえば官能基）がペンダント状に配置される。一方、第１および第２の鎖状部分が直鎖状である第１および第２のモノマーを用いることによって、直鎖状のオリゴマー（Ｏ）が得られる。
【００２４】
第１および第２のモノマーは、分子内にＣ−Ｈ結合とＣ−Ｆ結合のいずれか一方を備えているものでもよく、あるいは、双方を備えているものでもよい。分子内にＣ−Ｆ結合を含み、かつ、Ｃ−Ｈ結合を含まないモノマーを用いることによって、高分子鎖がパーフルオロ骨格からなり、耐熱性および耐酸化性に優れたプレポリマおよび固体高分子電解質が得られる。そのため、そのようなモノマーは、オリゴマー（Ｏ）の原料として特に好適である。
【００２５】
官能基（Ａ）および官能基（Ｂ）は、これらを直接反応させることによってイミド基類（Ｇ）を形成するものであってもよいし、これらの反応によってイミド基類（Ｇ）の前駆体を形成するものであってもよい。イミド基類（Ｇ）の前駆体は、イミド基類（Ｇ）中のＮＨの水素原子が他の原子または原子団になっているものである。この前駆体は、公知の適当な処理によってイミド基類（Ｇ）に変換することが可能である。たとえば、イミド基類（Ｇ）中のＮＨの水素原子がｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル基である場合には、トリフルオロ酢酸や、４ｍｏｌ／Ｌの塩酸−酢酸エチル溶液などの強酸で処理することによって、ＮＨに変換することが可能である。
【００２６】
官能基（Ａ）と官能基（Ｂ）との組み合わせには、種々の組み合わせがある。好ましい組み合わせの一例では、官能基（Ａ）が、以下の式（Ｆ１）で表される少なくとも１種の官能基、または、以下の式（Ｆ２）で表される少なくとも１種の官能基であり、官能基（Ｂ）が、以下の式（Ｆ３）で表される少なくとも１種の官能基、または、以下の式（Ｆ４）で表される少なくとも１種の官能基である。
（Ｆ１）−ＳＯ2ＮＺ1Ｚ2
［ただし、Ｚ1およびＺ2は、それぞれ独立に、水素原子、金属原子、またはＳｉ（ＣＨ3）3を示す。］
（Ｆ２）−ＣＯＮＺ1Ｚ2
［ただし、Ｚ1およびＺ2は、それぞれ独立に、水素原子、金属原子、またはＳｉ（ＣＨ3）3を示す。］
（Ｆ３）−ＳＯ2Ｘ
［ただし、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを示す。］
（Ｆ４）−ＣＯＸ
［ただし、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを示す。］
【００２７】
上記（Ｆ１）および（Ｆ２）で表される官能基において、Ｚ1およびＺ2に用いることができる金属原子の例には、ＫやＮａなどのアルカリ金属原子や、Ｃｕなどの遷移金属原子が含まれる。
【００２８】
上記（Ｆ１）または（Ｆ２）で表される官能基と、上記（Ｆ３）または（Ｆ４）で表される官能基との組み合わせは、官能基変換を加えることなく直接反応させることが容易である場合が多いので、官能基（Ａ）および官能基（Ｂ）の組み合わせとして特に好適である。また、これらの官能基は、未反応のまま残った場合であっても適当な処理を施すことによってスルホン酸基またはカルボン酸基に変換できるため、高い電気伝導度を有するプレポリマおよび固体高分子電解質が得られる。
【００２９】
また、上記（Ｆ１）または（Ｆ２）で表される官能基の中でも、（Ｚ1、Ｚ2）の組み合わせが、（Ｈ、Ｈ）、（Ｈ、Ｍ）、（Ｓｉ（ＣＨ3）3、Ｍ）、または、（Ｈ、Ｓｉ（ＣＨ3）3）であるものは、高い反応性を有しているため、官能基（Ａ）として好適である。ここで、Ｍは金属原子を表す。また、上記（Ｆ３）または（Ｆ４）で表される官能基の中でも、ＸがＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩからなるものは、高い反応性を有しているため、官能基（Ｂ）として好適である。
【００３０】
第１のモノマーは、１種類のモノマーのみで構成されてもよいし、複数種のモノマーで構成されてもよい。また、第２のモノマーは、１種類のモノマーのみで構成されてもよいし、複数種のモノマーで構成されてもよい。たとえば、第２のモノマーの官能基（Ｂ）は、−ＳＯ2Ｘのみであってもよいし、−ＳＯ2Ｘと−ＣＯＸとの組み合わせであってもよい。
【００３１】
通常、第１のモノマーの第１の鎖状部分、および、第２のモノマーの第２の鎖状部分は、それぞれ、フッ素で置換されていてもよい炭化水素鎖で構成される。中でも、−（ＣＦ2）m−（ただし、ｍは自然数）で表される鎖状部分が好ましい。第１の鎖状部分および第２の鎖状部分のそれぞれを構成する炭素原子の数は、１〜２０の範囲にあってもよく、たとえば３〜８の範囲にあってもよい。
【００３２】
第１および第２のモノマーとしては、種々のモノマーがある。中でも、次に示すモノマー（１）および（２）は第１のモノマーとして好適であり、モノマー（３）および（４）は第２のモノマーとして好適である。これらのモノマーを用いて形成される直鎖状オリゴマーは、分子鎖がパーフルオロ骨格であるため、耐熱性および耐酸化性に優れた固体高分子電解質が得られる。そのため、これらのモノマーは、原料モノマーとして好適である。
（１）Ｚ1Ｚ2ＮＯ2Ｓ−（ＣＦ2）m−ＳＯ2ＮＺ1Ｚ2
［式（１）において、Ｚ1およびＺ2は、それぞれ独立に、水素原子、金属原子、またはＳｉ（ＣＨ3）3を示す。ｍは１〜２０の自然数を示す。］
（２）Ｚ1Ｚ2ＮＯＣ−（ＣＦ2）m−ＣＯＮＺ1Ｚ2
［式（２）において、Ｚ1およびＺ2は、それぞれ独立に、水素原子、金属原子、またはＳｉ（ＣＨ3）3を示す。ｍは１〜２０の自然数を示す。］
（３）ＸＯ2Ｓ−（ＣＦ2）m−ＳＯ2Ｘ
［式（３）において、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを示す。ｍは１〜２０の自然数を示す。］
（４）ＸＯＣ−（ＣＦ2）m−ＣＯＸ
［式（４）において、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩを示す。ｍは１〜２０の自然数を示す。］
【００３３】
モノマー（１）〜（４）の式において、ｍは３〜８の範囲にあってもよい。なお、モノマー（１）〜（４）からなる群より選ばれるモノマーが２種類以上用いられる場合、その鎖長（式中のｍ）は同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、式（１）〜（４）のモノマーの官能基の好ましい例には、式（Ｆ１）〜（Ｆ４）で述べた好ましい例が含まれる。
【００３４】
オリゴマー（Ｏ）の重合度に特に限定はない。高分子電解質に求められる条件に応じて、オリゴマー（Ｏ）の平均重合度が好ましい範囲となるように反応条件（たとえば、反応時間、反応温度、反応促進剤の量など）を選択できる。オリゴマー（Ｏ）は、たとえば、３量体〜１５量体の範囲にあってもよい。オリゴマーの重合度によって、該オリゴマーを用いて得られる電解質の架橋密度を制御することができるため、電解質の強度、含水率、保水性等を制御することが可能である。オリゴマー（Ｏ）の鎖状部分は、第１のモノマーの第１の鎖状部分、第２のモノマーの第２の鎖状部分、およびイミド基類（Ｇ）で構成される。本発明の方法では、予め合成したオリゴマー（Ｏ）を架橋するため、オリゴマー（Ｏ）の鎖長の平均および分布、および、オリゴマー（Ｏ）に含まれるイミド基類（Ｇ）の数の平均および分布を制御しやすい。
【００３５】
工程（ｘ）で合成されるオリゴマーの末端基（第１の鎖状部分と第２の鎖状部分とイミド基類（Ｇ）またはその前駆体とによって構成される鎖状部分の両端にある基）の６０モル％以上が官能基（Ａ）であることが好ましい。この割合が高いほど、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー（Ｏ）の割合が多くなる。工程（ｘ）で合成されるオリゴマーの末端基に占める官能基（Ａ）の割合は、７０モル％以上や、８０モル％以上や、９０モル％以上や、９５モル％以上であってもよい。この割合を高めることによって、架橋密度が高くなり、充分なネットワーク構造を形成できる。
【００３６】
工程（ｘ）で合成されるオリゴマーの末端基に占める官能基（Ａ）の割合は、反応条件を変えることによって調整できる。たとえば、第１のモノマーと第２のモノマーとの合計に占める第１のモノマーのモル比を増やすことによって、オリゴマーの末端基に占める官能基（Ａ）の割合を高めることができる。具体的には、第２のモノマーに対し、１．１〜２．５倍モル量の第１のモノマーを用いることが好ましく、１．２５〜２倍モル量の第１のモノマーを用いることがより好ましい。
【００３７】
工程（ｘ）における反応は、第１のモノマーおよび第２のモノマーを、所定の溶媒中に溶解または分散させた状態で反応させることによって行うことができる。当該溶媒は、所定の条件下において原料モノマーを溶解または分散可能であり、かつモノマー末端の変化・分解を起こさないものであればよい。すなわち、溶媒は、極性溶媒であってもよいし、無極性溶媒であってもよい。溶媒の例には、溶液（Ｓ）の調製に用いることができる溶媒の例として後述する溶媒が含まれる。
【００３８】
それらの溶媒の中でも、極性溶媒が好ましく、非プロトン性極性溶媒がより好ましい。別の観点では、溶媒としては、有機溶媒が好ましく、非プロトン性の極性有機溶媒がより好ましい。溶媒中の原料モノマーの濃度は特に限定されるものではなく、原料モノマーの種類に応じて適切な濃度を選択すればよい。
【００３９】
原料モノマーを反応させる際には、官能基（Ａ）と官能基（Ｂ）との反応速度を大きくする物質（すなわち、触媒作用を有する物質：反応促進剤）を溶媒に加えることが好ましい。そのような物質（試薬）の例には塩基性化合物が含まれ、具体的には、工程（ii）の反応を促進させる塩基性化合物の例として後述する塩基性化合物が含まれる。別の観点では、触媒作用を有する物質として、ルイス塩基を用いることができる。触媒作用を有する物質の量は、反応条件等に応じて適切な量を選択すればよい。
【００４０】
工程（ｘ）における反応温度は、オリゴマー（Ｏ）を効率よく合成可能な温度であればよい。反応温度は、具体的には、２５〜１２０℃の範囲にあることが好ましく、４０〜１００℃の範囲にあることがより好ましい。反応時間は、反応温度に応じて適切な時間を選択すればよい。通常、反応時間は、１分〜２４０時間の範囲にある。
【００４１】
工程（ｘ）の反応は、原料モノマーの変質（加水分解等）を防ぐために、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性雰囲気下で行うことが好ましい（以下の工程（ii）においても同様である）。また、反応温度、反応時間、および反応時の圧力は、特に限定されるものではなく、原料の種類、混合液の濃度、触媒作用を有する物質の種類および量等に応じて適切な値を選択すればよい。また、反応中に、反応液に対して、撹拌したり、せん断したり、振動を加えたりすることが好ましい。
【００４２】
（工程（ｉ））
工程（ｉ）では、３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する。官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー（Ｏ）の例には、工程（ｘ）で合成されるオリゴマー（Ｏ）が含まれるが、本発明はこれに限定されない。
【００４３】
以下では、３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物を、「架橋モノマー（Ｍ）」という場合がある。また、この明細書では、架橋モノマー（Ｍ）のうち、複数の官能基（Ｃ）を結ぶ骨格を「架橋部分」と呼ぶ場合がある。
【００４４】
官能基（Ｃ）は、官能基（Ａ）と反応することによって、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基またはその前駆体を生成する官能基である。換言すれば、官能基（Ａ）および官能基（Ｃ）は、それらが反応することによってイミド基類（Ｇ）またはその前駆体を生成する官能基である。
【００４５】
通常、官能基（Ｃ）は、工程（ii）の反応条件において、官能基（Ｃ）同士で反応しないか、または、官能基（Ｃ）同士で実質的に反応しない官能基である。また、通常、架橋モノマー（Ｍ）は、工程（ii）の反応条件において官能基（Ａ）と反応する官能基を官能基（Ｃ）以外に含まず、また、工程（ii）の反応条件において官能基（Ｃ）と反応する官能基を含まない。
【００４６】
官能基（Ｃ）の例には、官能基（Ｂ）について例示した官能基が含まれる。官能基（Ｂ）と官能基（Ｃ）とは同一であってもよいし、異なってもよい。また、官能基（Ｃ）を結ぶ架橋部分に特に限定はないが、一例では、芳香族炭化水素（たとえばベンゼン）や、炭化水素鎖、およびそれらの水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換されたもので構成される。
【００４７】
好ましい一例では、官能基（Ａ）が、上記式（Ｆ１）で表される少なくとも１種の官能基、または、上記式（Ｆ２）で表される少なくとも１種の官能基であり、官能基（Ｂ）および前記官能基（Ｃ）が、それぞれ独立に、上記式（Ｆ３）で表される少なくとも１種の官能基、または、上記式（Ｆ４）で表される少なくとも１種の官能基である。
【００４８】
溶液（Ｓ）は、架橋モノマー（Ｍ）およびオリゴマー（Ｏ）を、所定の溶媒中に溶解させることによって調製できる。当該溶媒は、所定の条件下において原料モノマーを溶解可能なものであればよい。すなわち、溶媒は、極性溶媒であってもよいし、無極性溶媒であってもよい。溶媒の例には、以下のものが含まれる。
（１）ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、四塩化炭素などの無極性溶媒、
（２）アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、アセトン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メチルイソプロピルケトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジクロロメタン、ＨＣＦＣ−２２５などの非プロトン性極性溶媒。
【００４９】
これらの中でも、極性溶媒が好ましく、非プロトン性極性溶媒がより好ましい。別の観点では、溶媒としては、有機溶媒が好ましく、非プロトン性の極性有機溶媒がより好ましい。なお、溶質の溶解性、生産性の観点から、溶質溶解性、揮発性および沸点の少なくとも１つが異なる複数種の溶媒を混合して用いてもよい。溶媒中の架橋モノマー（Ｍ）およびオリゴマー（Ｏ）の濃度は特に限定されるものではなく、それらの種類に応じて適切な濃度を選択すればよい。
【００５０】
架橋モノマー（Ｍ）の溶解性が低いために溶液（Ｓ）における架橋モノマー（Ｍ）の濃度を好ましい濃度とすることができない場合がある。特に、官能基（Ｃ）として−ＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌを用いる場合には、そのような傾向が大きい。架橋モノマー（Ｍ）の溶解性が低い場合には、後述する反応促進剤（たとえば塩基性化合物）を溶液（Ｓ）に加えることによって、架橋モノマー（Ｍ）の溶解性を高めることが可能である。この場合に溶液（Ｓ）に添加する反応促進剤の好ましい量については、後述する。
【００５１】
（工程（ii））
工程（ｉ）の次に工程（ii）が行われる。工程（ii）では、オリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）と架橋モノマー（Ｍ）の官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に溶液（Ｓ）を配置して、オリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）と架橋モノマー（Ｍ）の前記官能基（Ｃ）とを反応させる。具体的には、架橋モノマー（Ｍ）の官能基（Ｃ）と、オリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）とを反応させる。この反応によって、オリゴマー（Ｏ）同士が架橋される。工程（ii）では、反応促進剤が分散している空間内に溶液（Ｓ）を配置することによって、溶液（Ｓ）に反応促進剤を添加する。
【００５２】
反応促進剤の例には、塩基性化合物（たとえばアミン）が含まれる。反応促進剤の好ましい一例は、活性プロトンを有さない第三級アミンである。第三級アミンを用いることによって、副反応を抑制できる。より具体的には、反応促進剤の例には、トリエチルアミン（ＴＥＡ）、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン（ＤＩＰＥＡ）、トリメチルアミン（ＴＭＡ）、トリプロピルアミン（ＴＰＡ）、トリブチルアミン（ＴＢＡ）、ジアザバイシクロウンデセン（ＤＢＵ）、カリウムｔ−ブトキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチル−４−アミノピリジン（ＤＭＡＰ）等の塩基性化合物が含まれる。別の観点では、触媒作用を有する物質として、ルイス塩基を用いることができる。なお、反応促進剤は、１種類のみを用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
【００５３】
本発明の製造方法の一例では、架橋モノマー（Ｍ）が、官能基（Ｃ）として−ＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌを含み、反応促進剤が塩基性化合物であり、工程（ｉ）で調製される溶液（Ｓ）が当該塩基性化合物を含む。
【００５４】
反応促進剤は、蒸気、ガス、またはエアロゾルの状態で空間内に分散していてもよい。反応促進剤が分散している空間は、好ましくは密閉された空間であり、たとえば密閉された容器内の空間である。なお、反応促進剤をガスの状態で空間内に分散させる場合の一例では、不活性ガス雰囲気の容器内（たとえば密閉容器内）に、溶液（Ｓ）が浸透した多孔質膜を配置し、該密閉容器内に反応促進剤のガスを導入する。また、反応促進剤を蒸気の形態で空間内に分散させる場合の一例では、不活性ガス雰囲気の容器内（たとえば密閉容器内）に、溶液（Ｓ）が浸透した多孔質膜と液体の反応促進剤とを両者が直接接触しないように配置し、加熱および／または減圧によって反応促進剤を揮発させる。なお、反応を均一に進行させる観点では、蒸気またはガスの状態で反応促進剤を空間内に分散させることが好ましい。
【００５５】
揮発性が低いアミンを反応促進剤として用いる場合、反応促進剤および溶液（Ｓ）が配置された密閉容器内を減圧することによって、反応促進剤の揮発を促進してもよい。また、加熱によって反応促進剤の揮発を促進してもよい。また、オリゴマー（Ｏ）と架橋モノマー（Ｍ）との反応を阻害しない物質であって且つ揮発しやすい物質と、反応促進剤とを共沸することによって、反応促進剤の揮発を促進してもよい。
【００５６】
高分子電解質の分子量に特に限定はない。高分子電解質に求められる特性に応じて、高分子電解質の分子量が好ましい範囲となるように反応条件（たとえば、反応時間、反応温度、反応促進剤の量など）を選択できる。
【００５７】
本発明の高分子電解質（ネットワークポリマー）は、オリゴマー（Ｏ）と、架橋モノマー（Ｍ）とを反応させることによって合成される。官能基（Ａ）と官能基（Ｃ）との反応性は、本発明の高分子電解質の生産性に大きな影響を与える。特許文献３に示されている実施例では、ネットワークポリマーを形成するための重合反応が極めて遅く、２４時間以上かかっている。このため、大量生産および低コスト化の大きな問題となる。そこで鋭意検討した結果、本発明者らは、官能基（Ｃ）として−ＳＯ2Ｃｌまたは−ＣＯＣｌを用いた場合には、架橋反応が極めて速く、極めて短い時間でネットワークポリマーが得られることを見出した。
【００５８】
そのため、架橋モノマー（Ｍ）の官能基（Ｃ）は、−ＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌであることが好ましい。そのような架橋モノマー（Ｍ）としては、種々のモノマーがある。中でも、以下に示すモノマー（５）〜（８）および（９）〜（１２）は、架橋モノマー（Ｍ）として好適である。架橋モノマー（Ｍ）として架橋部分がフッ化炭素鎖であるものを用いることによって、高分子電解質の鎖状部分がパーフルオロ骨格となり、耐熱性および耐酸化性に優れた固体高分子電解質が得られる。なお、本願明細書における「架橋部分」は、モノマー（５）および（９）ではベンゼン環であり、モノマー（６）〜（８）および（１０）〜（１２）では−ＣＦ−および／または−ＣＦ2−で構成されるパーフルオロ鎖である。
【００５９】
【化１】
2014067607.tif 000002
【００６０】
［モノマー（５）において、Ｙ1、Ｙ2、およびＹ3は、ＳＯ2ＣｌまたはＣＯＣｌを示す。Ｙ1＝Ｙ2＝Ｙ3である。Ｚ3は、水素原子またはフッ素原子を示す。］
【００６１】
【化２】
2014067607.tif 000003
【００６２】
［モノマー（６）において、Ａは０〜２０の整数を示す。Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4は、ＳＯ2ＣｌまたはＣＯＣｌを示す。Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3＝Ｐ4である。］
【００６３】
［モノマー（７）および（８）において、Ａは０〜２０の整数を示し、Ｂは１〜２０の自然数を示し、Ｃは１〜２０の自然数を示す。Ｐ1、Ｐ2、およびＰ3は、ＳＯ2ＣｌまたはＣＯＣｌを示す。Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3である。］
【００６４】
【化３】
2014067607.tif 000004
【００６５】
［モノマー（９）において、Ｙ1、Ｙ2、およびＹ3は、ＳＯ2ＣｌまたはＣＯＣｌを示す。Ｙ1、Ｙ2、およびＹ3は、Ｙ1＝Ｙ2＝Ｙ3以外の組み合わせである。Ｚ3は、水素原子またはフッ素原子を示す。］
【００６６】
モノマー（９）の式において、「Ｙ1＝Ｙ2＝Ｙ3以外の組み合わせ」の例には、Ｙ1＝Ｙ2≠Ｙ3である場合、Ｙ1≠Ｙ2＝Ｙ3である場合、および、Ｙ2≠Ｙ3＝Ｙ1である場合が含まれる。
【００６７】
【化４】
2014067607.tif 000005
【００６８】
［モノマー（１０）において、Ａは０〜２０の整数を示す。Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4は、ＳＯ2ＣｌまたはＣＯＣｌを示す。Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4は、Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3＝Ｐ4以外の組み合わせである。］
【００６９】
［モノマー（１１）および（１２）において、Ａは０〜２０の整数を示し、Ｂは１〜２０の自然数を示し、Ｃは１〜２０の自然数を示す。Ｐ1、Ｐ2、およびＰ3は、ＳＯ2ＣｌまたはＣＯＣｌを示す。Ｐ1、Ｐ2、およびＰ3は、Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3以外の組み合わせである。］
【００７０】
モノマー（１０）の式において、「Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3＝Ｐ4以外の組み合わせ」の例には、Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3≠Ｐ4である場合、Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ4≠Ｐ3である場合、Ｐ1＝Ｐ3＝Ｐ4≠Ｐ2である場合、Ｐ1≠Ｐ2＝Ｐ3＝Ｐ4である場合、Ｐ1＝Ｐ2≠Ｐ3＝Ｐ4である場合、Ｐ1＝Ｐ3≠Ｐ2＝Ｐ4である場合、Ｐ1＝Ｐ4≠Ｐ2＝Ｐ3である場合が含まれる。また、モノマー（１１）および（１２）の式において、「Ｐ1＝Ｐ2＝Ｐ3以外の組み合わせ」の例には、Ｐ1＝Ｐ2≠Ｐ3である場合、Ｐ1≠Ｐ2＝Ｐ3である場合、および、Ｐ2≠Ｐ3＝Ｐ1である場合が含まれる。
【００７１】
架橋モノマー（Ｍ）の好ましい一例は、実施例で用いられるＢＴＳＣである。
【００７２】
工程（ii）では、官能基（Ａ）と官能基（Ｃ）とが反応することによって、ネットワークポリマーが合成される。この反応では、官能基（Ａ）と官能基（Ｃ）とが同じモル量となるように、架橋モノマー（Ｍ）とオリゴマー（Ｏ）とを反応させればよい。しかし、架橋反応によって生成するイミド基類（またはその前駆体）の量や、反応性を調整するために、官能基（Ｃ）が、オリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）の０．２〜３倍モル量の範囲（たとえば０．８〜１．２倍モル量の範囲）となるように、架橋モノマー（Ｍ）およびオリゴマー（Ｏ）の量を調整してもよい。
【００７３】
工程（ii）における反応温度は、使用する溶媒や試薬の沸点未満であって、架橋モノマー（Ｍ）の官能基（Ｃ）とオリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）とを効率よく反応させることができる温度であればよい。反応温度は、具体的には、２５〜１００℃の範囲にあることが好ましく、５０〜９０℃の範囲にあることがより好ましい。反応時間は、反応温度に応じて適切な時間を選択すればよい。工程（ii）における反応は比較的速く進行するため、反応時間は、通常、２０時間以下（たとえば１０時間以下や５時間以下や１時間以下）である。一例の反応時間は、１秒〜２０時間の範囲にあるが、１秒未満であってもよい。
【００７４】
（高分子電解質）
プロトン伝導性を有する本発明の高分子電解質は、電解質を製造するための本発明の方法によって製造される。そのため、上記方法で説明した事項は、本発明の高分子電解質に適用できる。本発明の高分子電解質は、あらかじめ合成されたオリゴマー（Ｏ）を架橋することによって形成される。そのため、鎖状部分の形成と鎖状部分の架橋とを同時に行う従来の方法と比べて、構造の制御が容易である。
【００７５】
別の観点では、本発明の高分子電解質は、複数の鎖状部分と、当該複数の鎖状部分を架橋する架橋部分とを含む、プロトン伝導性を有する高分子電解質である。当該鎖状部分は、オリゴマー（Ｏ）の鎖状部分である。すなわち、複数の鎖状部分のそれぞれは、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基を含む。そして、架橋部分と鎖状部分との結合部分が、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−ＳＯ2ＮＨＣＯ−、および−ＣＯＮＨＣＯ−からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸性基を含む。この高分子電解質は、電解質を製造するための本発明の方法によって製造できる。
【００７６】
本発明は、電解質粉末の製造方法に適用することも可能である。たとえば、架橋モノマー（Ｍ）、オリゴマー（Ｏ）、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製し、その溶液を基材上（たとえば平板状）にキャストし、それを反応促進剤が分散している空間に配置することによって、均一性が高い電解質粉末を製造することが可能である。
【００７７】
さらに、本発明は、燃料電池の電極触媒層の製造方法に適用することも可能である。たとえば、架橋モノマー（Ｍ）、オリゴマー（Ｏ）、溶媒、および触媒粒子を含む溶液（すなわち、触媒粒子が添加された溶液（Ｓ））を調製し、その溶液を基材上（たとえば平板状）にキャストし、それを反応促進剤が分散している空間に配置することによって、電極触媒層を製造することが可能である。
【００７８】
（電解質膜）
本発明の電解質膜は、プロトン伝導性の電解質膜であって、燃料電池に用いられる電解質膜である。この電解質膜は、電解質膜を製造するための本発明の方法で製造される。別の観点では、本発明の電解質膜は、多孔質膜と、多孔質膜内に配置された本発明の高分子電解質とを含む電解質膜である。高分子電解質は、多孔質膜の空隙や表層などに配置され、多孔質膜内でネットワークを形成している。
【００７９】
多孔質膜の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。多孔質膜の材料の例には、以下のものが含まれる。
（１）ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）などの炭化水素系ポリマー、
（２）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＰＦＡ）、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（ＦＥＰ）などのフッ素系ポリマー、
（３）多孔質シリカ、多孔質セラミックスなどの無機材料。
【００８０】
多孔質膜の膜厚、気孔率、および孔径等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて適切な値を選択すればよい。多孔質膜が薄くなりすぎると、多孔質膜の強度が不足し、膨潤・収縮に伴う電解質の寸法変化の抑制が不充分となる場合がある。また、多孔質膜が薄くなるほど、ハンドリングが困難となる場合がある。従って、多孔質膜の膜厚は、５μｍ以上であることが好ましい。多孔質膜の膜厚は、より好ましくは１０μｍ以上である。一方、多孔質膜が厚くなりすぎると、電解質膜の抵抗が大きくなり、充分な性能が得られない場合がある。従って、多孔質膜の膜厚は、５００μｍ以下であることが好ましい。多孔質膜の膜厚は、より好ましくは１００μｍ以下である。
【００８１】
多孔質膜の気孔率が低すぎると、膜全体に占める電解質の割合が低下し、抵抗が大きくなる場合がある。従って、多孔質膜の気孔率は、３０％以上であることが好ましい。多孔質膜の気孔率は、より好ましくは５０％以上であり、更に好ましくは７０％以上である。一方、多孔質膜の気孔率が大きくなりすぎると、多孔質膜の強度が不足し、電解質膜の寸法安定性が低下する場合がある。従って、多孔質膜の気孔率は、９５％以下であることが好ましい。多孔質膜の気孔率は、より好ましくは９０％以下である。
【００８２】
多孔質膜の孔径が小さくなりすぎると、電解質の充填が困難となる場合がある。従って、多孔質膜の平均孔径は、０．１μｍ以上であることが好ましい。多孔質膜の平均孔径は、より好ましくは０．５μｍ以上である。一方、多孔質膜の孔径が大きくなりすぎると、充填した電解質が気孔から脱落しやすくなる場合がある。従って、多孔質膜の平均孔径は、５μｍ以下であることが好ましい。多孔質膜の平均孔径は、より好ましくは３μｍ以下である。なお、実施例および比較例で用いた多孔質膜の平均孔径は、バブルポイント法（ＪＩＳ  Ｋ  ３８３２）の測定原理を応用した測定装置（米国のPorous Materials, Inc.社製のパームポロメーター（Perm-Porometer））によって測定したミーンフローポアサイズを平均孔径とした。
【００８３】
必要に応じて、多孔質膜に表面処理を施してもよい。例えば、溶媒として極性溶媒を用いる場合において、多孔質膜が極性溶媒との馴染みが悪い場合には、多孔質膜を親液化処理することが好ましい。親液化処理の方法としては、例えば、紫外線処理、プラズマ処理、コロナ処理、およびスパッタ処理などの、樹脂に対する一般的な表面改質方法を適用できる。
【００８４】
（電解質膜の製造方法）
本発明の高分子電解質は架橋構造を有しており、融解や溶媒への溶解が極めて困難である。そのため、原料を含む溶液を多孔質膜に含浸した後に、多孔質膜内で原料を反応させることによって、多孔質膜内に電解質が配置された電解質膜を製造する。電解質膜の製造方法は、以下の工程（Ｉ）および（II）を含む。なお、電解質膜の製造方法は、工程（Ｉ）の前に工程（Ｘ）を含んでもよい。それらの工程について以下に説明する。
【００８５】
工程（Ｘ）では、第１の鎖状部分と第１の鎖状部分の両端のそれぞれに結合した２つの官能基（Ａ）とを有する少なくとも１種の第１のモノマーと、第２の鎖状部分と第２の鎖状部分の両端のそれぞれに結合した２つの官能基（Ｂ）とを有する少なくとも１種の第２のモノマーとを反応させることによって、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー（Ｏ）を合成する。工程（Ｉ）では、架橋モノマー（Ｍ）（３つ以上の官能基（Ｃ）を有する少なくとも１種の化合物）、官能基（Ａ）を両端に備えるオリゴマー（Ｏ）、および溶媒を含む溶液（Ｓ）を調製する。工程（Ｘ）および（Ｉ）は、それぞれ、上述した工程（ｘ）および（ｉ）と同じであるため、重複する説明を省略する。
【００８６】
なお、溶液（Ｓ）の調製において、多孔質膜に対する親和性が高い溶媒を用いることによって、多孔質膜への高分子電解質の充填率を高めることができる。たとえば、多孔質膜が炭化水素系材料（ポリエチレンなど）からなる場合には、溶媒として、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン等を用いてもよい。また、多孔質膜がフッ素樹脂材料（ポリテトラフルオロエチレンなど）からなる場合には、溶媒として、アセトン、テトラヒドロフラン等を用いてもよい。
【００８７】
次に、工程（II）では、オリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）と架橋モノマー（Ｍ）の官能基（Ｃ）との反応を促進する反応促進剤が分散している空間内に、溶液（Ｓ）が浸透した多孔質膜を配置し、オリゴマー（Ｏ）の官能基（Ａ）と架橋モノマー（Ｍ）の官能基（Ｃ）とを多孔質膜内で反応させる。多孔質膜については上述したため、重複する説明を省略する。また、反応を多孔質膜中で行うことを除き、工程（II）は工程（ii）と基本的に同様であるため、重複する説明を省略する。すなわち、特に説明がない限り、工程（II）は、工程（ii）と同じ材料および同じ条件で実施できる。また、工程（II）について説明した事項は、工程（ii）に適用することが可能である。
【００８８】
本発明の製造方法では、反応促進剤が分散している空間内に、溶液（Ｓ）が浸透した多孔質膜を配置することによって、溶液（Ｓ）に反応促進剤を添加する。そのため、反応促進剤を溶液（Ｓ）に均一に添加することが可能である。
【００８９】
溶液（Ｓ）を多孔質膜中に浸透させる方法に特に限定はなく、公知の方法を用いてもよい。たとえば、加圧または減圧した後に常圧に戻すなどの圧力変化によって、溶液（Ｓ）を多孔質膜中に圧入してもよい。また、せん断応力を加えることによって溶液（Ｓ）を多孔質膜中に圧入してもよい。また、溶媒が充填された多孔質膜を溶液（Ｓ）に浸漬することによって、溶液（Ｓ）を多孔質膜内に拡散させ、それによって溶液（Ｓ）を多孔質膜中に浸透させてもよい。たとえは、原料溶液の充填率を上げるために、多孔質膜内を脱気してもよい。また、多孔質膜に対してぬれ性の高い溶媒に多孔質膜を浸漬し、多孔質膜中の気泡を除去してもよい。また、反応容器内を減圧して脱気を促進させる方法や超音波を照射する方法を用いてもよい。また、これらの方法のいくつかを組み合わせてもよい。
【００９０】
本発明の方法において、オリゴマー（Ｏ）、架橋モノマー（Ｍ）、および塩基性化合物（反応促進剤）を溶媒中で一度に混合すると、それらがすぐに反応してゲル状の高分子電解質が合成されてしまい、それらの材料を含む溶液を多孔質膜に含浸することが困難になる場合がある。さらに、短時間で電解質膜を製造するには、官能基（Ｃ）が−ＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌである多官能架橋モノマーを用いることが好ましいが、そのような架橋モノマー（Ｍ）は有機溶媒に難溶性である。そのため、原料の溶液中における架橋モノマー（Ｍ）の濃度を高めることができず、その結果、多孔質膜中に充填される電解質の量が少なくなってしまう。
【００９１】
そこで鋭意検討した結果、本願発明者等は、反応を促進させる目的で加える反応促進剤（たとえば塩基性化合物）を、反応が急激に進行しない程度に有機溶媒に加えることによって上記問題を解決できることを見出した。すなわち、適切な量の反応促進剤を有機溶媒に添加することによって、有機溶媒に難溶性である架橋モノマー（Ｍ）の溶解性が向上し、高濃度の反応溶液を調製できる。一方、初期に加える反応促進剤の量を適切な範囲とすることによって、多孔質に浸透させる前に反応溶液がゲル化することを防止できる。さらに、反応溶液を多孔質膜に浸透させた後に、当該反応溶液にさらに反応促進剤（塩基性化合物）を加えることによって、反応（ゲル化）を速やかに進行させ、高分子電解質膜を短時間で製造できる。
【００９２】
すなわち、電解質膜の製造方法の一例では、工程（Ｉ）において溶液（Ｓ）に反応促進剤（塩基性化合物）を添加してもよい。好ましい一例では、架橋モノマー（Ｍ）が官能基（Ｃ）として−ＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌを含み、反応促進剤が塩基性化合物であり、工程（ｉ）で調製される溶液（Ｓ）が当該塩基性化合物を含む。そして、工程（II）において、多孔質膜中の溶液（Ｓ）に当該塩基性化合物がさらに添加される。官能基（Ｃ）としてＳＯ2Ｃｌおよび／または−ＣＯＣｌを含む架橋モノマー（Ｍ）の溶解性を高める点で特に好ましい塩基性化合物としては、トリエチルアミンなどのアミン類が挙げられる。
【００９３】
工程（Ｉ）において溶液（Ｓ）に加えられる反応促進剤の量は、架橋反応が急激に進行せず、且つ、必要な量の架橋モノマー（Ｍ）が有機溶媒に溶解する量であればよい。一例では、工程（Ｉ）において反応溶液に加えられる反応促進剤の量は、少なくとも、反応溶液を多孔質膜に浸透させることに必要な時間（たとえば１時間）は、反応溶液が液体状態（たとえばゲル化していない状態）に保たれる量である。また、別の一例では、工程（Ｉ）において溶液（Ｓ）に加えられる反応促進剤の量は、架橋反応が急激に進行する所定量より少ない量である。
【００９４】
溶液（Ｓ）の溶媒が、オリゴマー（Ｏ）の溶解性は高いが架橋モノマー（Ｍ）の溶解性が低い溶媒である場合には、溶液（Ｓ）の調製時に適切な量の反応促進剤（たとえば塩基性化合物）を添加し、一部のオリゴマー（Ｏ）と一部の架橋モノマー（Ｍ）との反応を進行させることによって、架橋剤の溶解性を高めてもよい。添加する反応促進剤の量は、必要に応じて適宜選択すればよい。ただし、反応促進剤の添加量が多すぎると溶液（Ｓ）の調製時にゲル化が生じてしまう場合がある。一方、反応促進剤の添加量が少なすぎると、架橋モノマー（Ｍ）の溶解性の向上が不充分になる場合がある。反応促進剤の添加量は、オリゴマー（Ｏ）と架橋モノマー（Ｍ）とを反応させてゲル化するのに必要な量の７０〜９５ｍｏｌ％の範囲にあってもよく、好ましくは７５〜９３ｍｏｌ％の範囲、より好ましくは８０〜９０ｍｏｌ％の範囲にある。反応促進剤の添加量が多すぎると溶液（Ｓ）の粘度が高くなって多孔質膜内の高分子電解質の充填率が低下する場合がある。また、反応促進剤の添加量が少なすぎると、架橋モノマー（Ｍ）の溶解が不充分となり、電解質の分布が不均一となるとともに、電解質膜のイオン伝導度が低下する場合がある。なお、工程（Ｉ）において溶液（Ｓ）に添加する反応促進剤と、工程（II）において溶液（Ｓ）に添加する反応促進剤とは、同じであってもよいし異なってもよい。
【００９５】
本発明の製造方法の好ましい一例は、以下の条件を満たす。
（ａ）第３のモノマーが、上述したモノマー（５）〜（１２）からなる群より選ばれる少なくとも１種であり、たとえばモノマー（５）または（９）である。
（ｂ）工程（Ｉ）で用いられる溶媒が、非プロトン性の極性有機溶媒（たとえば、アセトンやアセトニトリル）である。
（ｃ）塩基性化合物（反応促進剤）がアミン類（たとえばトリエチルアミンやジイソプロピルエチルアミン）である。
【００９６】
なお、上記の一例では、オリゴマー（Ｏ）が、以下の第１および第２のモノマーで形成されたものであってもよい。
（ａ）第１のモノマーが、上述したモノマー（１）および（２）からなる群より選ばれる少なくとも１種である。
（ｂ）第２のモノマーが、上述したモノマー（３）および（４）からなる群より選ばれる少なくとも１種である。
【００９７】
そして、この一例では、工程（Ｉ）で溶液（Ｓ）に加えられる塩基性化合物（反応促進剤）の量は、オリゴマーの末端官能基に対して０．５倍モル〜１５倍モルの範囲であってもよく、２倍モル〜１２倍モルの範囲であることが好ましく、４倍モル〜１０倍モルの範囲であることがより好ましい。
【００９８】
本発明の製造方法によれば、多孔質膜への高分子電解質の充填率を高めることができる。その結果、高分子電解質膜のガス透過性を低減することが可能であり、また、燃料電池の出力特性を向上させることが可能である。また、本発明の製造方法によれば、生産性よく高分子電解質および高分子電解質膜を製造できる。
【００９９】
さらに、工程（Ｉ）において、ゲル化が起こらない範囲で反応促進剤（たとえば、アミン等の塩基性化合物）を溶液（Ｓ）に添加することによって、多孔質膜への高分子電解質の充填率を特に高めることができる。
【０１００】
また、本発明の製造方法の工程（II）では、架橋反応を進行させるための反応促進剤を、特別な形態で添加する。そのため、架橋反応（ゲル化）を均一に進行させることができ、性能のバラツキや充填率のバラツキが小さい電解質膜を製造することが可能である。
【０１０１】
また、本発明の製造方法によれば、多孔質膜内の高分子電解質の充填率を高くすることが可能である。そのため、本発明によれば、イオン伝導度が高い電解質膜を製造できる。また、本発明によれば、発電時の燃料電池において、燃料ガスおよび酸化剤ガスのリークを低減することが可能である。
【０１０２】
（膜・電極接合体および燃料電池）
本発明の膜・電極接合体は、燃料電池に用いられる膜・電極接合体であって、プロトン伝導性の電解質膜を含み、その電解質膜が本発明の電解質膜である。電解質膜以外の部分に特に限定はなく、たとえば公知の構成を適用できる。
【０１０３】
本発明の燃料電池は、プロトン伝導性の電解質膜を含む燃料電池であって、その電解質膜が本発明の電解質膜である。本発明の電解質膜は、膜・電極接合体で用いられる。電解質膜以外の部分に特に限定はなく、たとえば、公知の固体高分子形燃料電池の構成を適用できる。
【実施例】
【０１０４】
以下では、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。なお、以下の実施例および比較例で用いられる、Ｃ３Ｆ、Ｃ３Ａ、およびＢＴＳＣは、公知の方法で合成できる。具体的には、以下の方法で合成できる。
【０１０５】
（１）パーフルオロ脂肪族ジスルホニルフロライドの合成
パーフルオロ脂肪族ジスルホニルフロライド（ＦＳＯ2−Ｒf−ＳＯ2Ｆ）は、米国特許第２，７３２，３９８号明細書に記載されているように、対応する脂肪族ジスルホニルフロライドの電解フッ素化によって得ることができる。例えば、１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロパン−１，３−ジスルホニルフロライド（Ｃ３Ｆ）は、プロパン−１，３−ジスルホニルフロライドの電解フッ素化によって得ることができる。
【０１０６】
（２）パーフルオロ脂肪族ジスルホンアミドの合成
パーフルオロ脂肪族ジスルホンアミド（Ｈ2ＮＯ2Ｓ−Ｒf−ＳＯ2ＮＨ2）は、相当するパーフルオロ脂肪族ジスルホニルフロライド（ＦＳＯ2−Ｒf−ＳＯ2Ｆ）を液体アンモニアと反応させることによって得ることができる。例えば、１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロパン−１，３−ジスルホンアミド（Ｃ３Ａ）は、１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロパン−１，３−ジスルホニルフロライド（Ｃ３Ｆ）を液体アンモニアと反応させることによって得ることができる。
【０１０７】
具体的には、以下の方法でＣ３Ａを得た。まず、アルゴン置換して冷却した９．６Ｌの液体アンモニア中に、１２００ｇのＣ３Ｆを１時間かけて滴下した。この液体を一晩かけて昇温した後、アルゴンガスでバブリングすることによってアンモニアを除去した。その後、反応生成物の抽出、脱水、および精製を行い、Ｃ３Ａである白色結晶（５３０ｇ）を得た。
【０１０８】
（３）１，３，５−ベンゼントリスルホニルクロライド（ＢＴＳＣ）の合成
ＢＴＳＣは、以下の方法によって合成した。まず、フラスコに濃硫酸（６５０ｇ）を入れて撹拌し、ベンゼンスルホン酸ナトリウム一水和物（５００ｇ）、硫酸ナトリウム（３７１ｇ）を加え、得られた混合液を３４０度まで加熱した。この混合液を３バッチ分調製し、それらを１つに混合した。得られた混合液を、水で洗浄し、攪拌しながら水酸化ナトリウムを加え、ｐＨを１２以上とした後、過剰の水酸化ナトリウムおよび塩をろ過で除去した。次に、ろ過後の液体を撹拌後、濃硫酸を加えてｐＨを６〜７とした後、活性炭を加え、７０℃に加熱した。加熱した液体をろ過した後、ろ液中の反応生成物を再結晶させた。そして、ろ液を濃縮して再結晶を繰り返した。再結晶で得られた結晶を乾燥して、１，３，５−ベンゼントリスルホン酸ナトリウムの白色結晶（１．１２ｋｇ）を得た。
【０１０９】
アルゴンガス雰囲気下で、上記１，３，５−ベンゼントリスルホン酸ナトリウム（１１００ｇ）をフラスコに入れ、これに塩化チオニル（５Ｌ）およびジメチルホルムアミド（６６０ｍＬ）を滴下して加えた。そして、反応液を７０℃で１８時間加熱還流した。その後、反応液を氷水に注いで反応を停止させ、しばらく撹拌した。析出した結晶を濾別し、減圧乾燥した。得られた結晶に酢酸エチルを加えて加熱した後、ろ過を行った。得られたろ液中の反応生成物の再結晶を繰り返し、ＢＴＳＣの白色結晶（６２０ｇ）を得た。
【０１１０】
（実施例１）
実施例１では、本発明の電解質膜を作製した。
【０１１１】
１−１．直鎖状オリゴマー１の合成
Ｎ2雰囲気下において、１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロパン−１，３−ジスルホンアミド（Ｃ３Ａ）：４６．５ｇ（０．１５０ｍｏｌ）と、１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロパン−１，３−ジスルホニルフロライド（Ｃ３Ｆ）：３１．６ｇ（０．１００ｍｏｌ）と、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン（ＤＩＰＥＡ）：６４．６ｇ（０．５００ｍｏｌ）とを含むアセトニトリル（ＭｅＣＮ）溶液を撹拌しながら、８０℃で４８時間反応させ、褐色溶液を得た。この反応を以下に示す。
【０１１２】
【化５】
2014067607.tif 000006
【０１１３】
上記反応で得られた褐色溶液の溶媒をエバポレーターによって除去した後、４Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を２５０ｍＬ加え、その後、アセトニトリルによって有機層を抽出した。抽出した有機層をエバポレーターで濃縮させた後、２Ｎ塩酸水溶液を２５０ｍＬ加えてそのまま３０分撹拌した。次に、有機層をジエチルエーテルで洗浄した後、真空乾燥によって溶媒を完全に除去し、薄い肌色の固形物を６１．８ｇ得た。得られた固形物について、19Ｆ  ＮＭＲスペクトルを測定し、上記反応によって得られた直鎖状オリゴマー（以下では、「直鎖状オリゴマー１」という場合がある）は、平均６．０量体であると算出された。また、直鎖状オリゴマー１の末端基のうち、９３．５ｍｏｌ％が−ＳＯ2ＮＨ2であり、６．５ｍｏｌ％が−ＳＯ3Ｈであった。
【０１１４】
１−２．電解質膜の作製
Ｎ2雰囲気下において、直鎖状オリゴマー１：１９．１１ｇ（１０．００ｍｍｏｌ）と、１，３，５−ベンゼントリスルホニルクロライド（ＢＴＳＣ）：２．４９ｇ（６．６７ｍｍｏｌ）とに、アセトニトリル１９．１ｇを加えて撹拌し、溶液１を調製した。溶液１では、ＢＴＳＣはほとんど溶解しなかった。この液体に、トリエチルアミン（Ｅｔ3Ｎ）：７．２９ｇ（７２．００ｍｍｏｌ）を少しずつ滴下していくと、未溶解であったＢＴＳＣが溶解し、溶液２を得た。シャーレ内にて該溶液２に多孔質膜を浸漬した後、該シャーレを二方コックを取り付けた１０００ｍｌセパラブルフラスコ内に移し、減圧処理によって脱気を行い、多孔質膜内の空隙に溶液２を含浸させた。多孔質膜には、超高分子量ポリエチレン製の多孔質膜（帝人ソルフィル株式会社製、空孔率８２％、平均孔径０．８μｍ、膜厚２０μｍ）を用いた。以上のようにして、工程（Ｉ）を行った。
【０１１５】
次に、工程（II）を行った。具体的には、上記の１０００ｍｌセパラブルフラスコの底面に、トリエチルアミン１０ｇと、アセトン２．５ｇ（トリエチルアミンの揮発を促進する目的で添加）とを配置した。この際、シャーレ内の溶液２および多孔質膜と、トリエチルアミンおよびアセトンとが直接接触しないようにした。セパラブルフラスコ内を大気圧から０．０２ＭＰａ減圧した後、７０℃で３時間保持することによって以下の反応を進行させた。
【０１１６】
【化６】
2014067607.tif 000007
【０１１７】
上記反応式の反応生成物では、オリゴマーの鎖状部分に由来する鎖状部分がイミド基類を含み、さらに、当該鎖状部分と架橋部分（ＢＴＳＣのベンゼン環）との結合部分がイミド基類を含む。
【０１１８】
上記反応によって得られた膜を、１０ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液、１０ｖｏｌ％硫酸水溶液、および超純水で洗浄した後、乾燥し、実施例１の電解質膜を得た。
【０１１９】
（実施例２）
工程（II）の条件、すなわち架橋反応を進行させる条件を変化させたことを除き、実施例１と同様の方法で実施例２の電解質膜を得た。実施例２では、反応促進剤を供給するための溶液として、トリエチルアミンとアセトンとの混合液の代わりに、トリメチルアミン水溶液１２．５ｇを１０００ｍｌセパラブルフラスコの底面に配置した。また、当該セパラブルフラスコ内を大気圧から０．０２ＭＰａ減圧した後、室温で３０分間保持することによって架橋反応を進行させた。これらの事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例２の電解質膜を得た。
【０１２０】
（比較例１）
実施例１で記載した方法と同様の方法で溶液２を調製した。そして、溶液２を多孔質膜の細孔内に浸透させた。次に、多孔質膜が浸漬されている溶液２に、トリエチルアミン０．８１ｇ（８．００ｍｍｏｌ）を直接加え、７０℃で３時間保持することによって架橋反応を進行させた。得られた膜を、１０ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液、１０ｖｏｌ％硫酸水溶液、および超純水で洗浄した後、乾燥し、比較例１の電解質膜を得た。
【０１２１】
（比較例２）
実施例１で記載した方法と同様の方法で溶液２を調製した。そして、溶液２を多孔質膜の細孔内に浸透させた。次に、多孔質膜が浸漬されている溶液２に、トリエチルアミン８．１０ｇ（８０．００ｍｍｏｌ）をスプレーで直接噴霧し、架橋反応を進行させた。スプレーには、アズワン株式会社製スプレー（品番４−５００２−０１、５００ｍｌ）を使用した。得られた膜を比較例１と同様の方法で洗浄および乾燥し、比較例２の電解質膜を得た。
【０１２２】
（特性の評価方法）
（ａ）イオン交換容量（ＩＥＣ）
実施例および比較例の電解質膜（面積：約２ｃｍ2）を、３モル／Ｌの塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、ウォーターバス中において６０℃で１２時間以上反応させた。この電解質膜を室温まで冷却した後、イオン交換水で充分に洗浄した。置換されたプロトンを電位差自動滴定装置（ＡＴ−５１０；京都電子工業株式会社製）を使用して、０．０５Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、電解質膜のイオン交換容量を算出した。
【０１２３】
（ｂ）水膨潤率
実施例および比較例の電解質膜（面積：約６ｃｍ2）を、２５℃の超純水中に一晩浸漬し、含水状態での厚み（Ｔｗ）および寸法（ＭＤｗ、ＴＤｗ）を測定した。なお、ＭＤおよびＴＤは、それぞれ、多孔質膜作製時の膜の流れ方向（Machine Direction）および幅方向（Transverse Direction）を意味する。次に、含水状態の電解質膜を、６０℃で３時間減圧乾燥した後、Ｎ2雰囲気下、２５℃１５％ＲＨの条件において、乾燥状態での厚み（Ｔｄ）および寸法（ＭＤｄ、ＴＤｄ）を測定した。そして、厚みおよび面方向（膜表面に平行な方向）における、膨潤による寸法変化率（水膨潤率）を次式から求めた。
厚み方向の水膨潤率（％）＝（Ｔｗ−Ｔｄ）／（Ｔｄ）×１００
ＭＤ方向の水膨潤率（％）＝（ＭＤｗ−ＭＤｄ）／（ＭＤｄ）×１００
ＴＤ方向の水膨潤率（％）＝（ＴＤｗ−ＴＤｄ）／（ＴＤｄ）×１００
【０１２４】
（ｃ）乾燥密度
実施例および比較例の電解質膜（面積：約６ｃｍ2）を、６０℃で３時間減圧乾燥した後、Ｎ2雰囲気下、２５℃１５％ＲＨの条件において、乾燥状態での重量（Ｗｄ）、厚み（Ｔｄ）、寸法（ＭＤｄ、ＴＤｄ）を測定した。乾燥密度を次式から求めた。
乾燥密度＝Ｗｄ／（Ｔｄ×ＭＤｄ×ＴＤｄ）
【０１２５】
（ｄ）プロトン伝導度（σ）
１０ｍｍ幅に裁断した電解質膜を超純水に一晩浸漬した後、２５℃の超純水中において、ＬＣＲメータ（ＨＩＯＫＩ製Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｍｅｔｅｒ  ３５３２−８０）を用いて、４端子法によって交流インピーダンスを測定した。測定周波数範囲は１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚとした。得られたインピーダンスの実数部分を横軸にし、虚数部分を縦軸にしてプロットを行い、極小値の実数部分の値を膜抵抗Ｒ（Ω）とした。膜の厚さをｔ［ｃｍ］、サンプルの幅をｈ［ｃｍ］、電極の取り付け距離をＬ［ｃｍ］として、プロトン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］を次式から求めた。
σ＝Ｌ／（Ｒ×ｔ×ｈ）
【０１２６】
測定結果を表１に示す。なお、多孔質膜単独の乾燥密度は０．１５ｇ／ｃｍ3であった。
【０１２７】
【表１】
2014067607.tif 000008
【０１２８】
比較例の電解質膜に比べて、実施例の電解質膜は乾燥密度が高かった。これは、高分子電解質の充填率が高いことを示唆している。また、比較例に比べて実施例１のイオン伝導度が高かった。これは、高分子電解質の充填率が高いことによるものであると考えられる。また、実施例１と比較例２とを比較すると、反応促進剤をスプレー噴霧によって追加する比較例２の方法では、ゲル電解質の充填率の向上効果は、本発明の製造方法に比べて低かった。以上のように、ゲル化反応を均一に促進するには、蒸気、ガス、エアロゾル等の状態で反応促進剤を添加することが有効である。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、プロトン伝導性の高分子電解質および高分子電解質膜、ならびに、それらを用いた膜・電極接合体および燃料電池に利用できる。