(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）、および前記セグメント間を連結するリンカー部位をそれぞれ１個以上含有するブロック共重合体であって、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が、下記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を２０モル％以上含有し、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が、下記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を２０モル％以上含有し、前記リンカー部位が、オクタフルオロビフェニレン（−Ｃ6Ｆ4−Ｃ6Ｆ4−）またはテトラフルオロフェニレン（−Ｃ6Ｆ4−）であり、ポリスチレン換算重量平均分子量が２８万以上であるブロック共重合体からなり、共連続様の相分離構造を有する高分子電解質成型体。
【化１】
0006036297.tif 000025
（一般式（Ｓ１）中、Ａｒ1〜Ａｒ4は任意の２価のアリーレン基を表し、Ａｒ1および／またはＡｒ2はイオン性基を含有し、Ａｒ3およびＡｒ4はイオン性基を含有しても含有しなくても良い。Ａｒ1〜Ａｒ4は任意に置換されていても良く、互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ１）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【化２】
0006036297.tif 000026
（一般式（Ｓ２）中、Ａｒ5〜Ａｒ8は任意の２価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を含有しない。Ａｒ5〜Ａｒ8は互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ２）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【請求項２】
イオン性基がスルホン酸基である請求項１に記載の高分子電解質成型体。
【請求項３】
イオン交換容量が、１．５ｍｅｑ／ｇ〜３．５ｍｅｑ／ｇである請求項１または２に記載の高分子電解質成型体。
【請求項４】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のモル組成比（Ａ１／Ａ２）が、０．２以上、５以下である請求項１〜３のいずれかに記載の高分子電解質成型体。
【請求項５】
前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位が、下記式（Ｓ３）で表される請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質成型体。
【化３】
0006036297.tif 000027
【請求項６】
前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位が、下記式（Ｓ４）で表される請求項１〜５のいずれかに記載の高分子電解質成型体。
【化４】
0006036297.tif 000028
（式（Ｓ４）中、Ｍ1およびＭ2は、水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表し、Ｍ1およびＭ2は２種類以上の基を表しても良い。）
【請求項７】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の数平均分子量が、０．５万以上、５万以下である請求項１〜６のいずれかに記載の高分子電解質成型体。
【請求項８】
少なくとも下記工程（１）、（２）を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の高分子電解質成型体を構成するブロック共重合体の製造方法。
（１）下記一般式（Ｓ１）で表される構成単位、および／または、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位の前駆体となる構成単位を含有し、かつ両末端に−ＯＭ基(Ｍは、Ｈ、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。)を有するイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）または下記一般式（Ｓ２）で表される構成単位、および／または、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位の前駆体となる構成単位を含有し、かつ両末端に−ＯＭ基（Ｍは、Ｈ、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。）を有するイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の両末端の−ＯＭ基と、デカフルオロビフェニルまたはヘキサフルオロベンゼンから選択されるリンカー化合物を反応させて、リンカー部位を導入せしめる工程、
（２）（１）で合成したリンカー部位を導入したセグメントの両末端リンカー部位と、もう一方のセグメントの両末端の−ＯＭ基を重合せしめることにより、ポリスチレン換算重量平均分子量が２８万以上のブロック共重合体およびブロック共重合体前駆体を製造する工程
【化６】
0006036297.tif 000029
（一般式（Ｓ１）中、Ａｒ1〜Ａｒ4は任意の２価のアリーレン基を表し、Ａｒ1および／またはＡｒ2はイオン性基を含有し、Ａｒ3およびＡｒ4はイオン性基を含有しても含有しなくても良い。Ａｒ1〜Ａｒ4は任意に置換されていても良く、互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ１）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【化７】
0006036297.tif 000030
（一般式（Ｓ２）中、Ａｒ5〜Ａｒ8は任意の２価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を含有しない。Ａｒ5〜Ａｒ8は互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ２）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の高分子電解質成形体を用いて構成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブロック共重合体に関し、なかでも、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を有し、なおかつ優れた機械強度、化学的安定性および物理的耐久性を達成することができる実用性に優れたブロック共重合体の製造方法、ならびにそれを用いた高分子電解質成型体および固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも固体高分子型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。【０００３】
燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体（以降、ＭＥＡと略称することがある。）を構成し、このＭＥＡがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。高分子電解質膜は高分子電解質材料を主として構成される。高分子電解質材料は電極触媒層のバインダー等にも用いられる。高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられ、特に高温低加湿条件でも高いプロトン伝導性を有する必要がある。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。その他にも燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度および物理的耐久性などを必要な特性として挙げることができる。【０００４】
これまで高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン（登録商標）（デュポン社製）が広く用いられてきた。ナフィオン（登録商標）は多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、燃料クロスオーバー（燃料の透過量）が大きいという課題があった。また、膨潤乾燥によって膜の機械強度や物理的耐久性が失われるという問題、軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題が指摘されてきた。【０００５】
こうした状況において、ナフィオン（登録商標）に替わり得る安価で膜特性に優れた高分子電解質材料として、炭化水素系電解質膜の開発が近年活発化してきている。【０００６】
例えば、スルホン酸基が導入されていないセグメントおよびスルホン酸基が導入されたセグメントを有するブロック共重合体であって、前者のセグメントがポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）からなり、後者のセグメントがスルホン化ポリエーテルスルホンからなるブロック共重合体が提案されている(特許文献１、２、３)。しかしながら、これらにおいては、ガラス転移温度の高い非晶性ポリマーをベース骨格に用いているために、脆くて物理的耐久性に劣るという問題があり、しかも吸水性の高いスルホン基を多く含むために耐熱水性や物理的耐久性に劣るものであった。【０００７】
特許文献３においては、前者のセグメントが強靱なポリエーテルケトン（ＰＥＫ）からなり、後者のセグメントがスルホン化ポリエーテルエーテルケトンからなるブロック共重合体についての記載がある。しかしながら、これらにおいては、好ましい構造例として記載しているのみで、結晶性で溶剤に全く溶解しないスルホン酸基が導入されていないＰＥＫセグメントの合成に関する記載が全くなく、当該ブロック共重合体を詳細に検討したものではなかった。さらに、エーテル基とエーテル基に挟まれた電子密度の高く、反応性の高いフェニレン基やビフェニレン基を含み、なおかつ、これらの活性化された基にスルホン酸が導入されているので、酸化劣化や脱スルホン化等に対する化学的安定性が不足するというものであった。【０００８】
このように、従来技術による高分子電解質材料は、経済性、加工性、プロトン伝導性、機械強度、化学的安定性、物理的耐久性を向上する手段としては不十分であり、産業上有用な高分子電解質材料とはなり得ていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】日本国特開２００９−２３５１５８号公報
【特許文献２】日本国特開２００７−５１５５１３号公報
【特許文献３】日本国特開２００５−１２６６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を有し、なおかつ機械強度および化学的安定性に優れる上に、固体高分子型燃料電池としたときに高出力、優れた物理的耐久性を達成することができるブロック共重合体の製造方法、ならびにそれを用いた高分子電解質成型体および固体高分子型燃料電池を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の高分子電解質成型体は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）、および前記セグメント間を連結するリンカー部位をそれぞれ１つ以上含有するブロック共重合体であって、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が、下記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を２０モル％以上含有し、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が、下記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を２０モル％以上含有し、前記リンカー部位が、オクタフルオロビフェニレン（−Ｃ6Ｆ4−Ｃ6Ｆ4−）またはテトラフルオロフェニレン（−Ｃ6Ｆ4−）であり、ポリスチレン換算重量平均分子量が２８万以上であるブロック共重合体からなり、共連続様の相分離構造を有することを特徴とするものである。また、本発明の固体高分子型燃料電池は、かかる高分子電解質成型体を用いて構成されていることを特徴とするものである。
【化１】
0006036297.tif 000002
（一般式（Ｓ１）中、Ａｒ1〜Ａｒ4は任意の２価のアリーレン基を表し、Ａｒ1および／またはＡｒ2はイオン性基を含有し、Ａｒ3およびＡｒ4はイオン性基を含有しても含有しなくても良い。Ａｒ1〜Ａｒ4は任意に置換されていても良く、互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ１）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【化２】
0006036297.tif 000003
（一般式（Ｓ２）中、Ａｒ5〜Ａｒ8は任意の２価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を含有しない。Ａｒ5〜Ａｒ8は互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ２）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【発明の効果】
【００１２】
本発明の高分子電解質成型体および固体高分子型燃料電池によれば、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を有し、なおかつ機械強度と化学的安定性に優れる上に、固体高分子型燃料電池としたときに高出力、優れた物理的耐久性を達成することができる。
【００１３】
本発明のブロック共重合体の製造方法は、上述した高分子電解質成型体を構成するブロック共重合体を、効率的に製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１５】
本発明者らは、燃料電池等の高分子電解質材料として、前記課題を克服すべく、鋭意検討を重ねた結果、電子吸引性のケトン基で全てのアリーレン基を化学的に安定化させ、なおかつ、結晶性付与による強靱化、ガラス転移温度低下による柔軟化によって物理的耐久性を高めたポリエーテルケトン主鎖骨格からなるブロック共重合体が、高分子電解質材料、特に燃料電池用電解質膜として、低加湿条件下を含むプロトン伝導性と発電特性、製膜性などの加工性、耐酸化性、耐ラジカル性、耐加水分解性などの化学的安定性、膜の機械強度、耐熱水性などの物理的耐久性において優れた性能を発現でき、かかる課題を一挙に解決できることを究明するとともに、さらに種々の検討を加え、本発明を完成した。
【００１６】
すなわち、本発明の高分子電解質成型体を構成するブロック共重合体は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）、および前記セグメント間を連結するリンカー部位をそれぞれ１つ以上含有するブロック共重合体であって、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が、下記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を２０モル％以上含有する。また、本発明の高分子電解質成型体を構成するブロック共重合体は、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が、下記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を２０モル％以上含有する。
【化３】
0006036297.tif 000004
（一般式（Ｓ１）中、Ａｒ1〜Ａｒ4は任意の２価のアリーレン基を表し、Ａｒ1および／またはＡｒ2はイオン性基を含有し、Ａｒ3およびＡｒ4はイオン性基を含有しても含有しなくても良い。Ａｒ1〜Ａｒ4は任意に置換されていても良く、互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ１）または他の構成単位との結合部位を表す。）
（一般式（Ｓ２）中、Ａｒ5〜Ａｒ8は任意の２価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を含有しない。Ａｒ5〜Ａｒ8は互いに独立して２種類以上のアリーレン基が用いられても良い。＊は一般式（Ｓ２）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【００１８】
ここで、Ａｒ1〜Ａｒ8として好ましい２価のアリーレン基は、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレンジイル基などの炭化水素系アリーレン基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイルなどのヘテロアリーレン基などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
Ａｒ1および／またはＡｒ2はイオン性基を含有し、Ａｒ3およびＡｒ4はイオン性基を含有しても含有しなくても良い。また、イオン性基以外の基で置換されていてもよいが、無置換である方がプロトン伝導性、化学的安定性、物理的耐久性の点でより好ましい。さらに、好ましくはフェニレン基とイオン性基を含有するフェニレン基、最も好ましくはｐ−フェニレン基とイオン性基を含有するｐ−フェニレン基である。
【００２０】
本発明において、セグメントとは、ブロック共重合体中の部分構造であって、１種類の繰り返し単位または複数種類の繰り返し単位の組合せからなるものであり、分子量が２０００以上のものを表す。本発明のブロック共重合体は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とともに、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）を含有する。なお本発明において、「イオン性基を含有しないセグメント」と記載するが、当該セグメント（Ａ２）は本発明の効果に悪影響を及ぼさない範囲でイオン性基を少量含んでいても構わない。以下「イオン性基を含有しない」は同様の意味で用いる場合がある。
【００２１】
また、本発明において、リンカーとは、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）と、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）との間を連結する部位であって、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）やイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）とは異なる化学構造を有する部位と定義する。このリンカーは、エーテル交換反応によるランダム化、セグメント切断、副反応を抑制しながら、異なるセグメントを連結することができるので、本発明のブロック共重合体を得るために必要である。リンカーがない場合には、ランダム化等のセグメント切断が起こる場合があるために、本発明の効果が十分に得られない。
【００２２】
本発明のブロック共重合体は、２種類以上の互いに不相溶なセグメント鎖、すなわち、イオン性基を含有する親水性セグメントと、イオン性基を含有しない疎水性セグメントがリンカー部位により連結され、１つのポリマー鎖を形成したものである。ブロック共重合体においては、化学的に異なるセグメント鎖間の反発から生じる短距離相互作用により、それぞれのセグメント鎖からなるナノまたはミクロドメインに相分離し、セグメント鎖がお互いに共有結合していることから生じる長距離相互作用の効果により、各ドメインが特定の秩序を持って配置せしめられる。各セグメント鎖からなるドメインが集合して作り出す高次構造は、ナノまたはミクロ相分離構造と呼ばれ、高分子電解質膜のイオン伝導については、膜中におけるイオン伝導セグメントの空間配置、すなわち、ナノまたはミクロ相分離構造が重要になる。ここで、ドメインとは、１本または複数のポリマー鎖において、類似するセグメントが凝集してできた塊のことを意味する。
【００２３】
本発明のブロック共重合体は、化学構造として、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）中に、それぞれ前記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）で表される構成単位を含有させ、なおかつ、ポリマー高次構造として、ナノまたはミクロ相分離構造を制御することによって、化学的耐久性や物理的耐久性と優れたイオン伝導性、特に、低加湿条件下においても高いプロトン伝導性を実現することができる。
【００２４】
本発明のブロック共重合体の化学構造、セグメント鎖長、分子量、イオン交換容量などを適宜選択することにより、高分子電解質材料の加工性、ドメインサイズ、結晶性／非晶性、機械強度、プロトン伝導性、寸法安定性等の諸特性を制御することが可能である。
【００２５】
次に、本発明のブロック共重合体について、好ましい具体例を挙げる。本発明のブロック共重合体は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）がドメインを形成することで、高分子電解質材料や高分子電解質膜として、幅広い湿度条件で高プロトン伝導度を示す。
【００２６】
本発明のブロック共重合体に使用されるイオン性基は、負電荷を有する原子団が好ましく、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式（ｆ１）で表される基、スルホンイミド基は下記一般式（ｆ２）で表される基［一般式（ｆ２）中、Ｒは任意の有機基を表す。］、硫酸基は下記一般式（ｆ３）で表される基、ホスホン酸基は下記一般式（ｆ４）で表される基、リン酸基は下記一般式（ｆ５）または（ｆ６）で表される基、カルボン酸基は下記一般式（ｆ７）で表される基を意味する。
【化４】
0006036297.tif 000005
【００２７】
かかるイオン性基は、前記官能基（ｆ１）〜（ｆ７）が塩となっている場合を含むものとする。このような塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、ＮＲ4+（Ｒは任意の有機基）等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ等が挙げられる。中でも、本発明に用いるブロック共重合体としては、安価で、容易にプロトン置換可能なＮａ、Ｋ、Ｌｉがより好ましく使用される。
【００２８】
これらのイオン性基は高分子電解質材料中に２種類以上含むことができ、組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、原料コストの点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。
【００２９】
本発明のブロック共重合体がスルホン酸基を有する場合、そのイオン交換容量は、プロトン伝導性と耐水性のバランスの点から、０．１〜５ｍｅｑ／ｇが好ましく、より好ましくは１．５ｍｅｑ／ｇ以上、さらに好ましくは１．８ｍｅｑ／ｇ以上、最も好ましくは２．１ｍｅｑ／ｇ以上である。また、ブロック共重合体のイオン交換容量は３．５ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、より好ましくは２．９ｍｅｑ／ｇ以下、さらに好ましくは２．６ｍｅｑ／ｇ以下、最も好ましくは２．３ｍｅｑ／ｇ以下である。イオン交換容量が０．１ｍｅｑ／ｇより小さい場合には、プロトン伝導性が不足する場合があり、５ｍｅｑ／ｇより大きい場合には、耐水性が不足する場合がある。
【００３０】
本発明のブロック共重合体としては、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）と、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のモル組成比（Ａ１／Ａ２）が、０．２以上であることがより好ましく、０．３３以上がさらに好ましく、０．５以上が最も好ましい。また、モル組成比（Ａ１／Ａ２）は５以下がより好ましく、３以下がさらに好ましく、２以下が最も好ましい。モル組成比Ａ１／Ａ２が、０．２未満あるいは５を越える場合には、本発明の効果が不十分となる場合があり、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足したり、耐熱水性や物理的耐久性が不足する場合があるので好ましくない。
【００３１】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）のイオン交換容量は、低加湿条件下でのプロトン伝導性の点から、高いことが好ましく、より好ましくは２．５ｍｅｑ／ｇ以上、さらに好ましくは、３ｍｅｑ／ｇ以上、最も好ましくは３．５ｍｅｑ／ｇ以上である。また、６．５ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、５ｍｅｑ／ｇ以下がさらに好ましく、最も好ましいのは４．５ｍｅｑ／ｇ以下である。イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）のイオン交換容量が２．５ｍｅｑ／ｇ未満の場合には、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足する場合があり、６．５ｍｅｑ／ｇを越える場合には、耐熱水性や物理的耐久性が不足する場合があるので好ましくない。
【００３２】
イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のイオン交換容量は、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性の点から、低いことが好ましく、より好ましくは１ｍｅｑ／ｇ以下、さらに好ましくは０．５ｍｅｑ／ｇ、最も好ましくは０．１ｍｅｑ／ｇ以下である。イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のイオン交換容量が１ｍｅｑ／ｇを越える場合には、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性が不足する場合があるので好ましくない。
【００３３】
ここで、イオン交換容量とは、ブロック共重合体、高分子電解質材料、および高分子電解質膜の単位乾燥重量当たりに導入されたスルホン酸基のモル量であり、この値が大きいほどスルホン化の度合いが高いことを示す。イオン交換容量は、元素分析、中和滴定法等により測定が可能である。元素分析法を用い、Ｓ／Ｃ比から算出することもできるが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは測定することが難しい。従って、本発明においては、イオン交換容量は、中和滴定法により求めた値と定義する。本発明の高分子電解質材料、および高分子電解質膜は、後述するように本発明のブロック共重合体とそれ以外の成分からなる複合体である態様を含むが、その場合もイオン交換容量は複合体の全体量を基準として求めるものとする。
【００３４】
中和滴定の測定例は、以下のとおりである。測定は３回以上行ってその平均値を取るものとする。
（１）プロトン置換し、純粋で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、１００℃にて１２時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求める。
（２）電解質に５重量％硫酸ナトリウム水溶液を５０ｍＬ加え、１２時間静置してイオン交換する。
（３）０．０１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液０．１ｗ／ｖ％を加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
（４）イオン交換容量は下記の式により求める。
イオン交換容量(ｍｅｑ／ｇ)＝〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(ｍｍｏｌ／ｍＬ)×滴下量(ｍＬ)〕／試料の乾燥重量(ｇ)
【００３５】
本発明のブロック共重合体を得るためにイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。
【００３６】
イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いればよい。かかる方法は例えば、ジャーナル  オブ  メンブレン  サイエンス（Journal of Membrane Science）,197,2002,p.231-242に記載がある。この方法はポリマーのイオン交換容量の制御、工業的にも適用が容易であり、特に好ましい。
【００３７】
高分子反応でイオン性基を導入する方法について例を挙げて説明する。芳香族系高分子へのホスホン酸基導入は、例えば、ポリマープレプリンツ（Polymer Preprints, Japan）,51,2002,p.750等に記載の方法によって可能である。芳香族系高分子へのリン酸基導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子へのカルボン酸基導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族系高分子への硫酸基導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子の硫酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば日本国特開平２−１６１２６号公報あるいは日本国特開平２−２０８３２２号公報等に記載の方法を用いることができる。
【００３８】
具体的には、例えば、芳香族系高分子をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系高分子をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、制御することができる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。
【００３９】
次に、本発明のブロック共重合体において、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としては、化学的に安定な上、強い分子間凝集力から結晶性を示す構成単位がより好ましく、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性に優れたブロック共重合体を得ることができる。
【００４０】
イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）が含有する前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位のより好ましい具体例としては、原料入手性の点で、下記一般式（Ｐ１）で表される構成単位が挙げられる。中でも、結晶性による機械強度、寸法安定性、物理的耐久性の点から、下記式（Ｓ３）で表される構成単位がさらに好ましい。イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）中に含まれる前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位の含有量としては、より多い方が好ましく、２０モル％以上であり、５０モル％以上が好ましく、８０モル％以上がより好ましい。含有量が２０モル％未満である場合には、結晶性による機械強度、寸法安定性、物理的耐久性に対する本発明の効果が不足する場合があり好ましくない。
【化５】
0006036297.tif 000006
【００４１】
イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位以外に共重合せしめる構成単位の好ましい例は、ケトン基を含む芳香族ポリエーテル系重合体、すなわち、下記一般式（Ｑ１）で示される構成単位を有するもので、イオン性基を含有しないものが挙げられる。
【化６】
0006036297.tif 000007
（一般式（Ｑ１）中のＺ1、Ｚ2は芳香環を含む２価の有機基を表し、それぞれが２種類以上の基を表しても良いが、イオン性基は含まない。ａおよびｂはそれぞれ独立に正の整数を表す。）
【００４２】
一般式（Ｑ１）中のＺ1およびＺ2として好ましい有機基としては、Ｚ1がフェニレン基、かつ、Ｚ2が下記一般式（Ｘ−１）、（Ｘ−２）、（Ｘ−４）、（Ｘ−５）から選ばれた少なくとも１種であることがより好ましい。また、イオン性基以外の基で置換されていてもよいが、無置換である方が結晶性付与の点でより好ましい。Ｚ1およびＺ2としては、さらに好ましくはフェニレン基、最も好ましくはｐ−フェニレン基である。
【化７】
0006036297.tif 000008
（一般式（Ｘ−１）、（Ｘ−２）、（Ｘ−４）、（Ｘ−５）で表される基は、イオン性基以外の基で任意に置換されていてもよい。）。
【００４３】
前記一般式（Ｑ１）で示される構成単位の好適な具体例としては、下記一般式（Ｑ２）〜（Ｑ７）で示される構成単位などを挙げることができるが、これらに限定されることなく、結晶性や機械強度を考慮して適宜選択することが可能である。なかでも、結晶性と製造コストの点から、前記一般式（Ｑ１）で示される構成単位としては、下記一般式（Ｑ２）、（Ｑ３）、（Ｑ６）、（Ｑ７）がより好ましく、前記一般式（Ｑ２）、(Ｑ７)が最も好ましい。
【化８】
0006036297.tif 000009
（一般式（Ｑ２）〜（Ｑ７）は、全てパラ位で表しているが、結晶性を有するものであれば、オルト位やメタ位等他の結合位置を含んでも構わない。ただし、結晶性の観点からパラ位がより好ましい。）
【００４４】
本発明のブロック共重合体において、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としては、化学的に安定で、電子吸引効果により酸性度が高められ、スルホン酸基が高密度に導入された構成単位がより好ましく、低加湿条件下のプロトン伝導性に優れたブロック共重合体を得ることができる。
【００４５】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）が含有する前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位のより好ましい具体例としては、原料入手性の点で、下記一般式（Ｐ２）で表される構成単位が挙げられる。中でも、原料入手性と重合性の点から、下記式（Ｐ３）で表される構成単位がさらに好ましく、下記式（Ｓ４）で表される構成単位が最も好ましい。イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）中に含まれる一般式（Ｓ１）で表される構成単位の含有量としては、より多い方が好ましく、２０モル％以上であり、５０モル％以上が好ましく、８０モル％以上がより好ましい。含有量が２０モル％未満である場合には、化学的安定性と低加湿条件下でのプロトン伝導性に対する本発明の効果が不足する場合があり好ましくない。
【化９】
0006036297.tif 000010
（式（Ｐ２）（Ｐ３）（Ｓ４）中、Ｍ1〜Ｍ4は、水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表し、Ｍ1〜Ｍ4は２種類以上の基を表しても良い。また、ｒ１〜ｒ４は、それぞれ独立に０〜２、ｒ１＋ｒ２は１〜８を表し、ｒ１〜ｒ４は２種類以上の数値を表しても良い。）
【００４６】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位以外に共重合せしめる構成単位の好ましい例は、ケトン基を含む芳香族ポリエーテル系重合体で、イオン性基を含有するものが挙げられる。
【００４７】
本発明に使用するイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）の合成方法については、実質的に十分な分子量が得られる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と２価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
【００４８】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）中に用いる芳香族活性ジハライド化合物として、芳香族活性ジハライド化合物にイオン酸基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、化学的安定性、製造コスト、イオン性基の量を精密制御が可能な点から好ましい。イオン性基としてスルホン酸基を有するモノマーの好適な具体例としては、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジクロロジフェニルスルホン、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロジフェニルスルホン、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジクロロジフェニルケトン、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロジフェニルケトン、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００４９】
プロトン伝導度および耐加水分解性の点からイオン性基としてはスルホン酸基が最も好ましいが、本発明に使用されるイオン性基を有するモノマーは他のイオン性基を有していても構わない。なかでも化学的安定性と物理的耐久性の点から、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジクロロジフェニルケトン、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。
【００５０】
イオン性基を有するモノマーとして、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジクロロジフェニルケトン、３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロジフェニルケトンを用いて合成したイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としては、下記一般式（ｐ１）で表される構成単位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。該芳香族ポリエーテル系重合体は、ケトン基の有する高い結晶性の特性に加え、スルホン基よりも耐熱水性に優れる成分となり、高温高湿度条件での寸法安定性、機械強度、物理的耐久性に優れた材料に有効な成分となるのでさらに好ましく用いられる。これらのスルホン酸基は重合の際には、スルホン酸基が１価カチオン種との塩になっていることが好ましい。１価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。
【化１０】
0006036297.tif 000011
（一般式（ｐ１）中、Ｍ1およびＭ2は水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、ａ１およびａ２は１〜４の整数を表す。一般式（ｐ１）で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。）
【００５１】
また、芳香族活性ジハライド化合物としては、イオン性基を有するものと持たないものを共重合することで、イオン性基密度を制御することも可能である。しかしながら、本発明のイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としては、プロトン伝導パスの連続性確保の観点から、イオン性基を持たない芳香族活性ジハライド化合物を共重合しないことがより好ましい。
【００５２】
イオン性基を持たない芳香族活性ジハライド化合物のより好適な具体例としては、４，４'−ジクロロジフェニルスルホン、４，４'−ジフルオロジフェニルスルホン、４，４'−ジクロロジフェニルケトン、４，４'−ジフルオロジフェニルケトン、４，４'−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、４，４'−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、２，６−ジクロロベンゾニトリル、２，６−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。中でも４，４'−ジクロロジフェニルケトン、４，４'−ジフルオロジフェニルケトンが結晶性付与、機械強度や物理的耐久性、耐熱水性の点からより好ましく、重合活性の点から４，４'−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。
【００５３】
芳香族活性ジハライド化合物として、４，４'−ジクロロジフェニルケトン、４，４'−ジフルオロジフェニルケトンを用いて合成した高分子電解質材料としては、下記一般式（ｐ２）で表される構成部位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。該構成単位は分子間凝集力や結晶性を付与する成分となり、高温高湿度条件での寸法安定性、機械強度、物理的耐久性に優れた材料となるので好ましく用いられる。
【化１１】
0006036297.tif 000012
（一般式（ｐ２）で表される構成単位は任意に置換されていてもよいが、イオン性基は含有しない。）
【００５４】
また、共重合することができるイオン性基を有しないモノマーとして、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を挙げることができる。ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物としても特に制限されることはないが、４−ヒドロキシ−４'−クロロベンゾフェノン、４−ヒドロキシ−４'−フルオロベンゾフェノン、４−ヒドロキシ−４'−クロロジフェニルスルホン、４−ヒドロキシ−４'−フルオロジフェニルスルホン、４−（４'−ヒドロキシビフェニル）（４−クロロフェニル）スルホン、４−（４'−ヒドロキシビフェニル）（４−フルオロフェニル）スルホン、４−（４'−ヒドロキシビフェニル）（４−クロロフェニル）ケトン、４−（４'−ヒドロキシビフェニル）（４−フルオロフェニル）ケトン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、２種以上の混合物として使用することもできる。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応においてこれらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系化合物を合成しても良い。
【００５５】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位以外に共重合せしめる構成単位の好ましい例としては、前記一般式（ｐ１）および（ｐ２）で表される構成単位を含有する下記一般式（Ｔ１）および（Ｔ２）で表される構成単位からなる芳香族ポリエーテルケトン系共重合体が特に好ましい。
【化１２】
0006036297.tif 000013
（一般式（Ｔ１）および（Ｔ２）中、Ａは芳香環を含む２価の有機基、Ｍ5およびＭ6は水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表し、Ａは２種類以上の基を表しても良い。）
【００５６】
一般式（Ｔ１）と（Ｔ２）で表される構成単位の組成比を変えることで、イオン交換容量を制御することが可能である。前記一般式（ｐ１）、（Ｔ１）および（Ｔ２）で表わされる構成単位の量を、ｐ１，Ｔ１およびＴ２とするとき、Ｔ１とＴ２の合計モル量を基準として、ｐ１の導入量としては、好ましくは７５モル％以上、より好ましくは９０モル％以上、最も好ましくは１００モル％である。ｐ１の導入量が７５モル％未満である場合には、プロトン伝導バスの構築が不十分となる場合があり好ましくない。
【００５７】
ここで、前記一般式（Ｔ１）および（Ｔ２）中の芳香環を含む２価の有機基Ａとしては、芳香族求核置換反応による芳香族ポリエーテル系重合体の重合に用いることができる各種２価フェノール化合物を使用することができ、特に限定されるものではない。また、これらの芳香族ジヒドロキシ化合物にスルホン酸基が導入されたものをモノマーとして用いることもできる。
【００５８】
芳香環を含む２価の有機基Ａの好適な具体例としては、下記一般式（Ｘ’−１）〜（Ｘ’−６）で示される基を例示できるが、これらに限定されるものではない。
【化１３】
0006036297.tif 000014
（式（Ｘ’−１）〜（Ｘ’−６）で表される基は任意に置換されていてもよい。）
【００５９】
これらはイオン性基を有していてもよい。側鎖に芳香環を有するものも好ましい具体例である。また、これらは必要に応じて併用することも可能である。なかでも、結晶性、寸法安定性、強靱性、化学的安定性の観点から、より好ましくは最も好ましくは前記一般式（Ｘ’−１）〜（Ｘ’−４）で示される基、最も好ましくは前記一般式（Ｘ’−２）または（Ｘ’−３）で示される基である。
【００６０】
イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の数平均分子量は、相分離構造のドメインサイズに関係し、低加湿でのプロトン伝導性と物理的耐久性のバランスから、いずれも０．５万以上がより好ましく、さらに好ましくは１万以上、最も好ましくは１．５万以上である。また、５万以下がより好ましく、さらに好ましくは、４万以下、最も好ましくは３万以下である。
【００６１】
本発明のブロック共重合体は、高分子電解質材料として好適であり、特に、高分子電解質成型体として好適に用いられる。本発明において高分子電解質成型体とは、本発明の高分子電解質材料を含有する成型体を意味する。本発明の高分子電解質成型体としては、膜類（フィルムおよびフィルム状のものを含む）の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発泡体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。ポリマーの設計自由度の向上および機械特性や耐溶剤性等の各種特性の向上が図れることから、幅広い用途に適応可能である。特に高分子電解質成型体が膜類であるときに好適である。
【００６２】
本発明の高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池用として使用する際には、高分子電解質膜および電極触媒層などが好適である。中でも高分子電解質膜に好適に用いられる。固体高分子型燃料電池用として使用する場合、通常、膜の状態で高分子電解質膜や電極触媒層バインダーとして使用されるからである。
【００６３】
本発明の高分子電解質成型体は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、耐塩素性逆浸透膜などのイオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途、加湿膜、防曇膜、帯電防止膜、太陽電池用膜、ガスバリアー材料に適用可能である。また、人工筋肉、アクチュエーター材料としても好適である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。
【００６４】
次に、本発明の高分子電解質成型体を得るための製造方法について具体的に説明する。
【００６５】
従来のイオン性基を含有するセグメント、イオン性基を含有しないセグメント、およびセグメント間を連結するリンカー部位からなるブロック共重合体は、重合時や製膜時に溶剤可溶性が必要という合成上の制限から、イオン性基を含有するセグメントだけでなく、イオン性基を含有しないセグメントも溶解性のある非晶性ポリマーで構成されていた。これらイオン性基を含有しない非晶性セグメントは、ポリマー分子鎖の凝集力に乏しいため、膜状に成型された場合に靭性が不足したり、イオン性基を含有するセグメントの膨潤を抑えきれず、十分な機械強度や物理的耐久性を達成することができなかった。また、イオン性基の熱分解温度の問題から、通常キャスト成型が用いられるため、溶解性の乏しい結晶性ポリマーでは、均一で強靱な膜を得ることはできなかった。
【００６６】
本発明の高分子電解質成型体は、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を含有し、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）を有するブロック共重合体から構成される。当該イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）は、結晶性を示すセグメントであるため、少なくともイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）に保護基を導入したブロック共重合体前駆体を成型した後、成型体に含有される該保護基の少なくとも一部を脱保護せしめることにより製造することが出来る。ブロック共重合体では、ランダム共重合体よりも、ドメインを形成したポリマーの結晶化により、加工性が不良となる傾向があるので、少なくともイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）に保護基を導入し、加工性を向上させることが好ましく、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）についても、加工性が不良となる場合には保護基を導入することが好ましい。
【００６７】
本発明に使用する保護基の具体例としては、有機合成で一般的に用いられる保護基があげられ、該保護基とは、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基であり、反応性の高い官能基を保護し、その後の反応に対して不活性とするものであり、反応後に脱保護して元の官能基に戻すことのできるものである。すなわち、保護される官能基と対となるものであり、例えばｔ−ブチル基を水酸基の保護基として用いる場合があるが、同じｔ−ブチル基がアルキレン鎖に導入されている場合は、これを保護基とは呼ばない。保護基を導入する反応を保護（反応）、除去する反応を脱保護（反応）と呼称される。
【００６８】
このような保護反応としては、例えば、セオドア・ダブリュー・グリーン（Theodora W. Greene）、「プロテクティブ  グループス  イン  オーガニック  シンセシス」（Protective Groups in Organic Synthesis）、米国、ジョン  ウイリー  アンド  サンズ（John Wiley & Sons, Inc）、１９８１、に詳しく記載されており、これらが好ましく使用できる。保護反応および脱保護反応の反応性や収率、保護基含有状態の安定性、製造コスト等を考慮して適宜選択することが可能である。また、重合反応において保護基を導入する段階としては、モノマー段階からでも、オリゴマー段階からでも、ポリマー段階でもよく、適宜選択することが可能である。
【００６９】
保護反応の具体例を挙げるとすれば、ケトン部位をケタール部位で保護／脱保護する方法、ケトン部位をケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオケタール、で保護／脱保護する方法が挙げられる。これらの方法については、前記「プロテクティブ  グループス  イン  オーガニック  シンセシス」（Protective Groups in Organic Synthesis）のチャプター４に記載されている。また、スルホン酸と可溶性エステル誘導体との間で保護／脱保護する方法、芳香環に可溶性基としてｔ−ブチル基を導入および酸で脱ｔ−ブチル化して保護／脱保護する方法等が挙げられる。しかしながら、これらに限定されることなく、保護基であれば好ましく使用できる。一般的な溶剤に対する溶解性を向上させる点では、立体障害が大きいという点で脂肪族基、特に環状部分を含む脂肪族基が保護基として好ましく用いられる。
【００７０】
保護反応としては、反応性や安定性の点で、さらに好ましくは、ケトン部位をケタール部位で保護／脱保護する方法、ケトン部位をケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオケタール、で保護／脱保護する方法である。本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜において、保護基を含む構成単位として、より好ましくは下記一般式（Ｕ１）および（Ｕ２）から選ばれる少なくとも１種を含有するものである。
【化１４】
0006036297.tif 000015
（式（Ｕ１）および（Ｕ２）において、Ａｒ9〜Ａｒ12は任意の２価のアリーレン基、Ｒ1およびＲ2はＨおよびアルキル基から選ばれた少なくとも１種の基、Ｒ3は任意のアルキレン基、ＥはＯまたはＳを表し、それぞれが２種類以上の基を表しても良い。式（Ｕ１）および（Ｕ２）で表される基は任意に置換されていてもよい。＊は一般式（Ｕ１），（Ｕ２）または他の構成単位との結合部位を表す。）
【００７１】
なかでも、化合物の臭いや反応性、安定性等の点で、前記一般式（Ｕ１）および（Ｕ２）において、ＥがＯである、すなわち、ケトン部位をケタール部位で保護／脱保護する方法が最も好ましい。
【００７２】
前記一般式（Ｕ１）中のＲ1およびＲ2としては、安定性の点でアルキル基であることがより好ましく、さらに好ましくは炭素数１〜６のアルキル基、最も好ましく炭素数１〜３のアルキル基である。また、前記一般式（Ｕ３）中のＲ3としては、安定性の点で炭素数１〜７のアルキレン基、すなわち、Ｃn1Ｈ2n1（ｎ１は１〜７の整数）で表される基であることがより好ましく、最も好ましくは炭素数１〜４のアルキレン基である。Ｒ3の具体例としては、−ＣＨ2ＣＨ2−、−ＣＨ（ＣＨ3）ＣＨ2−、−ＣＨ（ＣＨ3）ＣＨ（ＣＨ3）−、−Ｃ（ＣＨ3）2ＣＨ2−、−Ｃ（ＣＨ3）2ＣＨ（ＣＨ3）−、−Ｃ（ＣＨ3）2Ｏ（ＣＨ3）2−、−ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2−、−ＣＨ2Ｃ（ＣＨ3）2ＣＨ2−等があげられるが、これらに限定されるものではない。Ｒ3としては、安定性、合成の容易さの点から−ＣＨ2ＣＨ2−、−ＣＨ（ＣＨ3）ＣＨ2−、または−ＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2−から選ばれた少なくとも１種であることが最も好ましい。
【００７３】
前記一般式（Ｕ１）および（Ｕ２）で表される構成単位のなかでも、耐加水分解性などの安定性の点から少なくとも前記一般式（Ｕ２）を有するものがより好ましく用いられる。
【００７４】
前記一般式（Ｕ１）および（Ｕ２）中のＡｒ9〜Ａｒ12として好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、またはビフェニレン基である。これらは任意に置換されていてもよい。本発明のブロック共重合体としては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式（Ｕ２）中のＡｒ11およびＡｒ12が共にフェニレン基であることがより好ましく、最も好ましくはＡｒ11およびＡｒ12が共にｐ−フェニレン基である。
【００７５】
本発明において、ケトン部位をケタールで保護する方法としては、ケトン基を有する前駆体化合物を、酸触媒存在下で１官能および／または２官能アルコールと反応させる方法が挙げられる。例えば、ケトン前駆体の４，４'−ジヒドロキシベンゾフェノンと１官能および／または２官能アルコール、脂肪族又は芳香族炭化水素などの溶媒中で臭化水素などの酸触媒の存在下で反応させることによって製造できる。アルコールは炭素数１〜２０の脂肪族アルコールである。本発明に使用するケタールモノマーを製造するための改良法は、ケトン前駆体の４，４'−ジヒドロキシベンゾフェノンと２官能アルコールをアルキルオルトエステル及び固体触媒の存在下に反応させることからなる。
【００７６】
本発明において、ケタールで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではない。前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性の観点からは、膜等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を塩酸水溶液や硫酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。
【００７７】
ポリマーに対して必要な酸性水溶液の重量比は、好ましくは１〜１００倍であるけれども更に大量の水を使用することもできる。酸触媒は好ましくは存在する水の０．１〜５０重量％の濃度において使用する。好適な酸触媒としては塩酸、硝酸、フルオロスルホン酸、硫酸などのような強鉱酸（強無機酸）、及びｐ−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸などのような強有機酸が挙げられる。ポリマーの膜厚等に応じて、酸触媒及び過剰水の量、反応圧力などは適宜選択できる。
【００７８】
例えば、膜厚２５μｍの膜であれば、６Ｎ塩酸水溶液、５重量％硫酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、室温〜９５℃で１〜４８時間加熱することにより、容易にほぼ全量を脱保護することが可能である。また、２５℃の１Ｎ塩酸水溶液に２４時間浸漬しても、実質的に全ての保護基を脱保護することは可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガス、有機酸、熱処理によって脱保護しても構わない。
【００７９】
具体的には、例えば前記一般式（Ｕ１）および（Ｕ２）で表される構成単位を含有するブロック共重合体の前駆体は、２価フェノール化合物としてそれぞれ下記一般式（Ｕ１−１）および（Ｕ２−１）で表される化合物を使用し、芳香族活性ジハライド化合物との芳香族求核置換反応により合成することが可能である。前記一般式（Ｕ１）および（Ｕ２）で表される構成単位が２価フェノール化合物、芳香族活性ジハライド化合物のどちら側由来でも構わないが、モノマーの反応性の反応性を考慮して２価フェノール化合物由来と使用する方がより好ましい。
【化１５】
0006036297.tif 000016
（一般式（Ｕ１−１）および（Ｕ２−１）において、Ａｒ9〜Ａｒ12は任意の２価のアリーレン基、Ｒ1およびＲ2はＨおよびアルキル基から選ばれた少なくとも１種の基、Ｒ3は任意のアルキレン基、ＥはＯまたはＳを表す。一般式（Ｕ１−１）および一般式（Ｕ２−１）で表される化合物は任意に置換されていてもよい。）
【００８０】
本発明に使用する、特に好ましい２価フェノール化合物の具体例としては、下記一般式（ｒ１）〜（ｒ１０）で表される化合物、並びにこれらの２価フェノール化合物由来の誘導体を挙げることができる。
【化１６】
0006036297.tif 000017
【００８１】
これら２価フェノール化合物のなかでも、安定性の点から前記一般式（ｒ４）〜（ｒ１０）で表される化合物がより好ましく、さらに好ましくは前記一般式（ｒ４）、（ｒ５）および（ｒ９）で表される化合物、最も好ましくは前記一般式（ｒ４）で表される化合物である。
【００８２】
本発明に使用されるセグメントを得るために行う芳香族求核置換反応によるオリゴマー合成は、上記モノマー混合物を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、０〜３５０℃の温度範囲で行うことができるが、５０〜２５０℃の温度であることが好ましい。０℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、３５０℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒などを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも２種以上の混合物として使用されても良い。
【００８３】
塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。また、フェノキシドの求核性を高めるために、１８−クラウン−６などのクラウンエーテルを添加することも好適である。これらクラウンエーテル類は、スルホン酸基のナトリウムイオンやカリウムイオンに配位して有機溶媒に対する溶解性が向上する場合があり、好ましく使用できる。
【００８４】
芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。
【００８５】
反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約２５℃〜約２５０℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼン、シクロヘキサンなどが含まれる。もちろん、その沸点が用いた双極性溶媒の沸点よりも低いような共沸剤を選定することが有益である。共沸剤が普通用いられるが、高い反応温度、例えば２００℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。
【００８６】
芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として５〜５０重量％となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。５重量％よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、５０重量％よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。
【００８７】
重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。
【００８８】
このようにして得られる本発明のブロック共重合体の分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、０．１万〜５００万、好ましくは１万〜５０万である。０．１万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性のいずれかが不十分な場合がある。一方、５００万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある。
【００８９】
なお、本発明のブロック共重合体の化学構造は、赤外線吸収スペクトルによって、１，０３０〜１，０４５ｃｍ-1、１，１６０〜１，１９０ｃｍ-1のＳ＝Ｏ吸収、１，１３０〜１，２５０ｃｍ-1のＣ−Ｏ−Ｃ吸収、１，６４０〜１，６６０ｃｍ-1のＣ＝Ｏ吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸基の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル（1Ｈ−ＮＭＲ）により、例えば６．８〜８．０ｐｐｍの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。また、溶液13Ｃ−ＮＭＲや固体13Ｃ−ＮＭＲによって、スルホン酸基の付く位置や並び方を確認することができる。
【００９０】
次に、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）、および前記セグメント間を連結するリンカー部位をそれぞれ１個以上含有するブロック共重合体の具体的な合成方法を例示する。ただし、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００９１】
また、本発明のブロック共重合体は、ブロック共重合体前駆体を合成した後、前駆体に含有される保護基の少なくとも一部を脱保護せしめることにより製造することが出来る。
【００９２】
本発明のブロック共重合体およびブロック共重合体前駆体の製造方法の具体例としては、
方法ａ．両末端に−ＯＭ基を有する前記一般式（Ｓ１）で表されるセグメントおよび／またはセグメント前駆体と両末端に−ＯＭ基を有する前記一般式（Ｓ２）で表されるセグメントおよび／またはセグメント前駆体のいずれかにジハライドリンカーとを反応させた後、もう一方のセグメントと交互的に重合させてブロック共重合体を製造する方法、
方法ｂ．両末端に−ＯＭ基を有する前記一般式（Ｓ１）で表されるセグメントおよび／またはセグメント前駆体と両末端に−ＯＭ基を有する前記一般式（Ｓ２）で表されるセグメントおよび／またはセグメント前駆体とジハライドリンカーとをランダム的に重合させてブロック共重合体を製造する方法、
方法ｃ．前記一般式（Ｓ１）で表されるセグメントおよび／またはセグメント前駆体の未スルホン化物を用いて上記方法ａまたはｂに記載の方法でブロック共重合体を製造した後、前記一般式（Ｓ１）で表されるセグメントおよび／またはセグメント前駆体の未スルホン化部分に選択的にイオン性基を導入する方法、
方法ｄ．上記方法ａ〜ｃの組み合わせる方法などが挙げられる。
【００９３】
本発明において、−ＯＭ基のＯは酸素、Ｍは、Ｈ、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属カチオンの具体例を挙げるとすれば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ等が挙げられる。中でも、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉがより好ましい。−ＯＭ基として、例えばヒドロキシル基（−ＯＨ基）、−Ｏ-ＮＲ4+基（ＲはＨまたは有機基）、−ＯＮａ基、−ＯＫ基、−ＯＬｉ基等が例示される。
【００９４】
なかでも、交互共重合により相分離ドメインサイズを制御でき、化学的に安定なブロック共重合体を製造できる点から、方法ａが最も好ましい。
【００９５】
すなわち、本発明のブロック共重合体の製造方法としては、少なくとも下記工程（１）〜（２）を備えることがより好ましい。これら工程を備えることにより、高分子量化による機械強度と耐久性の向上を達成でき、かつ、両セグメントの交互導入によって、相分離構造やドメインサイズが厳密に制御された低加湿プロトン伝導性に優れたブロック共重合体を得ることが出来る。
（１）前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位、および／または、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位の前駆体となる構成単位を含有し、両末端に−ＯＭ基（Ｍは、Ｈ、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。）を有するイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）または前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位、および／または、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位の前駆体となる構成単位を含有し、両末端に−ＯＭ基を有するイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の両末端の−ＯＭ基とリンカー化合物を反応させて、リンカー部位を導入せしめる工程、
（２）（１）で合成したリンカー部位を導入したセグメントの両末端リンカー部位と、もう一方のセグメントの両末端の−ＯＭ基を重合せしめることによりブロック共重合体およびブロック共重合体前駆体を製造する工程。
【００９６】
次に、本発明で使用するセグメント間を連結するリンカー部位およびその原料となるリンカー化合物について説明する。本発明において、リンカー化合物とは、反応後にリンカー部位となるジハライド化合物あるいはマルチハライド化合物のことを意味する。
【００９７】
本発明のブロック共重合体に用いるセグメント間を連結するリンカー部位としては、反応性が高くて、セグメント切断なくブロック共重合することができるリンカーであり、オクタフルオロビフェニレン（−Ｃ6Ｆ4−Ｃ6Ｆ4−）またはテトラフルオロフェニレン（−Ｃ6Ｆ4−）である。
【００９８】
本発明のブロック共重合体を重合するために用いるリンカー化合物としては、エーテル交換反応によるランダム化、セグメント切断を抑制しながら、異なるセグメントを連結できるような反応性の高い化合物であり、デカフルオロビフェニルまたはヘキサフルオロベンゼンである。
【００９９】
本発明のブロック共重合体は、反応性が高くて、セグメント切断なくブロック共重合することができるリンカー化合物を使用することにより、ブロック共重合体の相分離構造を厳密に制御し、優れた低加湿プロトン伝導性を実現できる。デカフルオロビフェニル、ヘキサフルオロベンゼンなどの多官能性のマルチハライドリンカーを用いた場合、反応条件を制御することで分岐構造を有するブロック共重合体を製造することができる。この時、式（Ｓ１）の未スルホ化セグメントを有するポリマーと式（Ｓ２）のセグメントを有するポリマーの仕込み組成を変えることによって、直鎖構造のブロック共重合体と分岐構造を有するブロック共重合体とを作り分けることもできる。
【０１０２】
本発明のリンカー化合物は、反応性と高分子量化、架橋あるいは分岐構造導入の点で、デカフルオロビフェニルまたはヘキサフルオロベンゼンから選択される。
【０１０５】
方法ａにおいて、両末端−ＯＭ基の前記式（Ｓ１）で表されるセグメントと両末端−ＯＭ基の前記式（Ｓ２）で表されるセグメントの具体例としては、それぞれ下記式（Ｈ３−１）と（Ｈ３−２）が挙げられ、ジハライドリンカーと反応させたセグメントの具体例としては、それぞれ下記式（Ｈ３−３）と（Ｈ３−４）が挙げられる。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
【化２１】
0006036297.tif 000018
（式（Ｈ３−１）〜（Ｈ３−４）において、Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3、Ｎ4はそれぞれ独立して１〜１５０の整数を表す。）
【０１０６】
前記式（Ｈ３−１）〜（Ｈ３−４）において、ハロゲン原子はＦ、末端−ＯＭ基は−ＯＫ基、アルカリ金属はＮａおよびＫで示しているが、これらに限定されることなく使用することが可能である。前記式は読み手の理解を助ける目的で挿入するものであり、ポリマーの重合成分の化学構造、正確な組成、並び方、スルホン酸基の位置、数、分子量などを必ずしも正確に表すわけではなく、これらに限定されるものでない。
【０１０７】
さらに、前記式（Ｈ３−１）〜（Ｈ３−４）ではいずれのセグメントに対しても、保護基としてケタール基を導入したが、本発明においては、結晶性が高く溶解性が低い成分に保護基を導入すればよく、前記式（Ｈ３−１）や（Ｈ３−３）で表されるイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）には必ずしも保護基が必要ではなく、耐久性や寸法安定性の観点から、保護基がないものも好ましく使用できる。
【０１０８】
また、前記式（Ｈ３−１）で例示されるブロックは、ビスフェノール成分と芳香族ジハライド成分を（Ｎ1＋１）：Ｎ1で反応させることにより、分子量が制御されたオリゴマーの合成が可能である。前記式（Ｈ３−２）も同様である。
【０１０９】
リンカーを用いたブロック共重合の反応温度としては、１４０℃以下の加温条件下が好ましい。より好ましくは、８０℃以上、１２０℃以下である。反応温度を１２０℃以下とすることにより、反応時のエーテル交換反応による高分子構造のランダム化を十分に抑制することができる。一方、８０℃以上とすれば、ランダムな高分子構造をもつポリマーが得られる。
【０１１０】
本発明の高分子電解質成型体を構成するブロック共重合体は、透過型電子顕微鏡観察によって共連続な相分離構造が観察される。ブロック共重合体の相分離構造、つまりイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）の凝集状態およびその形状を制御することによって、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を実現できる。相分離構造は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等によって分析することが可能である。
【０１１１】
本発明のブロック共重合体としては、ＴＥＭによる観察を５万倍で行った場合に、相分離構造が観察され、画像処理により計測した平均層間距離または平均粒子間距離が８ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であるものが好ましい。中でも、平均層間距離または平均粒子間距離が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下がより好ましく、最も好ましくは１５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下である。透過型電子顕微鏡によって相分離構造が観察されない、または、平均層間距離または平均粒子間距離が８ｎｍ未満である場合には、イオンチャンネルの連続性が不足し、伝導度が不足する場合があるので好ましくない。また、層間距離が５０００ｎｍを越える場合には、機械強度や寸法安定性が不良となる場合があり、好ましくない。
【０１１２】
本発明のブロック共重合体は、相分離構造を有しながら、結晶性を有することを特徴とし、示差走査熱量分析法（ＤＳＣ）あるいは広角Ｘ線回折によって結晶性が認められる。すなわち、示差走査熱量分析法によって測定される結晶化熱量が０．１Ｊ／ｇ以上、または、広角Ｘ線回折によって測定される結晶化度が０．５％以上であるブロック共重合体である。
【０１１３】
本発明において、「結晶性を有する」とはポリマーが昇温すると結晶化されうる、結晶化可能な性質を有する、あるいは既に結晶化していることを意味する。また、非晶性ポリマーとは、結晶性ポリマーではない、実質的に結晶化が進行しないポリマーを意味する。従って、結晶性ポリマーであっても、結晶化が十分に進行していない場合には、ポリマーの状態としては非晶状態である場合がある。
【０１１４】
本発明の高分子電解質材料を高分子電解質膜に成型する方法に特に制限はないが、ケタール等の保護基を有する段階で、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材料をＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。
【０１１５】
製膜に用いる溶媒としては、高分子電解質材料を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。また、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）の溶解性を高めるために、１８−クラウン−６などのクラウンエーテルを添加することも好適である。
【０１１６】
また、本発明において、ブロック共重合体を使用して溶液製膜する場合には、溶媒の選択は相分離構造に対して重要であり、非プロトン性極性溶媒と極性の低い溶媒を混合して使用することも好適な方法である。
【０１１７】
必要な固形分濃度に調製したポリマー溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、１μｍ以下が好ましい。濾過を行わないと異物の混入を許すこととなり、膜破れが発生したり、耐久性が不十分となるので好ましくない。
【０１１８】
次いで、得られた高分子電解質膜はイオン性基の少なくとも一部を金属塩の状態で熱処理することが好ましい。用いる高分子電解質材料が重合時に金属塩の状態で重合するものであれば、そのまま製膜、熱処理することが好ましい。金属塩の金属はスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどが好ましく、これらの中でもＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがより好ましく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋがさらに好ましい。
【０１１９】
この熱処理の温度は好ましくは８０〜３５０℃、さらに好ましくは１００〜２００℃、特に好ましくは１２０〜１５０℃である。熱処理時間は、好ましくは１０秒〜１２時間、さらに好ましくは３０秒〜６時間、特に好ましくは１分〜１時間である。熱処理温度が低すぎると、機械強度や物理的耐久性が不足する場合がある。一方、高すぎると膜材料の化学的分解が進行する場合がある。熱処理時間が１０秒未満であると熱処理の効果が不足する。一方、１２時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理により得られた高分子電解質膜は必要に応じて酸性水溶液に浸漬することによりプロトン置換することができる。この方法で成形することによって本発明の高分子電解質膜はプロトン伝導度と物理的耐久性をより良好なバランスで両立することが可能となる。
【０１２０】
本発明で使用される高分子電解質材料を膜へ転化する方法としては、該高分子電解質材料から構成される膜を前記手法により作製後、ケタールで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とするものである。この方法によれば、溶解性に乏しいイオン性基を含有しないブロックを含むブロック共重合体の溶液製膜が可能となり、プロトン伝導性と機械強度、物理的耐久性を両立することができる。
【０１２１】
本発明の高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは１〜２０００μｍのものが好適に使用される。実用に耐える膜の機械強度、物理的耐久性を得るには１μｍより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには２０００μｍより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は３〜５０μｍ、特に好ましい範囲は１０〜３０μｍである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。
【０１２２】
また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、通常の高分子化合物に使用される結晶化核剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。
【０１２３】
また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。また、微多孔膜、不織布、メッシュ等で補強しても良い。
【０１２４】
かかる高分子電解質膜を燃料電池として用いる際の高分子電解質膜と電極の接合法については特に制限はなく、公知の方法（例えば、電気化学，1985, 53, p.269.記載の化学メッキ法、電気化学協会編（J. Electrochem. Soc.）、エレクトロケミカル  サイエンス  アンド  テクノロジー （Electrochemical Science and Technology）,1988, 135, 9, p.2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など）を適用することが可能である。
【０１２５】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜として水素イオン伝導性高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層、電極基材及びセパレータが順次積層された構造となっている。このうち、電解質膜の両面に触媒層を積層させたもの（即ち触媒層／電解質膜／触媒層の層構成のもの）は触媒層付電解質膜（ＣＣＭ）と称され、さらに電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散基材を順次積層させたもの（即ち、ガス拡散基材／触媒層／電解質膜／触媒層／ガス拡散基材の層構成のもの）は、電極−電解質膜接合体（ＭＥＡ）と称されている。
【０１２６】
この触媒層付電解質膜の製造方法としては、電解質膜表面に、触媒層を形成するための触媒層ペースト組成物を塗布及び乾燥させるという塗布方式が一般的に行われている。しかし、この塗布方式であると、電解膜がペーストに含まれる水、アルコール等の溶剤により膨潤変形してしまい、電解質膜表面に所望の触媒層が形成しにくい問題が生じている。また、乾燥させる工程で、電解膜も高温に曝してしまうため、電解膜が熱膨張等を起こし、変形する問題も生じている。この問題を克服するために、予め触媒層のみを基材上に作製し、この触媒層を転写することにより、触媒層を電解質膜上に積層させる方法（転写法）が提案されている（例えば、日本国特開２００９−９９１０号公報）。
【０１２７】
本発明によって得られる高分子電解質膜は、結晶性により、強靱で耐溶剤性に優れるため、前記塗布方式、転写法のいずれの場合であっても、触媒層付電解質膜としても特に好適に使用できる。
【０１２８】
加熱プレスにより、ＭＥＡを作製する場合は、その温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、本発明では電解質膜が乾燥した状態または吸水した状態でもプレスによる複合化が可能である。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、工業的生産性やイオン性基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から０℃〜２５０℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、１０ＭＰａ以下の圧力が好ましく、加熱プレス工程による複合化を実施せずに電極と電解質膜を重ね合わせ燃料電池セル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、燃料電池として発電を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、燃料電池として耐久性が良好となる。
【０１２９】
さらに、本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、ＰＤＡ、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、ＤＶＤプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。
【実施例】
【０１３０】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。また、本実施例中には化学構造式を挿入するが、該化学構造式は読み手の理解を助ける目的で挿入するものであり、これらに限定されるものではない。【０１３１】
（１）イオン交換容量
中和滴定法により測定した。測定は３回行って、その平均値を取った。
（ｉ）プロトン置換し、純粋で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、１００℃にて１２時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求めた。
（ｉｉ）電解質に５重量％硫酸ナトリウム水溶液を５０ｍＬ加え、１２時間静置してイオン交換した。
（ｉｉｉ）０．０１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定した。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液０．１Ｗ／Ｖ％を加え、薄い赤紫色になった点を終点とした。
（ｉｖ）イオン交換容量は下記の式により求めた。
イオン交換容量(ｍｅｑ／ｇ)＝〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(ｍｍｏｌ／ｍＬ)×滴下量(ｍＬ)〕／試料の乾燥重量(ｇ)【０１３２】
（２）プロトン伝導度
膜状の試料を２５℃の純水に２４時間浸漬した後、８０℃、相対湿度２５〜９５％の恒温恒湿槽中にそれぞれのステップで３０分保持し、定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。【０１３３】
測定装置としては、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ製電気化学測定システム（Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer）を使用し、２端子法で定電位インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を求めた。交流振幅は、５０ｍＶとした。サンプルは幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの膜を用いた。測定治具はフェノール樹脂で作製し、測定部分は開放させた。電極として、白金板（厚さ１００μｍ、２枚）を使用した。電極は電極間距離１０ｍｍ、サンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。【０１３４】
（３）数平均分子量、重量平均分子量
ポリマーの数平均分子量、重量平均分子量をＧＰＣにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー社製ＨＬＣ−８０２２ＧＰＣを、またＧＰＣカラムとして東ソー社製ＴＳＫ  ｇｅｌ  ＳｕｐｅｒＨＭ−Ｈ（内径６．０ｍｍ、長さ１５ｃｍ）２本を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリドン溶媒（臭化リチウムを１０ｍｍｏｌ／Ｌ含有するＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒）にて、サンプル濃度０．１ｗｔ％、流量０．２ｍＬ／ｍｉｎ、温度４０℃で測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量、重量平均分子量を求めた。【０１３５】
（４）膜厚
ミツトヨ社製グラナイトコンパレータスタンドＢＳＧ−２０にセットしたミツトヨ社製ＩＤ−Ｃ１１２型を用いて測定した。【０１３６】
（５）透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による相分離構造の観察
染色剤として２重量％酢酸鉛水溶液中に試料片を浸漬させ、２５℃下で２４時間放置した。染色処理された試料を取りだし、可視硬化樹脂で包埋し、可視光を３０秒照射し固定した。【０１３７】
ウルトラミクロトームを用いて室温下で薄片１００ｎｍを切削し、得られた薄片をＣｕグリッド上に回収しＴＥＭ観察に供した。観察は加速電圧１００ｋＶで実施し、撮影は、写真倍率として×8,000、×20,000、×100,000 になるように撮影を実施した。機器としては、ＴＥＭ  Ｈ７１００ＦＡ（日立製作所社製）を使用した。【０１３８】
（６）純度の測定方法
下記条件のガスクロマトグラフィー（ＧＣ）により定量分析した。
カラム：ＤＢ−５（Ｊ＆Ｗ社製）  Ｌ＝３０ｍ  Φ＝０．５３ｍｍ  Ｄ＝１．５０μｍ
キャリヤー：ヘリウム（線速度＝３５．０ｃｍ/ｓｅｃ）
分析条件
Ｉｎｊ．ｔｅｍｐ．  ＝３００℃
Ｄｅｔｃｔ．ｔｅｍｐ．  ＝３２０℃
Ｏｖｅｎ  ＝５０℃×１ｍｉｎ
Ｒａｔｅ  ＝１０℃／ｍｉｎ
Ｆｉｎａｌ  ＝３００℃×１５ｍｉｎ
ＳＰ  ｒａｔｉｏ  ＝５０：１【０１３９】
（７）耐熱水性
電解質膜の耐熱水性は９５℃、熱水中での寸法変化率を測定することにより評価した。電解質膜を長さ約５ｃｍ、幅約１ｃｍの短冊に切り取り、２５℃の水中に２４時間浸漬後、ノギスで長さ（Ｌ１）を測長した。該電解質膜を９５℃の熱水中に８時間浸漬後、再度ノギスで長さ（Ｌ２）を測長し、その寸法変化の大きさを目視で観察した。【０１４０】
（８）核磁気共鳴スペクトル（ＮＭＲ）
下記の測定条件で、1Ｈ−ＮＭＲの測定を行い、構造確認、およびイオン性基を含有するセグメント（Ａ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）のモル組成比の定量を行った。該モル組成比は、８．２ｐｐｍ（ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノン由来）と６．５〜８．０ｐｐｍ（ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノンを除く全芳香族プロトン由来）に認められるピークの積分値から算出した。
装置        ：日本電子社製ＥＸ−２７０
共鳴周波数  ：２７０ＭＨｚ（1Ｈ−ＮＭＲ）
測定温度    ：室温
溶解溶媒    ：ＤＭＳＯ−ｄ６
内部基準物質：ＴＭＳ（０ｐｐｍ）
積算回数    ：１６回【０１４１】
また、下記の測定条件で、固体13Ｃ−ＣＰ／ＭＡＳスペクトルの測定を行い、ケタール基の残存有無確認を行った。
装置        ：Chemagnetics社製ＣＭＸ−３００Infinity
測定温度    ：室温
内部基準物質：Ｓｉゴム（１．５６ｐｐｍ）
測定核      ：７５．１８８８２９ＭＨｚ
パルス幅    ：９０°パルス、４．５μｓｅｃ
パルス繰り返し時間：ＡＣＱＴＭ＝０．０３４１３ｓｅｃ、ＰＤ＝９ｓｅｃ
スペクトル幅：３０．００３ｋＨｚ
試料回転    ：７ｋＨｚ
コンタクトタイム：４ｍｓｅｃ【０１４２】
（９）化学的安定性
電解質膜の化学的安定性は、約１０ｍｇのサンプルを８０℃で、３０ｇの０．０５重量％の過酸化水素水に浸漬することにより評価した。浸漬前、１００時間後の重量平均分子量を測定し、分子量保持率、（浸漬後の重量平均分子量）／（浸漬前の重量平均分子量）×１００（％）、を計算した。【０１４３】
合成例１
下記一般式（Ｇ１）で表される２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン（Ｋ−ＤＨＢＰ）の合成
【化２２】
0006036297.tif 000019
【０１４４】
攪拌器、温度計及び留出管を備えた５００ｍＬフラスコに、４，４′−ジヒドロキシベンゾフェノン４９．５ｇ、エチレングリコール１３４ｇ、オルトギ酸トリメチル９６．９ｇ及びｐ−トルエンスルホン酸一水和物０．５０ｇを仕込み溶解する。その後７８〜８２℃で２時間保温攪拌した。更に、内温を１２０℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を５％炭酸カリウム水溶液１００ｍＬで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン８０ｍＬを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン５２．０ｇを得た。この結晶をＧＣ分析したところ９９．８％の２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソランと０．２％の４，４′−ジヒドロキシベンゾフェノンであった。【０１４５】
合成例２
下記一般式（Ｇ２）で表されるジソジウム  ３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノンの合成
【化２３】
0006036297.tif 000020
【０１４６】
４，４'−ジフルオロベンゾフェノン１０９．１ｇ（アルドリッチ試薬）を発煙硫酸（５０％ＳＯ3）１５０ｍＬ（和光純薬試薬）中、１００℃で１０時間反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、ＮａＯＨで中和した後、食塩２００ｇを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式（Ｇ２）で示されるジソジウム  ３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は９９．３％であった。構造は1Ｈ−ＮＭＲで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動（有機物）およびイオンクロマトグラフィー（無機物）で定量分析を行った。【０１４７】
実施例１
（下記一般式（Ｇ３）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ１’の合成）
【化２４】
0006036297.tif 000021
（式（Ｇ３）中、ｍは正の整数を表す。）【０１４８】
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた１０００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム１６．５９ｇ（アルドリッチ試薬、１２０ｍｍｏｌ）、前記合成例１で得たＫ−ＤＨＢＰ  ２５．８ｇ（１００ｍｍｏｌ）および４，４'−ジフルオロベンゾフェノン２０．３ｇ（アルドリッチ試薬、９３ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）３００ｍＬ、トルエン１００ｍＬ中で１６０℃で脱水後、昇温してトルエン除去、１８０℃で１時間重合を行った。多量のメタノールで再沈殿することで精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１（末端ＯＭ基）を得た。尚、ＭはＮａまたはＫを表し、これ以降の表記もこれに倣う。数平均分子量は１００００であった。【０１４９】
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた５００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム１．１ｇ（アルドリッチ試薬、８ｍｍｏｌ）、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ１（末端ＯＭ基）を２０．０ｇ（２ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）１００ｍＬ、シクロヘキサン３０ｍＬ中で１００℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、デカフルオロビフェニル４．０ｇ（アルドリッチ試薬、１２ｍｍｏｌ）を入れ、１０５℃で１時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、上記式（Ｇ３）で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）を得た。数平均分子量は１１０００であり、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’の数平均分子量は、リンカー部位（分子量６３０）を差し引いた値１０４００と求められた。【０１５０】
（下記一般式（Ｇ４）で表されるイオン性基を含有するオリゴマーａ２の合成）
【化２５】
0006036297.tif 000022
（式（Ｇ４）において、Ｍは、ＮａまたはＫを表す。またｎは、正の整数を表す。）【０１５１】
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた１０００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム２７．６ｇ（アルドリッチ試薬、２００ｍｍｏｌ）、前記合成例１で得たＫ−ＤＨＢＰ  １２．９ｇ（５０ｍｍｏｌ）および４，４'−ビフェノール９．３ｇ（アルドリッチ試薬、５０ｍｍｏｌ）、前記合成例２で得たジソジウム  ３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノン３９．３ｇ（９３ｍｍｏｌ）、および１８−クラウン−６エーテル１７．９ｇ（和光純薬、８２ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）３００ｍＬ、トルエン１００ｍＬ中で１７０℃で脱水後、昇温してトルエン除去、１８０℃で１時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、上記式（Ｇ４）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ОＭ基）を得た。数平均分子量は１６０００であった。【０１５２】
（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ２、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ１、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ１の合成）
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた５００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム０．５６ｇ（アルドリッチ試薬、４ｍｍｏｌ）、イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ОＭ基）を１６ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）１００ｍＬ、シクロヘキサン３０ｍＬ中で１００℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）１１ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れ、１０５℃で２４時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、ブロック共重合体ｂ１を得た。重量平均分子量は２８万であった。【０１５３】
ブロック共重合体ｂ１は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を５０モル％、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を１００モル％含有していた。分子量維持率は８１％であり、化学的安定性に優れていた。【０１５４】
得られたブロック共重合体ｂ１を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、１００℃にて４時間乾燥後、窒素下１５０℃で１０分間熱処理し、ポリケタールケトン膜（膜厚２５μｍ）を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。９５℃で１０重量％硫酸水溶液に２４時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に２４時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。【０１５５】
中和滴定から求めたイオン交換容量は１．８ｍｅｑ／ｇ、1Ｈ−ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、４４モル／５６モル＝０．７９、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で２５０ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で２ｍＳ／ｃｍであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は１０％と小さく、耐熱水性にも優れていた。【０１５６】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ２０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１５７】
実施例２
（前記一般式（Ｇ３）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ３’の合成）
４，４'−ジフルオロベンゾフェノンの仕込量を２０．７ｇ（アルドリッチ試薬、９５ｍｍｏｌ）に変えた以外は実施例１に記載の方法で、イオン性基を含有しないオリゴマーａ３（末端ОＭ基）の合成を行った。数平均分子量は１５０００であった。【０１５８】
また、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ１（末端ОＭ基）に変えて、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ３（末端ОＭ基）３０．０ｇ（２ｍｍｏｌ）を仕込む以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ３）で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ３’（末端フルオロ基）の合成を行った。数平均分子量は１６０００であり、イオン性基を含有しないオリゴマーａ３’の数平均分子量は、リンカー部位（分子量６３０）を差し引いた値１５４００と求められた。【０１５９】
（前記一般式（Ｇ４）で表されるイオン性基を含有するオリゴマーａ４の合成）
３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノンの仕込量を４０．１ｇ（９５ｍｍｏｌ）に変えた以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ４）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーａ４（末端ОＭ基）を得た。数平均分子量は２１０００であった。【０１６０】
（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ４、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ３、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ２の合成）
イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ОＭ基）に変えて、イオン性基を含有するオリゴマーａ４（末端ОＭ基）を２１ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れ、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）に変えて、イオン性基を含有しないオリゴマーａ３’（末端フルオロ基）１６ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れた以外は実施例１に記載の方法で、ブロック共重合体ｂ２を得た。重量平均分子量は４０万であった。【０１６１】
ブロック共重合体ｂ２は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を５０モル％、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を１００モル％含有していた。分子量維持率は８３％であり、化学的安定性に優れていた。【０１６２】
得られたブロック共重合体ｂ２を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いて、実施例１に記載の方法で、高分子電解質膜の製膜を行った。【０１６３】
中和滴定から求めたイオン交換容量は１．６ｍｅｑ／ｇ、1Ｈ−ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、４０モル／６０モル＝０．６７、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で２００ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で０．８ｍＳ／ｃｍであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は６％と小さく、耐熱水性にも優れていた。【０１６４】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ３５ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１６５】
実施例３
（前記一般式（Ｇ３）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ５’の合成）
４，４'−ジフルオロベンゾフェノンの仕込量を２１．４ｇ（アルドリッチ試薬、９８ｍｍｏｌ）に変えた以外は実施例１に記載の方法で、イオン性基を含有しないオリゴマーａ５（末端ОＭ基）の合成を行った。数平均分子量は２００００であった。【０１６６】
また、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ１（末端ОＭ基）に変えて、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ５（末端ОＭ基）４０．０ｇ（２ｍｍｏｌ）を仕込む以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ３）で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーａ５’（末端フルオロ基）の合成を行った。数平均分子量は２１０００であり、イオン性基を含有しないオリゴマーａ５’の数平均分子量は、リンカー部位（分子量６３０）を差し引いた値２０４００と求められた。【０１６７】
（前記一般式（Ｇ４）で表されるイオン性基を含有するオリゴマーａ６の合成）
３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノンの仕込量を４１．４ｇ（９８ｍｍｏｌ）、ビスフェノールをＫ−ＤＨＢＰ  ２５．８ｇ（１００ｍｍｏｌ）に変えた以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ４）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーａ６（末端ОＭ基）を得た。数平均分子量は３３０００であった。【０１６８】
（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ６、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ５、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ３の合成）
イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ОＭ基）に変えて、イオン性基を含有するオリゴマーａ６（末端ОＭ基）を３３ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れ、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）に変えて、イオン性基を含有しないオリゴマーａ５’（末端フルオロ基）２１ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れた以外は実施例１に記載の方法で、ブロック共重合体ｂ３を得た。重量平均分子量は３６万であった。【０１６９】
ブロック共重合体ｂ３は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を１００モル％、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を１００モル％含有していた。分子量維持率は９５％であり、化学的安定性に極めて優れていた。電子吸引性基増量の効果と考えられた。【０１７０】
得られたブロック共重合体ｂ３を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いて、実施例１に記載の方法で、高分子電解質膜の製膜を行った。【０１７１】
中和滴定から求めたイオン交換容量は２．０ｍｅｑ／ｇ、1Ｈ−ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、５０モル／５０モル＝１．０、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で２９０ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で４ｍＳ／ｃｍであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は１３％と比較的小さく、耐熱水性にも優れていた。【０１７２】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ５０ｎｍの共連続様の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１７３】
比較例１
（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ４、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ１、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ４の合成）
イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ОＭ基）に変えて、イオン性基を含有するオリゴマーａ４（末端ОＭ基）を２１ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れた以外は実施例１に記載の方法で、ブロック共重合体ｂ４を得た。重量平均分子量は２３万であった。
【０１７４】
ブロック共重合体ｂ４は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を５０モル％、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を１００モル％含有していた。分子量維持率は８５％であり、化学的安定性に優れていた。【０１７５】
得られたブロック共重合体ｂ４を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いて、実施例１に記載の方法で、高分子電解質膜の製膜を行った。【０１７６】
中和滴定から求めたイオン交換容量は２．２ｍｅｑ／ｇ、1Ｈ−ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、６０モル／４０モル＝１．５、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で３５０ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で２ｍＳ／ｃｍであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は１５％と比較的小さく、耐熱水性にも優れていた。【０１７７】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ３０ｎｍのラメラ状の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１７８】
比較例２
（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ６、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ１、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ５の合成）
イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ОＭ基）に変えて、イオン性基を含有するオリゴマーａ６（末端ОＭ基）を３３ｇ（１ｍｍｏｌ）入れた以外は実施例１に記載の方法で、ブロック共重合体ｂ５を得た。重量平均分子量は２２万であった。
【０１７９】
ブロック共重合体ｂ５は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を５０モル％、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を１００モル％含有していた。分子量維持率は８６％であり、化学的安定性に優れていた。【０１８０】
得られたブロック共重合体ｂ５を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いて、実施例１に記載の方法で、高分子電解質膜の製膜を行った。【０１８１】
中和滴定から求めたイオン交換容量は２．５ｍｅｑ／ｇ、1Ｈ−ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、６７モル／３３モル＝２．１、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で４００ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で３ｍＳ／ｃｍであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は１８％と比較的小さく、耐熱水性にも優れていた。【０１８２】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ４３ｎｍのラメラ状の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１８３】
比較例３
（前記一般式（Ｇ４）で表されるイオン性基を含有するオリゴマーａ７の合成）
３，３'−ジスルホネート−４，４'−ジフルオロベンゾフェノンの仕込量を４２．２ｇ（９９ｍｍｏｌ）に変えた以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ４）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーａ７（末端ＯＭ基）を得た。数平均分子量は４００００あった。
【０１８４】
（イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）としてオリゴマーａ７、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）としてオリゴマーａ１、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体ｂ６の合成）
イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ＯＭ基）に変えて、イオン性基を含有するオリゴマーａ７（末端ＯＭ基）を４０ｇ（１ｍｍｏｌ）入れた以外は実施例１に記載の方法で、ブロック共重合体ｂ６を得た。重量平均分子量は２１万であった。【０１８５】
ブロック共重合体ｂ６は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）として、前記一般式（Ｓ１）で表される構成単位を５０モル％、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ２）で表される構成単位を１００モル％含有していた。分子量維持率は８５％であり、化学的安定性に優れていた。【０１８６】
得られたブロック共重合体ｂ６を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いて、実施例１に記載の方法で、高分子電解質膜の製膜を行った。【０１８７】
中和滴定から求めたイオン交換容量は２．７ｍｅｑ／ｇ、1Ｈ−ＮＭＲから求めたモル組成比（Ａ１／Ａ２）は、７０モル／３０モル＝２．８、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で４３０ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で２．９ｍＳ／ｃｍであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は２６％と比較的小さく、耐熱水性にも優れていた。【０１８８】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ５３ｎｍのラメラ状の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１８９】
比較例４
市販のナフィオン（登録商標）ＮＲＥ２１１ＣＳ膜（デュポン社製）を用い、各種特性を評価した。中和滴定から求めたイオン交換容量は０．９ｍｅｑ／ｇであった。目視では透明で均一な膜であり、ＴＥＭ観察において明確な相分離構造は確認されなかった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で１００ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で３ｍＳ／ｃｍであった。また、熱水中に浸漬すると激しく膨潤し、取り扱いが困難で掴むと破れてしまうこともあった。
【０１９０】
比較例５
（イオン性基およびケタール基を含有しないポリエーテルケトンオリゴマーｃ１の合成）
Ｋ−ＤＨＢＰ  ２５．８ｇ（１００ｍｍｏｌ）に変えて、４，４'−ジヒドロキシベンゾフェノン（ＤＨＢＰ）２１．４ｇ（１００ｍｍｏｌ）を入れた以外は実施例１に記載の方法でイオン性基を含有しないポリエーテルケトンオリゴマーの合成を行った。重合初期段階から、ポリマーが析出し、重合が困難であった。溶剤不溶性のためブロック共重合体の重合は困難であり、電解質膜として評価できなかった。
【０１９１】
比較例６
日本国特開２００９−２３５１５８号公報に記載の方法で、ポリエーテルスルホン系のブロック共重合体の合成を行った。すなわち、まず、４，４−ジクロロジフェニルスルホンを発煙硫酸中で反応させ、反応終了後、塩化ナトリウムを用いて塩析を行うことにより、３，３'−ジスルホン酸ナトリウム塩−４，４'−ジクロロジフェニルスルホン（以下、「ＳＤＣＤＰＳ」と称する）を得た。次いで、窒素雰囲気下、ディーンスターク管を付けた一口なすフラスコに前記ＳＤＣＤＰＳ  ３．１６ｇ（６．０ｍｍｏｌ）、４，４'−ビフェノール１．３４ｇ（７．２ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム１．４９ｇ（１０．８ｍｍｏｌ）、ＮＭＰ２３ｍＬ、トルエン２０ｍＬを仕込み、１５０℃にて２時間保温することにより系中の水分を共沸除去した。その後１８０℃まで昇温し、１６時間反応させた。放冷後、反応液を水に注ぎ、塩化カリウムを加えた。ろ過で析出物を回収し、６０℃にて減圧乾燥することで両末端がＯＨ基の親水性オリゴマーを得た。
【０１９２】
次に、窒素雰囲気下、ディーンスターク管を付けた一口なすフラスコに４，４'−ジクロロジフェニルスルホン４．３１ｇ（１５．０ｍｍｏｌ）、４，４'−ビフェノール３．０５ｇ（１６．４ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム３．３９ｇ（２４．５ｍｍｏｌ）、ＮＭＰ３５ｍＬ、トルエン２０ｍＬを仕込み、１５０℃にて２時間保温することにより系中の水分を共沸除去した。その後１８０℃まで昇温し、１２時間反応させた。放冷後、反応液を水に注ぎ、得られた沈殿物をろ過し、さらにメタノール洗浄を行った。そして、１００℃にて減圧乾燥することで両末端にＯＨ基を有する疎水性オリゴマーを得た。【０１９３】
窒素雰囲気下、三方コックを付けた一口なすフラスコに上記親水性オリゴマーを０．４５ｇ、疎水性オリゴマーを０．２０ｇ、ＮＭＰ５．５ｍＬを仕込み、８０℃で親水性オリゴマーと、疎水性オリゴマーを溶解させた。空冷後、デカフルオロビフェニル０．０２ｇ（０．０６ｍｍｏｌ）と炭酸カリウム０．０１ｇ（０．０７ｍｍｏｌ）を加え、１２０℃で１８時間反応させた。放冷後、反応液をＮＭＰで希釈し、イソプロパノールに注ぎ、得られた沈殿をろ過、水で洗浄した。次に、得られたポリマーの酸処理を行った。得られたポリマーを、室温で２日間、１．０Ｍ硫酸水溶液中で攪拌した後、ろ過によりポリマーを回収した。そして、ポリマーを純水でよく洗浄し、６０℃で１０時間乾燥することにより薄茶色のポリマーを得た。重量平均分子量は１５万であり、高分子量化は困難であった。分子量維持率は１０％であり、前記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）で表される構成単位が少ないため、化学的安定性に劣っていた。【０１９４】
中和滴定から求めたイオン交換容量は１．８ｍｅｑ／ｇであった。硬くて脆い電解質膜であり、目視では不透明で不均一な膜であった。プロトン伝導度は、８０℃、相対湿度８５％で１５０ｍＳ／ｃｍ、８０℃、相対湿度２５％で０．１ｍＳ／ｃｍであり、実施例１〜４に比べて、低加湿プロトン伝導性に劣っていた。また、寸法変化率Ｌ２／Ｌ１は８０％と大きく、耐熱水性に劣っていた。【０１９５】
さらに、ＴＥＭ観察において、ドメインサイズ３０ｎｍのラメラ状の相分離構造が確認できた。イオン性基を含有するドメイン、イオン性基を含有しないドメインともに連続相を形成していた。【０１９６】
比較例７
（下記式（Ｇ５）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーｃ２’の合成）
【化２６】
0006036297.tif 000023
【０１９７】
Ｋ−ＤＨＢＰ  ２５．８ｇ（１００ｍｍｏｌ）に変えて、２，２−ビス(４−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン３３．６（１００ｍｍｏｌ）を加えた以外は実施例１に記載の方法で、イオン性基を含有しないオリゴマーｃ２（末端ＯＭ基）の合成を行った。数平均分子量は１３０００であった。【０１９８】
また、イオン性基を含有しない前記オリゴマーａ１（末端ＯＭ基）に変えて、イオン性基を含有しない前記オリゴマーｃ２（末端ＯＭ基）（２ｍｍｏｌ）を仕込む以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ５）で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーｃ２’（末端フルオロ基）の合成を行った。数平均分子量は１４０００であり、イオン性基を含有しないオリゴマーｃ２’の数平均分子量は、リンカー部位（分子量６３０）を差し引いた値１３４００と求められた。【０１９９】
（下記一般式（Ｇ６）で表されるイオン性基を含有するオリゴマーｃ３の合成）
【化２７】
0006036297.tif 000024
（式中、Ｍは、ＮａまたはＫを表す。）【０２００】
Ｋ−ＤＨＢＰ  １２．９ｇ（５０ｍｍｏｌ）および４，４'−ビフェノール９．３ｇ（アルドリッチ試薬、５０ｍｍｏｌ）に変えて、２，２−ビス(４−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン３３．６（１００ｍｍｏｌ）を加えた以外は、実施例１に記載の方法で、前記式（Ｇ６）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーｃ３（末端ＯＭ基）を得た。数平均分子量は１９０００であった。【０２０１】
（ブロック共重合体ｄ１の合成）
イオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端ＯＭ基）に変えて、イオン性基を含有するオリゴマーｃ３（末端ＯＭ基）を１９ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れ、イオン性基を含有しないオリゴマーａ１’（末端フルオロ基）に変えて、イオン性基を含有しないオリゴマーｃ２’（末端フルオロ基）１４ｇ（１ｍｍｏｌ）を入れた以外は実施例１に記載の方法で、ブロック共重合体ｄ１を得た。重量平均分子量は１６万であった。【０２０２】
ブロック共重合体ｄ１は、イオン性基を含有するセグメント（Ａ１）、イオン性基を含有しないセグメント（Ａ２）として、前記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）で表される構成単位をそれぞれ０モル％、０モル％含有していた。分子量維持率は３１％であり、前記一般式（Ｓ１）および（Ｓ２）で表される構成単位がないため、化学的安定性に劣っていた。【０２０３】
得られたブロック共重合体ｄ１を溶解させた２５重量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を用いて、実施例１に記載の方法で、高分子電解質膜の製膜を行った。【０２０４】
中和滴定から求めたイオン交換容量は２．３ｍｅｑ／ｇであった。また、熱水中に浸漬すると激しく膨潤し、取り扱いが困難で掴むと破れてしまうこともあった。
【産業上の利用可能性】
【０２９９】
本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜は、種々の電気化学装置（例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等）に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特に水素を燃料とする燃料電池に好適である。【０３００】
本発明の固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、ＰＤＡ、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。