(57)【要約】【課題】経済的で、環境に優しく、成形性及び酸化安定性に優れた固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜並びにそれを用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池の提供。【解決手段】α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック（Ａ）及びフレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）を構成成分とするブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、重合体ブロック（Ａ）が１価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック（Ａ）同士を架橋する形態で結合しているか、及び／又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック（Ａ）内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該高分子電解質膜、並びに膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池。【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック（Ａ）及びフレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）を構成成分とするブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、重合体ブロック（Ａ）が１価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック（Ａ）同士を架橋する形態で結合しているか、及び／又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック（Ａ）内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該高分子電解質膜。
【請求項２】
重合体ブロック（Ａ）に占めるα−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の割合が５０質量％以上である請求項１記載の電解質膜。
【請求項３】
重合体ブロック（Ａ）と重合体ブロック（Ｂ）との質量比が９５：５〜５：９５である請求項１又は２記載の電解質膜。
【請求項４】
α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位が、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数１〜４のアルキル基、炭素数１〜４のハロゲン化アルキル基又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解質膜。
【請求項５】
フレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）が炭素数２〜８のアルケン単位、炭素数５〜８のシクロアルケン単位、炭素数７〜１０のビニルシクロアルケン単位、炭素数４〜８の共役ジエン単位及び炭素数５〜８の共役シクロアルカジエン単位、並びに炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数７〜１０のビニルシクロアルケン単位、炭素数４〜８の共役ジエン単位及び炭素数５〜８の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも１種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項１〜４のいずれか１項に記載の電解質膜。
【請求項６】
フレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）が炭素数２〜８のアルケン単位、炭素数４〜８の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数４〜８の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも１種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項１〜４のいずれか１項に記載の電解質膜。
【請求項７】
α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル化合物単位がα−メチルスチレン単位であり、フレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）が炭素数４〜８の共役ジエン単位及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数４〜８の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも１種の繰返し単位である請求項１〜４のいずれか１項に記載の電解質膜。
【請求項８】
アニオン伝導性基が以下に示す（１）〜（１３）の基から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜７のいずれか１項に記載の電解質膜：
【化１】
2007042573.tif 000006
（上記式において、Ｒ１〜Ｒ３はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数１〜８のアルキル基を表し、Ｒ４〜Ｒ９及びＲ１１はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を表し、Ｒ１０はメチル基又はエチル基を表し、Ｘ−は水酸化物イオン又は酸アニオンを表し、ｍは２〜６の整数を表し、ｎは２又は３を表す）。
【請求項９】
Ｒ１〜Ｒ９及びＲ１１がメチル基又はエチル基であり、Ｘ−が水酸化物イオンである請求項８記載の電解質膜。
【請求項１０】
Ｒ１〜Ｒ１１がメチル基である請求項９記載の電解質膜。
【請求項１１】
ブロック共重合体のイオン交換容量が、０．３０ｍｅｑ／ｇ以上である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電解質膜。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電解質膜を使用した膜−電極接合体。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電解質膜を使用した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、固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題の抜本的解決策として、さらには将来の水素エネルギー時代の中心的エネルギー変換システムとして、燃料電池技術は、これら新エネルギー技術の柱の１つとして数えられている。特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、小型軽量化などの観点から、電気自動車用の駆動電源や携帯機器用の電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭据置き用の電源機器などへの適用が検討されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜の両側に、白金属の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるカチオン伝導性バインダーとを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス（例えば空気）を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極（燃料極）に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極（酸素極）に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。
【０００４】
また、このようなプロトン交換型燃料電池に対して、アニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用するアニオン交換型燃料電池（アニオンは通常水酸化物イオン）も検討されている。アニオン交換型燃料電池は、酸素極における過電圧が低減されることが知られており、エネルギー効率の向上が期待されている。また燃料としてメタノールを用いる場合、メタノールが電極間で電解質膜を透過してしまうメタノールクロスオーバーが低減されると言われている。この場合の固体高分子型燃料電池の構成はプロトン伝導性膜及びプロトン伝導性バインダーに代えてアニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用する以外、基本的にはプロトン交換型燃料電池の場合と同様であり、電気エネルギー発生の機構としては、酸素極では酸素と水と電子とが反応して水酸化物イオンが生じ、水酸化物イオンはアニオン伝導性膜を通り燃料極で水素と反応して水と電子を生じ、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極に送られ、再び酸素及び水と反応して水酸化物イオンを生じる。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。
【０００５】
プロトン交換型燃料電池で用いる高分子電解質膜としては、化学的に安定であるという理由からパーフルオロスルホン酸系高分子であるナフィオン（Nafion，デュポン社の登録商標。以下同様）が一般的に用いられている。しかし、ナフィオンはフッ素系のポリマーであるため非常に高価である。また、ナフィオンについては、燃料としてメタノールを用いる場合、メタノールが一方の電極側から他方の電極側へ電解質膜を透過してしまう現象（メタノールクロスオーバー）が生じやすいという問題がある。また、含フッ素系ポリマーは、フッ素を含有しており、合成および廃棄時に環境への配慮が必要となってくる。
【０００６】
このような背景から非フッ素系ポリマーをベースとしたカチオン伝導性高分子電解質膜の開発が試みられてきた。例えば、ポリスチレンスルホン酸系高分子電解質膜が、１９５０年代に米国General Electric社により開発された固体高分子型燃料電池に用いられた例があるが、従来検討されたものでは燃料電池の動作環境下において、十分な安定性が無いため、十分な電池寿命を得るには至らなかった。
【０００７】
また、耐熱性の芳香族ポリエーテルケトンのスルホン化体からの電解質膜が提案されている（特許文献１）。
また、スチレンとゴム成分とからなるブロック共重合体のポリスチレンブロックをスルホン化することにより、ポリスチレンブロックをカチオン伝導性チャンネルとした構造が提案されている。例えば、安価で、機械的、化学的に安定な高分子電解質膜として、ＳＥＢＳ（ポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体の略）のスルホン化体からなるカチオン伝導膜が提案されている（特許文献２）。
また、化学的安定性に優れるイソブチレン骨格をゴム成分としたＳｉＢｕＳ（ポリスチレン−ポリイソブチレン−ポリスチレントリブロック共重合体の略）のスルホン化体からなるカチオン伝導膜が提案されている（特許文献３）。
【０００８】
一方、アニオン交換型燃料電池で使用されるアニオン伝導性高分子電解質膜としては、含フッ素ポリマーからなる基材に、アニオン交換基を有するモノマーを放射線グラフト重合させたものが提案されている（特許文献４）。
また、アニオン伝導性高分子電解質膜として、芳香族ポリスルホン−ポリチオエーテルスルホン共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られる樹脂を製膜した電解質膜が提案されている（特許文献５）。
また、アニオン伝導性高分子電解質膜として、ポリスチレンブロックとポリオレフィンブロックからなる共重合体に第４級アンモニウム基を導入したものからなるアニオン交換体が提案され（特許文献６）、ポリスチレンブロックとポリオレフィンブロックからなる共重合体同士を多価アミンで結合したアニオン交換体が提案されている（特許文献７）。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−９３１１４号公報
【特許文献２】特表平１０−５０３７８８号公報
【特許文献３】特開２００１−２１０３３６号公報
【特許文献４】特開２０００−３３１６９３号公報
【特許文献５】特開平１１−２７３６９５号公報
【特許文献６】特許第２７３５６９３号明細書
【特許文献７】特許第２９９６７５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来のカチオン伝導性高分子電解質膜に関し、特許文献１に記載された芳香族ポリエーテルケトンのスルホン化体はカチオン伝導性が十分ではないため、燃料電池としての性能は十分なものではない。また、カチオン伝導性を高めるためスルホン化量を増やすと膜が脆くなり、取り使いが非常に困難になる。また、特許文献２に記載されたＳＥＢＳ（ポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体）のスルホン化体は、我々が実際に試験した結果、耐ラジカル性が充分でないことが明らかとなった。これは、この膜を燃料電池に使用した際に、運転可能時間が限定されることを示している。また、特許文献３については、特許文献２で提案されているスルホン化ＳＥＢＳに比較して、スルホン化ＳｉＢｕＳの方が化学的安定性が高いことが、特許文献３において示されているが、化学的安定性の指標であるフェントン反応後のイオン交換量は約１／２に低減しており、その化学的安定性は必ずしも十分とは言えなかったのが実情である。
【００１１】
一方、従来のアニオン伝導性高分子電解質膜に関し、特許文献４に記載された含フッ素ポリマー系電解質膜はナフィオンと同様の欠点を有する。また、特許文献５に記載された芳香族ポリスルホン−ポリチオエーテルスルホン共重合体由来の電解質膜は、水との親和性が高く、発電中の反応ガスに含まれる湿気や酸素極の生成水により、電解質膜自体の劣化が進行して十分な運転時間を確保できないという問題点を有する。また、特許文献６や特許文献７に記載されたポリスチレンブロックとポリオレフィンブロックからなる共重合体由来の電解質膜は、酸化安定性が充分でない
このように、経済的でかつ耐久性の高い、改善された固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜は提案されていないのが実情である
【００１２】
本発明の目的は、経済的で、環境に優しく、成形性に優れ、かつ、酸化安定性ひいては耐久性に優れる固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を繰返し単位とする重合体ブロック（Ａ）及びフレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）を構成成分とし、重合体ブロック（Ａ）にアニオン伝導性基を結合させたブロック共重合体が固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜として上記目的を満たすことを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明は、α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック（Ａ）及びフレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）を構成成分とするブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、重合体ブロック（Ａ）が１価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック（Ａ）同士を架橋する形態で結合しているか、及び／又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック（Ａ）内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該高分子電解質膜に関する。
【００１５】
上記ブロック共重合体において、重合体ブロック（Ａ）と重合体ブロック（Ｂ）とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック（Ａ）同士と重合体ブロック（Ｂ）同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック（Ａ）はアニオン伝導性基を有するので重合体ブロック（Ａ）同士の集合により連続相（イオンチャンネル）が形成され、アニオン（通常、水酸化物イオン）の通り道となる。また、重合体ブロック（Ｂ）の存在により、ブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性（組立性、接合性、締付性など）が改善される。フレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）はアルケン単位や共役ジエン単位などから構成される。
【００１６】
α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位はα位の炭素原子に結合した水素原子がアルキル基、ハロゲン化アルキル基又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位などを包含する。
【００１７】
また、アニオン伝導性基は重合体ブロック（Ａ）に結合しているが、このことは酸化安定性の向上のため必要である。
アニオン伝導性基はそれぞれ対イオンを伴った、炭素数１〜８のアルキル基で置換されていてもよいアンモニウム基、窒素原子に結合したメチル基もしくはエチル基を有するピリジニウム基もしくは酸と塩を形成したピリジル基、窒素原子に結合したメチル基もしくはエチル基を有するイミダゾリウム基もしくは酸と塩を形成したイミダゾリル基、メチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいホスホニウム基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいエチレンジアミンの２つの窒素原子の少なくとも１つから結合手が出ている１価もしくは２価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいトリ〜ヘキサメチレンジアミンの２つの窒素原子の少なくとも１つから結合手が出ている１価もしくは２価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されたメチレンジアミンの２つの窒素原子の少なくとも１つから結合手が出ている１価もしくは２価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいジエチレン（もしくはビス（トリメチレン））トリアミンの３つの窒素原子の少なくとも１つから結合手が出ている１価、２価もしくは３価の基等を包含する。
【００１８】
本発明はまた、上記電解質膜を用いた膜−電極接合体及び燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の高分子電解質膜、膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池は経済的で、環境に優しく、酸化安定性ひいては耐久性に優れ、かつ、高温条件下でも十分に機能を発揮する。本発明の高分子電解質膜は、また、成形性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は、α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とし、かつ、少なくとも１つのアニオン伝導性基を（共）有する重合体ブロック（Ａ）を構成成分とする。
【００２１】
α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物は、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数１〜４のアルキル基（メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基もしくはｔｅｒｔ−ブチル基等）、炭素数１〜４のハロゲン化アルキル基（クロロメチル基、２−クロロエチル基、３−クロロエチル基等）又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物であることが好ましい。骨格となる芳香族ビニル系化合物としてはスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン、ビニルピリジン等が挙げられる。これらの芳香族ビニル系化合物の芳香環に結合した水素原子は１〜３個の置換基で置換されていてもよく、置換基としては各独立に炭素数１〜４のアルキル基（メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基もしくはｔｅｒｔ−ブチル基）、炭素数１〜４のハロゲン化アルキル基（クロロメチル基、２−クロロエチル基、３−クロロエチル基等）などが挙げられる。α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物の好適な具体例としてはα−メチルスチレンが挙げられる。α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物は各単独で用いても２種以上組み合わせて用いてもよい。２種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
【００２２】
重合体ブロック（Ａ）は、本発明の効果を損わない範囲内で１種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば芳香族ビニル系化合物［スチレン、ベンゼン環に結合した水素原子が１〜３個のアルキル基（メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基もしくはｔｅｒｔ−ブチル基）で置換されたスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等］、炭素数４〜８の共役ジエン（具体例は後述の重合体ブロック（Ｂ）の説明におけると同様）、炭素数２〜８のアルケン（具体例は後述の重合体ブロック（Ｂ）の説明におけると同様）、（メタ）アクリル酸エステル（（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル等）、ビニルエステル（酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等）、ビニルエーテル（メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等）等が挙げられる。α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。
【００２３】
重合体ブロック（Ａ）中のα−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位は、最終的に得られる高分子電解質膜に十分な酸化安定性を付与するために、重合体ブロック（Ａ）の５０質量％以上を占めることが好ましく、７０質量％以上を占めることがより好ましく、９０質量％以上を占めることがより一層好ましい。
【００２４】
重合体ブロック（Ａ）の分子量は、高分子電解質膜の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、高分子電解質膜の引張強度等の力学特性が高くなる傾向にあり、分子量が小さい場合、高分子電解質膜の電気抵抗が小さくなる傾向にあり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、１００〜１，０００，０００の間から選択されるのが好ましく、１，０００〜１００，０００の間から選択されるのがより好ましい。
【００２５】
本発明の高分子電解質膜で使用するブロック共重合体は、重合体ブロック（Ａ）以外にフレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）を有する。重合体ブロック（Ａ）と重合体ブロック（Ｂ）とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック（Ａ）同士と重合体ブロック（Ｂ）同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック（Ａ）はアニオン伝導性基を（共）有するので重合体ブロック（Ａ）同士の集合により連続相としてのイオンチャンネルが形成され、アニオン（通常、水酸化物イオン）の通り道となる。かかる重合体ブロック（Ｂ）を有することによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性（組立性、接合性、締付性など）が改善される。ここでいうフレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）はガラス転移点あるいは軟化点が５０℃以下、好ましくは２０℃以下、より好ましくは１０℃以下のいわゆるゴム状重合体ブロックである。
【００２６】
フレキシブルな重合体ブロック（Ｂ）を構成する繰返し単位を構成することかできる単量体としては炭素数２〜８のアルケン、炭素数５〜８のシクロアルケン、炭素数７〜１０のビニルシクロアルケン、炭素数４〜８の共役ジエン及び炭素数５〜８の共役シクロアルカジエン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数７〜１０のビニルシクロアルケン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数４〜８の共役ジエン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数５〜８の共役シクロアルカジエン、（メタ）アクリル酸エステル（（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル等）、ビニルエステル（酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等）、ビニルエーテル（メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等）等が挙げられ、これらは単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。２種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、（共）重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を２つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、共役ジエンの場合には１，２−結合であっても１，４−結合であってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が５０℃以下であれば、１，２−結合と１，４−結合との割合にも特に制限はない。
【００２７】
重合体ブロック（Ｂ）を構成する繰返し単位が、ビニルシクロアルケンや共役ジエンや共役シクロアルカジエンである場合のように炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその３０モル％以上が水素添加されているのが好ましく、５０モル％以上が水素添加されているのがより好ましく、８０モル％以上が水素添加されているのがより一層好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、１Ｈ−ＮＭＲ測定等によって算出することができる。
【００２８】
重合体ブロック（Ｂ）は、得られるブロック共重合体に、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、炭素数２〜８のアルケン単位、炭素数５〜８のシクロアルケン単位、炭素数７〜１０のビニルシクロアルケン単位、炭素数４〜８の共役ジエン単位、炭素数５〜８の共役シクロアルカジエン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数７〜１０のビニルシクロアルケン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数４〜８の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数５〜８の共役シクロアルカジエン単位から選ばれる少なくとも１種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数２〜８のアルケン単位、炭素数４〜８の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数４〜８の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも１種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数２〜６のアルケン単位、炭素数４〜８の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数４〜８の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも１種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより一層好ましい。上記で、炭素数２〜６のアルケン単位として最も好ましいのはイソブテン単位であり、炭素数共役ジエン単位として最も好ましいのは１，３−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。
【００２９】
上記で炭素数２〜８のアルケンとしてはエチレン、プロピレン、１−ブテン、２−ブテン、イソブテン、１−ペンテン、２−ペンテン、１−ヘキセン、２−ヘキセン、１−ヘプテン、２−ヘプテン、１−オクテン、２−オクテン等が挙げられ、炭素数５〜８のシクロアルケンとしてはシクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテンが挙げられ、炭素数７〜１０のビニルシクロアルケンとしてはビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテンなどが挙げられ、炭素数４〜８の共役ジエンとしては１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、イソプレン、１，３−ヘキサジエン、２，４−ヘキサジエン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、２−エチル−１，３−ブタジエン、１，３−ヘプタジエン、１，４−ヘプタジエン、３，５−ヘプタジエン等が挙げられ、炭素数５〜８の共役シクロアルカジエンとしてはシクロペンタジエン、１，３−シクロヘキサジエン等が挙げられる。
【００３０】
また、重合体ブロック（Ｂ）は、上記単量体以外に、ブロック共重合体に弾力性を与えるという重合体ブロック（Ｂ）の目的を損なわない範囲で他の単量体、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル系化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物等を含んでいてもよい。この場合上記単量体と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、上記単量体と他の単量体との合計に対して、５０質量％未満であるのが好ましく、３０質量％未満であるのがより好ましく、１０質量％未満であるのがより一層好ましい。
【００３１】
重合体ブロック（Ａ）と重合体ブロック（Ｂ）とを構成成分とするブロック共重合体の構造は特に限定されないが、例としてＡ−Ｂ−Ａ型トリブロック共重合体、Ｂ−Ａ−Ｂ型トリブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ａ型トリブロック共重合体もしくはＢ−Ａ−Ｂ型トリブロック共重合体とＡ−Ｂ型ジブロック共重合体との混合物、
Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ型テトラブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ型ペンタブロック共重合体、Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ型ペンタブロック共重合体、（Ａ−Ｂ）ｎＸ型星形共重合体（Ｘはカップリング剤残基を表す）、（Ｂ−Ａ）ｎＸ型星形共重合体（Ｘはカップリング剤残基を表す）等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても２種以上組み合わせて用いてもよい。
【００３２】
重合体ブロック（Ａ）と重合体ブロック（Ｂ）との質量比は９５：５〜５：９５であるのが好ましく、９０：１０〜１０：９０であるのがより好ましく、５０：５０〜１０：９０であるのがより一層好ましい。この質量比が９５：５〜５：９５である場合には、ミクロ相分離により重合体ブロック（Ａ）の形成するイオンチャンネルが連続相となるのに有利であって、実用上十分なアニオン伝導性が発現し、また疎水性である重合体ブロック（Ｂ）の割合が適切となって優れた耐水性が発現する。
【００３３】
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は重合体ブロック（Ａ）や重合体ブロック（Ｂ）と異なる他の重合体ブロック（Ｃ）を含んでいてもよい。
重合体ブロック（Ｃ）は、重合体ブロック（Ａ）及び重合体ブロック（Ｂ）とミクロ相分離する成分であれば特に限定されない。重合体ブロック（Ｃ）を構成する単量体としては、例えば芳香族ビニル系化合物［スチレン、ベンゼン環に結合した水素原子が１〜３個のアルキル基（メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基もしくはｔｅｒｔ−ブチル基）で置換されたスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等］、炭素数４〜８の共役ジエン（具体例は後述の重合体ブロック（Ｂ）の説明におけると同様）、炭素数２〜８のアルケン（具体例は既述の重合体ブロック（Ｂ）の説明におけると同様）、（メタ）アクリル酸エステル（（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル等）、ビニルエステル（酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等）、ビニルエーテル（メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等）等が挙げられる。
【００３４】
重合体ブロック（Ｃ）に、重合体ブロック（Ａ）及び重合体ブロック（Ｂ）とミクロ相分離し、実質的にイオン基を含有せず、拘束相として働く機能を持たせる場合には、かかる重合体ブロック（Ｃ）を有する本発明の高分子電解質膜は、形態安定性、耐久性、湿潤下での力学特性が優れる傾向にある。この場合の重合体ブロック（Ｃ）を構成する単量体の好ましい例としては、上記した芳香族ビニル系化合物が挙げられる。また、重合体ブロック（Ｃ）を結晶性にすることによっても上記した機能を持たせることができる。
【００３５】
上記した機能を芳香族ビニル系化合物単位に依存する場合、重合体ブロック（Ｃ）中の芳香族ビニル系化合物単位は、重合体ブロック（Ｃ）の５０質量％以上を占めることが好ましく、７０質量％以上を占めることがより好ましく、９０質量％以上を占めることがより一層好ましい。また、上記と同じ観点から、重合体ブロック（Ｃ）中に含まれ得る芳香族ビニル系化合物単位以外の単位はランダム重合していることが望ましい。
【００３６】
重合体ブロック（Ｃ）を重合体ブロック（Ａ）及び重合体ブロック（Ｂ）とミクロ相分離させ、かつ拘束相として機能させる観点から特に好適な例としてポリスチレンブロック；ポリｐ−メチルスチレンブロック、ポリｐ−（ｔ−ブチル）スチレンブロック等のポリスチレン系ブロック；任意の相互割合の、スチレン、ｐ−メチルスチレン及びｐ−（ｔ−ブチル）スチレンの２種以上からなる共重合体ブロック；結晶性水添１，４−ポリブタジエンブロック；結晶性ポリエチレンブロック；結晶性ポリプロピレンブロック等が挙げられる。
【００３７】
本発明で用いるブロック共重合体が重合体ブロック（Ｃ）を含む場合の形態としては、Ａ−Ｂ−Ｃ型トリブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ型テトラブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｃ型テトラブロック共重合体、Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ型テトラブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｂ型テトラブロック共重合体、Ｃ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ｃ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｃ−Ｂ−Ｃ−Ａ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｃ−Ｂ−Ａ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ−Ｂ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｂ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｃ−Ｂ型ペンタブロック共重合体、Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｃ型ペンタブロック共重合体、Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ型ペンタブロック共重合体、Ｂ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｂ型ペンタブロック共重合体等が挙げられる。
【００３８】
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体が重合体ブロック（Ｃ）を含む場合、ブロック共重合体に占める重合体ブロック（Ｃ）の割合は４０質量％以下であるのが好ましく、３５質量％以下であるのがより好ましく、３０質量％以下であるのがより一層好ましい。
【００３９】
本発明で用いるブロック共重合体のアニオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、１０，０００〜２，０００，０００が好ましく、１５，０００〜１，０００，０００がより好ましく、２０，０００〜５００，０００がより一層好ましい。
【００４０】
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は重合体ブロック（Ａ）にアニオン伝導性基を有することが必要である。本発明でアニオン伝導性に言及する場合のアニオンとしては水酸化物イオンなどが挙げられる。アニオン伝導性基としては、該高分子電解質膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なアニオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、以下に示すような基が挙げられる。なお、アニオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック（Ａ）にするのはブロック共重合体全体の酸化安定性を向上させるのに特に有効であるためである。
【００４１】
【化１】
2007042573.tif 000002
【００４２】
上記式において、Ｒ１〜Ｒ３はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数１〜８のアルキル基を表し、Ｒ４〜Ｒ９及びＲ１１はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を表し、Ｒ１０はメチル基又はエチル基を表し、Ｘ−は水酸化物イオン又は酸アニオンを表し、ｍは２〜６の整数を表し、ｎは２又は３を表す。上記において、炭素数１〜８のアルキル基としてはメチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｎ−ペンチル基、ｎ−ヘキシル基、ｎ−ヘプチル基、２−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては特に制限はなく、例えばハロゲンイオン（特に塩素イオン）、１／２ＳＯ４２−、ＨＳＯ４−、ｐ−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。
また上記において、Ｒ１〜Ｒ９及びＲ１１がメチル基又はエチル基であり、Ｘ−が水酸化物イオンである場合には、高いアニオン伝導性を発現できるので好ましい。Ｒ１〜Ｒ１１はメチル基であるのがより好ましい。
【００４３】
アニオン伝導性基の重合体ブロック（Ａ）中への導入位置については特に制限はなく、α−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位に導入しても既述の他の単量体単位に導入してもよいが、酸化安定性の向上の観点からα−炭素が４級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の芳香族環に導入するのがもっとも好ましい。この際、導入されたアニオン伝導性基が例えば上記式中の（１）〜（８）のような１価の基である場合には、かかる基は重合体ブロック（Ａ）に結合しているが、例えば上記式中の（９）〜（１３）のような多価の基である場合には、かかる基は重合体ブロック（Ａ）同士を架橋する形態で結合しているか、重合体ブロック（Ａ）内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している。
【００４４】
アニオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として使用するのに十分なアニオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体のイオン交換容量が０．３０ｍｅｑ／ｇ以上となるような量であることが好ましく、０．４０ｍｅｑ／ｇ以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体のイオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり耐水性が不十分になる傾向となるので、３．０ｍｅｑ／ｇ以下であるのが好ましい。
【００４５】
本発明で用いられるブロック共重合体の製造法に関しては主に次の２つの方法に大別される。すなわち、（１）まずアニオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、アニオン伝導性基を結合させる方法、（２）アニオン伝導性基を有する単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。
【００４６】
まず第１の製造法について述べる。
重合体ブロック（Ａ）又は（Ｂ）を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック（Ａ）又は（Ｂ）の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法あるいはアニオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、フレキシブルな成分からなる重合体ブロック（Ｂ）又は重合体ブロック（Ａ）との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法、リビングカチオン重合法あるいはリビングアニオン重合法が好ましい。
【００４７】
製造法の具体例として、ポリ（α−メチルスチレン）からなる重合体ブロック（Ａ）及びポリ共役ジエンからなる重合体ブロック（Ｂ）を成分とするブロック共重合体の製造法、並びにポリ（α−メチルスチレン）からなる重合体ブロック（Ａ）及びポリイソブテンからなる重合体ブロック（Ｂ）を成分とするブロック共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック（Ａ）と重合体ブロック（Ｂ）との結合の容易さ等からリビングアニオン重合法又はリビングカチオン重合法で製造するのが好ましく、次のような具体的な合成例が示される。
【００４８】
（１）テトラヒドロフラン溶媒中でジアニオン系開始剤を用いて共役ジエン重合後に、−７８℃の温度条件下でα−メチルスチレンを逐次重合させＡ−Ｂ−Ａ型ブロック共重合体を得る方法（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，（１９６９），２（５），４５３−４５８）、
（２）α−メチルスチレンをアニオン系開始剤を用いてバルク重合を行った後に、共役ジエンを逐次重合させ、その後テトラクロロシラン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、（Ａ−Ｂ）ｎＸ型ブロック共重合体を得る方法（Ｋａｕｔｓｃｈ．Ｇｕｍｍｉ，
Ｋｕｎｓｔｓｔ．，（１９８４），３７（５），３７７−３７９；  Ｐｏ
ｌｙｍ． Ｂｕｌｌ．， （１９８４），１２，７１−７７）、
（３）非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、０．１〜１０質量％の濃度の極性化合物の存在下、−３０℃〜３０℃の温度にて、５〜５０質量％の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させた後、カップリング剤を添加して、Ａ−Ｂ−Ａ型ブロック共重合体を得る方法、
【００４９】
（４）非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、０．１〜１０質量％の濃度の極性化合物の存在下、−３０℃〜３０℃の温度にて、５〜５０質量％の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させ、得られるα−メチルスチレン重合体ブロックと共役ジエン重合体ブロックからなるブロック共重合体
のリビングポリマーに重合体ブロック（Ｃ）を構成する単量体を重合させてＡ−Ｂ−Ｃ型ブロック共重合体を得る方法、
（５）ハロゲン化炭化水素と炭化水素との混合溶媒中、−７８℃で、２官能性有機ハロゲン化合物を用いて、ルイス酸存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、ジフェニルエチレンを付加させ、さらにルイス酸を後添加後、α−メチルスチレンを重合させ、Ａ−Ｂ−Ａ型ブロック共重合体を得る方法（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，（１９９５），２８，４８９３−４８９８）、及び
（６）ハロゲン化炭化水素と炭化水素との混合溶媒中、−７８℃で、１官能性有機ハロゲン化合物を用いて、ルイス酸存在下、α−メチルスチレンを重合後、さらにルイス酸を後添加し、イソブテンを重合させた後、2、2−ビス−[4−（1−フェニルエテニル）フェニル]プロパン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、Ａ−Ｂ−Ａ型ブロック共重合体を得る方法（Ｐｏｌｙｍ．
Ｂｕｌｌ．， （２０００），４５，１２１−１２８）
【００５０】
ポリ（α−メチルスチレン）からなる重合体ブロック（Ａ）及び共役ジエン化合物からなる重合体ブロック（Ｂ）を成分とするブロック共重合体を製造する場合、上記ブロック共重合体の具体的製造方法中、（３）及び（４）の方法が好ましく、特に（３）の方法がより好ましい方法として採用される。
ポリ（α−メチルスチレン）からなる重合体ブロック（Ａ）及びイソブテンからなる重合体ブロック（Ｂ）を成分とするブロック共重合体を製造する場合、（５）又は（６）に示す公知の方法が採用される。
【００５１】
次に、得られたブロック共重合体にアニオン伝導性基を導入する方法について述べる。アニオン伝導性基の導入は公知の方法で行うことができる。例えば、得られたブロック共重合体をクロロメチル化し、ついでアミンもしくはホスフィンと反応させ、さらに必要に応じ、塩素イオンを水酸化物イオンや他の酸アニオンで置換する。
【００５２】
上記のクロロメチル化方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、ブロック共重合体の有機溶媒中への溶液や縣濁液にクロロメチル化剤及び触媒を添加してクロロメチル化させる方法を用い得る。有機溶媒としてはクロロホルム、ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素を例示できるがこれらに限定されるものではない。クロロメチル化剤としてはクロロメチルエチルエーテルや塩酸−パラホルムアルデヒドなどを使用でき、触媒としては塩化スズや塩化亜鉛などを使用できる。
【００５３】
クロロメチル化したブロック共重合体にアミンもしくはホスフィンを反応させる方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、得られたクロロメチル化したブロック共重合体の有機溶媒中への溶液、縣濁液、又はかかる溶液や懸濁液から公知の方法により成形した膜にアミンもしくはホスフィンをそのままもしくは必要に応じ有機溶媒中への溶液として添加して反応を進行させる方法を用い得る。有機溶媒中への溶液や懸濁液を調製する有機溶媒としては、メタノールやアセトンなどを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
アミンやホスフィンとしては、特に制限はないが、以下に示すようなものを好適に用いることができる。
【００５４】
【化２】
2007042573.tif 000003
【００５５】
上記式中、Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ６〜Ｒ１１、ｍ及びｎは前記と同義である。すなわち、Ｒ１〜Ｒ３はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数１〜８のアルキル基であり、Ｒ６〜Ｒ９並びにＲ１１はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基であり、Ｒ１０はメチル基又はエチル基であり、ｍは２〜６の整数であり、ｎは２又は３である。Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ６〜Ｒ９並びにＲ１１はそれぞれ独立にメチル基又はエチル基であるのが好ましく、Ｒ１〜Ｒ３並びにＲ６〜Ｒ１１はメチル基であるのがより好ましい。
【００５６】
クロロメチル化したブロック共重合体とアミンもしくはホスフィンとの反応によって、すでに述べたようなアニオン伝導性基が導入される。ここで、モノアミン（１）やホスフィン（２）を用いる場合には、重合体ブロック（Ａ）中にアニオン伝導性基が導入されるが、ジアミン（３）もしくは（４）やトリアミン（５）等の多価アミンを用いる場合には、重合体ブロック（Ａ）中に１価のアニオン伝導性基として導入されるときもあり、多価のアニオン伝導性基として導入され、重合体ブロック（Ａ）同士を架橋したり重合体ブロック（Ａ）内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋したりするときもあると考えられる。
また、Ｒ１〜Ｒ３が炭素数１〜８のアルキル基である場合や、Ｒ６〜Ｒ９並びにＲ１１がメチル基又はエチル基である場合には、アニオン伝導性基は第４級アンモニウム基もしくは第４級ホスホニウム基を有することになる。
【００５７】
上記で導入されたアニオン伝導性基は酸アニオンとして塩素イオンを有しているので、必要に応じ、これを水酸化物イオンもしくは他の酸アニオンに、好ましくは水酸化物イオンに変換する。他のイオンに変換する方法としては特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、水酸化物イオンに変換する場合には、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液に、アニオン伝導性基が導入されたブロック共重合体を浸漬する方法を例示することができる。
【００５８】
アニオン伝導性基の導入量は、すでに述べたごとく、ブロック共重合体のイオン交換容量が０．３０ｍｅｑ／ｇ以上になるような量であることが望ましく、０．４０ｍｅｑ／ｇ以上になるような量であることがより好ましい。これにより実用的なアニオン伝導性能が得られる。アニオン伝導性基を導入したブロック共重合体のイオン交換容量は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル（１Ｈ−ＮＭＲスペクトル）測定等の分析手段を用いて測定することができる。
【００５９】
本発明で用いられるブロック共重合体の、第２の製造法は、アニオン伝導性基を有する少なくとも１つの単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。
アニオン伝導性基を有する単量体としては、以下に示すような基を用いることができる。
【００６０】
【化３】
2007042573.tif 000004
【００６１】
式中、Ｒ１２、Ｒ１４及びＲ１６は水素原子、炭素数１〜４のアルキル基、炭素数１〜４のハロゲン化アルキル基又はフェニル基を表し、Ｒ１３は水素原子又は炭素数１〜８のアルキル基を表し、Ｒ１５及びＲ１７は水素原子、メチル基又はエチル基を表し、Ｘ−は水酸化物イオン又は酸アニオンを表す。上記で炭素数１〜４のアルキル基としてはメチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、イソブチル基等が、炭素数１〜４のハロゲン化アルキル基としてはクロロメチル基、クロロエチル基、クロロプロピル基等が挙げられる。また、炭素数１〜８のアルキル基としてはメチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｎ−ペンチル基、ｎ−ヘキシル基、ｎ−ヘプチル基、２−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては、特に制限はなく、例えばハロゲンイオン（特に塩素イオン）、１／２ＳＯ４２−、ＨＳＯ４−、ｐ−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。Ｒ１２〜Ｒ１７としてはメチル基又はエチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。上記式（２）において、−Ｃ（Ｒ１４）＝ＣＨ２基は４位もしくは２位に結合しているのが好ましい。
上記したアニオン伝導性基を有する単量体の中で、Ｒ１３がメチル基又はエチル基、特にメチル基である式（１）で表される単量体が特に好ましい。
【００６２】
本発明の高分子電解質膜は、本発明で用いられるブロック共重合体に加えて、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、軟化剤を含有していてもよい。軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等があり、これらは各単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。
【００６３】
本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、各種添加剤、例えば、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維等を各単独で又は２種以上組み合わせて含有していてもよい。安定剤の具体例としては、２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス［３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、１，３，５−トリメチル−２，４，６−トリス（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）ベンゼン、オクタデシル−３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス［３−（３−ｔ−ブチル−５−メチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、２，４−ビス−（ｎ−オクチルチオ）−６−（４−ヒドロキシ−３，５−ジ−ｔ−ブチルアニリノ）−１，３，５−トリアジン、２，２，−チオ−ジエチレンビス[３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート]、Ｎ，Ｎ’−ヘキサメチレンビス（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド）、３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）−イソシアヌレート、３，９−ビス｛２−［３−（３−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ−５−メチルフェニル）プロピオニルオキシ］−１，１−ジメチルエチル｝−２，４，８，１０−テトラオキサスピロ［５，５］ウンデカン等のフェノール系安定剤；ペンタエリスリチルテトラキス（３−ラウリルチオプロピオネート）、ジステアリル３，３’−チオジプロピオネート、ジラウリル３，３’−チオジプロピオネート、ジミリスチル３，３’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤；トリスノニルフェニルホスファイト、トリス（２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル）ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス（２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェニル）ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これら安定剤は各単独で用いても、２種以上組み合わせても用いてもよい。
【００６４】
本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、無機充填剤を含有していてもよい。かかる無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。
【００６５】
本発明の高分子電解質膜における本発明のブロック共重合体の含有量は、イオン伝導性の観点から、５０質量％以上であることが好ましく、７０質量％以上であることがより好ましく、９０質量％以上であることがより一層好ましい。
【００６６】
本発明の高分子電解質膜は、燃料電池用電解質膜として必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が５〜５００μｍ程度であることが好ましい。膜厚が５μｍ未満である場合には、膜の機械的強度やガスの遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が５００μｍを超えて厚い場合には、膜の電気抵抗が大きくなり、充分なアニオン伝導性が発現しないため、電池の発電特性が低くなる傾向がある。該膜厚はより好ましくは１０〜３００μｍである。
【００６７】
本発明の高分子電解質膜の調製方法については、かかる調製のための通常の方法であればいずれの方法も採用でき、例えば、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体又は該ブロック共重合体及び上記したような添加剤を適当な溶媒と混合して該ブロック共重合体を溶解もしくは懸濁せしめ、ガラス等の板状体にキャストするか又はコーターやアプリケーター等を用いて塗布し、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得る方法や、熱プレス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の方法を用いて成膜する方法などを用いることができる。
また、得られた電解質膜層の上に、新たに、同じもしくは異なるブロック共重合体溶液を塗布して乾燥することにより積層化させてもよい。また、上記のようにして得られた、同じもしくは異なる電解質膜同士を熱ロール成形等で圧着させて積層化させてもよい。
【００６８】
このとき使用する溶媒は、ブロック共重合体の構造を破壊することなく、キャストもしくは塗布が可能な程度の粘度の溶液を調製することが可能なものであれば特に制限されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール類、あるいはこれらの混合溶媒等が例示できる。ブロック共重合体の構成、分子量、イオン交換容量等に応じて、上記に例示した溶媒の中から、１種又は２種以上の組合せを適宜選択し、使用することができる。
【００６９】
また、溶媒除去の条件は、本発明のブロック共重合体のアニオン伝導性基が脱落する温度以下で、溶媒を完全に除去できる条件であれば任意に選択することが可能である。所望の物性を発現させるため、複数の温度を任意に組み合わせたり、通風気下と真空下等を任意に組み合わせてもよい。具体的には、室温〜６０℃程度の真空条件下で、数時間予備乾燥した後、１００℃以上の真空条件下、好ましくは１００〜１２０℃で１２時間程度の乾燥条件で溶媒を除去する方法等が例示できるが、これらに限定されるものではない。
【００７０】
得られた電解質膜は膜中に残存する低分子化合物などを除去するために、蒸留水や膜が溶解しない有機溶媒で洗浄することができる。また、洗浄前の前処理としては、アニオン伝導性基を完全な水酸化物型に変換するために水酸化ナトリウムなどの塩基性水溶液に浸漬する方法を採用することができる。  
【００７１】
つぎに、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、アニオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで２対の接合体をそれぞれ触媒層を内側にして、高分子電解質膜の両側にホットプレスなどにより接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により高分子電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、アニオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、高分子電解質膜の両面及び／又は２対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、２対のこの基材フィルム上の触媒層を高分子電解質膜の両側に加熱圧着により転写し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、これらの方法をアニオン伝導性基を塩化物等の塩にした状態で行い、接合後のアルカリ処理によって水酸化物型に戻す処理を行ってもよい。
【００７２】
上記膜−電極接合体を構成するアニオン伝導性バインダーとしては、例えば、ポリクロロメチルスチレンを第３級アミンと反応させて第４級アンモニウム塩とし、必要に応じ水酸化物の形態にしたもの等を用いることができる。また、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体からアニオン伝導性バインダーを作製してもよい。なお、電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、高分子電解質膜と同一材料から形成したアニオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。
【００７３】
上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材／触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは２種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は、１０〜３００オングストロームである。これら触媒はカーボン等の導電材／触媒担体に担持させた方が触媒使用量が少なくコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン-ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００７４】
上記膜−電極接合体のガス拡散層は、導電性及びガス透過性を備えた材料から構成され、かかる材料として例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の炭素繊維よりなる多孔性材料が挙げられる。また、かかる材料には、撥水性を向上させるために、撥水化処理を施してもよい。
【００７５】
上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。
本発明の高分子電解質膜を用いた燃料電池は、酸化安定性に優れ、経時的な発電特性の低下が少なく、長時間安定して使用できる。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例、比較例及び参考例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
参考例１
ポリα−メチルスチレン（重合体ブロック（Ａ））と水添ポリブタジエン（重合体ブロック（Ｂ））とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法（ＷＯ  ０２／４０６１１号）と同様の方法で、ポリα−メチルスチレン−ｂ−ポリブタジエン−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体（以下ｍＳＥＢｍＳと略記する）を合成した。得られたｍＳＥＢｍＳの数平均分子量（ＧＰＣ測定、ポリスチレン換算）は７６０００であり、１Ｈ−ＮＭＲ測定から求めた１，４−結合量は５５％、α−メチルスチレン単位の含有量は３０．０質量％であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、１Ｈ−ＮＭＲスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したｍＳＥＢｍＳのシクロヘキサン溶液を調整し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ｎｉ／Ａｌ系のＺｉｅｇｌｅｒ系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において８０℃で５時間水素添加反応を行い、ポリα−メチルスチレン−ｂ−水添ポリブタジエン−ｂ−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体（以下ＨｍＳＥＢｍＳと略記する）を得た。得られたＨｍＳＥＢｍＳの水素添加率を１Ｈ−ＮＭＲスペクトル測定により算出したところ、９９．６％であった。
【００７７】
実施例１
（１）水酸化４級アンモニウム基変性ＨｍＳＥＢｍＳの膜の作製
参考例１で得られたブロック共重合体（ＨｍＳＥＢｍＳ）１００ｇを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて１時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、クロロホルム６５０ｍｌを加え、３５℃にて２時間攪拌して溶解させた。溶解後、クロロメチルエチルエーテル１３５ｍｌと四塩化スズ５．７ｍｌを加え、３５℃で９時間攪拌した。次に、反応溶液を４Ｌのメタノールに加え、沈殿物を洗浄し乾燥してクロロメチル化したＨｍＳＥＢｍＳを得た。クロロメチル化したＨｍＳＥＢｍＳのクロロメチル化率は、１Ｈ−ＮＭＲ分析からα−メチルスチレン単位の６０．９ｍｏｌ％であった。
つぎに、クロロメチル化したＨｍＳＥＢｍＳをトルエンに溶解し、ポリテトラフルオロエチレンシート上にキャストし室温で十分乾燥させて、厚さ７０μｍのキャスト膜を得た。
つぎに、得られたキャスト膜を３０％トリメチルアミン水溶液とアセトンの体積比１：１の混合液に室温で２４時間浸漬することでクロロメチル基をアミノ化した。
最後に、アミノ化したＨｍＳＥＢｍＳ膜を０．５Ｎ−ＮａＯＨ水溶液に室温で５時間浸漬してイオン交換し、水酸化４級アンモニウム基変性ＨｍＳＥＢｍＳの膜を得た。膜厚は１００μｍであり、イオン交換容量は１Ｈ−ＮＭＲ測定から得られる値から換算して１．３０ｍｅｑ／ｇであった。
【００７８】
（２）固体高分子型燃料電池単セルの作製
つぎに、固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Ｐｔ触媒担持カーボンに、（１）で得られた水酸化４級アンモニウム基変性ＨｍＳＥＢｍＳのクロロホルム／イソブチルアルコール溶液（クロロホルム：イソブチルアルコール＝７：３．４質量％）を混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストを撥水処理済みのカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、数時間放置してカーボンペーパー電極を作製した。作製した電極のＰｔ担持量と水酸化４級アンモニウム基変性ＨｍＳＥＢｍＳの含量は共に１．０ｍｇ／ｃｍ２であった。ついで、（１）で作製した膜（１０ｃｍ×１０ｃｍ）を２つの上記で作製したカーボンペーパー電極（５ｃｍ×５ｃｍ）で膜と触媒面とがそれぞれ向かい合うように挟み、その外側を２枚の耐熱性フィルム及び２枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス（６０℃、８０ｋｇ／ｃｍ２、２ｍｉｎ）して膜−電極接合体を作製した。
上記で作製した膜−電極接合体（耐熱性フィルム及びステンレス板を外したもの）を、２枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を２枚の集電板及び２枚の締付板で順に挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。なお、それぞれの膜−電極接合体とセパレータとの間には、電極の厚み分の段差からのガス漏れを防ぐために、ガスケットを配した。
【００７９】
比較例１
水酸化４級アンモニウム基変性ＳＥＢＳの膜の作製
ＳＥＢＳ（スチレン−（エチレン−ブチレン）−スチレン）ブロック共重合体［（株）クラレ製「セプトン８００７」］１００ｇを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて１時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、クロロホルム７５０ｍｌを加え、３５℃にて２時間攪拌して溶解させた。溶解後、クロロメチルエチルエーテル１６０ｍｌと塩化スズ６．７４ｍｌを加え、３５℃で８時間攪拌した。つぎに、反応溶液を４Ｌのメタノールに加え、沈殿物を洗浄し乾燥してクロロメチル化したＳＥＢＳを得た。クロロメチル化したＳＥＢＳのクロロメチル化率は、１Ｈ−ＮＭＲ分析からスチレン単位の６０．１ｍｏｌ％であった。
つぎに、実施例１（１）と同様の方法で、キャスト膜を作製し、アミノ化、イオン交換して水酸化４級アンモニウム基変性ＳＥＢＳの膜を得た。膜厚は１００μｍであり、イオン交換容量は１Ｈ−ＮＭＲ測定から得られる値から換算して１．４１ｍｅｑ／ｇであった。
【００８０】
実施例１（１）及び比較例１で作製されたアニオン交換型電解質膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
下記（１）と（２）の試験において実施例１（１）及び比較例１で作製された水酸化アンモニウム基変性ブロック共重合体膜を使用した。
（１）水酸化物イオン伝導率測定
１ｃｍ×４ｃｍの試料を一対の白金黒メッキした白金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを温度６０℃、相対湿度９０％に調節した恒温恒湿器内に設置し、交流インピーダンス法により水酸化物イオン伝導率を測定した。
（２）酸化安定性試験
６０℃に設定した３質量％過酸化水素水溶液に試料を添加し、２時間及び８時間反応させた。ついで、試料を０．５Ｎ−ＮａＯＨに１時間浸漬した後、蒸留水で十分に洗浄した。
（３）燃料電池単セル出力性能評価
実施例１（２）で作製した固体高分子型燃料電池単セルについて、燃料電池出力性能を評価した。燃料には加湿した水素を用い、酸化剤には加湿した酸素を用いた。水素：５００ｍｌ／ｍｉｎ、酸素：５００ｍｌ／ｍｉｎの条件下、セル温度８０℃にて試験した。
【００８１】
アニオン交換型電解質膜としての性能試験結果
実施例１（１）及び比較例１で作製した膜についてのイオン伝導度測定試験及び酸化安定性試験の結果を表１に示す。
表１の結果から、本発明のα−メチルスチレン系ブロック共重合体からなる第４級アンモニウムタイプのアニオン交換型電解質膜は、酸化安定性試験による質量保持率がＳＥＢＳからなる第４級アンモニウムタイプのアニオン交換型電解質膜よりも著しく高いことが明らかとなった。
【００８２】
【表１】
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【００８３】
実施例１（２）で作製した固体高分子型燃料電池単セルの発電特性として、電流密度に対する電圧の変化を測定した。結果を図１に示す。
単セルの開放電圧は約１．０Ｖ、最高出力密度は１４７ｍＷ／ｃｍ２であり、実施例１（１）で作製した水酸化４級アンモニウム基変性ＨｍＳＥＢｍＳ膜は固体高分子型燃料電池用電解質膜として使用できることが明確となった。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】固体高分子型燃料電池用単セルの電流密度―出力電圧を示す図である（実施例１（２））。
【図１】
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