JP2021051994A - 複合高分子電解質膜、触媒層付電解質膜、膜電極複合体および固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質基材と複合化させ且つガス透過性を低下させることにより、良好な物理的耐久性と化学的耐久性を両立する電解質膜を提供することを目的とする。【解決手段】高分子電解質と多孔質基材とを含み、２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が１．０×１０−１０ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である複合高分子電解質膜。【選択図】なし

Description

本発明は、複合高分子電解質膜、当該複合高分子電解質膜両面を触媒層が挟持してなる触媒層付複合高分子電解質膜、当該複合高分子電解質膜を含む膜電極複合体および当該複合高分子電解質膜を含む固体高分子形燃料電池に関する。

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形燃料電池は、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。

燃料電池は通常、膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：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。ＭＥＡは、電解質膜の両面に触媒層を配置し、その両側にさらにガス拡散層を配置したものである。ＭＥＡにおいては、電解質膜を挟んで両側に配置された触媒層とガス拡散層とで一対の電極層が構成され、そのうちの一方がアノード電極であり、他方がカソード電極である。アノード電極に水素を含む燃料ガスが接触するとともに、カソード電極に空気が接触することにより電気化学反応によって電力が作り出される。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触媒層のバインダーにも用いられる。

従来、高分子電解質材料としてフッ素系高分子電解質である“ナフィオン”（登録商標）（ケマーズ（株）製）が広く用いられてきた。“ナフィオン”（登録商標）はクラスター構造に起因するプロトン伝導チャネルを通じて、低加湿で高いプロトン伝導性を示す。その一方で、“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、加えて、前述のクラスター構造により燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、燃料電池作動条件では、乾湿サイクルが繰り返され、特に電解質膜は膨潤収縮を繰り返す。その際、電解質膜はセパレータ等で拘束されているため、シワやたるみが生じ、局所的な応力集中により、膜が破断し、膜の機械強度や物理的耐久性が失われるという問題があった。さらに、軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらには、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。このような課題を克服するために、“ナフィオン”（登録商標）に替わり得る安価で、膜特性に優れた炭化水素系電解質膜の開発も近年活発化している。

こうした固体高分子型燃料電池において、燃料電池の長期耐久性を向上させるためには、電解質膜の機械特性、ひいては物理的耐久性を向上させることが重要である。これまで、電解質膜の物理的耐久性が十分でないために、前述の通り乾湿サイクルにおいて皺や弛みに起因し電解質膜が破断することにより物理的耐久性が失われるという課題があった。そこで、電解質膜の機械特性、物理的耐久性を向上させることを目的とし、高分子電解質をナノファイバーや微多孔膜などの多孔質基材と複合化させた複合電解質膜が提案されている。

また、前述の燃料だけでなく、空気に含まれる窒素ガスや酸素ガスもまた高分子電解質膜に溶解、拡散するため、長時間燃料電池を運転することにより、アノードへの酸素、窒素の流入、カソードへの燃料の流入が進行する。それ故、燃料ガスや酸素ガスの濃度低下に起因する発電性能の低下や、両者の混合に起因する過酸化物やラジカルの生成により化学的にＭＥＡが劣化するという課題があった。従来の燃料電池においては対極へ流入した燃料や空気を排出し発電性能を回復させるため、アノードへの燃料ガスパージ、カソードへの空気パージを定期的に実施する必要があり、燃料電池の運転に寄与しない燃料ガスや電力が生じるため燃費が低下するという課題があった。そこで、電解質膜の機械特性、物理的耐久性と燃費を向上させることを目的とし、高分子電解質をナノファイバーや微多孔膜などの多孔質基材と複合化させた複合電解質膜が提案されており、燃料電池におけるガスクロスオーバーを抑制するため、ガス透過性の低い炭化水素系高分子電解質膜が提案されている。

特許文献１では、炭化水素系高分子電解質とポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）ナノファイバー（ＮＦ）不織布と複合化させ膨潤を抑制した膜が記載されている。特許文献２では、フッ素系電解質とスルホン化ポリフェニレンエーテルのブレンドを延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）と複合化させガス透過を抑制した膜が記載されている。特許文献３では、スルホン化ポリイミドを、酸を浸透させたＰＢＩ ＮＦ不織布と複合化させプロトン伝導度と機械特性が向上した膜が記載されている。特許文献４では、電気化学式水素ポンプや水電解装置用途向けのポリエーテルケトン系ブロックコポリマーから成る電解質膜が記載されている。特許文献５ではフッ素系電解質をｅＰＴＦＥと複合化させ機械強度と水素遮断性を向上させた膜が記載されている。特許文献６には放射線処理によりポリビニリデンジフルオリド（ＰＶｄＦ）への架橋スルホン化ポリスチレンのグラフトにより作製した機械強度と水素遮断性に優れた膜が記載されている。

国際公開第２０１７／１４１８７８号 特開２０１４−２３２６６３号公報 特開２０１５−２８８５０号公報 特開２０１６−２１６８２６号公報 特開２０１０−１９９０５０号公報 特開２００６−２３３０８６号公報

しかしながら、特許文献１にはＭＥＡの燃料クロスオーバーに起因する発電性能や化学的耐久性の低下に関する記載は無く、電解質膜のガス遮断性を向上させることによる化学的耐久性や燃費の改善に資するものではなかった。特許文献２では、比較的ガス透過性の大きなフッ素系電解質を用いているためガス遮断性が不十分という課題があった。また、特許文献３では、ナノファイバー不織布に酸を浸透させることにより吸水性が増加し、含水状態での機械特性が不十分であり物理的耐久性が不足する課題があり、ガス遮断性も不十分であった。特許文献４では、炭化水素系高分子電解質を単独で使用しているため、乾湿サイクルの激しい燃料電池用途においては更なる物理的耐久性の向上が必要であった。特許文献５では、比較的ガス透過性の大きなフッ素系電解質を用いているためガス遮断性が不十分という課題があった。特許文献６では、炭化水素系高分子電解質を単独で使用しているため、乾湿サイクルの激しい燃料電池用途において物理的耐久性が不十分であった。

本発明は、かかる背景に鑑み、高分子電解質と多孔質基材とを複合化させ物理的耐久性を向上させるとともに、ガス透過性を低い水準に抑制することにより、燃料電池としての燃費や化学的耐久性を向上させたものである。

上記課題を解決するため本発明の複合高分子電解質膜は、次の構成を有する。すなわち、
高分子電解質と多孔質基材とを含み、２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である複合高分子電解質膜、である。

本発明の触媒層付電解質膜は、次の構成を有する。すなわち、
上記複合高分子電解質膜両面を触媒層が挟持してなる触媒層付複合高分子電解質膜、である。

本発明の膜電極複合体は、次の構成を有する。すなわち、
上記複合高分子電解質膜を含む膜電極複合体、である。

本発明の固体高分子形燃料電池は、次の構成を有する。すなわち、
上記複合高分子電解質膜を含む固体高分子形燃料電池、である。

本発明の電気化学式水素ポンプは、次の構成を有する。すなわち、
上記複合高分子電解質膜を含む電気化学式水素ポンプ、である。

本発明の水電解式水素発生装置は、次の構成を有する。すなわち、
上記複合高分子電解質膜を含む水電解式水素発生装置、である。

本発明のレドックスフロー電池は、次の構成を有する。すなわち、
上記複合高分子電解質膜を含むレドックスフロー電池、である。

本発明の複合高分子電解質膜は、２５℃５０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、２５℃５０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、９０℃８０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、９０℃８０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、９０℃８０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が５．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、前記高分子電解質がイオン性基を有する炭化水素系ポリマーであることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、前記多孔質基材がフッ素系多孔質基材であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、前記多孔質基材の酸素原子含有量が１０質量％以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、さらにノニオン性フッ素系界面活性剤を含むことが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基からなるフッ素含有基と、非イオン性の親媒基とを有する化合物であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、前記多孔質基材が炭化水素系多孔質基材であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、前記多孔質基材がポリアゾール系多孔質基材であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、前記多孔質基材がポリベンズイミダゾールからなることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、厚み方向に光線を透過させた際のヘイズ値が２０％以上４５％以下であることが好ましい。

本発明の複合高分子電解質膜は、厚み方向に光線を透過させた際の拡散透過率が２０％以上４０％以下であることが好ましい。

本発明の電解質膜は、多孔質基材と複合化させ且つガス透過性を低下させることにより、良好な物理的耐久性と化学的耐久性を両立させることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。以下本明細書において「〜」は、その両端の数値を含む範囲を表すものとする。

＜電解質膜＞
本発明の電解質膜は、高分子電解質と、多孔質基材とが複合化してなる複合層を有する電解質膜であり、２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である。２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇを超える場合には、燃料極への窒素ガスの透過拡散を抑制できないため、燃料極における燃料ガス濃度の低下を抑制できず、発電性能に劣るとともに、低下した発電性能を回復させるための燃料ガスパージ頻度を抑制できず燃料電池の燃費を向上させることが難しい。また、多孔質基材は後述の通り疎水性化合物を主成分とすることが好ましく、耐水性、耐薬品性に優れるフッ素系高分子化合物から成ることがより好ましい。また、疎水性且つ優れた弾性率、破断強度有しガス透過係数が低い芳香族炭化水素系高分子化合物から成る多孔質基材も好適に用いることができる。疎水性化合物を主成分とする多孔質基材を用いることにより、特に含水状態における電解質膜の軟化を抑制し機械特性が向上し、燃料電池としての物理的耐久性を向上させることができる。本発明において電解質膜の２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過性は実施例の項中（１７）に記載の方法を用いて評価することとする。

電解質膜は、２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が５．０×１０^−１１ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましく、１．０×１０^−１１ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることがより好ましい。２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が５．０×１０^−１１ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であれば燃料極への窒素ガス透過をより抑制することができ、燃料電池としての発電性能と燃費をより向上させることができる。

電解質膜は、２５℃５０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましく、１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下より好ましく、５．０×１０^−１１ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが更に好ましい。２５℃５０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であれば、燃料極への酸素ガスの透過拡散を抑制することができるため、燃料極における燃料ガス濃度低下に起因する発電性能と燃費の悪化を抑制できるだけでなく、水素と酸素の混合に起因する爆鳴気の形成や、水素と酸素の直接反応に起因する更なる発電性能の低下や過酸化水素の生成に伴う化学的耐久性の低下を抑制することができる。電解質膜の２５℃５０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数は実施例の項中（１７）に記載の方法を用いて評価することとする。

電解質膜は、２５℃５０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましく、５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下より好ましい。２５℃５０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であれば、燃料極から空気極への水素ガスの透過拡散を抑制することができるため、燃料極における水素ガス量、濃度減少に起因する発電性能と燃費の悪化を抑制できるだけでなく、空気極における水素と酸素の混合に起因する爆鳴気の形成や、水素と酸素の直接反応に起因する更なる発電性能の低下や過酸化水素の生成に起因する化学的耐久性の低下を抑制することができる。電解質膜の２５℃５０％ＲＨにおける水素ガス透過係数は実施例の項中第（１７）に記載の方法を用いて評価することとする。

電解質膜は、９０℃８０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましく、１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることがより好ましく、５．０×１０^−１１ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが更に好ましい。

一般的に、固体高分子型燃料電池は休止状態や稼働開始直後の状態においては環境温度である０℃〜４０℃程度の温度であるが、連続稼働時においては８０℃〜９０℃程度の高温となることが多い。このような高温条件においては、通常、電解質膜へのガスの飽和溶解度は低下傾向にあるものの電解質膜中におけるガスの拡散速度が大幅に増加することから、結果としてガス透過係数は増加することが多い。燃料電池運転条件に近く２５℃５０％ＲＨと比較してガス透過係数が増加傾向にある９０℃８０％ＲＨにおいて、窒素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であれば、連続運転中においてなお燃料極への窒素ガス透過を抑制することができ、燃料極における燃料ガス濃度の低下に起因する燃料電池としての発電性能と燃費を向上させることができる。電解質膜の９０℃８０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数は、実施例の項中（１７）に記載の方法を用いて算出することとする。

電解質膜は、９０℃８０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましく、５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることがより好ましく、１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが更に好ましい。９０℃８０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であれば、連続運転中においても燃料極への酸素ガスの透過拡散を抑制することができ、燃料極における燃料ガス濃度低下に起因する発電性能と燃費の悪化だけでなく、水素と酸素の混合に起因する爆鳴気の形成や、水素と酸素の直接反応に起因する更なる発電性能の低下や過酸化水素の生成に伴う化学的耐久性の低下を抑制することができる。電解質膜の９０℃８０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数は実施例の項中（１７）に記載の方法を用いて評価することとする。

電解質膜は、９０℃８０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が５．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることが好ましく、１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であることがより好ましい。９０℃８０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が５．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下であれば、連続運転中においても空気極への水素ガスの透過拡散を抑制することができ、燃料極における水素ガス量、濃度減少に起因する発電性能と燃費の悪化だけでなく、空気極における水素と酸素の混合に起因する爆鳴気の形成や、水素と酸素の直接反応に起因する更なる発電性能の低下や過酸化水素の生成に起因する化学的耐久性の低下を抑制することができる。電解質膜の９０℃８０％ＲＨにおける水素ガス透過係数は実施例の項中（１７）に記載の方法を用いて評価することとする。

複合層における高分子電解質の充填率は５０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましい。複合層の充填率が５０％以上の場合、複合高分子電解質膜全体において連続したプロトン伝導パスを形成することにより、発電性能を向上させることができる。なお、本発明における複合層の充填率は複合層の総体積に対し高分子電解質が占める割合を示す値でありＩＥＣより計算できる。具体的には実施例の項中（４）項に記載の方法で行うものとする。

電解質膜は、複合層の両側または片側に、多孔質基材等の補強材と複合化されていない高分子電解質層が形成されていてもよい。このような層を有することにより、電解質膜と電極の接合性を向上させ、界面剥離を抑制することができる。補強材と複合化されていない高分子電解質層を複合層の両側または片側に接して形成する場合、当該層を構成する高分子電解質は、複合層内に充填された高分子電解質と同じポリマーであることが好ましい。

本発明の電解質膜は、複合層を有することにより、面方向の寸法変化率を低下させることができる。面方向の寸法変化率の低下により、燃料電池の電解質膜として用いた際に、乾湿サイクル時に電解質膜のエッジ部分等に発生する膨潤収縮によるストレスを低減し、耐久性を向上させやすくすることができる。電解質膜の面方向の寸法変化率λ_ｘｙは、１０％以下であることが好ましく、８％以下であることがより好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。

また、電解質膜における面方向の寸法変化率は、ＭＤ、ＴＤの異方性が小さいことが好ましい。具体的には、ＴＤの寸法変化率λ_ＴＤに対するＭＤの寸法変化率λ_ＭＤの比（λ_ＭＤ／λ_ＴＤ）が、０．５≦（λ_ＭＤ／λ_ＴＤ）≦２．０を満たすことが好ましい。ここでＭＤとはＭａｃｈｉｎｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎの略であり、後述の電解質膜製造工程において多孔質基材、コーター或いは塗工基材を動かす方向を意味する。多孔質基材、コーター、塗工基材のいずれを動かすかは塗工プロセスに応じて適宜決定するものであり特に限定されることはない。多孔質基材、コーター、塗工基材の内、複数要素を動かすプロセスを適用する場合、通常全ての要素を同じ方向に動かすことが多いが、異なる方向に動かすプロセスを適用しても構わない。この場合、（１）塗工基材、（２）コーター、（３）多孔質基材の順に動かしているか否かを判断し、動かしている要素の内、最も順位の高いものと同じ方向をＭＤと定義する。ＴＤとはＴｒａｖｅｒｓｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎの略であり電解質膜の面方向において、ＭＤと直交する方向である。

ＴＤの寸法変化率λ_ＴＤに対するＭＤの寸法変化率λ_ＭＤの比（λ_ＭＤ／λ_ＴＤ）が、０．５≦（λ_ＭＤ／λ_ＴＤ）≦２．０を満たす場合、燃料電池のセルデザインが制約されず、ＭＤ、ＴＤ方向のうち寸法変化の大きい方向と直交するエッジであっても膨潤収縮によるストレスの集中が小さく、したがって当該エッジが電解質膜破断の起点になりにくく物理的耐久性を向上させることができる。

ここで、寸法変化率とは、乾燥状態における電解質膜の寸法と湿潤状態における電解質膜の寸法の変化を表す指標であり、具体的な測定は実施例の項中（６）に記載の方法で行う。

電解質膜における複合層の厚みは、特に限定されるものでないが、０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上がより好ましい。また、５０μｍ以下が好ましく、４０μｍ以下がより好ましい。複合層が０．５μｍ以上５０μｍ以下の場合、プロトン伝導度が高く電気短絡や燃料透過を抑制でき物理的耐久性に優れた複合高分子電解質膜を得ることができる。

電解質膜は、厚み方向に光線を透過させた際のヘイズが２０％以上４５％以下であることが好ましく、３０％以上４５％以下であることがより好ましく、３５％以上４５％以下であることが更に好ましい。多孔質基材などの高分子電解質と屈折率の異なる物質が電解質膜に存在している場合、高分子電解質と屈折率の異なる物質との界面において光が散乱されることによりヘイズが生じることがある。ヘイズが２０％以上４５％以下であれば、プロトンの伝導を担う高分子電解質と、弾性率、破断伸度、破断強度といった機械特性の向上を担う多孔質基材とが良好なバランスで複合化することにより優れたプロトン伝導性と機械特性を有する電解質膜を得ることができ、燃料電池として優れた出力と物理的耐久性とを両立することができる。ヘイズは実施例の項中（１８）に記載の方法を用いて算出することとする。

電解質膜は、厚み方向に光線を透過させた際の拡散透過率が２０％以上４０％以下であることが好ましく、３０％以上４０％以下であることがより好ましい。拡散透過率が２０％以上４０％以下であれば優れたプロトン伝導性と機械特性を有する電解質膜を得ることができ、燃料電池として優れた出力と物理的耐久性とを両立することができる。拡散透過率は実施例の項中（１８）に記載の方法を用いて算出することとする。

〔高分子電解質〕
本発明で使用する高分子電解質とは、イオン性基を有することによりプロトン伝導性を有するポリマーであり、フッ素系高分子電解質と炭化水素系ポリマーのいずれであっても良い。

ここで、フッ素系高分子電解質とは、ポリマー中のアルキル基および／またはアルキレン基における水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。イオン性基を有するフッ素系高分子電解質の代表例としては、“ナフィオン”（登録商標）（ケマーズ（株）製）、“アクイビオン”（登録商標）（ソルベイ社製）、“フレミオン”（登録商標）（ＡＧＣ（株）製）および“アシプレックス”（登録商標）（旭化成（株）製）などの市販品を挙げることができる。

これらフッ素系高分子電解質は、一般的に非常に高価且つ、ガスクロスオーバーが大きい傾向にある。そこで、複合高分子電解質膜のガス透過係数を低下させやすいことから、本発明で使用する高分子電解質は炭化水素系ポリマーであることが好ましい。すなわち、本発明において、高分子電解質がイオン性基を有する炭化水素系ポリマーであることが好ましい。本発明の複合膜において、乾燥状態と含水状態のいずれにおいても優れた機械特性を有し物理的耐久性向上させられる点でも、高分子電解質が炭化水素系ポリマーである態様は特に好ましい。

炭化水素系ポリマーとしては、主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系ポリマーが好ましい。ここで、芳香環としては、ベンゼン環やナフタレン骨格といった炭素原子と水素原子のみからなる炭化水素系芳香環だけでなく、ピリジン環やイミダゾール環、チオール環といったヘテロ環などを含んでいてもよい。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもよい。

芳香族炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホンから選択される構造を芳香環とともに主鎖に有するポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有している構造の総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含む。炭化水素骨格は、これらの構造のうち複数の構造を有していてもよい。これらのなかでも、芳香族炭化水素系ポリマーとして特にポリエーテルケトン骨格を有するポリマー、すなわちポリエーテルケトン系ポリマーが最も好ましい。

高分子電解質としては、共連続様またはラメラ様の相分離構造を形成するものが好適である。このような相分離構造は、例えばイオン性基を有する親水性ポリマーとイオン性基を有さない疎水性ポリマーのような非相溶な２種以上のポリマーブレンドからなる成形体や、イオン性基を含有するセグメント（Ｓ_Ｅ１）とイオン性基を含有しないセグメント（Ｓ_Ｅ２）のような非相溶な２種以上のセグメントからなるブロックコポリマーなどにおいて発現し得る。共連続様およびラメラ様の相分離構造においては、親水性ドメインおよび疎水性ドメインがいずれも連続相を形成するため、連続したプロトン伝導チャネルが形成されることによりプロトン伝導性に優れる電解質膜が得られやすい。同時に、連続した疎水性骨格も形成されることにより乾燥状態だけでなく含水状態においても優れた機械特性を有する電解質膜が得られやすい。ここでドメインとは、一つの膜において、類似する物質やセグメントが凝集してできた塊のことを意味する。

高分子電解質としては特に、イオン性基を含有するセグメント（Ｓ_Ｅ１）と、イオン性基を含有しないセグメント（Ｓ_Ｅ２）をそれぞれ１個以上有するブロックコポリマーが好ましい。ここで、セグメントとは、特定の性質を示す繰り返し単位からなる共重合体ポリマー鎖中の部分構造であって、分子量が２，０００以上のものを表すものとする。ブロックコポリマーを用いることで、ポリマーブレンドと比較して微細なドメインを有する共連続様やラメラ様の相分離構造を発現させることが可能となり、より優れた発電性能、物理的耐久性が達成できる。

以下、イオン性基を含有するセグメント（Ｓ_Ｅ１）もしくはポリマーを「イオン性ブロック」、イオン性基を含有しないセグメント（Ｓ_Ｅ２）もしくはポリマーを「非イオン性ブロック」と表記することがある。もっとも、本明細書における「イオン性基を含有しない」という記載は、当該セグメントもしくはポリマーが相分離構造の形成を阻害しない範囲でイオン性基を少量含んでいる態様を排除するものではない。

このようなブロックコポリマーとしては、非イオン性ブロックに対するイオン性ブロックのモル組成比（Ｓ_Ｅ１／Ｓ_Ｅ２）が、０．２０以上であることが好ましく、０．３３以上であることがより好ましく、０．５０以上であることがさらに好ましい。また、モル組成比（Ｓ_Ｅ１／Ｓ_Ｅ２）は５．００以下であることが好ましく、３．００以下であることがより好ましく２．５０以下であることがさらに好ましい。モル組成比（Ｓ_Ｅ１／Ｓ_Ｅ２）が、０．２０以上５．００以下の場合には、低加湿条件下でのプロトン伝導性が高く、尚且つ耐熱水性や物理的耐久性に優れる複合高分子電解質膜を得ることができる。ここで、モル組成比（Ｓ_Ｅ１／Ｓ_Ｅ２）とは、非イオン性ブロック中に存在する繰り返し単位のモル数に対するイオン性ブロック中に存在する繰り返し単位のモル数の比を表す。「繰り返し単位のモル数」とは、イオン性ブロック、非イオン性ブロックの数平均分子量をそれぞれ対応する構成単位の分子量で除した値とする。

高分子電解質が有するイオン性基は、プロトン交換能を有するイオン性基であればよい。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。イオン性基はポリマー中に２種類以上含むことができる。中でも、高プロトン伝導度の点から、ポリマーはスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基から選ばれる少なくとも１つを有することがより好ましく、原料コストの点からスルホン酸基を有することが最も好ましい。

高分子電解質のイオン交換容量（ＩＥＣ）は、プロトン伝導性と耐水性のバランスから、０．１ｍｅｑ／ｇ以上、５．０ｍｅｑ／ｇ以下が好ましい。ＩＥＣは、１．４ｍｅｑ／ｇ以上がより好ましく、１．７ｍｅｑ／ｇ以上がさらに好ましい。またＩＥＣは、３．５ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、３．０ｍｅｑ／ｇ以下がさらに好ましい。ＩＥＣが０．１ｍｅｑ／ｇ以上５．０ｍｅｑ／ｇ以下の場合、優れたプロトン伝導性と耐水性を両立することができる。

ここで、ＩＥＣとは、高分子電解質の単位乾燥重量当たりに導入されたイオン性基のモル量であり、この値が大きいほどイオン性基の導入量が多いことを示す。本発明においては、ＩＥＣは、中和滴定法により求めた値と定義する。中和滴定によるＩＥＣの算出は、実施例の項中（２）に記載の方法で行う。

本発明においては、高分子電解質として芳香族炭化水素系ブロックコポリマーを用いることが特に好ましく、ポリエーテルケトン系ブロックコポリマーであることがより好ましい。特に、下記のようなイオン性基を含有する構成単位（Ｓ１）を含むセグメントと、イオン性基を含有しない構成単位（Ｓ２）を含むセグメントとを含有するポリエーテルケトン系ブロックコポリマーは特に好ましく用いることができる。

一般式（Ｓ１）中、Ａｒ^１〜Ａｒ^４は任意の２価のアリーレン基を表し、Ａｒ^１および／またはＡｒ^２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。Ａｒ^１〜Ａｒ^４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、Ａｒ^５〜Ａｒ^８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。Ａｒ^５〜Ａｒ^８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。

ここで、Ａｒ^１〜Ａｒ^８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。ここで、「フェニレン基」としてはベンゼン環と他の構成単位との結合部位を有する箇所によりｏ−フェニレン基、ｍ−フェニレン基、ｐ−フェニレン基の３種類があり得るが、本明細書において特に限定しない場合はこれらの総称として用いる。「ナフチレン基」や「ビフェニレン基」など、その他の２価のアリーレン基についても同様である。Ａｒ^１〜Ａｒ^８は、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。また、Ａｒ^５〜Ａｒ^８は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。

また、十分な寸法安定性、機械強度、物理的耐久性、燃料遮断性、耐溶剤性を得るためには、高分子電解質が結晶性を有する芳香族炭化水素系ポリマーであることが好ましい。ここで、「結晶性を有する」とは昇温すると結晶化されうる結晶化可能な性質を有しているか、あるいは既に結晶化していることを意味する。

結晶性の有無の確認は、示差走査熱量分析法（ＤＳＣ）あるいは広角Ｘ線回折によって実施される。本発明においては、製膜後に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以上であるか、もしくは、広角Ｘ線回折によって測定される結晶化度が０．５％以上であることが好ましい。すなわち、示差走査熱量分析法において結晶化ピークが認められない場合は、既に結晶化している場合と、高分子電解質が非晶性である場合が考えられるが、既に結晶化している場合は広角Ｘ線回折によって結晶化度が０．５％以上となる。

結晶性を有する芳香族炭化水素系ポリマーは、電解質膜の加工性が不良である場合がある。その場合、芳香族炭化水素系ポリマーに保護基を導入し、一時的に結晶性を抑制してもよい。具体的には、保護基を導入した状態で製膜し、その後に脱保護することで、結晶性を有する芳香族炭化水素系ポリマーを本発明において高分子電解質として用いることができる。

〔多孔質基材〕
本発明で使用する多孔質基材は、炭化水素系高分子化合物を主成分とする炭化水素系多孔質基材と、フッ素系高分子化合物を主成分とするフッ素系多孔質基材に分類される。炭化水素系高分子化合物としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶｄＣ）、ポリエステル、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン（ＰＰＰ）、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリベンズチアゾール（ＰＢＴ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミドスルホン（ＰＩＳ）などが挙げられ、フッ素系高分子化合物としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）などが挙げられるがこれらに限定されない。耐水性や耐薬品性、機械特性の観点から、ＰＥ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＥＫ、ＰＢＯ、ＰＢＴ、ＰＢＩ、ＰＴＦＥ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＦＥＰ、ＰＦＡが好ましい。

フッ素系多孔質基材は、一般的に疎水性が極めて高いフッ素系高分子化合物を主成分とするため、高分子電解質と複合化することにより、電解質膜に耐水性を付与し、含水状態における機械特性を向上させ寸法変化を抑制する効果が高く、また、一般にフッ素原子含有高分子化合物は薬品への溶解性が低く化学反応に対し安定であるため、電解質膜に耐薬品性、化学的耐久性も付与することができるため好ましい。耐薬品性、化学的耐久性の観点からＰＴＦＥ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＦＥＰ、ＰＦＡがより好ましく、分子配向により高い機械強度を有することから、ＰＴＦＥが特に好ましい。

多孔質基材は、耐水性の観点からフッ素原子を５０質量％以上含有するフッ素系多孔質基材であることが好ましく、６０質量％以上のフッ素原子を含有するフッ素系多孔質基材であることがより好ましく、７０質量％以上のフッ素原子を含有するフッ素系多孔質基材であることが特に好ましい。多孔質基材におけるフッ素原子含有量は、多孔質基材を燃焼させて発生したガスを吸収させた溶液のイオンクロマトグラフィーにより測定した値であるものとし、具体的には後述する実施例の項中（１２）に記載の方法で測定することができる。

多孔質基材は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により測定される酸素原子含有量が１０質量％以下であることが好ましく、酸素原子含有量が８質量％以下のものがより好ましく、５質量％以下のものが更に好ましい。酸素原子含有量が１０質量％を超える場合、多孔質基材の吸水性が増加し、電解質膜が吸水した際の寸法変化が大きくなる場合がある。多孔質基材の酸素原子含有量は、具体的には後述する実施例の項中（１６）に記載の方法で測定することができる。

主鎖に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物を主成分とする芳香族炭化水素系多孔質基材も、一般的に疎水性化合物であり優れた弾性率、破断強度を有することから好適に用いることができる。その中でも、弾性率、破断強度、化学的耐久性の観点からＰＰＳ、ＰＢＯ、ＰＢＴ、ＰＢＩ、ＰＥＫがより好ましく、耐薬品性、加工性の観点からポリアゾール化合物であるＰＢＯ、ＰＢＴ、ＰＢＩが特に好ましく、コストや流通量の観点からＰＢＩが最も好ましい。

なお、高分子電解質と複合化された後の電解質膜中に存在する多孔質基材の分析を行う場合、高分子電解質のみを溶解する溶媒に電解質膜を浸漬することにより多孔質基材のみを取り出すことが可能である。

多孔質基材の形態としては、原料フィルムを膜面方向に延伸し微細な空孔を形成させた延伸微多孔膜や、原料溶液を調製し製膜した後、溶媒を含んだままの状態で当該原料の貧溶媒に浸漬し凝固させた湿式凝固微多孔膜、原料溶液を紡糸した溶液紡糸ファイバーからなる不織布、多孔質基材の原料を溶融し紡糸した溶融紡糸ファイバーからなる不織布などが挙げられる。

溶液紡糸の方法としては、口金より高圧を加え繊維状に吐出した原料溶液を熱風により乾燥させる乾式紡糸法や、繊維状に吐出した原料溶液を当該原料の貧溶媒に浸漬し凝固させる湿式紡糸法、高電圧を引加した空間へ原料溶液を吐出し静電気により繊維状に引っ張るエレクトロスピニングなどが挙げられる。

溶融紡糸法としては、溶融した多孔質基材の原料を口金より繊維状に吐出したメルトブロー紡糸が挙げられる。

多孔質基材は、面内方向において太い繊維状のノードが略平行に整列した構造を有しているものが好ましい。当該構造を有することにより、ノードと平行な方向に対して、特に含水状態において優れた機械特性を有する電解質膜を得ることができる。

多孔質基材は、長さ／直径より算出されるアスペクト比が１０以上のノードを含むことが好ましく、アスペクト比が２０以上のノードを含むことがより好ましく、アスペクト比が５０以上のノードを含むことが更に好ましい。アスペクト比が１０以上のノードを含む多孔質基材であれば、強固な疎水性骨格が連続した構造を有することから乾燥状態のみならず、通常、吸水により高分子電解質が軟化する含水状態においても膜全体の軟化を抑制することにより優れた機械特性を有する電解質膜を得ることができ、燃料電池としての物理的耐久性を向上させることができる。

前記ノードの平均直径は０．０１μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることが更に好ましい。また、平均直径は１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以下であることが更に好ましい。ノードの平均直径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下の場合、含水状態における電解質膜の軟化を抑制することにより機械特性を向上させることができると同時に、ノードによるプロトン伝導の阻害を抑制することができ高いプロトン伝導性を有する電解質膜を得ることができるため、高い出力を有する燃料電池を製造することができる。

多孔質基材は、面内方向において前記ノード同士を連結し梯子状の構造を形成する細い繊維状のフィブリルを有することが好ましい。前記フィブリルは前記ノードと略直交に整列しているものを含むことがより好ましい。当該構造を有することにより、面内方向においてノードと平行な方向だけでなく、ノードと直交する方向に対しても、特に含水状態において優れた機械特性を有する電解質膜を得ることができる。

前記ノードの平均直径／前記フィブリルの平均直径から算出される直径比は、２以上が好ましく、３以上がより好ましく、５以上が更に好ましい。また、直径比は、２０以下が好ましく、１０以下がより好ましい。直径比が２以上２０以下である多孔質基材を用いる場合、プロトン伝導のノードによる阻害を抑制することにより高いプロトン伝導性を有する電解質膜を得ることができるため、高い出力を有する燃料電池を製造することができると同時に、ノードと直交する方向及び／又は平行な方向の膨潤を抑制できるため異方性が小さく機械特性に優れる複合高分子電解質膜を製造することができる。

ここでノードの向きや平均直径、フィブリルの向き、平均直径といった多孔質基材の構造は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、実施例の項中（１９）に記載の方法により分析することができる。

本発明で使用する多孔質基材の厚みに特に制限はなく、電解質膜の用途によって決めるべきものであるが、０．５μｍ以上５０μｍ以下の膜厚を有するものが実用的に用いられ、１μｍ以上４０μｍ以下の膜厚を有するものが好ましく用いられる。

高分子電解質と複合化する前の多孔質基材の空隙率は、特に限定されないが、得られる電解質膜のプロトン伝導性と機械強度の両立の観点から、５０〜９８％が好ましく、７０〜９８％がより好ましい。なお、多孔質基材の空隙率Ｙ１（体積％）は下記の数式によって求めた値と定義する。

Ｙ１＝（１−Ｄｂ／Ｄａ）×１００
（ここで、Ｄａは多孔質基材を構成する原料物質の比重、Ｄｂは多孔質基材全体の比重である。）
〔ノニオン性フッ素系界面活性剤〕
本発明の電解質膜においては、ノニオン性フッ素系界面活性剤（以下、単に「界面活性剤」という場合がある）を含むことが好ましい。ノニオン性フッ素系界面活性剤を用いることにより、高分子電解質と多孔質基材との親和性が向上することにより、電解質膜を製造しやすくなるだけでなく、電解質膜における高分子電解質と多孔質基材との界面接合が強固となり乾湿サイクルにおける電解質膜の体積変化に伴う両者の界面剥離を抑制することにより燃料電池の物理的耐久性を向上させることができる。特に炭化水素系高分子電解質とフッ素系多孔質基材を用いる場合において、両者の親和性を顕著に向上させることができるためより好ましい。

界面活性剤は、アルキル基、アルケニル基またはアリール基中の水素原子をフッ素原子で置換した、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基からなるフッ素含有基と、非イオン性の親媒基（親水性基または親油性基）とを有する化合物であることが好ましい。

フッ素含有基は、アルキル基、アルケニル基またはアリール基中の全ての水素原子をフッ素原子で置換した、パーフルオロアルキル基、パーフルオロアルケニル基またはパーフルオロアリール基が好ましい。

フッ素含有基としては、界面活性効果が優れることから、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基がより好ましく、柔軟な構造を有し高い界面活性作用を示すことから、フッ化アルケニル基がさらに好ましい。

フッ素含有基は、炭素数が２個以上であることが好ましく、４個以上であることがより好ましく、６個以上であることが特に好ましい。また、炭素数が２０個以下であることが好ましく、１５個以下であることがより好ましく、１０個以下であることが特に好ましい。炭素数が上記好ましい範囲である場合、揮発性、水溶性が適度で電解質膜中に残存して物理的耐久性に優れる一方、高分子電解質と相分離し難く物理的耐久性に優れる。

具体的には、フッ化アルキル基としては、フッ化エチル基、フッ化プロピル基、フッ化ブチル基、フッ化ペンチル基、フッ化ヘキシル基、フッ化ヘプチル基、フッ化オクチル基、フッ化ノニル基、フッ化デシル基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。

また、フッ化アルケニル基としては、フッ化エテニル基、フッ化プロペニル基、フッ化ブテニル基、フッ化ペンテニル基、フッ化ヘキセニル基、フッ化ヘプテニル基、フッ化オクテニル基、フッ化ノネニル基、フッ化デセニル基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。

それらの中でも、揮発性、水溶性が低く電解質膜中に残存し易いことからフッ化ヘキシル基、フッ化ヘプチル基、フッ化オクチル基、フッ化ノニル基、フッ化デシル基、フッ化ヘキセニル基、フッ化ヘプテニル基、フッ化オクテニル基、フッ化ノネニル基、フッ化デセニル基がより好ましい。ここで、「フッ化エチル基」としては、１官能基中に含まれるフッ素原子の数によりモノフルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、テトラフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基の５種類の官能基が有り得るが、本明細書において「フッ化エチル基」はこれらの総称として用いる。「フッ化プロピル基」や「フッ化ブチル基」などのその他の官能基についても同様である。また、前記ジフルオロエチル基の場合、２個の炭素原子と２個のフッ素原子を有する官能基であり１，１−ジフルオロエチル基、１，２−ジフルオロエチル基、２，２−ジフルオロエチル基という３種類の構造異性体が存在するが、本明細書において「ジフルオロエチル基」はこれらの総称として用いる。「トリフルオロエチル基」や「テトラフルオロエチル基」などのその他の官能基についても同様である。また、「フッ化ブチル基」において、「ブチル基」という呼称は、炭素原子数４個の骨格から成る官能基を示す総称であり、ブチル基、１−メチルプロピル基、２−メチルプロピル基、１，１−ジメチルエチル基の、４種類の構造が存在するが、本明細書において「ブチル基」はこれらの総称として用いる。「フッ化ペンチル基」「フッ化ヘキシル基」などのその他の官能基についても同様である。

フッ素含有基の構造は、直鎖状、分岐鎖状、環状等であることができるが、中でも分岐鎖状の構造を有する場合、フッ素化合物同士の相互作用が弱くなり、表面張力が低下し易いため好ましい。本発明においては、特に下記式（Ｆ１）に示す構造からなるフッ素含有基を有する界面活性剤が特に好ましい。

式（Ｆ１）において＊は他の原子団との結合箇所を意味する。

ノニオン性フッ素系界面活性剤としては、フッ素原子を１分子内に１０質量％以上有する化合物が好適に用いられる。フッ素原子を２０質量％以上有する化合物はより好ましく、フッ素原子を４０質量％以上有する化合物は更に好ましい。１分子内のフッ素原子含有量が上記好ましい範囲の場合、多孔質基材との親和性に優れ、十分な発電性能向上効果を得られる。また、水や酸への溶解性が低く燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解し難いので、電解質膜から溶出することなく、高分子電解質と触媒層との親和性が低下するのを防止できる。

親媒基は、親水性基あるいは親油性基であることができるが、親水性基であることが好ましい。

親水性基は、酸素、窒素、リン、硫黄およびホウ素からなる群より選択される親水性元素を有する非イオン性基であれば特に限定されないが、ポリエーテル基、カルボン酸エステル基、スルホン酸エステル基、亜リン酸エステル基またはリン酸エステル基を含む基であることが好ましく、イオン性基との水素結合を形成することにより高分子電解質との親和性に優れ且つ化学的安定性にも優れることからポリエーテル基を含む基であることがより好ましい。その中でも、親水性基が下記一般式（Ｃ１）に示すポリアルキルエーテル構造または下記一般式（Ｃ２）に示すポリアクリレート構造を有する基であることが好ましく、特に高分子電解質との親和性に優れることから下記一般式（Ｃ１）に示すポリアルキルエーテルであることがより好ましい。

一般式（Ｃ１）においてｑ、ｒはｒ＝２ｑを満たす自然数であり、ｓはアルキルエーテル構造の繰り返し数を意味する１以上１，０００以下の整数である。一般式（Ｃ２）において、Ｒは炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数１〜２０のアルケニル基、炭素数６〜２０のアリール基から選ばれる少なくとも一種の基であり、ｔはアクリレート構造の繰り返し数を意味する１以上１，０００以下の整数である。（Ｃ１）または（Ｃ２）においてｓまたはｔが２以上である場合、複数のアルキルエーテル構造またはアクリレート構造は、それぞれ同じでも異なっていてもよい。

親油性基としては、フッ素原子を含まない、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基が挙げられる。

本発明において、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、１５０℃における蒸気圧が２ｋＰａ未満の化合物であることが好ましく、１５０℃における蒸気圧が１ｋＰａ以下の化合物がより好ましく、沸点を有さない、すなわち沸騰することなく熱分解を開始する化合物が最も好ましい。本発明においては特に、界面活性剤が、熱重量示差熱分析における５％重量減少温度が１５０℃以上の化合物であることが好ましい。かかる界面活性剤であれば製膜時に揮発・分解しないため電解質膜中に残存させることができる。

本発明において、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、重量平均分子量１，０００以上の化合物であることが好ましく、１，５００以上の化合物であることがより好ましく、２，０００以上の化合物であることが更に好ましい。また、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、重量平均分子量１０，０００以下の化合物であることが好ましく、８，０００以下の化合物であることがより好ましく、５，０００以下の化合物であることが更に好ましい。界面活性剤の重量平均分子量が上記好ましい範囲の場合、揮発性が適度で水などの溶媒に溶解し難くなるため、高分子電解質と多孔質基材や後述の触媒層との親和性を保ち、両者の界面において剥離・破断し難く耐久性に優れる一方、電解質膜の中で界面活性剤のみが凝集して海島様の相分離構造を形成し難く、界面活性剤と高分子電解質や多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる。

界面活性剤としては、フッ素含有基の分子量が２００以上であることが好ましく、４００以上であることがより好ましく、１，０００以上であることが更に好ましい。また、フッ素含有基の分子量が５，０００以下であることが好ましく、３，０００以下であることがより好ましく、２，０００以下であることが更に好ましい。フッ素含有基の分子量が上記好ましい範囲の場合、フッ素含有基における分子鎖の柔軟性や自由度に優れることにより、多孔質基材や触媒層との親和性を保ち、高分子電解質との界面において剥離・破断し難く耐久性に優れる一方、電解質膜の中で界面活性剤のみが凝集して海島様の相分離構造を形成し難く、界面活性剤と高分子電解質や多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる。

親媒基として親水性基を有する界面活性剤の場合、親水性基の分子量が１００以上であることが好ましく、２００以上であることがより好ましく、５００以上であることが更に好ましい。また、親水性基の分子量が４，０００以下であることが好ましく、２，５００以下であることがより好ましく、１，５００以下であることが更に好ましい。親水性基の分子量が上記好ましい範囲の場合、親水性基における分子鎖の柔軟性や自由度に優れることにより、高分子電解質との親和性を保ち、多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる一方、水溶性が適度であることにより燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解し難く電解質膜からの溶出を防ぐため、高分子電解質と多孔質基材との親和性を保ち、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる。

また、界面活性剤は、水、１０％硫酸、１０％水酸化ナトリウム水溶液のいずれかへ溶解しない化合物であることが好ましく、水に溶解しない化合物であることより好ましく、これらのいずれにも溶解しない化合物であることが最も好ましい。ここで、溶解しないとは、２５℃における飽和溶解度が０．１質量％未満であることを意味する。界面活性剤が当該溶媒および／または溶液に溶解しない場合、燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解し難くなり電解質膜から溶出を抑制できるため、高分子電解質と多孔質基材や触媒層との親和性を保持できるので、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材や触媒層との界面における剥離・破断に起因する耐久性の低下を抑制できる。

本発明に用いられるノニオン性フッ素系界面活性剤としては、例えば、ＤＩＣ（株）製の“メガファック”（登録商標）Ｆ−２５１、同Ｆ−２５３、同Ｆ−２８１、同Ｆ−４３０、同Ｆ−４７７、同Ｆ−５５１、同Ｆ−５５２、同Ｆ−５５３、同Ｆ−５５４、同Ｆ−５５５、同Ｆ−５５６、同Ｆ−５５７、同Ｆ−５５８、同Ｆ−５５９、同Ｆ−５６０、同Ｆ−５６１、同Ｆ−５６２、同Ｆ−５６３、同Ｆ−５６５、同Ｆ−５６８、同Ｆ−５７０、同Ｆ−５７２、同Ｆ−５７４、同Ｆ−５７５、同Ｆ−５７６、同Ｒ−４０、同Ｒ−４０−ＬＭ、同Ｒ−４１、同Ｒ−９４、同ＲＳ−５６、同ＲＳ−７２−Ｋ、同ＲＳ−７５、同ＲＳ−７６−Ｅ、同ＲＳ−７６−ＮＳ、同ＤＳ−２１、同Ｆ４４４、同ＴＦ−２０６６、ＡＧＣ（株）製の“サーフロン”（登録商標）Ｓ−１４１、同Ｓ−１４５、同Ｓ−２４１、同Ｓ−２４２、同Ｓ−２４３、同Ｓ−３８６、同Ｓ−４２０、同Ｓ−６１１、同Ｓ−６５１、ネオス（株）製の“フタージェント”（登録商標）２５１、同２０８Ｍ、同２１２Ｍ、同２１５Ｍ、同２５０、同２０９Ｆ、同２２２Ｆ、同２４５Ｆ、同２０８Ｇ、同２１８ＧＬ、同２４０Ｇ、同２１２Ｐ、同２２０Ｐ、同２２８Ｐ、同ＦＴＸ−２１８、同ＤＦＸ−１８、同７１０ＦＬ、同７１０ＦＭ、同７１０ＦＳ、同７３０ＦＬ、同７３０ＦＭ、同６１０ＦＭ、同６８３、同６０１ＡＤ、同６０１ＡＤＨ２、同６０２Ａ、同６５０ＡＣ、同６８１、三菱マテリアル電子化成社（株）製のＥＦ−ＰＰ３１Ｎ０４、ＥＦ−ＰＰ３１Ｎ０９、ＥＦ−ＰＰ３１Ｎ１５、ＥＦ−ＰＰ３１Ｎ２２、３Ｍ社製のＦＣ−４４３０、ＦＣ−４４３２、ＯＭＮＯＶＡ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ社製のＰＦ−１５１Ｎ、ＰＦ−６３６、ＰＦ−６３２０、ＰＦ−６５６、ＰＦ−６５２０、ＰＦ−６５２−ＮＦ、ＰＦ−３３２０、ダイキン工業（株）製のＴＧ−９１３１、“ゼッフル”（登録商標）ＧＨ−７０１、ソルベイジャパン（株）製の“フルオロリンク”（登録商標）Ａ１０−Ｐ等を挙げることができる。

電解質膜におけるノニオン性フッ素系界面活性剤の含有量は、電解質膜に含まれる高分子電解質の総量に対する質量比として、０．００５以上が好ましく、０．０１以上がより好ましい。また、０．２０以下が好ましく、０．１０以下がより好ましい。当該比が上記好ましい範囲の場合、高分子電解質と多孔質基材や触媒層との親和性を保ち、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材や触媒層との界面において剥離・破断し難く耐久性に優れる一方、界面活性剤の量が適度で電解質膜のプロトン伝導度に優れる。なお、ここでの界面活性剤の含有量は、完成した電解質膜中に残存している界面活性剤の量であり、製造過程で脱落した界面活性剤は除外した量を意味するものとする。

電解質膜に含まれるノニオン性フッ素系界面活性剤の分析方法としては、高分子電解質膜と共に界面活性剤を所定の溶媒に溶解させる方法を挙げることができる。高分子電解質膜の溶液及び溶媒を除去した乾固物に対して、赤外線分光（ＩＲ）分析、^１Ｈ核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析、^１９Ｆ−ＮＭＲ分析、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ分析、熱分解ＧＣ／ＭＳ分析を行うことにより、各種界面活性剤の化学構造を分析するとともに、界面活性剤の含有量を算出することができる。また、前記溶液及び乾固物に対して溶媒抽出や再沈殿といった一般的な精製処理を施しノニオン性フッ素系界面活性剤のみを抽出した上での分析も好適である。

前記ノニオン性界面活性剤の分析に用いる溶媒は、電解質膜を構成する高分子電解質種及びノニオン性界面活性剤の種類によって適宜選択することができる。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、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、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル系溶媒、ヘキサン、シクロヘキサンなどの炭化水素系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、パークロロエチレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素系溶媒、水などが好適に用いられる。また、これらの溶媒を二種以上の混合した混合溶媒を用いてもよい。ここで、「プロパノール」としては、プロパン分子に含まれる水素原子の内一つがヒドロキシル基に置換された構造を有しており、１−プロパノール、２−プロパノールという２種類の構造異性体が存在するが、本明細書において「プロパノール」はこれらの総称として用いる。「ブタノール」や「キシレン」などのその他の溶媒についても同様である。

電解質膜が不溶性である場合は異なる分析手法を用いることができる。ノニオン性フッ素系界面活性剤を含む電解質膜そのものに対してＩＲ分析、固体ＮＭＲ分析、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ分析、熱分解ＧＣ／ＭＳ分析を行うことにより界面活性剤の化学構造や含有量を分析することができる。電解質膜を溶媒に浸漬しノニオン性フッ素系界面活性剤のみを溶解、抽出した上での分析も好適である。

本発明に用いられるノニオン性フッ素系界面活性剤としては、不純物として金属類を含有しないものが好ましい。ここで金属類とは金属元素の単体や金属イオン、非イオン性金属化合物、金属酸化物などが挙げられるがこれらに限定されない。金属類を含まない場合、ノニオン性フッ素系界面活性剤の親水基や親油基と金属類との相互作用が起こりにくくなるため、高分子電解質膜中でも高い自由度を有して界面活性剤としての機能を保持することができるため、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材や触媒層との界面における剥離・破断に起因する耐久性が低下を抑制できる。

〔触媒層〕
触媒層は、電解質膜の両面に接して形成された触媒粒子を含む層であり、一般的には触媒粒子およびフッ素系高分子電解質からなる高分子電解質を含む層である。フッ素系高分子電解質としては、前述のものを用いることができる。

本発明の触媒層付電解質膜において、触媒層がイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーを含むことが、発電性能及び化学的耐久性の点で好ましい。イオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーを用いることで、触媒層に含まれるイオン性基の酸性度が高くなりプロトン伝導度がより向上するとともに、化学的に安定なＣ−Ｆ結合を多数有することから触媒層の化学的耐久性をより向上させることができる。

触媒粒子としては、触媒物質が炭素粒子に担持された触媒担持炭素粒子が一般的に用いられる。触媒物質としては、白金だけでなく、白金族元素のパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属又はこれらの合金、又は酸化物、複酸化物等があげられる。炭素粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒との反応により腐食、劣化しないものであれば特に限定されることはないが、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、及びフラーレン粒子が使用できる。

触媒層における、触媒粒子の含有量に対する高分子電解質の含有量の質量比は、０．２以上２．５以下の範囲が好ましく、０．５以上２．０以下が特に好ましい。触媒粒子の含有量に対する高分子電解質の含有量の質量比が上記好ましい範囲の場合、触媒層が割れ難い一方、ガス拡散性が損なわれることなく、発電性能に優れる。

触媒層の厚みは、好ましくは０．０３μｍ〜２，０００μｍである。良好な発電性能および耐久性を得やすくするには、触媒層の厚みが０．５μｍ以上であることがより好ましく、１〜３０μｍであることが特に好ましい。

＜電解質膜の製造方法＞
本発明において、電解質膜は、第一の態様として高分子電解質溶液を多孔質基材に含浸した後に、乾燥させて高分子電解質溶液に含まれる溶媒を除去することにより製造することができる。このとき、高分子電解質溶液に前記ノニオン性フッ素系界面活性剤を予め混合した上で多孔質基材に含侵する方法も好適である。第一の態様、および後述の第二の態様の製造方法で使用する高分子電解質、多孔質基材およびノニオン性フッ素系界面活性剤の詳細は前述の通りであるため、ここでは省略する。

高分子電解質溶液における界面活性剤の含有量は、前述の通り、高分子電解質の総量に対する質量比として、０．００５以上が好ましく０．０１以上がより好ましい。また、０．２０以下が好ましく、０．１０以下がより好ましい。当該比が上記好ましい範囲の場合、高分子電解質と触媒層の親和性を保ち、発電性能の向上効果が十分に得られる一方、界面活性剤の量が適度で電解質膜のプロトン伝導度に優れる。

また、本発明において、電解質膜は、第二の態様として、予めノニオン性フッ素系界面活性剤を付与した多孔質基材に高分子電解質溶液を含浸した後に、乾燥させて前記高分子電解質溶液に含まれる溶媒を除去することによっても製造することができる。

この場合、界面活性剤を多孔質基材に付与する方法としては、次の方法が挙げられる。
（１）界面活性剤溶液に浸漬した多孔質基材を引き上げながら余剰の溶液を除去して付与量を制御する方法、
（２）多孔質基材上に界面活性剤溶液を流延塗布する方法、
（３）界面活性剤溶液を流延塗布した支持基材上に多孔質基材を貼り合わせて含浸させる方法。

溶媒の乾燥は、（３）の方法で含浸を行った場合はそのままの状態で行うことができる。また、（１）または（２）の方法で含浸を行った場合、別途用意した支持基材に多孔質基材を貼り付けた状態で含フッ素ノニオン性界面活性剤溶液の溶媒を乾燥する方法が、多孔質基材の皺や厚みムラなどが低減でき、品位を向上させる点からは好ましい。

界面活性剤が液状やオイル状の場合は、前記界面活性剤溶液の代わりに、界面活性剤そのものを含浸させても構わないが、多孔質基材中へ界面活性剤が浸透しやすくなるように粘度を調整したり、過剰量の界面活性剤が付与されないように希釈したりするために、所定の溶媒を用いて溶解させた界面活性剤溶液を用いることが好ましい。

界面活性剤溶液を流延塗布する方法としては、ナイフコート、ダイレクトロールコート、マイヤーバーコート、グラビアコート、リバースコート、エアナイフコート、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、バキュームダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、スクリーン印刷、インクジェットコートなどの手法が適用できる。ここで界面活性剤溶液を流延塗布するために使用する装置をコーターと呼ぶ。

第二の態様においては、界面活性剤は、多孔質基材の質量を１００質量％として、１質量％以上付与することが好ましく５質量％以上付与することがより好ましい。また、同様に３０質量％以下付与することが好ましく、２０質量％以下付与することがより好ましい。界面活性剤の付与量が上記好ましい範囲の場合、高分子電解質と多孔質基材の親和性を保ち複合化が容易である一方、界面活性剤の量が適度となり多孔質基材の空孔を閉塞し難く、複合電解質膜のプロトン伝導度に優れる。

また、第二の態様においては、界面活性剤の付与により多孔質基材表面の高分子電解質溶液に使用する溶媒の接触角が１２０°以下となることが好ましく、８０°以下となることがより好ましく、５０°以下となることが更に好ましい。接触角が上記好ましい範囲の場合、高分子電解質溶液が界面活性剤含有多孔質基材に含浸しやすい。

さらに、第二の態様においては、界面活性剤として、含浸する高分子電解質溶液の溶媒へ不溶性の化合物を用いることが好ましい。このような界面活性剤を使用した場合、高分子電解質溶液の含浸時に多孔質基材表面から高分子電解質へ界面活性剤が拡散することを防止し、界面活性剤としての機能を十分に発揮しつつ、高分子電解質中に界面活性剤が存在することによるプロトン伝導度の低下を防止することができる。

第一および第二の態様において、高分子電解質溶液の濃度は、３〜４０質量％が好ましく、５〜２５質量％がより好ましい。この範囲の濃度であれば、多孔質基材の空隙に高分子電解質を充分に充填するための塗工回数を１〜２回程度まで減少させることができ、かつ表面平滑性に優れた複合層が得られやすくなる。

高分子電解質溶液の粘度は１００〜５０，０００ｍＰａ・ｓが好ましく、３００〜１０，０００ｍＰａ・ｓがより好ましい。粘度が上記好ましい範囲の場合、多孔質基材の空隙に対し高分子電解質を十分に充填しやすく、電解質膜の膜厚を均一とすることも容易であり、また、電解質膜の表面平滑性に優れる。

高分子電解質溶液に使用する溶媒は、ポリマー種によって適宜選択することができる。溶媒としては、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、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、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル系溶媒、ヘキサン、シクロヘキサンなどの炭化水素系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、パークロロエチレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素系溶媒、水などが好適に用いられる。また、これらの溶媒を二種以上の混合した混合溶媒を用いてもよい。

高分子電解質溶液を多孔質基材に含浸する方法としては、次の方法が挙げられる。
（１）高分子電解質溶液に浸漬した多孔質基材を引き上げながら余剰の溶液を除去して膜厚を制御する方法、
（２）多孔質基材上に高分子電解質溶液を流延塗布する方法、
（３）高分子電解質溶液を流延塗布した支持基材上に多孔質基材を貼り合わせて含浸させる方法。

溶媒の乾燥は、（３）の方法で含浸を行った場合はそのままの状態で行うことができる。また、（１）または（２）の方法で含浸を行った場合、別途用意した支持基材に多孔質基材を貼り付けた状態で高分子電解質溶液の溶媒を乾燥する方法が、電解質膜の皺や厚みムラなどが低減でき、膜品位を向上させる点からは好ましい。

高分子電解質溶液を流延塗布する方法としては、ナイフコート、ダイレクトロールコート、マイヤーバーコート、グラビアコート、リバースコート、エアナイフコート、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、バキュームダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、スクリーン印刷、インクジェットコートなどの手法が適用できる。ここで高分子電解質溶液を流延塗布するために使用する装置をコーターと呼ぶ。

基材上に高分子電解質溶液を塗布した後は、乾燥工程を経ることで、電解質膜を形成することができる。乾燥工程では、多孔質基材に含侵した高分子電解質溶液の塗膜を加熱し、溶媒を蒸発させる。加熱手段は、溶媒が蒸発できれば特に限定されることはないが、例えば、オーブンやヒーター等の加熱装置、赤外線、温風等を用いて電解質膜の近傍の温度を制御する装置等を用いることができる。また、基材を介して塗膜に熱を伝導してもよい。加熱の温度範囲は、溶媒の沸点に近く、電解質膜のガラス転移温度以下であることが好ましい。また、加熱せず、減圧や気流の導入のみで溶媒を除去することも可能である。

乾燥工程における乾燥時間や乾燥温度は適宜実験的に決めることができるが、少なくとも基材から剥離しても自立膜になる程度に乾燥することが好ましい。乾燥の方法は基材の加熱、熱風、赤外線ヒーター等の公知の方法が選択できる。乾燥温度は、高分子電解質や界面活性剤の分解を考慮して２００℃以下が好ましく、１５０℃以下がより好ましい。

溶液中の高分子電解質は、イオン性基がアルカリ金属またはアルカリ土類金属の陽イオンと塩を形成している状態のものを用いてもよい。この場合、基材上に膜を形成し乾燥工程を経た後に、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の陽イオンをプロトンと交換する工程を有することも好ましい。この工程は、形成された膜を酸性水溶液と接触させる工程であることがより好ましい。また、当該接触は、形成された膜を酸性水溶液に浸漬する工程であることが更に好ましい。この工程においては、酸性水溶液中のプロトンがイオン性基とイオン結合している陽イオンと置換されるとともに、残留している水溶性の不純物や、残存モノマー、溶媒、残存塩などが同時に除去される。酸性水溶液は特に限定されないが、硫酸、塩酸、硝酸、酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸、メタンスルホン酸、リン酸、クエン酸などを用いることが好ましい。酸性水溶液の温度や濃度等も適宜決定すべきであるが、生産性の観点から０℃以上８０℃以下の温度で、３質量％以上、３０質量％以下の硫酸水溶液を使用することが好ましい。

〔触媒層付電解質膜の製造方法〕
本発明の触媒層付電解質膜（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ；以下、ＣＣＭ）は、本発明の電解質膜の両面に触媒層が形成されてなる。触媒層を形成する方法は特に限定されるものではないが、工程が簡便であることやプロセスコストを抑制できることから、触媒層インクを塗布して乾燥する方法や、予めデカール基材上に触媒層が形成されてなる触媒層デカールを用いて触媒層を転写した後に乾燥する方法が好ましい。

触媒層インクを塗布する方法の場合、塗布方法は、目的の形状に塗工できる方法であれば特に限定されることはなく、前述の高分子電解質溶液の塗布工程で述べた方法を用いることができる。

触媒層インクに含まれる溶媒は、高分子電解質および触媒担持炭素粒子を分散する溶媒であれば特に限定されることはないが、加熱により蒸発させて除去しやすい溶媒が好ましい。例えば、沸点が１４０℃以下の溶媒であることが好ましい。触媒層インクの溶媒としては、具体的には、水、メタノール、エタノール、プロパノ―ル、ブタノ−ル、ペンタノ−ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、ヘキサノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ノルマルプロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどのエステル類、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノールなどを一種または二種以上混合したものを用いることができる。

触媒層デカールを用いて転写する方法の場合、まず、基材上に触媒層インクを塗布し、必要に応じて乾燥工程を経ることで触媒層デカールを作製する。そして、電解質膜をカソード電極側の触媒層デカールと、アノード電極側の触媒層デカールで挟み、両デカールの触媒層が設けられた面と電解質膜とが接するようにしてホットプレスすることで、触媒層付電解質膜を得ることができる。ホットプレスの温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層やデカール基材により適宜選択すればよいが、工業的生産性や電解質膜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く、触媒層に含有される高分子電解質のガラス転移温度より大きく、なおかつ２００℃以下で行うことがより好ましい。ホットプレスにおける加圧は、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い。

触媒層インク塗布時に使用するデカール基材としては、電解質膜製膜時に使用する基材と同様の樹脂フィルムや基板が使用できるほか、ＰＴＦＥ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＥＴＦＥ、エチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＶｄＦ等のフッ素樹脂を用いることができる。耐熱性、耐溶剤性に加えて、化学的安定性や離型性の点から、フッ素樹脂フィルムを用いることが好ましい。

触媒層の乾燥は、前述の高分子電解質溶液の乾燥で述べた方法と同様の方法を用いることができる。

〔用途〕
本発明の電解質膜は、種々の用途に適用可能である。例えば、人工皮膚などの医療用途、ろ過用途、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、脱酸素膜、太陽電池用膜、ガスバリアー膜に適用可能である。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、固体高分子形燃料電池、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、電気化学式水素ポンプ、水電解式水素発生装置が挙げられる。

固体高分子形燃料電池、電気化学式水素ポンプ、および水電解式水素発生装置において、電解質膜は、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状態で使用される。特に、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、膜電極複合体（ＭＥＡ）と称されている。本発明の電解質膜は、前記ＣＣＭおよびＭＥＡを構成する電解質膜として好適に用いられる。

本発明の膜電極複合体、固体高分子形燃料電池、電気化学式水素ポンプ、水電解式水素発生装置及びレドックスフロー電池は、本発明の電解質膜を用いてなる。

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、各種測定条件は次の通りである。

（１）ポリマーの分子量
ポリマー溶液の数平均分子量及び重量平均分子量を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（株）製ＨＬＣ−８０２２ＧＰＣを用いた。また、ＧＰＣカラムとして東ソー（株）製ＴＳＫ ｇｅｌ ＳｕｐｅｒＨＭ−Ｈ（内径６．０ｍｍ、長さ１５ｃｍ）２本を用いた。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、流量０．２ｍＬ／ｍｉｎで測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量及び重量平均分子量を求めた。

（２）イオン交換容量（ＩＥＣ）
中和滴定法により測定した。測定は３回実施し、その平均値を取った。

プロトン置換し、純水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。

電解質膜に５質量％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。

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。

イオン交換容量（ＩＥＣ）は下記式により求めた。

ＩＥＣ（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）
（３）電解質膜の断面ＳＥＭ測定
下記条件に従い、断面ＳＥＭ測定を行った。得られた画像から中央の白色領域を複合層、両隣の黒色領域を外部の別層としその厚みを測定した。

装置：電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）Ｓ−４８００（（株）日立ハイテクノロジーズ製）
加速電圧：２．０ｋＶ
前処理：ＢＩＢ法にて作製した断面試料にＰｔコートして測定した。

ＢＩＢ法：アルゴンイオンビームを使用した断面試料作製装置。

試料直上に遮蔽板を置き、その上からアルゴンのブロードイオンビームを照射してエッチングを行うことで観察面・分析面（断面）を作製する。

（４）複合層における高分子電解質の充填率（複合層の充填率）
前記（３）項に従いＳＥＭを用いて電解質膜の断面を観察し、高分子電解質と多孔質基材からなる複合層の厚みＴ１、複合層の外側に別の層がある場合はそれらの厚みＴ２、Ｔ３を各々算出した。複合層を形成する高分子電解質の比重をＤ１、複合層の外側の別の層を形成する高分子電解質の比重をそれぞれのＤ２、Ｄ３、電解質膜の比重をＤとした。それぞれの層を形成するポリマーのＩＥＣをＩ１、Ｉ２、Ｉ３、電解質膜のＩＥＣをＩとして、複合層中の高分子電解質の充填率Ｙ２（体積％）は下式で求めた。

Ｙ２＝［（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）×Ｄ×Ｉ−（Ｔ２×Ｄ２×Ｉ２＋Ｔ３×Ｄ３×Ｉ３）］／（Ｔ１×Ｄ１×Ｉ１）×１００
（５）透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）トモグラフィーによる相分離構造の観察
染色剤として２質量％酢酸鉛水溶液中に電解質膜の試料片を浸漬させ、２５℃下で４８時間静置して染色処理を行った。染色処理された試料を取りだし、エポキシ樹脂で包埋し、可視光を３０秒照射し固定した。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、以下の条件に従って観察を実施した。

装 置：電界放出型電子顕微鏡 （ＨＲＴＥＭ） 日本電子（株）製 ＪＥＭ２１００Ｆ
画像取得：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ
システム：マーカー法
加速電圧 ：２００ｋＶ
撮影倍率 ：３０，０００倍
傾斜角度 ：＋６１°〜−６２°
再構成解像度：０．７１ｎｍ／ｐｉｘｅｌ
３次元再構成処理は、マーカー法を適用した。３次元再構成を実施する際の位置合わせマーカーとして、コロジオン膜上に付与したＡｕコロイド粒子を用いた。マーカーを基準として、＋６１°から−６２°の範囲で、試料を１°毎に傾斜しＴＥＭ像を撮影する連続傾斜像シリーズより取得した計１２４枚のＴＥＭ像を基にＣＴ再構成処理を実施し、３次元相分離構造を観察した。

（６）熱水試験による寸法変化率（λ_ｘｙ）測定
電解質膜を約５ｃｍ×約５ｃｍの正方形に切り取り、温度２３℃±５℃、湿度５０±５％ＲＨの調温調湿雰囲気下に２４時間静置後、ノギスでＭＤの長さとＴＤの長さ（ＭＤ１とＴＤ１）を測定した。該電解質膜を８０℃の熱水中に８時間浸漬後、再度ノギスでＭＤの長さとＴＤの長さ（ＭＤ２とＴＤ２）を測定し、面方向におけるＭＤとＴＤの寸法変化率（λ_ＭＤとλ_ＴＤ）および面方向の寸法変化率（λ_ｘｙ）（％）を下式より算出した。

λ_ＭＤ＝（ＭＤ２−ＭＤ１）／ＭＤ１×１００
λ_ＴＤ＝（ＴＤ２−ＴＤ１）／ＴＤ１×１００
λ_ｘｙ＝（λ_ＭＤ＋λ_ＴＤ）／２
（７）プロトン伝導度
電解質膜を２５℃の純水に２４時間浸漬した後、８０℃、相対湿度２５％ＲＨの恒温恒湿槽中に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。測定装置としては、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ社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。

（８）電解質膜を使用した膜電極複合体（ＭＥＡ）の作製
田中貴金属工業（株）製白金触媒担持炭素粒子ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ（白金担持率５０質量％）と、ケマーズ（株）製“ナフィオン”（登録商標）（“Ｎａｆｉｏｎ”（登録商標））を２：１の質量比となるように調整した触媒インクを、市販のポリテトラフルオロエチレン製フィルムに白金量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、触媒デカールを作製した。

上記触媒デカールを５ｃｍ角にカットしたもの２枚準備し、電解質膜を挟むように対向して重ね合わせ、１５０℃、５ＭＰａで３分間加熱プレスを行い、触媒層付電解質膜を得た。市販のＳＧＬ社製ガス拡散電極２４ＢＣＨを５ｃｍ角にカットし得られた触媒層付電解質膜を挟持することにより、一方の面をカソード極、もう一方の面をアノード極としてＭＥＡを作製した。

（９）発電性能保持率評価
前記（８）で作製したＭＥＡを英和（株）製ＪＡＲＩ標準セルＥｘ−１（電極面積２５ｃｍ^２）にセットし、セル温度８０℃の状態で、燃料ガス：水素、酸化ガス：空気、ガス利用率：水素７０％／酸素４０％、加湿条件；アノード側３０％ＲＨ／カソード３０％ＲＨ、背圧０．１ＭＰａ（両極）において電流−電圧（Ｉ−Ｖ）を測定した。１Ａ／ｃｍ^２時の電圧を読み取り０時間における発電性能Ｖ０とした。続いて、空気の流通条件を変更することなく、水素ガスの供給および排出を停止し循環ポンプを用いて燃料極におけるガス組成を均一化させることにより、空気極からの窒素ガス透過による燃料極における水素ガス濃度低下に起因する発電性能の変化を評価した。水素ガス循環開始後２０時間経過時点における、（Ｉ−Ｖ）を測定し、１Ａ／ｃｍ^２時の電圧を読み取り、２０時間における発電性能Ｖ１を測定し、Ｖ１／Ｖ０（％）を算出することにより発電性能保持率とした。

（１０）乾湿サイクル耐久性
前記（８）で作製したＭＥＡを英和（株）製ＪＡＲＩ標準セル“Ｅｘ−１”（電極面積２５ｃｍ^２）にセットし、セル温度８０℃の状態で、両極に１６０％ＲＨの窒素を２分間供給し、その後両電極に０％ＲＨの窒素（露点−２０℃以下）を２分間供給するサイクルを繰り返した。１，０００サイクルごとに水素透過量の測定を実施し、水素透過電流が初期電流の１０倍を越えた時点を乾湿サイクル耐久性とした。

水素透過量の測定は、一方の電極に燃料ガスとして水素、もう一方の電極に窒素を供給し、加湿条件：水素ガス９０％ＲＨ、窒素ガス：９０％ＲＨで試験を行った。開回路電圧が０．２Ｖ以下になるまで保持し、０．２〜０．７Ｖまで１ｍＶ／ｓｅｃで電圧を掃引し０．７Ｖにおける電流値を水素透過電流とした。

（１１）開回路保持時間
前記（８）で作製したＭＥＡを英和（株）製 ＪＡＲＩ標準セルＥｘ−１（電極面積２５ｃｍ^２）にセットし、８０℃に保ちながら、低加湿状態の水素（７０ｍＬ／分、背圧０．１ＭＰａＧ）と空気（１７４ｍＬ／分、背圧０．０５ＭＰａＧ）をセルに導入し、開回路での劣化加速試験を行った。開回路電圧が０．７Ｖ以下まで低下するまでの時間を開回路保持時間として評価した。

（１２）多孔質基材に含まれるフッ素原子含有量測定
以下の条件に従い、多孔質基材試料を秤量し分析装置の燃焼管内で燃焼させ、発生したガスを溶液に吸収後、吸収液の一部をイオンクロマトグラフィーにより分析した。

＜燃焼・吸収条件＞
システム：ＡＱＦ−２１００Ｈ、ＧＡ−２１０（三菱ケミカル（株）製）
電気炉温度：Ｉｎｌｅｔ ９００℃、Ｏｕｔｌｅｔ １０００℃
ガス：Ａｒ／Ｏ_２ ２００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ_２ ４００ｍＬ／ｍｉｎ
吸収液：Ｈ_２Ｏ_２ ０．１％、内標Ｂｒ ８μｇ／ｍＬ
吸収液量：２０ｍＬ
＜イオンクロマトグラフィー・アニオン分析条件＞
システム：ＩＣＳ１６００（ＤＩＯＮＥＸ社製）
移動相：２．７ｍｍｏｌ／Ｌ Ｎａ_２ＣＯ_３／０．３ｍｍｏｌ／ＬＮａＨＣＯ_３
流速：１．５０ｍＬ／ｍｉｎ
検出器：電気伝導度検出器
注入量：２０μＬ
（１３）界面活性剤の化学構造分析
赤外線分光（ＩＲ）分析、^１Ｈ核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析、^１９Ｆ−ＮＭＲ分析、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ分析、熱分解ＧＣ／ＭＳ分析を行い、各種界面活性剤の化学構造を分析し、フッ素原子及び親水性元素の含有量（酸素、窒素、リン、硫黄およびホウ素の合計）を算出した。

（１４）界面活性剤の重量平均分子量測定
下記条件に従い、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）分析により界面活性剤の重量平均分子量を測定した。

装置：ゲル浸透クロマトグラフＧＰＣ（機器Ｎｏ．ＧＰＣ−２７）
検出器：紫外可視吸収分光検出器ＵＶ（（株）島津製作所製ＳＰＤ−２０ＡＶ）
カラム：ＴＳＫｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ ＨＺＭ−Ｎ ２本
ＳｕｐｅｒＨＺ４０００、２５００、１０００各１本
溶媒：テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）
流速：０．４５ｍＬ／ｍｉｎ
カラム温度：４０℃
注入量：０．０２ｍＬ
標準試料：東ソー（株）製およびＡｇｉｌｅｎｔ単分散ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）
データ処理：（株）東レリサーチセンター製ＧＰＣデータ処理システム
（１５）電解質膜に含まれる界面活性剤量
以下の条件に従い、電解質膜を秤量し分析装置の燃焼管内で燃焼させ、発生したガスを溶液に吸収後、吸収液の一部をイオンクロマトグラフィーにより分析した。本分析値から予め測定しておいた界面活性剤を含まない高分子電解質の寄与および（１２）により予め測定しておいた多孔質基材の寄与を除外することにより、界面活性剤の寄与を算出し、界面活性剤に含まれるフッ素原子量から複合電解質膜に含まれる界面活性剤量を算出して、複合膜中に含まれる高分子電解質に対する界面活性剤の比（界面活性剤／高分子電解質）を求めた。

＜燃焼・吸収条件＞
システム：ＡＱＦ−２１００Ｈ、ＧＡ−２１０（三菱ケミカル（株）製）
電気炉温度：Ｉｎｌｅｔ ９００℃、Ｏｕｔｌｅｔ １０００℃
ガス：Ａｒ／Ｏ_２ ２００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ_２ ４００ｍＬ／ｍｉｎ
吸収液：Ｈ_２Ｏ_２ ０．１％、内標Ｂｒ ８μｇ／ｍＬ
吸収液量：２０ｍＬ
＜イオンクロマトグラフィー・アニオン分析条件＞
システム：ＩＣＳ１６００（ＤＩＯＮＥＸ社製）
移動相：２．７ｍｍｏｌ／Ｌ Ｎａ_２ＣＯ_３／０．３ｍｍｏｌ／ＬＮａＨＣＯ_３
流速：１．５０ｍＬ／ｍｉｎ
検出器：電気伝導度検出器
注入量：２０μＬ
（１６）ＸＰＳによる多孔質基材の酸素含有量測定
予め５ｍｍ角の大きさに切断した多孔質基材を超純水でリンスし、室温、６７Ｐａにて１０時間乾燥させた後、液体窒素で３０分冷却し、凍結粉砕機にて５分間の処理を２回実施することにより、サンプルを準備した。準備したサンプルの組成を測定し、酸素原子含有量を算出した。測定装置、条件としては、以下の通りである。

測定装置：Ｑｕａｎｔｅｒａ ＳＸＭ
励起Ｘ線：ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ａｌ Ｋα_１，Ｋα_２線（１４８６．６ｅＶ）
Ｘ線径：２００μｍ
光電子脱出角度：４５°
（１７）電解質膜のガス透過係数測定
下記条件に従い、２５℃５０％ＲＨ及び９０℃８０％ＲＨにおける電解質膜の窒素、酸素、水素それぞれのガス透過係数を測定した。ガス透過係数は試験回数３回の平均値で算出した。

装置：差圧式ガス透過率測定システムＧＴＲ-３０ＡＸ（ＧＴＲテック（株）製）
温度×相対湿度：２５℃×５０％ＲＨ及び９０℃×８０％ＲＨ
試験ガス：窒素、酸素、水素
試験ガス圧力：水蒸気を含む全圧は１０１．３ｋＰａ（大気圧）
２５℃５０％ＲＨ測定時、各測定ガスの分圧は９９．７ｋＰａ
９０℃８０％ＲＨ測定時、各測定ガスの分圧は４５．２ｋＰａ
ガス透過面積：３．１４ｃｍ^２ (直径２．０ｃｍの円形サンプル) ＊マスキングを実施
測定ｎ数 ：３(同一サンプルを用いて測定)
（１８）ヘイズ及び拡散透過率の測定
検体となる電解質膜を５ｃｍ×５ｃｍのサイズに切り出し、以下の条件にてヘイズ測定を行った。ヘイズ測定においては、予めサンプルの無い状態で全照射光量Ｔ_１、装置散乱率Ｔ_３を求めたのち、サンプルをセットした状態で全光線透過率Ｔ_２及びサンプル散乱率Ｔ_４を測定し、拡散透過率Ｔ_ｄ及びヘイズを算出した。

測定装置： ヘーズメーターＨＧＭ−２０Ｐ（スガ試験機（株）製）
（１９）多孔質基材のＳＥＭ観察
検体となる多孔質基材を２ｍｍ×２ｍｍのサイズに切り出し、白金イオンスパッタ後、ＳＥＭ観察を実施し、多孔質基材の面方向における形態を観察した。多孔質基材に含まれるノード及びフィブリルの配向は、任意の１５μｍ×１５μｍの範囲において、ＳＥＭ観察を行った際の構造に基づき決定した。ノード及びフィブリルの平均直径は、任意の１５μｍ×１５μｍの範囲において、ノード及びフィブリルの直径を１００点測定し、平均値を計算することにより算出した、イオンスパッタ及びＳＥＭ観察は以下の装置・条件にて実施した。
＜イオンスパッタ＞
スパッタ装置：イオンスパッタ Ｅ−１０４５（（株）日立ハイテクノロジーズ製）
金属種：Ｐｔ
イオン放出電流：１５ｍＡ
スパッタ時間：６０秒
＜ＳＥＭ観察＞
測定装置：走査電子顕微鏡 Ｓ−５５００（（株）日立ハイテクノロジーズ製）
加速電圧：５ｋＶ
観察倍率：２，０００〜２０，０００倍
［合成例１］
（下記化学式（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）
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を仕込み溶解した。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、乾燥して下記化学式（Ｇ１）で示される２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン５２．０ｇを得た。この結晶をＧＣ分析したところ９９．９％の２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソランと０．１％の４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノンであった。

［合成例２］
（下記化学式（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）
４，４’−ジフルオロベンゾフェノン（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）１０９．１ｇを発煙硫酸（５０％ＳＯ_３）（富士フイルム和光純薬（株）試薬）１５０ｍＬ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（ＮａＣｌ）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、下記化学式（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。

［合成例３］
（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）
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた１，０００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）１６．５９ｇ（１２０ｍｍｏｌ）、前記合成例１で得たＫ−ＤＨＢＰ２５．８ｇ（１００ｍｍｏｌ）および４，４’−ジフルオロベンゾフェノン（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）２０．３ｇ（９３ｍｍｏｌ）を入れた。窒素置換後、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）３００ｍＬとトルエン１００ｍＬを加え、１６０℃で脱水後、昇温してトルエンを除去し、１８０℃で１時間重合を行った。多量のメタノールに再沈殿精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマー（末端：ヒドロキシル基）を得た。数平均分子量は１０，０００であった。

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（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）１．１ｇ（８ｍｍｏｌ）、イオン性基を含有しない前記オリゴマー（末端：ヒドロキシル基）を２０．０ｇ（２ｍｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、ＮＭＰ１００ｍＬ及びトルエン３０ｍＬを加え、１００℃で脱水後、昇温してトルエンを除去し、デカフルオロビフェニル（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）４．０ｇ（１２ｍｍｏｌ）を加え、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、下記一般式（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１１，０００であった。

［合成例４］
（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）
かき混ぜ機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた１，０００ｍＬ三口フラスコに、炭酸カリウム（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）２７．６ｇ（２００ｍｍｏｌ）、前記合成例１で得たＫ−ＤＨＢＰ１２．９ｇ（５０ｍｍｏｌ）および４，４’−ビフェノール（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）９．３ｇ（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（富士フイルム和光純薬（株）８２ｍｍｏｌ）１７．９ｇを入れ、窒素置換後、ＮＭＰ３００ｍＬ及びトルエン１００ｍＬを加え、１７０℃で脱水後、昇温してトルエンを除去し、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、下記一般式（Ｇ４）で示されるイオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端：ヒドロキシル基）を得た。数平均分子量は１６，０００であった。

（一般式（Ｇ４）において、Ｍは、Ｈ、ＮａまたはＫを表す。）
［合成例５］
（下記化学式（Ｇ５）で表される３−（２，５−ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸ネオペンチルの合成）
攪拌機、冷却管を備えた３Ｌの三口フラスコに、クロロスルホン酸２４５ｇ（２．１ｍｏｌ）を入れ、続いて２，５−ジクロロベンゾフェノン１０５ｇ（４２０ｍｍｏｌ）を加え、１００℃のオイルバスで８時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷１，０００ｇにゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶３−（２，５−ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸クロリドを得た。粗結晶は精製せず、そのまま次工程に用いた。

２，２−ジメチル−１−プロパノール（ネオペンチルアルコール）４１．１ｇ（４６２ｍｍｏｌ）をピリジン３００ｍＬに加え、約１０℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約３０分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに３０分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水１，０００ｍＬ中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、下記化学式（Ｇ５）で示される３−（２，５−ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸ネオペンチルの白色結晶を得た。

［合成例６］
（下記一般式（Ｇ６）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーの合成）
撹拌機、温度計、冷却管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋ管、窒素導入の三方コックを取り付けた１Ｌの三つ口のフラスコに、２，６−ジクロロベンゾニトリル４９．４ｇ（０．２９ｍｏｌ）、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン８８．４ｇ（０．２６ｍｏｌ）、炭酸カリウム４７．３ｇ（０．３４ｍｏｌ）をはかりとった。窒素置換後、スルホラン３４６ｍＬ、トルエン１７３ｍＬを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、１５０℃に加熱還流させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋ管で系外に除去しながら反応させると、約３時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、２００℃で３時間反応を続けた。次に、２，６−ジクロロベンゾニトリル１２．３ｇ（０．０７２ｍｏｌ）を加え、さらに５時間反応した。

得られた反応液を放冷後、トルエン１００ｍＬを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を２Ｌのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン２５０ｍＬに溶解した。これをメタノール２Ｌに再沈殿し、下記一般式（Ｇ６）で表される目的のオリゴマー１０７ｇを得た。数平均分子量は１１，０００であった。

［合成例７］
（下記化学式（Ｇ８）で表されるセグメントと下記式（Ｇ９）で表されるセグメントからなるポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）系ブロックコポリマー前駆体ｂ４’の合成）
無水塩化ニッケル１．６２ｇとジメチルスルホキシド１５ｍＬとを混合し、７０℃に調整した。これに、２，２’−ビピリジル２．１５ｇを加え、同温度で１０分撹拌し、ニッケル含有溶液を調製した。

ここに、２，５−ジクロロベンゼンスルホン酸（２，２−ジメチルプロピル）１．４９ｇと下記一般式（Ｇ７）で示される、スミカエクセルＰＥＳ５２００Ｐ（住友化学（株）製、Ｍｎ＝４０，０００、Ｍｗ＝９４，０００）０．５０ｇとを、ジメチルスルホキシド５ｍＬに溶解させて得られた溶液に、亜鉛粉末１．２３ｇを加え、７０℃に調整した。これに前記ニッケル含有溶液を注ぎ込み、７０℃で４時間重合反応を行った。反応混合物をメタノール６０ｍＬ中に加え、次いで、６ｍｏｌ／Ｌ塩酸６０ｍＬを加え１時間攪拌した。析出した固体を濾過により分離し、乾燥し、灰白色の下記化学式（Ｇ８）と下記一般式（Ｇ９）で表されるセグメントを含むブロックコポリマー前駆体ｂ４’を１．６２ｇ、収率９９％で得た。重量平均分子量は２３万であった。

［合成例８］
（ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）の合成）
窒素雰囲気下、重合溶媒にポリリン酸（ＰＡＡ）を用い、３，３’−ジアミノベンジジン（ＤＡＢ）２２．７ｇ（１０６ｍｏｌ）、４，４’−オキシビス安息香酸（ＯＢＢＡ）２７．３ｇ（１０６ｍｏｌ）を秤取し、３質量％となるようにＰＡＡを加えて、撹拌しながら徐々に温度を上げ、１４０℃で１２時間撹拌し、重縮合を行った。反応後、室温まで冷却し、イオン交換水に注ぎ凝固させたのち、水酸化ナトリウム水溶液で中和した。濾過、イオン交換水で洗浄後、８０℃で一晩減圧乾燥し、目的のポリベンズイミダゾールを得た。重量平均分子量は４３万であった。

［高分子電解質溶液Ａ］イオン性基を含有するセグメントとして前記一般式（Ｇ４）で表されるオリゴマー、イオン性基を含有しないセグメントとして前記一般式（Ｇ３）で表されるオリゴマーを共重合して得られるブロックコポリマーｂ１からなる高分子電解質溶液
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（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）０．５６ｇ（４ｍｍｏｌ）、合成例４で得られたイオン性基を含有するオリゴマーａ２（末端：ヒドロキシル基）を１６ｇ（１ｍｍｏｌ）入れ、窒素置換後、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）１００ｍＬ及びシクロヘキサン３０ｍＬを加え、１００℃で脱水後、昇温してシクロヘキサンを除去し、合成例３で得られた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への再沈殿精製により、ブロックコポリマーｂ１を得た。重量平均分子量は３４万であった。このブロックコポリマーｂ１のイオン交換容量（ＩＥＣ）は２．１であった。

得られたブロックコポリマーｂ１を溶解させた５質量％Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を、（株）久保田製作所製インバーター・コンパクト高速冷却遠心機（型番６９３０）にアングルローターＲＡ−８００をセット、２５℃、３０分間、遠心力２０，０００Ｇで重合原液の直接遠心分離を行った。沈降固形物（ケーキ）と上澄み液（塗液）がきれいに分離できたので上澄み液を回収した。次に、撹拌しながら８０℃で減圧蒸留し、１μｍのポリプロピレン製フィルターを用いて加圧ろ過し、高分子電解質溶液Ａ（高分子電解質濃度１３質量％）を得た。高分子電解質溶液Ａの粘度は１，３００ｍＰａ・ｓであった。

［高分子電解質溶液Ｂ］イオン性基を含有するセグメントとして前記一般式（Ｇ４）で表されるオリゴマー、イオン性基を含有しないセグメントとして前記一般式（Ｇ３）で表されるオリゴマーを共重合して得られるブロックコポリマーｂ２からなる高分子電解質溶液
合成例４で得られたイオン性基を有するオリゴマーａ２を２０ｇ（１．２５ｍｍｏｌ）とした以外はブロックコポリマーｂ１と同様にしてブロックコポリマーｂ２を合成した。このブロックコポリマーｂ２の重量平均分子量は３７万、イオン交換容量（ＩＥＣ）は２．４であった。また、ブロックコポリマーｂ１に代えてブロックコポリマーｂ２を用いた以外は高分子電解質溶液Ａと同様にして得た高分子電解質溶液Ｂの粘度は１，６００ｍＰａ・ｓであった。

［高分子電解質溶液Ｃ］イオン性基を含有するセグメントとして前記一般式（Ｇ４）で表されるオリゴマー、イオン性基を含有しないセグメントとして前記一般式（Ｇ３）で表されるオリゴマーを共重合して得られるブロックコポリマーｂ３からなる高分子電解質溶液
合成例４で得られたイオン性基を有するオリゴマーａ２を２５．６ｇ（１．６ｍｍｏｌ）とした以外は高分子電解質溶液Ａと同様にしてブロックコポリマーｂ３を合成した。このブロックコポリマーｂ３の重量平均分子量は３９万、イオン交換容量（ＩＥＣ）は２．７であった。また、ブロックコポリマーｂ１に代えてブロックコポリマーｂ３を用いた以外は高分子電解質溶液Ａと同様にして得た高分子電解質溶液Ｃの粘度は１，８００ｍＰａ・ｓであった。

［高分子電解質溶液Ｄ］ランダムコポリマーからなる高分子電解質溶液Ｄ
撹拌機、窒素導入管、Ｄｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを備えた５Ｌの反応容器に、合成例１で合成した２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジオキソラン１２９ｇ、４，４’−ビフェノール（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）９３ｇ、および合成例２で合成したジソジウム−３，３’−ジスルホネート−４，４’−ジフルオロベンゾフェノン４２２ｇ（１．０ｍｏｌ）を入れ、窒素置換後、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）３，０００ｇ、トルエン４５０ｇ、１８−クラウン−６（富士フイルム和光純薬（株）試薬）２３２ｇを加え、モノマーが全て溶解したことを確認後、炭酸カリウム（シグマアルドリッチジャパン（同）試薬）３０４ｇを加え、還流しながら１６０℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、２００℃で１時間脱塩重縮合を行った。得られたランダムコポリマーの重量平均分子量は３２万、イオン交換容量（ＩＥＣ）は２．１であった。

次に重合原液の粘度が５００ｍＰａ・ｓになるようにＮＭＰを添加して希釈し、（株）久保田製作所製インバーター・コンパクト高速冷却遠心機（型番６９３０）にアングルローターＲＡ−８００をセット、２５℃、３０分間、遠心力２０，０００Ｇで重合原液の直接遠心分離を行った。沈降固形物（ケーキ）と上澄み液（塗液）がきれいに分離できたので上澄み液を回収した。次に、撹拌しながら８０℃で減圧蒸留し、ポリマー濃度が１４質量％になるまでＮＭＰを除去し、さらに５μｍのポリエチレン製フィルターで加圧濾過して高分子電解質溶液Ｄを得た。高分子電解質溶液Ｄの粘度は１，０００ｍＰａ・ｓであった。

［高分子電解質溶液Ｅ］下記一般式（Ｇ１０）で表されるポリアリーレン系ブロックコポリマーからなる高分子電解質溶液
乾燥したＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）５４０ｍｌを、３−（２，５−ジクロロベンゾイル）ベンゼンスルホン酸ネオペンチル１３５．０ｇ（０．３３６ｍｏｌ）と、合成例６で合成した一般式（Ｇ６）で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーを４０．７ｇ（５．６ｍｍｏｌ）、２，５−ジクロロ−４’−（１−イミダゾリル）ベンゾフェノン６．７１ｇ（１６．８ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド６．７１ｇ（１０．３ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン３５．９ｇ（０．１３７ｍｏｌ）、ヨウ化ナトリウム１．５４ｇ（１０．３ｍｍｏｌ）、亜鉛５３．７ｇ（０．８２１ｍｏｌ）の混合物中に窒素下で加えた。

反応系を撹拌下に加熱し（最終的には７９℃まで加温）、３時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をＤＭＡｃ７３０ｍＬで希釈し、３０分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。

前記濾液をエバポレーターで濃縮し、濾液に臭化リチウム４３．８ｇ（０．５０５ｍｏｌ）を加え、内温１１０℃で７時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン４Ｌに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、１Ｎ塩酸１，５００ｍＬで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のｐＨが５以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、８０℃で一晩乾燥し、目的のポリアリーレン系ブロックコポリマー２３．０ｇを得た。この脱保護後のポリアリーレン系ブロックコポリマーの重量平均分子量は１９万、イオン交換容量（ＩＥＣ）は２．０であった。得られたポリアリーレン系ブロックコポリマーを、０．１ｇ／ｇとなるように、Ｎ−メチル−２−ピロリドン／メタノール＝３０／７０（質量％）有機溶媒に溶解して高分子電解質溶液Ｅを得た。高分子電解質溶液Ｅの粘度は１，２００ｍＰａ・ｓであった。

［高分子電解質溶液Ｆ］ポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーからなる高分子電解質溶液Ｆ
合成例７で得られたブロックコポリマー前駆体ｂ４’を０．２３ｇ計量し、臭化リチウム一水和物０．１６ｇとＮＭＰ８ｍＬとの混合溶液に加え、１２０℃で２４時間反応させた。反応混合物を、６ｍｏｌ／Ｌ塩酸８０ｍＬ中に注ぎ込み、１時間撹拌した。析出した固体を濾過により分離した。分離した固体を乾燥し、灰白色の前記一般式（Ｇ９）で示されるセグメントと下記化学式（Ｇ１１）で表されるセグメントからなるブロックコポリマーｂ４を得た。得られたポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーの重量平均分子量は１９万、イオン交換容量（ＩＥＣ）は２．０であった。得られたポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーを、０．１ｇ／ｇとなるように、Ｎ−メチル−２−ピロリドン／メタノール＝３０／７０（質量％）有機溶媒に溶解して高分子電解質溶液Ｆを得た。高分子電解質溶液Ｆの粘度は１，３００ｍＰａ・ｓであった。

［ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）多孔質基材Ｐ１］
“ポアフロン”（登録商標）ＷＰ−０１０−８０（住友電工ファインポリマー（株）製）を横方向に１０倍延伸後、３６５℃において熱処理を実施した。次いで縦方向に２倍延伸することにより、膜厚９μｍ、空隙率８０％のｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１を作製した。ＳＥＭ観察の結果、縦方向に略平行な平均直径０．９μｍのノードと横方向に略平行な平均直径０．２μｍのフィブリルを有する構造であった。

［ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）多孔質基材Ｐ２］
“ポアフロン”（登録商標）ＨＰ−０４５−３０（住友電工ファインポリマー（株）製）を縦横方向に３倍同時２軸延伸することにより、膜厚８μｍ、空隙率８９％のｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ２を作製した。ＳＥＭ観察の結果、平均直径０．３μｍのフィブリルが無規則な蜘蛛の巣状を形成する構造であった。

［親水化ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ２’］
露点−８０℃のグローブボックス内において、ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｂを金属ナトリウム−ナフタレン錯体／テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）１％溶液３０ｇ、ＴＨＦ７０ｇからなる溶液に浸漬し、３秒経過後に引き上げ、すぐにＴＨＦで十分洗浄し、膜厚８μｍ、空隙率８８％の親水化ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ２’を作製した。

［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）多孔質基材Ｐ３］
ＦＥＰ共重合体樹脂（フロン工業（株）製）７５重量部と、無機充填剤としてシリカ微粒子（信越化学工業（株）製、ＱＳＧ−３０、１次粒子平均粒子径３０ｎｍ）１５重量部を粉体混合機により充分混合した。

この混合物を、二軸押出機（東芝機械（株）製、ＴＥＭ−３５）を用い、３００℃で混練したのち、直径２．５ｍｍのストランドを押出し、これを長さ２．５ｍｍで切断してペレットを得た。

このペレットを口径４０ｍｍの単軸押出機（（株）池貝製、ＶＳ４０）に供給し、７００ｍｍの口金幅を有するフラットダイを用い、ダイス温度３３３℃、押出速度４．３ｋｇ／時間で押し出した。当該吐出物を、表面温度が１３０℃になるように調整したロールに沿わせて４．８ｍ／分の速度で引き取ることにより、厚さ１３μｍのＥＴＦＥフィルムを得た。

得られたフィルムを縦横方向に４倍延伸することにより、膜厚８μｍ、空隙率９０％のＦＥＰ多孔質基材Ｐ３を作製した。ＳＥＭ観察の結果、平均直径０．３μｍのフィブリルが無規則な蜘蛛の巣状を形成する構造であった。

［ポリビニリデンジフルオリド（ＰＶｄＦ）多孔質基材Ｐ４］
デュラポアメンブレン（メルクミリポア社製、疎水性、孔径０．４５μｍ、直径２９３ｍｍ、白色、無地）を縦横方向に３倍延伸することにより、膜厚８μｍ、空隙率８８％のＰＶｄＦ多孔質基材Ｐ４を作製した。ＳＥＭ観察の結果、平均直径０．３μｍのフィブリルが無規則な蜘蛛の巣状を形成する構造であった。

［エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）多孔質基材Ｐ５］
ＦＥＰ樹脂（フロン工業（株）製）の代わりに、ＥＴＦＥ樹脂（シグマアルドリッチジャパン（同）製）を用いた以外は、ＦＥＰ多孔質基材Ｐ３と同様にして、膜厚８μｍ、空隙率８９％のＥＴＦＥ多孔質基材Ｐ５を作製した。ＳＥＭ観察の結果、平均直径０．３μｍのフィブリルが無規則な蜘蛛の巣状を形成する構造であった。

［ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）多孔質基材Ｐ６］
“Ｔｅｔｒａｔｅｘ”（登録商標）ＴＸ１３５６（Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ社製）を多孔質基材Ｐ６として用いた。膜厚８μｍ、空隙率８５％であった。

［ＰＢＩ繊維から成る多孔質基材Ｐ７］
合成例８で得られたＰＢＩを、８重量％になるようにジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）に溶解させ、カトーテック（株）製エレクトロスピニングユニットを使用し、電圧２０ｋＶ、シリンジポンプ吐出速度０．１２ｍＬ／時、シリンジとターゲット間の距離１００ｍｍの条件で紡糸すると同時にナノファイバー不織布を作製した。得られたナノファイバー不織布を８０℃で１時間減圧乾燥した後、厚み１２５μｍの“カプトン”（商標登録）基材上に積層し、窒素雰囲気中４００℃で１０分加熱することで、平均繊維径１６０ｎｍ、厚み７μｍのＰＢＩ繊維から成る多孔質基材Ｐ７を得た。空隙率は８６％であった。

＜電解質膜の製造＞
［実施例１］
１００ｇの高分子電解質溶液Ａに、ポリオキシエチレンエーテル系界面活性剤“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇ（ネオス（株）製）（フッ素原子含有量５４質量％、親水性元素含有量１１質量％、重量平均分子量１，８００）０．２６ｇを溶解し、高分子電解質と界面活性剤の質量比（以下、界面活性剤／電解質と表記）が０．０２の電解質−界面活性剤混合溶液を調製した。ナイフコーターを用い、この電解質−界面活性剤混合溶液をガラス基板上に流延塗布し、ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１を貼り合わせた。室温にて１時間保持し、ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１に電解質−界面活性剤混合溶液Ａを十分含浸させた後、１００℃にて４時間乾燥した。乾燥後の膜の上面に、再度電解質−界面活性剤混合溶液Ａを流延塗布し、室温にて１時間保持した後、１００℃にて４時間乾燥し、フィルム状の重合体を得た。１０質量％硫酸水溶液に８０℃で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、電解質膜（膜厚９μｍ）を得た。

［実施例２］
界面活性剤／電解質を０．１０とした電解質−界面活性剤混合溶液を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚９μｍ）を得た。

［実施例３］
界面活性剤／電解質を０．０１とした電解質−界面活性剤混合溶液を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚９μｍ）を得た。

［実施例４］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｂを使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚９μｍ）を得た。

［実施例５］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｃを使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚９μｍ）を得た。

［実施例６］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｄを使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例７］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｅを使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例８］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｆを使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例９］
ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１の代わりにｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ２を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚８μｍ）を得た。

［実施例１０］
ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１の代わりに親水性ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ２’を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１１］
ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１の代わりにＦＥＰ多孔質基材Ｐ３を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１２］
ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１の代わりにＥＴＦＥ多孔質基材Ｐ４を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１３］
ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１の代わりにＰＶｄＦ多孔質基材Ｐ５を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１４］
“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇの代わりにポリオキシエチレンエーテル系界面活性剤“フタージェント”（登録商標）ＦＴＸ−２１８（ネオス（株）製）（フッ素原子含有量４６質量％、親水性元素含有量１４質量％、重量平均分子量１，９００）を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１５］
“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇの代わりに低金属含有グレードポリオキシエチレンエーテル系界面活性剤“フタージェント”（登録商標）ＤＦＸ−１８（ネオス（株）製）（フッ素原子含有量４６質量％、親水性元素含有量１４質量％、重量平均分子量１，９００）を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１６］
“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇの代わりに含フッ素基親水性基/親油性基含有オリゴマー系界面活性剤“フタージェント”（登録商標）７１０ＦＳ（ネオス（株）製）（フッ素原子含有量１６質量％、親水性元素含有量３０質量％、重量平均分子量３，５００）を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１７］
“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇ（界面活性剤／高分子電解質比０．０２）の代わりに含フッ素基親水性基/親油性基含有オリゴマー系界面活性剤“メガファック”（登録商標）Ｆ−５５５（ＤＩＣ（株）製）（フッ素原子含有量１６質量％、親水性元素含有量３０質量％、重量平均分子量３，５００）（界面活性剤／高分子電解質比０．０８）を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［実施例１８］
ｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ１の代わりにｅＰＴＦＥ多孔質基材Ｐ６を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚９μｍ）を得た。

［実施例１９］
ナイフコーターを用い、高分子電解質溶液Ａをガラス基板上に流延塗布し、ＰＢＩ多孔質基材Ｐ７を貼り合わせた。室温にて１時間保持し、ＰＢＩ多孔質基材Ｐ７に高分子電解質溶液Ａを十分含浸させた後、１００℃にて４時間乾燥した。乾燥後の膜の上面に、再度高分子電解質溶液Ａを流延塗布し、室温にて１時間保持した後、１００℃にて４時間乾燥し、フィルム状の重合体を得た。１０質量％硫酸水溶液に８０℃で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、電解質膜（膜厚８μｍ）を得た。

［比較例１］
ナイフコーターを用い、１００ｇの高分子電解質溶液Ａをガラス基板上に流延塗布した後、１００℃にて４時間乾燥し、フィルム状の重合体を得た。１０質量％硫酸水溶液に８０℃で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、電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例２］
“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇを用いなかった以外は実施例１と同様にして電解質膜の作製を試みたが、高分子電解質溶液Ａが多孔質基材に浸透せず電解質膜を得ることができなかった。

［比較例３］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｂを使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例４］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｃを使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例５］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｄを使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例６］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｅを使用した以外は、比較例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例７］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｆを使用した以外は、比較例１と同様にして複合電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例８］
高分子電解質溶液Ａの代わりに市販の“Ｎａｆｉｏｎ”（登録商標）１０質量％分散液（シグマアルドリッチジャパン（同）製、Ａｖａｉｌａｂｌｅ Ａｃｉｄ Ｃａｐａｃｉｔｙ ０．９２ ｍｅｑ／ｇ品）（以下、「高分子電解質溶液Ｇ」と記載する。）を使用した以外は、比較例１と同様にして複合電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例９］
高分子電解質溶液Ａの代わりに高分子電解質溶液Ｇを使用した以外は、比較例２と同様にして複合電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

［比較例１０］
“フタージェント”（登録商標）２０８Ｇの代わりに界面活性剤“トリトン”（登録商標）Ｘ−１００（非フッ素系界面活性剤）（フッ素原子含有量０、親水性元素含有量２７質量％、重量平均分子量７００）を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜の作製を試みたが、高分子電解質溶液Ａが多孔質基材に浸透せず電解質膜を得ることができなかった。

［比較例１１］
“フタージェント”（登録商標）の代わりに界面活性剤パーフルオロオクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）（アニオン性フッ素系界面活性剤）（フッ素原子含有量６５質量％、親水性元素含有量１６質量％、重量平均分子量５００）を使用した以外は、実施例１と同様にして電解質膜（膜厚１０μｍ）を得た。

実施例１〜１９、比較例１、比較例３〜９、比較例１１で製造した電解質膜について、イオン交換容量（ＩＥＣ）、複合層中の高分子電解質の充填率、寸法変化率λ_ｘｙ、プロトン電導度、窒素、酸素、水素ガス透過係数、ヘイズ、拡散透過率、発電性能保持率、乾湿サイクル耐久性及び開回路電圧保持時間を評価した。また電解質膜を構成するイオン性基含有高分子膜について、相分離構造の有無を評価し、多孔質基材について、フッ素原子含有量、酸素原子含有量、空隙率を評価した。これらの評価結果を表１、表２に示す。乾湿サイクル耐久性に関して、２０，０００サイクルを超えても水素透過電流が初期電流の１０倍を越えなかった場合は、２０，０００サイクルで評価を打ち切った。開回路電圧保持時間に関して、１，５００時間を超えても０．７Ｖ以下とならなかった場合は、１，５００時間で評価を打ち切った。

注１）高分子電解質Ａ：ブロックコポリマーｂ１、高分子電解質Ｂ：ブロックコポリマーｂ２、高分子電解質Ｃ：ブロックコポリマーｂ３、高分子電解質Ｄ：ランダムコポリマー、高分子電解質Ｅ：ポリアリーレン系ブロックコポリマー、高分子電解質Ｆ：ポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーｂ４
注２）多孔質基材Ｐ１：膜厚９μｍ、空隙率８０％の延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）、多孔質基材Ｐ２：膜厚８μｍ、空隙率８９％の延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）、多孔質基材Ｐ２’：膜厚８μｍ、空隙率８８％の親水化ｅＰＴＦＥ、多孔質基材Ｐ３：膜厚８μｍ、空隙率９０％の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）、多孔質基材Ｐ４：膜厚８μｍ、空隙率８８％のポリビニリデンジフルオリド（ＰＶｄＦ）、多孔質基材Ｐ５：膜厚８μｍ、空隙率８９％のエチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、多孔質基材Ｐ６：膜厚８μｍ、空隙率８５％の延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）、多孔質基材Ｐ７：膜厚７μｍ、空隙率８６％のポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）ナノファイバー不織布。

Claims (22)

1. 高分子電解質と多孔質基材とを含み、２５℃５０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が１．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である複合高分子電解質膜。
2. ２５℃５０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である請求項１に記載の複合高分子電解質膜。
3. ２５℃５０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である請求項１または２に記載の複合高分子電解質膜。
4. ９０℃８０％ＲＨにおける窒素ガス透過係数が５．０×１０^−１０ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
5. ９０℃８０％ＲＨにおける酸素ガス透過係数が１．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
6. ９０℃８０％ＲＨにおける水素ガス透過係数が５．０×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
7. 前記高分子電解質がイオン性基を有する炭化水素系ポリマーである請求項１〜６のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
8. 前記多孔質基材がフッ素系多孔質基材である請求項１〜７のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
9. 前記多孔質基材の酸素原子含有量が１０質量％以下である請求項１〜８のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
10. さらにノニオン性フッ素系界面活性剤を含む請求項１〜９のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
11. ノニオン性フッ素系界面活性剤が、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基からなるフッ素含有基と、非イオン性の親媒基とを有する化合物である、請求項１０に記載の複合高分子電解質膜。
12. 前記多孔質基材が炭化水素系多孔質基材である請求項１〜７のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
13. 前記多孔質基材がポリアゾール系多孔質基材である請求項１２に記載の複合高分子電解質膜。
14. 前記多孔質基材がポリベンズイミダゾールからなる請求項１２または１３に記載の複合高分子電解質膜。
15. 厚み方向に光線を透過させた際のヘイズ値が２０％以上４５％以下である請求項１〜１４のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
16. 厚み方向に光線を透過させた際の拡散透過率が２０％以上４０％以下である請求項１〜１５のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の電解質膜両面を触媒層が挟持してなる触媒層付複合高分子電解質膜。
18. 請求項１〜１６のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を含む膜電極複合体。
19. 請求項１〜１６のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を含む固体高分子形燃料電池。
20. 請求項１〜１６のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を含む電気化学式水素ポンプ。
21. 請求項１〜１６のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を含む水電解式水素発生装置。
22. 請求項１〜１６のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を含むレドックスフロー電池。