JP4451237B2 - 固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体と、該膜・電極構造体を備える固体高分子型燃料電池に関するものである。

石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発されると共に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。

前記固体高分子型燃料電池に用いる電極構造体として、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持されイオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成されている１対の電極触媒層を備え、両電極触媒層の間にイオン伝導可能な高分子電解質膜を挟持すると共に、各電極触媒層の上に、拡散層を積層したものが知られている。前記電極構造体は、さらに各電極触媒層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成する。

前記固体高分子型燃料電池では、一方の電極触媒層を燃料極として前記拡散層を介して水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると共に、他方の電極触媒層を酸素極として前記拡散層を介して空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。このようにすると、燃料極側では、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、前記プロトンは前記高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に移動する。そして、前記プロトンは、前記酸素極側の電極触媒層で、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、該酸素極に導入される前記酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、前記燃料極と酸素極とを導線により接続することにより、前記燃料極で生成した電子を前記酸素極に送る回路が形成され、電流を取り出すことができる。

前記電極構造体では、前記高分子電解質膜としていわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物、ナフィオン（商品名、デュポン社製）を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子に、スルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマー等の有機系ポリマーが好適に用いられる。

これら有機系ポリマーは、通常、フィルム状で用いられるが、溶媒に可溶性であること、または熱可塑性であることを利用し、電極上に伝導膜を接合加工できる。ところが、これら有機系ポリマーの多くは、プロトン伝導性がまだ十分でないことに加え、耐久性が低いこと、高温（１００℃以上）でプロトン伝導性が低下してしまうこと、スルホン化により脆化し、機械的強度が低下すること、湿度条件下の依存性が大きいこと、あるいは電極との密着性が十分満足のいくものとはいえないこと等の問題がある。さらに、これら有機系ポリマーには、含水ポリマー構造に起因して、燃料電池の稼動中に過度の膨潤により強度が低下したり、形状の崩壊に至るという問題がある。

一方、スルホン化された剛直ポリフェニレンからなる固体高分子電解質が知られている（例えば、特許文献１参照）。前記剛直ポリフェニレンは、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られるポリマーを主成分とし、これをスルホン化剤と反応させてスルホン酸基を導入しており、スルホン酸基の導入量の増加によって、プロトン伝導度が向上する。

しかしながら、前記剛直ポリフェニレンは、スルホン化すると耐熱水性や靭性等が著しく損なわれるという問題がある。
米国特許第５，４０３，６７５号明細書 特開平７−２２０７４１号公報 Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.3, p.730(1993) Polymer Preprints, Japan, Vol.43, No.3, p.736(1994) Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.7, p.2490〜2492(1993)

本発明は、かかる不都合を解消して、スルホン酸基の導入量を増加しても優れた耐熱水性を有するスルホン化ポリマーからなり、プロトン伝導度と寸法安定性とに優れた高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体を提供することを目的とする。

また、本発明の目的は、前記膜・電極構造体を備え、発電性能と耐久性とに優れた固体高分子型燃料電池を提供することにもある。

かかる目的を達成するために、本発明の固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体は、高分子電解質膜を、触媒を含む１対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体において、
前記高分子電解質膜は、下記式(II)または下記式(IV)で表されるいずれかのポリアリーレン系重合体からなることを特徴とする。

前記ポリアリーレン系重合体は、スルホン酸基の導入量を増加しても優れた耐熱水性を有するスルホン化ポリマーが得られる。従って、本発明によれば、前記スルホン化ポリマーを用いることにより、プロトン伝導度と、寸法安定性とに優れた固体高分子電解質膜を備える膜・電極構造体を得ることができる。

また、本発明の固体高分子型燃料電池は、前記式(II)または前記式(IV)で表されるいずれかのポリアリーレン系重合体からなる高分子電解質膜を、触媒を含む１対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体を備えることを特徴とする。

本発明の固体高分子型燃料電池は、前述のようにプロトン伝導度と、寸法安定性とに優れた固体高分子電解質膜を備える膜・電極構造体を用いるので、優れた発電性能と優れた耐久性とを得ることができる。また、本発明の固体高分子型燃料電池は、前記固体高分子電解質膜が寸法安定性に優れていることにより、膜-電極界面の密着性を改善することができる。従って、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、低温時の固体高分子電解質膜の収縮による電極の剥離が抑制され、低温履歴を経た後の性能低下を抑制することができる。

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は本実施形態の膜・電極構造体の構成を示す説明的断面図である。

本実施形態の膜・電極構造体は、図１に示すように、一対の電極触媒層１，１と、両電極触媒層１，１に挟持された固体高分子電解質膜２と、各電極触媒層１，１の上に積層されたガス拡散層３，３とからなる。

前記電極触媒層１は、触媒とイオン伝導性高分子電解質とからなる。

前記触媒としては細孔の発達したカーボン材料に白金または白金合金を担持させた担持触媒が好ましい。細孔の発達したカーボン材料としては、カーボンブラックや活性炭等を好ましく使用することができる。前記カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等を挙げることができ、また前記活性炭としては、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理して得られたもの等を挙げることができる。また、これらのカーボン材料に黒鉛化処理を施したものを用いてもよい。

前記触媒は、カーボン担体に白金を担持させたものであってもよいが、白金合金を使用することにより、さらに電極触媒としての安定性や活性を付与することもできる。前記白金合金としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等の白金以外の白金族金属、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、スズからなる群から選ばれる１種以上の金属と白金との合金が好ましい。前記白金合金には、白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてよい。

白金または白金合金の担持率（担持触媒の全質量に対する白金または白金合金の質量の割合）は、高出力を得るために、２０〜８０質量％、特に３０〜５５質量％の範囲であることが好ましい。前記担持率が２０質量％未満では、充分な出力を得られないおそれがあり、８０質量％を超えると、白金または白金合金の粒子を分散性よく担体となるカーボン材料に担持できないおそれがある。

また、白金または白金合金の一次粒子径は、高活性なガス拡散電極を得るためには１〜２０ｎｍであることが好ましく、特に反応活性の点で白金または白金合金の表面積を大きく確保できる２〜５ｎｍであることが好ましい。また、白金または白金合金は触媒粒子中に０．１〜１．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲で含まれていることが好ましい。

電極触媒層１は、前記担持触媒に加え、スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質を含む。通常、担持触媒は前記高分子電解質により被覆されており、該高分子電解質の繋がっている経路を通ってプロトン（Ｈ^＋）が移動する。

スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質としては、特に、デュポン社製ナフィオン（商品名）、旭硝子株式会社製フレミオン（商品名）、旭化成株式会社製アシプレックス（商品名）等に代表されるパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物が好適に用いられる。なおパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物だけでなく、本明細書に記載のスルホン化ポリアリーレン系重合体等の芳香族系炭化水素化合物を主とするイオン伝導性高分子電解質を用いてもよい。

前記固体高分子電解質膜２は、スルホン酸基導入ユニットである下記一般式（１）で表される構成単位と、疎水性ユニットである下記一般式（２）で表される構成単位とを含有するポリアリーレン系重合体から形成されている。

一般式（１）において、Ｙは２価の電子吸引性基を示す。前記電子吸引性基として、具体的には、−ＣＯ−、−ＳＯ_２−、−ＳＯ−、−ＣＯＮＨ−、−ＣＯＯ−、−（ＣＦ_２）_ｐ−（ｐは１〜１０の整数である）、−Ｃ（ＣＦ₃）₂−等を挙げることができる。尚、前記電子吸引性基とは、ハメット（Hammett）置換基定数がフェニル基のｍ位の場合、０．０６以上、ｐ位の場合、０．０１以上の値となる基をいう。

Ｚは２価の電子供与性基または直接結合を示す。前記電子供与性基として、具体的には、−ＣＨ_２−、−Ｃ（ＣＨ_３）_２−、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−、

等を挙げることができる。

Ａｒは−ＳＯ_３Ｈで表される置換基を有する芳香族基を示す。前記芳香族基として、具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基等を挙げることができる。これらの芳香族基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。

ｋは０〜１０、好ましくは０〜２の整数、ｌは０〜１０の、好ましくは０〜２の整数を示し、ｊは１〜４の整数を示す。

前記ポリアリーレン系重合体は、前記一般式（１）で表される構成単位を含有することにより、スルホン酸基が導入される。従って、該ポリアリーレン系重合体は高分子電解質となり、固体高分子電解質膜２として好適に用いることができる。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、一般式（１）で表される構成単位を９９．５〜０モル％、好ましくは９０〜０．００１モル％の割合で含有し、一般式（２）で表される構成単位を０．５〜１００モル％、好ましくは１０〜９９．９９９モル％の割合で含有している。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、例えば、前記一般式（１）においてスルホン酸基に代えてスルホン酸エステル基を有する構成単位となりうるモノマーと、前記一般式（２）で表される構成単位となりうるモノマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体を加水分解して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。

また、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、例えば、前記一般式（１）においてスルホン酸基を有しない構成単位となりうるモノマーと、前記一般式（２）で表される構成単位となりうるモノマーとを共重合させ、スルホン酸基を有しないポリアリーレン系重合体を予め合成し、該重合体をスルホン化することにより合成することもできる。

前記一般式（１）においてスルホン酸基に代えてスルホン酸エステル基を有する構成単位となりうるモノマーとしては、例えば、下記一般式（５）で表されるスルホン酸エステル（以下「化合物（５）」ということがある）を挙げることができる。

一般式（５）中、Ｘ’はフッ素を除くハロゲン原子（塩素、臭素、ヨウ素）、−ＯＳＯ_２Ｇ（ここで、Ｇはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す）から選ばれる原子または基を示し、Ｙ、Ｚ、ｊ、ｋ、ｌは、それぞれ前記一般式（１）中のＹ、Ｚ、ｊ、ｋ、ｌと同義である。

Ｒ^ａは炭素原子数１〜２０、好ましくは４〜２０の炭化水素基を示し、具体的には、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｉｓｏ−プロピル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ｉｓｏ−ブチル基、ｎ−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロへキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、２−エチルへキシル基、ビシクロ［２．２．１］ヘプチル基、ビシクロ［２．２．１］ヘプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、２−メチルブチル基、３，３−ジメチル−２，４−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基等の直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、５員の複素環を有する炭化水素基等を挙げることができる。これらの中では、ｎ−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ［２．２．１］ヘプチルメチル基が好ましく、特にネオペンチル基が好ましい。

Ａｒは−ＳＯ_３Ｒ^ｂで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基等を挙げることができる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。

置換基−ＳＯ_３Ｒ^ｂは、前記芳香族基に１個または２個以上置換しており、置換基−ＳＯ_３Ｒ^ｂが２個以上置換している場合には、これらの置換基は互いに同一でも異なっていてもよい。

ここで、Ｒ^ｂは炭素原子数１〜２０、好ましくは４〜２０の炭化水素基を示し、具体的には前記炭化水素原子数１〜２０の炭化水素基等を挙げることができる。これらの中では、ｎ−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ［２．２．１］ヘプチルメチル基が好ましく、特にネオペンチル基が好ましい。

一般式（５）で表されるスルホン酸エステルの具体例としては、以下のような化合物を挙げることができる。

また、一般式（５）で表されるスルホン酸エステルは、前記具体例の化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、−ＣＯ−が−ＳＯ_２−に置き換わった化合物、塩素原子が臭素原子に置き換わり、かつ、−ＣＯ−が−ＳＯ_２−に置き換わった化合物等も含む。

一般式（５）の中のＲ^ｂ基は１級アルコール由来であって、β炭素が３級または４級炭素であることが重合工程中の安定性に優れ、脱エステル化によるスルホン酸の生成に起因する重合阻害や架橋を引き起こさない点で好ましく、さらには、これらのエステル基は１級アルコール由来であってβ位が４級炭素であることが好ましい。

また、前記一般式（１）において、スルホン酸基を有しない化合物の具体例としては、以下のような化合物を挙げることができる。

前記一般式（１）においてスルホン酸基を有しない化合物は、前記具体例の化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、−ＣＯ−が−ＳＯ_２−に置き換わった化合物、塩素原子が臭素原子に置き換わり、かつ、−ＣＯ−が−ＳＯ_２−に置き換わった化合物等も含む。

前記一般式（２）の構成単位となりうるモノマーとしては、例えば、下記一般式（６）で表される化合物（以下「化合物（６）」ということがある）を挙げることができる。この化合物（６）から導かれる構成単位を含有させることにより、前記ポリアリーレン系重合体に疎水部を付与することができる。また、化合物（６）は屈曲性構造を有するため、前記ポリアリーレン系重合体の靭性、その他の機械的強度等を向上させる作用を有する。

一般式（６）中、Ｘは、フッ素を除くハロゲン原子（塩素、臭素、ヨウ素）、−ＯＳＯ_２ＣＨ_３、−ＯＳＯ_２ＣＦ_３から選ばれる原子または基を示す。

Ｒ^１〜Ｒ^８は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子またはアルキル基を示す。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基等を挙げることができ、メチル基、エチル基等が好ましい。

Ａは独立に２価の原子もしくは有機基または直接結合を示す。前記有機基として、具体的には、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ_２）_p−（ｐは１〜１０の整数）、−Ｃ（ＣＦ_３）_２−、−ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ_２−等の電子吸引性基（ただし、−ＣＯ−を除く）、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−および下記式で表される基等の電子供与性基等を挙げることができる。

Ｂは独立に酸素原子または硫黄原子である。ｎは１以上の整数であり、上限は通常１００、好ましくは８０である。

Ｑは下記一般式（３）で表される少なくとも１種の構造（以下「構造（３）」ということがある）９９〜２０モル％、好ましくは９５〜３０モル％、特に好ましくは９０〜３５モル％と、下記一般式（４−１）および／または（４−２）で表される少なくとも１種の構造（以下「構造（４）」といいうことがある）１〜８０モル％、好ましくは５０〜７０モル％、特に好ましくは１０〜６５モル％とからなる構造を示す。このような範囲で構造（３）と構造（４）とを含有することにより、熱水耐性、プロトン伝導性等に優れた固体高分子電解質膜を得ることができる。

前記式中、Ｄは２価の原子もしくは有機基を示し、例えば、前記Ａと同様のものを挙げることができる。

Ｒ⁹〜Ｒ⁴⁰は同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基または芳香族基を示す。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基等を挙げることができ、メチル基、エチル基等が好ましい。芳香族基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、ピリジル基、フェノキシジフェニル基、フェニルフェニル基、ナフトキシフェニル等を挙げることができる。

化合物（４−１）の具体的な例としては、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−メチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−エチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−ｎ−プロピルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−イソプロピルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−ｔ−ブチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−イソブチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−ｎ−ブチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−フェニルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３−フルオロフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５−ジメチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５−ジエチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジ−ｎ−プロピルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジ−イソプロピルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジ−ｔ−ブチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジ−イソブチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジ−ｎ−ブチルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジ−フェニルフェニル）フルオレン、９，９−ビス（４−ヒドロキシ−３，５―ジフルオロフェニル）フルオレン等を挙げることができる。

また、前記化合物（４−２）の具体的な例としては、４，４’−ジヒドロキシビフェニル、３，４’−ジヒドロキシビフェニル、２，４’−ジヒドロキシビフェニル、３，３’−ジヒドロキシビフェニル、２，３’−ジヒドロキシビフェニル、２，２’−ジヒドロキシビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’，５，５’−テトラメチルビフェニル、２，２’−ジヒドロキシ−３，３’，５，５’−テトラメチルビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’−ジメチルビフェニル、２，２’−ジヒドロキシ−３，３’−ジメチルビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’ ５，５’−テトラエチルビフェニル、２，２’−ジヒドロキシ−３，３’ ５，５’−テトラエチルビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’−ジエチルビフェニル、２，２’−ジヒドロキシ−３，３’−ジエチルビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’ ５，５’−テトラ−ｔ−ブチルビフェニル、２，２’−ジヒドロキシ−３，３’ ５，５’−テトラ−ｔ−ブチルビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’−ジ−ｔ−ブチルビフェニル、２，２’−ジヒドロキシ−５，５’−ジ−ｔ−ブチルビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’−ビス（２−プロペニル）ビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’−ジフルオロビフェニル、４，４’−ジヒドロキシ−３，３’ ５，５’−テトラフルオロビフェニル等を挙げることができる。

前記化合物（６）は、例えば、次のような反応により合成することができる。
まず、２価の原子もしくは有機基または直接結合で連結されたビスフェノールと、フルオレン類で連結されたビスフェノールおよび／またはビフェノールと（以下、これらをまとめて「ビスフェノール類」ということがある）をアルカリ金属塩とするために、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイド等の誘電率の高い極性溶媒中で、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、水素化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩等を加える。アルカリ金属はビスフェノール類の水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、１．１〜２倍当量、好ましくは１．２〜１．５倍当量で使用する。このとき、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、アニソール等の水と共沸する溶媒を共存させて、反応の進行を促進させることが好ましい。

次いで、前記ビスフェノール類のアルカリ金属塩と、電子吸引性基等で活性化された塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物、例えば、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジクロロジフェニルスルホン、２，２’−ジクロロジフェニルスルホン、３，４’−ジクロロジフェニルスルホン、２，４’−ジクロロジフェニルスルホン、２，３’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジエチル−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジフェニル−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジフルオロ−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジニトロ−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン等とを反応させる。

前記芳香族ジハライド化合物は、前記ビスフェノール類に対し０．３３〜０．９９９倍モル、好ましくは０．５〜０．９９９倍モルの量で用いられる。このように、芳香族ジハライド化合物に対して、前記ビスフェノール類を過剰に加えることで、両末端にビスフェノール類のアルカリ金属塩を有する前駆体が生成する。分子量は、この段階での前記芳香族ジハライド化合物と前記ビスフェノール類との反応モル比によって調整することができる。

最後に、両末端にクロロベンゾイル基を導入するために、ジクロロベンゾフェノン類を加えて反応させる。ここで用いられるジクロロベンゾフェノン類としては、４，４’−ジクロロベンゾフェノン、３，４’−ジクロロベンゾフェノン、２，２’−ジクロロベンゾフェノン等を挙げることができる。これらのうち、４，４’−ジクロロベンゾフェノンが好ましい。

前記ジクロロベンゾフェノン類は、前記前駆体に対して、２倍モル以上加えることが必要であり、好ましくは３〜１０倍モルの量で用いられる。添加量が２倍モルを下回る場合には、末端へのクロロベンゾイル基の導入が不完全となり、次工程のポリアリーレン系重合体の合成時に共重合性が低下して単独重合体の生成を招き、プロトン伝導度、熱水耐性等諸物性の低下を引き起こすことがある。

これらの反応は、反応温度が６０℃〜３００℃で、好ましくは８０℃〜２５０℃の範囲、反応時間が１５分〜１００時間、好ましくは１時間〜２４時間の範囲で行なわれる。

得られたオリゴマーないしポリマーは、ポリマーの一般的な精製方法、例えば、溶解−沈殿の操作によって精製することができる。化合物（６）の具体例としては、以下のような化合物を挙げることができる。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体（以下、単に「スルホン化ポリマー」ということがある）は、前記化合物（５）と化合物（６）とを、触媒の存在下に反応させることにより合成される。

この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、このような触媒系としては、（ｉ）遷移金属塩および配位子となる化合物（以下「配位子成分」という）、または、配位子が配位された遷移金属錯体（銅塩を含む）と、（ｉｉ）還元剤とを必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために「塩」を添加してもよい。

ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル等を挙げることができる。

また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、２，２’−ビピリジン等を挙げることができる。前記配位子成分である化合物は、１種を単独で用いてもよく、あるいは２種以上を併用してもよい。

さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、塩化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、塩化ニッケル（２，２’−ビピリジン）を挙げることができる。

前記触媒系に使用することができる還元剤としては、亜鉛、マグネシウム、マンガン等を挙げることができる。これらの還元剤は、有機酸等の酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。

また、前記触媒系に用いられる「塩」としては、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム等を挙げることができる。

各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、前記モノマーの総計（化合物（５）と化合物（６）との合計）１モルに対し、通常、０．０００１〜１０モル、好ましくは０．０１〜０．５モルである。０．０００１モル未満では、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、１０モルを超えると、得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体の分子量が低下することがある。

触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩１モルに対し、通常０．１〜１００モル、好ましくは１〜１０モルである。０．１モル未満では、触媒活性が不十分となることがあり、一方、１００モルを超えると、得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体の分子量が低下することがある。

また、還元剤の使用割合は、前記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．１〜１００モル、好ましくは１〜１０モルである。０．１モル未満では、重合が十分進行しないことがあり、１００モルを超えると、得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体の精製が困難になることがある。

さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、前記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．００１〜１００モル、好ましくは０．０１〜１モルである。０．００１モル未満では、重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、１００モルを超えると、得られたスルホン化ポリマーの精製が困難となることがある。

化合物（５）と化合物（６）とを反応させる際に使用することのできる重合溶媒としては、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。

前記重合溶媒中における前記モノマーの総計の濃度は、通常、１〜９０重量％、好ましくは５〜４０重量％である。重合する際の重合温度は、通常、０〜２００℃、好ましくは５０〜１２０℃である。また、重合時間は、通常、０．５〜１００時間、好ましくは１〜４０時間である。

化合物（５）を用いて得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体は、スルホン酸エステル基を加水分解して、スルホン酸基に変換することによりスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体とすることができる。

加水分解の方法としては、（ｉ）少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、前記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体を投入し、５分間以上攪拌する方法、（ｉｉ）トリフルオロ酢酸中で前記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体を８０〜１２０℃程度の温度で５〜１０時間程度反応させる方法、（ｉｉｉ）スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系重合体中のスルホン酸エステル基（−ＳＯ_３Ｒ^ｂ）１モルに対して１〜３倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶液中で前記ポリアリーレン系重合体を８０〜１５０℃程度の温度で３〜１０時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法、等を挙げることができる。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、前記化合物（６）と、前記一般式（１）においてスルホン酸基を有しない化合物とを共重合させることにより、スルホン酸基を有しないポリアリーレン系共重合体（以下「非スルホン化ポリマー」ということがある）を予め合成し、この非スルホン化ポリマーをスルホン化することにより合成することもできる。この場合、前記合成方法に準じた方法により非スルホン化ポリマーを製造した後、スルホン化剤を用いてスルホン酸基を導入することにより、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を得ることができる。

スルホン酸基の導入方法は、特に制限されず、一般的な方法で行うことができる。例えば、前記非スルホン化ポリマーを、無溶媒下または溶媒存在下で、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウム等の公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することにより、スルホン酸基を導入することができる（非特許文献１〜３参照）。

前記スルホン化の際に用いられる溶剤としては、例えば、ｎ−ヘキサン等の炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン系極性溶剤、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素系溶剤等を挙げることができる。反応温度は、特に限定されないが、通常−５０〜２００℃、好ましくは−１０〜１００℃である。また、反応時間は、通常０．５〜１，０００時間、好ましくは１〜２００時間である。

前記のような方法により製造されるスルホン化ポリマー中のスルホン酸基量は、通常０．３〜５ｍｅｑ／ｇ、好ましくは０．５〜３ｍｅｑ／ｇ、さらに好ましくは０．８〜２．８ｍｅｑ／ｇである。０．３ｍｅｑ／ｇ未満では、プロトン伝導度が低く実用的ではなく、５ｍｅｑ／ｇを超えると、耐水性が低下することがある。
前記スルホン酸基量は、例えば、モノマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）によるポリスチレン換算重量平均分子量で、１万〜１００万、好ましくは２万〜８０万である。前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体は、分子量が前記範囲内であることにより、優れた塗膜性、強度的性質、溶解性、加工性等を得ることができる。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の構造は、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吸収等により確認でき、これらの組成比は、スルホン酸の中和滴定や、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、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。

固体高分子電解質膜２は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体からなる高分子電解質を用いて調製される。また、固体高分子電解質膜２を調製する際に、高分子電解質以外に、硫酸、リン酸等の無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水等を併用してもよい。また、プロトン伝導性を損なわない範囲で、フェノール系水酸基含有化合物、アミン系化合物、有機リン化合物、有機イオウ化合物等の酸化防止剤を含んでもよい。

固体高分子電解質膜２は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を、溶剤に溶解して溶液とした後、基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法等により、フィルム状に成形することにより製造することができる。

前記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、例えばプラスチック製、金属製等の基体を用いることができ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の熱可塑性樹脂からなる基体を用いることができる。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を溶解する溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノン等の非プロトン系極性溶剤を挙げることができ、特に溶解性、溶液粘度の面から、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下「ＮＭＰ」ということがある）が好ましい。前記非プロトン系極性溶剤は、１種単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を溶解させる前記溶媒として、前記非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いることもできる。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、ｉｓｏ−プロピルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール等を挙げることができ、特にメタノールが幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があり好ましい。前記アルコールは、１種単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。

前記溶媒として、非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いる場合には、非プロトン系極性溶剤が９５〜２５重量％、好ましくは９０〜２５重量％、アルコールが５〜７５重量％、好ましくは１０〜７５重量％（合計１００重量％）の範囲で用いる。アルコールの量が前記範囲内にあると、溶液粘度を下げる点で優れた効果を得ることができる。

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を溶解させた溶液のポリマー濃度は、該ポリアリーレン系重合体の分子量にもよるが、通常、５〜４０重量％、好ましくは７〜２５重量％である。５重量％未満では厚膜化し難く、またピンホールが生成しやすい。一方、４０重量％を超えると溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また表面平滑性に欠けることがある。

溶液粘度は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、２，０００〜１００，０００ｍＰａ・ｓ、好ましくは３，０００〜５０，０００ｍＰａ・ｓの範囲である。２，０００ｍＰａ・ｓ未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、１００，０００ｍＰａ・ｓを超えると、粘度が高すぎてダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。

前記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られる固体高分子電解質膜２の残留溶媒量を低減することができる。なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常５０〜１５０℃の温度で、０．１〜１０時間保持することにより行われる。

未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム１重量部に対し、水が１０重量部以上、好ましくは３０重量部以上の接触比となるようにすることが好ましい。得られる固体高分子電解質膜２の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのが好ましい。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られる固体高分子電解質膜２の残存溶媒量の低減に有効である。固体高分子電解質膜２中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を攪拌等によって均質化させることは効果がある。

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水温は、好ましくは５〜８０℃の範囲である。水温が高温であるほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られる固体高分子電解質膜２の表面状態が荒れる懸念がある。通常、置換速度と取り扱いやすさとの点から１０〜６０℃の温度範囲が好都合である。浸漬時間は、初期の残存溶媒量や接触比、処理温度にもよるが、通常１０分〜２４０時間、好ましくは３０分〜１００時間の範囲である。

前記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、残存溶媒量が低減された固体高分子電解質膜２が得られるが、このようにして得られる固体高分子電解質膜２の残存溶媒量は、通常５重量％以下である。また、浸漬条件によっては、得られる固体高分子電解質膜２の残存溶媒量を１重量％以下とすることができる。このような条件としては、例えば、未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム１重量部に対し、水が５０重量部以上、浸漬する際の水の温度を１０〜６０℃、浸漬時間を１０分〜１０時間とする方法がある。

前記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを３０〜１００℃、好ましくは５０〜８０℃で、１０〜１８０分、好ましくは１５〜６０分乾燥し、次いで、５０〜１５０℃で、好ましくは５００ｍｍＨｇ〜０．１ｍｍＨｇの減圧下、０．５〜２４時間、真空乾燥することにより、固体高分子電解質膜２を得ることができる。

前記のような方法により得られる固体高分子電解質膜２は、その乾燥膜厚が、通常１０〜１００μｍ、好ましくは２０〜８０μｍである。

また、固体高分子電解質膜２は、前記スルホン酸エステル化されたポリアリーレン系重合体を加水分解することなく、上述したような方法でフィルム状に成形した後、加水分解することにより製造することもできる。

固体高分子電解質膜２は、老化防止剤、好ましくは分子量５００以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよく、前記老化防止剤を含有することで固体高分子電解質膜としての耐久性をより向上させることができる。

本実施形態で使用することのできるヒンダードフェノール系化合物としては、ペンタエリスリチル−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〕（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製IRGANOX 1010（商品名））、Ｎ，Ｎ−ヘキサメチレンビス（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド）（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製IRGANOX 1098（商品名））、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（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製IRGANOX 1330（商品名））等を挙げることができる。

分子量５００以上のヒンダードフェノール系化合物は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン１００重量部に対して、０．０１〜１０重量部の量で使用することが好ましい。

本実施形態において、膜・電極構造体は、アノード、カソードの電極触媒層１，１と、電極触媒層１，１に挟持される固体高分子電解質膜（プロトン伝導膜）２とのみからなっていてもよいが、アノード、カソードともに電極触媒層１の外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材からなるガス拡散層３が配置されるとさらに好ましい。また、この導電性多孔質基材は撥水化加工処理を施してもよい。さらに、このガス拡散層３には、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を混合したスラリーを塗布する等して、撥水性を付与した下地層を形成してもよい。ガス拡散層３は集電体としても機能するので、本明細書ではガス拡散層３を有する場合はガス拡散層３と電極触媒層１とを合わせて電極というものとする。

図１に示す膜・電極構造体を備える固体高分子型燃料電池では、カソードには酸素を含むガス、アノードには水素を含むガスが供給される。具体的には、例えばガスの流路となる溝が形成されたセパレータを膜・電極構造体の両方の電極（ガス拡散層３）の外側に配置し、該ガスの流路にガスを流すことにより膜・電極構造体に燃料となるガスを供給する。

図１に示す膜・電極構造体を製造する方法としては、固体高分子電解質膜２の上に電極触媒層１を直接形成し必要に応じガス拡散層３で挟み込む方法、カーボンペーパー等のガス拡散層３となる基材上に電極触媒層１を形成しこれを固体高分子電解質膜２と接合する方法、平板上に電極触媒層１を形成しこれを高分子電解質膜２に転写した後、平板を剥離し、さらに必要に応じガス拡散層３で挟み込む方法等の各種の方法を採用することができる。特に、溶媒で表面を溶かしてから接合できるため、固体高分子電解質膜２の上に電極触媒層１を直接形成する方法が好ましい。

電極触媒層１の形成方法としては、担持触媒とスルホン酸基を有するパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物とを分散媒に分散させた分散液を用いて（必要に応じて撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒等を加え）、固体高分子電解質膜２、ガス拡散層３、または平板上に噴霧、塗布、濾過等により形成させる公知の方法が採用できる。電極触媒層１を固体高分子電解質膜２上に直接形成しない場合は、電極触媒層１と固体高分子電解質膜２とは、ホットプレス法、接着法等により接合することが好ましい（例えば特許文献２参照）。

本実施例では、始めに、以下のようにして、疎水性ユニットを合成した。

まず、攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管、冷却管を取り付けた１Ｌの三口フラスコに、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２０．２ｇ（６０．２ｍｍｏｌ）、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン１８．１ｇ（５１．６ｍｍｏｌ）、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２９．６ｇ（１０３ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム２０．１ｇ（１４５ｍｍｏｌ）をはかりとった。窒素置換後、スルホラン１７０ｍｌ、トルエン８５ｍｌを加えて攪拌し、オイルバスで反応液を１５０℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean-stark管にトラップした。３時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean-stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を上げて２００℃とし、５時間攪拌を続けた後、４，４’−ジクロロベンゾフェノン１０．８ｇ（４３ｍｍｏｌ）を加え、さらに８時間反応させた。

反応液を放冷後、トルエン１００ｍｌを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩をろ過し、ろ液をメタノール２Ｌに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物をろ過、乾燥後、テトラヒドロフラン２５０ｍｌに溶解し、これをメタノール２Ｌに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末をろ過、乾燥し、疎水性ユニット５６．５ｇを得た。

次に、疎水性ユニットの数平均分子量を、溶剤としてテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用い、ＧＰＣによって、ポリスチレン換算の分子量として求めた。ＧＰＣで測定した数平均分子量は７８００であった。

また、この化合物の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルから、得られた化合物は、下記式（Ｉ）で表されるオリゴマーであり、下記式（Ｉ）中、ａとｂの比ａ：ｂは５４：４６であった。尚、繰り返し数ａおよびｂで表している構造単位を、それぞれ成分ａ、成分ｂという。

次に、以下のようにしてスルホン化ポリマーを合成した。

まず、攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた１Ｌのフラスコに、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１１９ｇ（２９６ｍｍｏｌ）、本実施例で得られた分子量７８００の前記疎水性ユニット３０．４ｇ（３．９ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド５．８９ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、ヨウ化ナトリウム１．３５ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン３１．５ｇ（１２０ｍｍｏｌ）、亜鉛４７．１ｇ（７２０ｍｍｏｌ）をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）３５０ｍｌを加え、反応温度を８０℃に保持しながら、３時間攪拌を続けたあと、ＤＭＡｃ７００ｍｌを加えて希釈し、不純物をろ過した。

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた２Ｌのフラスコに入れ、１１５℃に加熱攪拌し、臭化リチウム５６．６ｇ（６５１ｍｍｏｌ）を加えた。７時間攪拌後、アセトン５Ｌに注いで生成物を沈殿させた。次いで、１Ｍ塩酸、純水の順に洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー１０３ｇを得た。

次に、前記スルホン化ポリマーの重量平均分子量を、溶剤として臭化リチウムとリン酸を添加したＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を溶離液として用い、ＧＰＣによって、ポリスチレン換算の分子量として求めた。得られたスルホン化ポリマーの重量平均分子量（Ｍｗ）は２６０，０００であった。

得られたスルホン化ポリマーは、式（ＩＩ）で表される重合体であると推定される。

得られたスルホン化ポリマーの１０重量％Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液を、ガラス板上にキャストして成膜し、膜厚４０μｍのフィルム（固体高分子電解質膜２）を得た。

次に、前記フィルムを用い、以下のようにして、図１に示す膜・電極構造体を作製した。

まず、平均径５０ｎｍのカーボンブラック（ファーネスブラック）に白金粒子を、カーボンブラック：白金＝１：１の重量比で担持させ、触媒粒子を作製した。次に、イオン伝導性バインダーとしてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（デュポン社製ナフィオン（商品名））溶液に、前記触媒粒子を、イオン伝導性バインダー：触媒粒子＝８：５の重量比で均一に分散させ、触媒ペーストを調製した。

次に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子とを、カーボンブラック：ＰＴＦＥ粒子＝４：６の重量比で混合し、得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーをカーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて下地層とし、該下地層とカーボンペーパーとからなるガス拡散層３を２つ作製した。

本実施例で得られた前記フィルム（固体高分子電解質膜２）の両面に、前記触媒ペーストを、白金含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるようにバーコーター塗布し、乾燥させることにより電極塗布膜（以下、Catalyst Coated Membrane：ＣＣＭということがある）を得た。前記乾燥は、１００℃で１５分間の乾燥を行なった後、１４０℃で１０分間の二次乾燥を行なった。

次に、前記ＣＣＭを前記ガス拡散層３の下地層側で狭持し、ホットプレスを行なって図１に示す膜・電極構造体を得た。前記ホットプレスは、８０℃、５ＭＰａで２分間の一次ホットプレスの後、１６０℃、４ＭＰａで１分間の二次ホットプレスを行なった。

また、本実施例で得られた膜・電極構造体は、ガス拡散層３の上にさらにガス通路を兼ねるセパレーターを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成することができる。

次に、本実施例で得られたスルホン化ポリマーと、固体高分子電解質膜２との物性を、以下のようにして評価した。結果を表１に示す。

スルホン化ポリマーのイオン交換容量は、該スルホン化ポリマーの水洗水がｐＨ４〜６になるまで洗浄して、残存している遊離の酸を除去後、十分に水洗して乾燥した後、所定量を秤量してＴＨＦ／水の混合溶剤に溶解した。次に、フェノールフタレインを指示薬としてＮａＯＨの標準液にて滴定し、中和点からイオン交換容量を求めた。

固体高分子電解質膜２のプロトン伝導度は、まず、固体高分子電解質膜２を５ｍｍ幅の短冊状の試料とし、該試料の表面に、白金線（直径０．５ｍｍ）を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定することにより交流抵抗を求めた。抵抗測定装置として、Solartron社製SI1260インピーダンスアナライザ（商品名）を用い、恒温恒湿装置にはエスペック社製小型環境試験機ＳＨ−２４１（商品名）を使用した。白金線を５ｍｍ間隔に５本押し当てて、線間距離を５〜２０ｍｍに変化させて交流抵抗を測定した。次に、線間距離と抵抗の勾配とから次式により固体高分子電解質膜２の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスからプロトン伝導度を算出した。測定は、８５℃、相対湿度９０％の条件下で行った。

比抵抗Ｒ（Ω・ｃｍ）＝０．５（ｃｍ）×膜厚（ｃｍ）×抵抗線間勾配（Ω／ｃｍ）
固体高分子電解質膜２の熱水耐性は、固体高分子電解質膜２を２．０ｃｍ×３．０ｃｍにカットし、秤量して試験用のテストピースとした。このテストピースを、ポリカーボネート製の２５０ｍｌ瓶に入れ、そこに約１００ｍｌの蒸留水を加え、プレッシャークッカー試験機（ＨＩＲＡＹＡＭＡ ＭＦＳ ＣＯＲＰ製 ＰＣ−２４２ＨＳ（商品名））を用いて、１２０℃で２４時間加温した。

前記加温終了後、前記テストピースを熱水中から取り出し、該テストピースの寸法を測定して、試験前のテストピースの寸法に対する試験後の寸法の割合（寸法変化率）を求めた。また、試験後のテストピースを真空乾燥機で５時間乾燥して重量を秤量し、試験前のテストピースの重量に対する試験後の重量の割合（重量保持率）を求めた。

固体高分子電解質膜２の電極接着性は、固体高分子電解質膜２の両面に電極を塗布した電極塗布膜（ＣＣＭ）を、結露サイクル試験機（エスペック社製ＤＣＴＨ−２００（商品名））に投入し、８５℃９５％ＲＨと−２０℃との冷熱サイクルテストを２０回実施した。試験後のＣＣＭを１．０ｃｍ×５．０ｃｍの短冊状にカットし、アルミ板に両面で固定しテストピースとした。さらに、電極面にテープを貼り付け、テープを１８０℃方向に５０ｍｍ／分の速さで引っ張り、ＣＣＭ上の電極を剥離させた。テープの剥離試験は、豊光エンジニアリング製ＳＰＧ荷重測定機ＨＰＣ．Ａ５０．５００（商品名）を用いて行なった。剥離試験後のテストピースについて画像処理を行い、次式に基づいて電極が残存した面積を算出し、電極接着率を求めた。画像処理は、エプソン社製スキャナＧＴ−８２００ＵＦ（商品名）を用いて画像を取り込み、２値化することにより行なった。

電極接着率（％）＝電極残存面積／全サンプル面積
本実施例で得られた膜・電極構造体の発電特性は、温度８５℃、燃料極側と酸素極側との相対湿度をともに３０％とした発電条件により、高温低加湿環境下での発電性能を評価した。燃料極側には純水素を、酸素極側には空気をそれぞれ供給した。電流密度１Ａ／ｃｍ^２で２００時間発電した後、電流密度は１Ａ／ｃｍ^２とし、セル電位の測定を行った。

また、本実施例で得られた膜・電極構造体を用い、−２０℃の条件下で低温始動性を評価した。結果は、２０秒以内に起動できれば良好として「○」で表示し、２０秒以上または始動不可であった場合には不良として「×」で表示した。

本実施例では、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および、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレンの仕込み量を、それぞれ１４．５ｇ（４３．０ｍｍｏｌ）および２４．１ｇ（６８．８ｍｍｏｌ）に変更した以外は、実施例１と同一の方法で合成を行い、疎水性ユニット５４．４ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した数平均分子量は８３００であった。得られた化合物は、前記式（Ｉ）で表されるオリゴマーであり、式（Ｉ）中、ａとｂの比ａ：ｂは３７：６３であった。

次に、本実施例で得られた分子量８３００の疎水性ユニットを用いたこと以外は、実施例1と同一にして合成をおこない、スルホン化ポリマー１０２ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した重量平均分子量は２５０，０００であった。得られたスルホン化ポリマーを用いたこと以外は、実施例１と同一にしてフィルム（固体高分子電解質膜２）を作製した。

次に、本実施例で得られたフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同一にして膜・電極構造体を得た。

次に、本実施例で得られたスルホン化ポリマーと、固体高分子電解質膜２との物性を、実施例１と同一にして評価した。結果を表１に示す。

本実施例では、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および、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレンの仕込み量を、それぞれ２８．９ｇ（８６．０ｍｍｏｌ）および９．０４ｇ（２５．８ｍｍｏｌ）に変更した以外は、実施例１と同一の方法で合成を行い、疎水性ユニット５５．１ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した数平均分子量は７６００であった。得られた化合物は、前記式（Ｉ）で表されるオリゴマーであり、式（Ｉ）中、ａとｂの比ａ：ｂは７７：２３であった。

次に、本実施例で得られた分子量７６００の疎水性ユニットを用いたこと以外は、実施例1と同一にして合成をおこない、スルホン化ポリマー１０２ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した重量平均分子量は２５０，０００であった。得られたスルホン化ポリマーを用いたこと以外は、実施例１と同一にしてフィルム（固体高分子電解質膜２）を作製した。

次に、本実施例で得られたフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同一にして膜・電極構造体を得た。

次に、本実施例で得られたスルホン化ポリマーと、固体高分子電解質膜２との物性を、実施例１と同一にして評価した。結果を表１に示す。

本実施例では、始めに、以下のようにして、疎水性ユニットを合成した。

まず、攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管、冷却管を取り付けた１Ｌの三口フラスコに、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２９．８ｇ（８８．６ｍｍｏｌ）、４，４’−ビフェノール４．７０ｇ（２５．３ｍｍｏｌ）、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２９．１ｇ（１０１ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム２０．５ｇ（１４８ｍｍｏｌ）をはかりとった。窒素置換後、スルホラン１６０ｍｌ、トルエン８０ｍｌを加えて攪拌し、オイルバスで反応液を１５０℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean-stark管にトラップした。３時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean-stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を上げて２００℃とし、５時間攪拌を続けたあと、４，４’−ジクロロベンゾフェノン１５．９ｇ（６３．２ｍｍｏｌ）を加え、さらに８時間反応させた。

反応液を放冷後、トルエン１００ｍｌを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩をろ過し、ろ液をメタノール２Ｌに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物をろ過、乾燥後、テトラヒドロフラン２５０ｍｌに溶解し、これをメタノール２Ｌに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末をろ過、乾燥し、疎水性ユニット４８．３ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した数平均分子量は７４００であった。得られた化合物は、式（ＩＩＩ）で表されるオリゴマーであり、式（ＩＩＩ）中、ａとｂの比ａ：ｂは７８：２２であった。

次に、以下のようにしてスルホン化ポリマーを合成した。

まず、攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた１Ｌのフラスコに、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１１９ｇ（２９６ｍｍｏｌ）、（１）で得られた分子量７４００の疎水性ユニット３１．１ｇ（４．２ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド５．８９ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、ヨウ化ナトリウム１．３５ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン３１．５ｇ（１２０ｍｍｏｌ）、亜鉛４７．１ｇ（７２０ｍｍｏｌ）をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）３５０ｍｌを加え、反応温度を８０℃に保持しながら、３時間攪拌を続けた後、ＤＭＡｃ７００ｍｌを加えて希釈し、不溶物をろ過した。

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた２Ｌのフラスコに入れ、１１５℃に加熱攪拌し、臭化リチウム５６．６ｇ（６５１ｍｍｏｌ）を加えた。７時間攪拌後、アセトン５Ｌをに注いで生成物を沈殿させた。次いで、１Ｍ塩酸、純水の順に洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー１０２ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した重量平均分子量（Ｍｗ）は２３０，０００であった。得られたスルホン化ポリマーは、式（ＩＶ）で表される重合体と推定される。

次に、得られたスルホン化ポリマーの１０重量％Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液を、ガラス板上にキャストして成膜し、膜厚４０μｍのフィルム（固体高分子電解質膜２）を作製した。

次に、本実施例で得られたフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同一にして膜・電極構造体を得た。

次に、本実施例で得られたスルホン化ポリマーと、固体高分子電解質膜２との物性を、実施例１と同一にして評価した。結果を表１に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、始めに、以下のようにして、疎水性ユニットを合成した。

まず、攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管、冷却管を取り付けた１Ｌの三口フラスコに、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２．６８ｇ（７．９６ｍｍｏｌ）、９，９−（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン３６．３ｇ（１０４ｍｍｏｌ）、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２９．７ｇ（１０４ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム２０．０ｇ（１４５ｍｍｏｌ）をはかりとった。窒素置換後、スルホラン１７２ｍｌ、トルエン８６ｍｌを加えて攪拌し、オイルバスで反応液を１５０℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean-stark管にトラップした。水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean-stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を上げて２００℃とし、５時間攪拌を続けた後、４，４’−ジクロロベンゾフェノン１０．０ｇ（３９．８ｍｍｏｌ）を加え、さらに８時間反応させた。

反応後は実施例１と同一の後処理を行い、前記式（Ｉ）で表される疎水性ユニット５７．４ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した数平均分子量は７６００であった。式（Ｉ）において、ａとｂの比ａ：ｂは７：９３であった。

次に、以下のようにしてスルホン化ポリマーを合成した。

まず、攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた１Ｌのフラスコに、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１１９ｇ（２９６ｍｍｏｌ）、前記の分子量７６００の疎水性ユニット３１．９ｇ（４．２ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド５．８９ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、ヨウ化ナトリウム１．３５ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン３１．５ｇ（１２０ｍｍｏｌ）、亜鉛４７．１ｇ（７２０ｍｍｏｌ）をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）３５０ｍｌを加え、反応温度を８０℃に保持しながら、３時間攪拌を続けたあと、ＤＭＡｃ７００ｍｌを加えて希釈し、不溶物をろ過した。

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた２Ｌのフラスコに入れ、１１５℃に加熱攪拌し、臭化リチウム５６．６ｇ（６５１ｍｍｏｌ）を加えた。７時間攪拌後、アセトン５Ｌに注いで生成物を沈殿させた。次いで、１Ｍ塩酸、純水の順に洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー１０４ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した重量平均分子量（Ｍｗ）は２１０，０００であった。

得られたスルホン化ポリマーの１０重量％Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液を、ガラス板上にキャストして成膜し、膜厚４０μｍのフィルム（固体高分子電解質膜２）を作製した。

次に、本比較例で得られたフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同一にして膜・電極構造体を得た。

次に、本比較例で得られたスルホン化ポリマーと、固体高分子電解質膜２との物性を、実施例１と同一にして評価した。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、始めに、以下のようにして、疎水性ユニットを合成した。

まず、攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた１Ｌ三口フラスコに、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２９．８ｇ（１０４ｍｍｏｌ）、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３７．４ｇ（１１１ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム２０．０ｇ（１４５ｍｍｏｌ）をはかりとった。窒素置換後、スルホラン１６８ｍｌ、トルエン８４ｍｌを加えて攪拌し、フラスコをオイルバスにつけ、１５０℃に加熱還流させた。反応によって生成する水はDean-stark管にトラップした。３時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean-stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を上げて２００℃とし、５時間攪拌を続けた後、４，４’−ジクロロベンゾフェノン７．５ｇ（３０ｍｍｏｌ）を加え、さらに８時間反応させた。

反応液を放冷後、トルエン１００ｍｌを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩をろ過し、得られた溶液をメタノール２Ｌに注ぎ、生成物を沈殿させた。沈殿をろ過、乾燥後、テトラヒドロフラン２５０ｍｌに溶解し、メタノール２Ｌ再沈殿した。沈殿した白色粉末をろ過、乾燥し、前記式（Ｉ）で表される疎水性ユニット（Ｉ）５６ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した数平均分子量は１０，５００であった。式（Ｉ）において、ａとｂの比ａ：ｂは１００：０である。

次に、以下のようにしてスルホン化ポリマーを合成した。

まず、攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた１Ｌの三口フラスコに、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１１９ｇ（２９７ｍｍｏｌ）、（１）の疎水性ユニット３１．５ｇ（３．０ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド５．８９ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、ヨウ化ナトリウム１．３５ｇ（９．０ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン３１．５ｇ（１２０ｍｍｏｌ）、亜鉛４７．１ｇ（７２０ｍｍｏｌ）をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）３５０ｍｌに加え、反応温度を８０℃に保持しながら３時間攪拌を続けた後、ＤＭＡｃ７００ｍｌを加えて希釈し、不溶物をろ過した。

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた２Ｌの三口フラスコに入れ、１１５℃に加熱攪拌し、臭化リチウム５６．８ｇ（６５３ｍｍｏｌ）を加えた。７時間攪拌後、５Ｌアセトンに注いで生成物を沈殿させた。ついで、１Ｍ塩酸、純水の順に洗浄後、乾燥して目的のスルホン化ポリマー１０１ｇを得た。実施例１と同一にして、ＧＰＣで測定した重量平均分子量は１９０，０００であった。

得られたスルホン化ポリマーの１０重量％Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液をガラス基板上にキャストして成膜し、膜厚４０μｍのフィルム（固体高分子電解質膜２）を作製した。

次に、本比較例で得られたフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同一にして膜・電極構造体を得た。

次に、本比較例で得られたスルホン化ポリマーと、固体高分子電解質膜２との物性を、実施例１と同一にして評価した。結果を表１に示す。

表１から、実施例１〜４の固体高分子電解質膜２は、スルホン化ポリマーのイオン交換容量が同一であるにも係わらず、比較例１，２の固体高分子電解質膜２対し、優れたプロトン伝導率と熱水耐性を備えていることが明らかである。

この結果、実施例１〜４の固体高分子電解質膜２を備える膜・電極構造体は、優れた電極接着率と、発電性能とを備えていることが明らかである。

本発明の膜・電極構造体の一構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…電極触媒層、 ２…高分子電解質膜、 ３…ガス拡散層。

Claims (2)

1. 高分子電解質膜を、触媒を含む１対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体において、
   前記高分子電解質膜は、下記式(II)または下記式(IV)で表されるいずれかのポリアリーレン系重合体からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体。
   

   
2. 下記式(II)または下記式(IV)で表されるいずれかのポリアリーレン系重合体からなる高分子電解質膜を、触媒を含む１対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
   

   

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