JP2010092787A - Polyelectrolyte membrane including polyimide substrate containing cycloaliphatic hydrocarbon, and method of manufacturing the same - Google Patents

Polyelectrolyte membrane including polyimide substrate containing cycloaliphatic hydrocarbon, and method of manufacturing the same Download PDF

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Yasunari Maekawa
康成 前川
Katsunori Todaka
勝則 戸▲高▼
康行 ▲高▼木
Yasuyuki Takagi
Takashi Yamashita
俊 山下
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Teraoka Seisakusho Co Ltd
Japan Atomic Energy Agency
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Teraoka Seisakusho Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte membrane which includes superior proton conductivity, mechanical characteristics at high temperatures, durability such as hot water resistance when operated for a long period of time and fuel impermeability, and which is optimum for mobile equipment, co-generation for home or fuel cells of motor vehicles driven by methanol, hydrogen or the like as a fuel. <P>SOLUTION: The polyelectrolyte membrane is fabricated by introducing vinyl monomer as a graft chain by graft polymerization into a polyimide base material membrane containing cycloaliphatic hydrocarbon, then by chemical conversion of a part of the graft chain into a sulfonic acid group. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、優れたプロトン伝導性、機械特性、熱水耐性、燃料不透過性を有する高分子電解質膜及びその製造方法に係り、特に長期使用耐久性が望まれる家庭向けコージェネレーション用や高温使用に耐える自動車用の燃料電池として優れた特性を有する高分子電解質膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity, mechanical properties, hydrothermal resistance, and fuel impermeability and a method for producing the same, and particularly for home cogeneration where long-term durability is desired and high temperature use The present invention relates to a polymer electrolyte membrane having excellent characteristics as a fuel cell for automobiles that can withstand heat resistance and a method for producing the same.

高分子電解質膜を用いた燃料電池は、作動温度が150℃以下と低く、発電効率やエネルギー密度が高いことから、メタノール、水素等を燃料として利用した、携帯機器用電源、家庭向けコージェネレーション電源、燃料電池自動車の電源として期待されている。このような燃料電池においては、高分子電解質膜、電極触媒、ガス拡散電極、及び、膜電極接合体などの重要な要素技術がある。その中でも燃料電池用として優れた特性を有する高分子電解質膜の開発は最も重要な要素技術の一つである。   Fuel cells using polymer electrolyte membranes have a low operating temperature of 150 ° C or less and high power generation efficiency and energy density. Therefore, power supplies for portable devices and cogeneration power supplies for homes that use methanol, hydrogen, etc. as fuel. It is expected as a power source for fuel cell vehicles. In such a fuel cell, there are important elemental technologies such as a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly. Among them, the development of polymer electrolyte membranes having excellent characteristics for fuel cells is one of the most important elemental technologies.

固体高分子型燃料電池において、電解質膜は、水素イオン(プロトン)を伝導するためのいわゆる“電解質”として、更に、燃料である水素やメタノールと酸素とを直接混合させないための“隔膜”として作用する。該高分子電解質膜としては、イオン交換容量が大きいこと、長期間の使用に耐える化学的な安定性、特に、電池の動作温度である80℃以上で、乾燥状態からフラッディング状態まであらゆる含水状態で安定であること、また、電気抵抗を低く保持するために膜の保水性が高いことが要求される。一方、隔膜としての役割から、膜の力学的な強度や寸法安定性が優れていることや、水素、メタノール及び酸素の透過性が低い性質を有することなどが要求される。   In a polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane functions as a so-called “electrolyte” for conducting hydrogen ions (protons), and also functions as a “membrane” for preventing direct mixing of hydrogen, methanol, and oxygen as fuel. To do. The polymer electrolyte membrane has a large ion exchange capacity, chemical stability that can withstand long-term use, in particular, at a battery operating temperature of 80 ° C. or higher, in any water-containing state from dry to flooded. It is required to be stable and to have a high water retention capacity in order to keep electric resistance low. On the other hand, due to the role as a diaphragm, it is required that the film has excellent mechanical strength and dimensional stability, and has low hydrogen, methanol and oxygen permeability.

固体高分子型燃料電池用の電解質膜としては、デュポン社により開発されたパーフルオロスルホン酸膜「ナフィオン(デュポン社登録商標)」などが一般に用いられてきた。しかしながら、ナフィオン等の従来の含フッ素系高分子電解質膜は、化学的な耐久性や安定性には優れているが、イオン交換容量が1mmol/g前後と小さく、また、水素を燃料とする場合に、水素、酸素のクロスオーバーが起きたりする。更に、自動車用電源で必要な100℃を超える作動条件での機械特性が著しく低下する欠点があった。更に、フッ素樹脂系高分子電解質膜はモノマーの合成から出発するために、製造工程が多くなり、したがって高価であり、家庭向けコージェネレーションシステム用電源や燃料電池自動車用電源として実用化する場合の大きな障害になる。   As an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a perfluorosulfonic acid membrane “Nafion (registered trademark of DuPont)” developed by DuPont has been generally used. However, conventional fluorine-containing polymer electrolyte membranes such as Nafion are excellent in chemical durability and stability, but the ion exchange capacity is as small as around 1 mmol / g, and when hydrogen is used as fuel. In addition, hydrogen and oxygen crossover may occur. Furthermore, there was a drawback that the mechanical characteristics under operating conditions exceeding 100 ° C. required for the power source for automobiles were remarkably deteriorated. Furthermore, since the fluororesin-based polymer electrolyte membrane starts from the synthesis of the monomer, the number of manufacturing processes is increased, and thus it is expensive. It becomes an obstacle.

そこで、該フッ素樹脂系高分子電解質膜に替わる低コストの高分子電解質膜の開発が活発に進められてきた。例えば、エンジニアリングプラスチックに代表される高温での機械的強度に優れ、メタノール、水素、酸素などの燃料透過性の低い、芳香族高分子膜をスルホン化した構造が提案されている。該スルホン化芳香族高分子電解質膜は、プロトン伝導を担うスルホン酸基が結合した芳香族モノマーの合成と、その重合反応により芳香族高分子を合成し、次いで成膜することとで得られる(特許文献1、2、3参照)。   Therefore, development of a low-cost polymer electrolyte membrane replacing the fluororesin polymer electrolyte membrane has been actively promoted. For example, a structure obtained by sulfonating an aromatic polymer membrane having excellent mechanical strength at a high temperature typified by engineering plastics and low fuel permeability such as methanol, hydrogen and oxygen has been proposed. The sulfonated aromatic polymer electrolyte membrane is obtained by synthesizing an aromatic monomer to which a sulfonic acid group responsible for proton conduction is bonded, synthesizing an aromatic polymer by the polymerization reaction, and then forming a film ( (See Patent Documents 1, 2, and 3).

一方、低コストの高分子電解質膜の開発として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンやエチレン-テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系高分子膜基材にスチレンモノマーをグラフト重合により導入し、次いでスルホン化することにより固体高分子型燃料電池用の電解質膜を作製する試みがなされている(特許文献4、5参照)。しかし、フッ素系高分子膜基材は、ガラス転移温度が低いため、100℃以上の高温での機械的強度が著しく低下すること、高温水中でポリスチレングラフト鎖の脱落が起こり、膜のイオン交換能が大幅に低下すること、更に、燃料である水素や酸素のクロスオーバーを起こす欠点があった。そこで、高分子基材として高温での機械的特性や燃料バリアー性に優れた全芳香族系エンプラを用いて、上記グラフト重合とスルホン化による電解質膜の作製が試みられている(特許文献6参照)。
特開2004-288497号公報 特開2004-346163号公報 特開2006-12791号公報 特開2001-348439号公報 特開2004-246376号公報 特開2008-53041号公報
On the other hand, as a development of a low-cost polymer electrolyte membrane, styrene monomer was introduced into a fluorine-based polymer membrane substrate such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride or ethylene-tetrafluoroethylene copolymer by graft polymerization, and then Attempts have been made to produce electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells by sulfonation (see Patent Documents 4 and 5). However, since the fluoropolymer membrane substrate has a low glass transition temperature, the mechanical strength at a high temperature of 100 ° C or higher is significantly reduced, and the polystyrene graft chain is detached in high-temperature water. There is a drawback in that the fuel consumption significantly decreases, and further, crossover of hydrogen and oxygen as fuels occurs. Therefore, an attempt has been made to produce an electrolyte membrane by graft polymerization and sulfonation using a wholly aromatic engineering plastic excellent in mechanical properties and fuel barrier properties at high temperatures as a polymer substrate (see Patent Document 6). ).
JP 2004-288497 A JP 2004-346163 A JP 2006-12791 A JP 2001-348439 A JP 2004-246376 A JP 2008-53041 A

上述のスルホン化芳香族高分子電解質膜においては、電気伝導度を上げるためにスルホン酸基の導入量を増やすと、水溶性の増加に伴い、機械的強度の低下やハンドリング性の低下が生じる。更に、スルホン酸基がランダムに芳香族高分子鎖中に存在するため、機械的強度を維持する疎水性部分とプロトン伝導を担う電解質層の分離が明瞭でないことから、グラフト重合により得られた高分子電解質膜や市販のフッ素系高分子電解質膜(ナフィオン等)のように相分離構造をとる高分子電解質膜に比べて、プロトン伝導性、燃料不透過性や耐酸化性に代表される長期運転における耐久性に劣っていた。   In the sulfonated aromatic polymer electrolyte membrane described above, when the amount of sulfonic acid groups introduced is increased in order to increase electrical conductivity, the mechanical strength and handling properties are reduced with an increase in water solubility. Furthermore, since sulfonic acid groups are randomly present in the aromatic polymer chain, the separation of the hydrophobic portion maintaining mechanical strength and the electrolyte layer responsible for proton conduction is not clear. Long-term operation represented by proton conductivity, fuel impermeability and oxidation resistance compared to polymer electrolyte membranes that have a phase separation structure, such as molecular electrolyte membranes and commercially available fluoropolymer electrolyte membranes (Nafion, etc.) It was inferior in durability.

また、上述の全芳香族系エンプラを用いてグラフト重合とスルホン化によって作製した高分子電解質膜においては、全芳香族系エンプラの場合、モノマーの拡散が低く放射線グラフト重合が十分進行しないことから、イオン交換容量、すなわち、プロトン伝導性が低くなる問題があった   In the polymer electrolyte membrane produced by graft polymerization and sulfonation using the above-mentioned wholly aromatic engineering plastic, in the case of wholly aromatic engineering plastic, since the diffusion of the monomer is low and radiation graft polymerization does not proceed sufficiently, There was a problem that ion exchange capacity, that is, proton conductivity was lowered.

従って、本発明の目的は、燃料電池への使用に適した、高いプロトン伝導性、高温での高い機械的特性、熱水耐性など長期運転での高い耐久性、及び、低い燃料バリアー性を有する高分子電解質膜及びその製造方法を提供することにある。   Accordingly, the object of the present invention is to have high proton conductivity, high mechanical properties at high temperatures, high durability in long-term operation such as hot water resistance, and low fuel barrier properties suitable for use in fuel cells. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane and a method for producing the same.

本発明では、フッ素樹脂系電解質の課題である高温での機械的強度の低下、燃料のクロスオーバーを解決するとともに、スルホン化芳香族高分子電解質膜やグラフト型全芳香族高分子電解質膜の課題であるプロトン伝導性と機械的強度、ハンドリング性の両立を合せて解決するため、高温での安定性、機械的強度、及び燃料バリアー性に優れ、高いグラフト重合性を示す脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜にグラフト鎖を導入し、次いで、グラフト鎖の一部をスルホン酸基に変換することで、優れたプロトン伝導性、燃料バリアー性、熱水耐性など長期運転での耐久性を有する高分子電解質膜を得ている。   The present invention solves the problems of fluororesin-based electrolytes, such as a decrease in mechanical strength at high temperatures and crossover of fuel, as well as problems of sulfonated aromatic polymer electrolyte membranes and grafted wholly aromatic polymer electrolyte membranes. In order to solve this problem by combining the proton conductivity, mechanical strength, and handling properties, alicyclic hydrocarbons with excellent high temperature stability, mechanical strength, fuel barrier properties, and high graft polymerizability By introducing a graft chain into the polyimide base film containing it and then converting a part of the graft chain into a sulfonic acid group, it has excellent proton conductivity, fuel barrier properties, and durability in long-term operation such as hot water resistance. A polymer electrolyte membrane is obtained.

より一層具体的には、本発明の1つの観点に係る高分子電解質膜では、脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜にビニルモノマーがグラフト重合された高分子電解質膜であって、グラフト鎖の一部がスルホン酸基に化学変換されている。   More specifically, the polymer electrolyte membrane according to one aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane in which a vinyl monomer is graft-polymerized on a polyimide base film containing an alicyclic hydrocarbon, and a graft chain Is partially converted to a sulfonic acid group.

本発明の1つの観点に係る高分子電解質膜の製造方法は、脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜に、ビニルモノマーをグラフト重合した後、グラフト鎖の一部をスルホン酸基に化学変換して作製する。   A method for producing a polymer electrolyte membrane according to one aspect of the present invention includes a method in which a vinyl monomer is graft-polymerized on a polyimide base film containing an alicyclic hydrocarbon, and then a part of the graft chain is chemically converted into a sulfonic acid group. To make.

より好ましい高分子電解質膜の製造方法においては、脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜に、(1)スルホン酸基保持可能な芳香環を持つビニルモノマー、(2)加水分解でスルホン酸基に変換可能なハロゲン化スルホニル基若しくはスルホン酸エステル基を有するビニルモノマー、及び(3)スルホン化反応でスルホン酸基が導入可能なハロゲンやカルボニル基を有するビニルモノマーの中から選択される少なくとも一種のビニルモノマーをグラフト重合した後、グラフト鎖の一部をスルホン酸基に化学変換する。   In a more preferable method for producing a polymer electrolyte membrane, (1) a vinyl monomer having an aromatic ring capable of retaining a sulfonic acid group, (2) a sulfonic acid group by hydrolysis, on a polyimide base film containing an alicyclic hydrocarbon A vinyl monomer having a halogenated sulfonyl group or a sulfonic acid ester group that can be converted to (3), and (3) a vinyl monomer having a halogen or a carbonyl group into which a sulfonic acid group can be introduced by a sulfonation reaction. After graft polymerization of the vinyl monomer, a part of the graft chain is chemically converted into a sulfonic acid group.

本発明によって製造された高分子電解質膜は、フッ素樹脂系高分子電解質膜と比べ、非常に低コストで製造できるにもかかわらず、高温での高い機械的特性や低い燃料バリアー性を示す。更に、高いグラフト重合性のため多くのグラフト鎖を導入できることから、従来のスルホン化芳香族高分子電解質膜やグラフト型全芳香族高分子電解質膜に比べ、高いプロトン伝導性と高温での耐久性を両立した特性を有する。このため、特に、長期使用耐久性が望まれる家庭向けコージェネレーション用や100℃以上の高温使用に耐える自動車用の燃料電池への使用に適している。   Although the polymer electrolyte membrane produced by the present invention can be produced at a very low cost as compared with the fluororesin polymer electrolyte membrane, it exhibits high mechanical properties at high temperatures and low fuel barrier properties. In addition, because of the high graft polymerizability, many graft chains can be introduced, so compared to conventional sulfonated aromatic polymer electrolyte membranes and grafted wholly aromatic polymer electrolyte membranes, high proton conductivity and durability at high temperatures Have both characteristics. For this reason, it is particularly suitable for use in household cogeneration where long-term durability is desired and for automobile fuel cells that can withstand high temperatures of 100 ° C. or higher.

本発明で使用することができる高分子基材膜としては、グラフト重合及びスルホン化における反応溶液中で膜形状が維持できること、及び、得られた高分子電解質膜が高い機械特性を示すことを特徴とする。従って、高分子基材膜は、脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜であれば良く、その主鎖構造は特に制限されるものではない。   The polymer substrate membrane that can be used in the present invention is characterized in that the membrane shape can be maintained in the reaction solution in graft polymerization and sulfonation, and the obtained polymer electrolyte membrane exhibits high mechanical properties. And Therefore, the polymer substrate film may be a polyimide substrate film containing an alicyclic hydrocarbon, and the main chain structure is not particularly limited.

本発明において、脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜を構成する酸二無水物としては、脂環式酸二無水物または芳香族酸二無水物を表す。該脂環式酸二無水物としては、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]オクト−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシルエーテルテトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシルメタンテトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシルスルフィドテトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシルスルホンテトラカルボン酸二無水物、3−カルボキシメチルシクロペンタン−1,2,4−トリカルボン酸二無水物、ビシクロ〔2.2.1〕ヘプタンテトラカルボン酸二無水物、ビシクロ〔2.2.1〕ヘプタン−5−カルボキシメチル−2,3,6−トリカルボン酸二無水物、ビシクロ〔2.2.2〕オクタン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ペンタシクロ〔8.2.1.14,7.02,9.03,8〕テトラデカン−5,6,11,12−テトラカルボン酸二無水物、5−(2,5−ジオキソテトラヒドロフリル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸二無水物、ビシクロ〔2.2.1〕ヘプタン−2−カルボキシメチル−2,5,6−トリカルボン酸二無水物、ビシクロ〔2.2.2〕オクタン−2−カルボキシエチル−2,5,6−トリカルボン酸二無水物、3,3',4,4'−ジシクロヘキシルテトラカルボン酸二無水物などが挙げられる。また、該芳香族酸二無水物としては、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(4−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)フェニル)プロパン、2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物などが挙げられる。   In this invention, as an acid dianhydride which comprises the polyimide base film containing an alicyclic hydrocarbon, an alicyclic acid dianhydride or an aromatic acid dianhydride is represented. Examples of the alicyclic acid dianhydride include cyclobutanetetracarboxylic dianhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride, cyclohexanetetracarboxylic dianhydride, bicyclo [2.2.2] oct-7-ene- 2,3,5,6-tetracarboxylic dianhydride, dicyclohexyl ether tetracarboxylic dianhydride, dicyclohexylmethane tetracarboxylic dianhydride, dicyclohexyl sulfide tetracarboxylic dianhydride, dicyclohexylsulfone tetracarboxylic dianhydride 3-carboxymethylcyclopentane-1,2,4-tricarboxylic dianhydride, bicyclo [2.2.1] heptanetetracarboxylic dianhydride, bicyclo [2.2.1] heptane-5-carboxymethyl -2,3,6-tricarboxylic dianhydride, bicyclo [2.2.2 Octane-2,3,5,6-tetracarboxylic dianhydride, pentacyclo [8.2.14,7.02,9.03,8] tetradecane-5,6,11,12-tetracarboxylic acid Dianhydride, 5- (2,5-dioxotetrahydrofuryl) -3-methyl-3-cyclohexene-1,2-dicarboxylic dianhydride, bicyclo [2.2.1] heptane-2-carboxymethyl- 2,5,6-tricarboxylic dianhydride, bicyclo [2.2.2] octane-2-carboxyethyl-2,5,6-tricarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-dicyclohexyl And tetracarboxylic dianhydride. Examples of the aromatic dianhydride include pyromellitic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic Acid dianhydride, 4,4′-diphenylsulfone tetracarboxylic dianhydride, 2,2 ′, 3,3′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic Acid dianhydride, 2,2-bis (4- (3,4-dicarboxyphenoxy) phenyl) propane, 2,2-bis (2,3-dicarboxyphenyl) propane dianhydride, bis (3,4 -Dicarboxyphenyl) ether dianhydride, bis (2,3-dicarboxyphenyl) ether dianhydride, bis (2,3-dicarboxyphenyl) methane dianhydride, bis (3,4-dicarboxyl) Nyl) methane dianhydride, 2,2-bis (2,3-dicarboxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane dianhydride, 2,2-bis (3,4 -Dicarboxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane dianhydride, 1,1-bis (2,3-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, 1,1-bis ( 3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, 1,2-bis (2,3-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, 1,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,3,6,7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, and the like.

本発明において、脂環式炭化水素化合物を含むポリイミド基材膜を構成するジアミンとしては、脂環式ジアミンまたは芳香族ジアミンを表す。また、該脂環式ジアミンとしては、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、2,2−ビス(4,4'−ジアミノシクロヘキシル)プロパン、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルエーテル、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルスルフィド、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルスルホン、2,3−ジアミノビシクロ[2.2.1]ヘプタン、2,5−ジアミノビシクロ[2.2.1]ヘプタン、2、6−ジアミノビシクロ[2.2.1]ヘプタン、2、7−ジアミノビシクロ[2.2.1]ヘプタン、2、5−(ビスアミノメチル)−ビシクロ[2.2.1]ヘプタン、2,3−(ビスアミノメチル)−ビシクロ[2.2.1]ヘプタン、2,6−ビス(アミノメチル)−ビシクロ[2.2.1]ヘプタン、1−アミノ−3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキサン、1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、1,4−ビスアミノメチルシクロヘキサンなどが挙げられる。該芳香族ジアミンとしては、1,4−ジアミノベンゼン、1,3−ジアミノベンゼン、4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3'−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3'−ジアミノベンゾフェノン、4,4'−ジアミノベンゾフェノン、ビス(4−アミノフェニル)スルフィド、ビス(4−アミノフェニル)スルホキシド、4,4’−ジアミノジフェニルスルフォン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4、4’−ジアミノ−2、2’−ジメチルビフェニル、1、3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、2、2−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)プロパン、1,1−ビス(4−アミノフェニル)エタン、1,2−ビス(4−アミノフェニル)エタン、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス〔1−(4−アミノフェニル)−1−メチルエチル〕ベンゼン、1,4−ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)ベンゾイル〕ベンゼン、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕メタン、1,1−ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エタン、1,1−ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エタン、1,2−ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エタン、1,2−ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エタン、2,2−ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、2,2−ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)−3−メチルフェニル〕プロパン、4,4'−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)−3,3'−メチルビフェニル、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフィド、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフィド、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルホキシド、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルホキシド、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルホン、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルホン、ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕ケトン、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕ケトンなどが挙げられる。   In the present invention, the diamine constituting the polyimide substrate film containing an alicyclic hydrocarbon compound represents an alicyclic diamine or an aromatic diamine. Examples of the alicyclic diamine include 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, 4,4′-diaminodicyclohexylmethane, 2,2-bis (4,4′-diaminocyclohexyl) propane, 4 , 4′-diaminodicyclohexyl ether, 4,4′-diaminodicyclohexyl sulfide, 4,4′-diaminodicyclohexylsulfone, 2,3-diaminobicyclo [2.2.1] heptane, 2,5-diaminobicyclo [2. 2.1] heptane, 2,6-diaminobicyclo [2.2.1] heptane, 2,7-diaminobicyclo [2.2.1] heptane, 2,5- (bisaminomethyl) -bicyclo [2. 2.1] heptane, 2,3- (bisaminomethyl) -bicyclo [2.2.1] heptane, 2,6-bis (aminometh) Til) -bicyclo [2.2.1] heptane, 1-amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexane, 1,3-bisaminomethylcyclohexane, 1,4-bisaminomethylcyclohexane, etc. Can be mentioned. Examples of the aromatic diamine include 1,4-diaminobenzene, 1,3-diaminobenzene, 4,4′-diaminobiphenyl, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3′-diaminodiphenyl ether, 4,4′- Diaminodiphenyl ether, 3,3′-diaminobenzophenone, 4,4′-diaminobenzophenone, bis (4-aminophenyl) sulfide, bis (4-aminophenyl) sulfoxide, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 2,2- Bis (4-aminophenyl) propane, 2,2-bis (4-aminophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4,4′-diamino-2,2′-dimethyl Biphenyl, 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene, 2,2-bis (4- (4-aminophenoxy) Phenyl) propane, 1,1-bis (4-aminophenyl) ethane, 1,2-bis (4-aminophenyl) ethane, 1,3-bis (3-aminophenoxy) benzene, 1,4-bis (4 -Aminophenoxy) benzene, 1,4-bis [1- (4-aminophenyl) -1-methylethyl] benzene, 1,4-bis [4- (3-aminophenoxy) benzoyl] benzene, bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] methane, 1,1-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] ethane, 1,1-bis [3- (4-aminophenoxy) phenyl] ethane, 1,2- Bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] ethane, 1,2-bis [3- (4-aminophenoxy) phenyl] ethane, 2,2-bis [3- (4-aminophenoxy) Enyl] propane, 2,2-bis [4- (3-aminophenoxy) -3-methylphenyl] propane, 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl, 4,4′-bis (3-amino) Phenoxy) biphenyl, 4,4′-bis (3-aminophenoxy) -3,3′-methylbiphenyl, bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] sulfide, bis [3- (4-aminophenoxy) phenyl ] Sulfide, bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] sulfoxide, bis [3- (4-aminophenoxy) phenyl] sulfoxide, bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] sulfone, bis [3- ( 4-aminophenoxy) phenyl] sulfone, bis [4- (3-aminophenoxy) phenyl] ether, bis [4- (4-amino Phenoxy) phenyl] ether, bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] ketone, bis [3- (4-aminophenoxy) phenyl] ketone.

本発明において、放射線の作用により、ポリイミド基材膜中に存在する脂環式炭化水素の水素ラジカルが引き抜かれ、グラフト重合の開始種となるラジカルが生成する。ラジカルを効率良く生成させるため、脂環式炭化水素構造がジアミンおよび/又は脂環式酸二無水物の一部又は全てに存在すれば良い。本発明において、放射線の作用により、芳香族高分子膜基材の結晶相に生成したラジカルを開始点とし、芳香族高分子基材の非晶層を拡散してきたモノマーがグラフト重合し、得られたグラフト膜をスルホン化することで電解質膜を作製する。すなわち、グラフト率を向上させるためには結晶性を向上させることが重要である。従って、より結晶化度が高くなるような芳香族酸二無水物/脂環式酸二無水物組成、および、芳香族ジアミン/脂環式ジアミン組成を選択することが望ましい。脂環式炭化水素ジアミンおよび/又は脂環式酸二無水物は、全モノマーに対して1〜90モル%が望ましい。更に望ましくは5〜50モル%である。   In the present invention, due to the action of radiation, the hydrogen radicals of the alicyclic hydrocarbons present in the polyimide base film are extracted, and radicals that become the starting species of graft polymerization are generated. In order to generate radicals efficiently, the alicyclic hydrocarbon structure may be present in part or all of the diamine and / or alicyclic acid dianhydride. In the present invention, a monomer that has diffused through the amorphous layer of the aromatic polymer base material by the radical generated in the crystalline phase of the aromatic polymer film base material by the action of radiation is obtained by graft polymerization. An electrolyte membrane is prepared by sulfonating the graft membrane. That is, it is important to improve crystallinity in order to improve the graft ratio. Accordingly, it is desirable to select an aromatic acid dianhydride / alicyclic acid dianhydride composition and an aromatic diamine / alicyclic diamine composition that give higher crystallinity. The alicyclic hydrocarbon diamine and / or alicyclic acid dianhydride is preferably 1 to 90 mol% based on the total monomers. More desirably, it is 5 to 50 mol%.

本発明において、芳香族高分子膜基材にグラフト重合するビニルモノマーとして、(1)スルホン酸基保持可能な芳香環を持つビニルモノマー、(2)加水分解でスルホン酸基に変換可能なハロゲン化スルホニル基、スルホン酸エステル基を有するビニルモノマー、(3)スルホン化反応でスルホン酸基が導入可能なハロゲンやカルボニル基を有するビニルモノマーなどが挙げられる。   In the present invention, (1) vinyl monomer having an aromatic ring capable of retaining a sulfonic acid group, and (2) halogenation capable of being converted into a sulfonic acid group by hydrolysis. Examples thereof include vinyl monomers having a sulfonyl group and a sulfonic acid ester group, and (3) vinyl monomers having a halogen or a carbonyl group into which a sulfonic acid group can be introduced by a sulfonation reaction.

(1)スルホン酸基保持可能な芳香環を持つビニルモノマーとして、スチレン、α−メチルスチレン、4-ビニルトルエン、4-tert-ブチルスチレンなどのアルキルスチレン、2-クロロスチレン、4-クロロスチレン、2-ブロモスチレン、3-ブロモスチレン、4-ブロモスチレン、2-フルオロスチレン、3-フルオロスチレン、4-フルオロスチレンなどのハロゲン化スチレン、4-メトキシスチレン、4-メトキシメチルスチレン、2,4-ジメトキシスチレン、ビニルフェニルアリルエーテル類などのアルコキシスチレン、4-ヒドロキシスチレン、4-アセトキシスチレン、4- tert -ブチロキシスチレン、4- tert -ブチロキカルボニロキシスチレン、4-ビニルベンジルアルキルエーテルどのヒドロキシスチレン誘導体などが挙げられる。   (1) As vinyl monomers having an aromatic ring capable of retaining a sulfonic acid group, alkyl styrene such as styrene, α-methylstyrene, 4-vinyltoluene, 4-tert-butylstyrene, 2-chlorostyrene, 4-chlorostyrene, Halogenated styrene such as 2-bromostyrene, 3-bromostyrene, 4-bromostyrene, 2-fluorostyrene, 3-fluorostyrene, 4-fluorostyrene, 4-methoxystyrene, 4-methoxymethylstyrene, 2,4- Alkoxy styrene such as dimethoxy styrene, vinyl phenyl allyl ether, 4-hydroxy styrene, 4-acetoxy styrene, 4-tert-butoxy styrene, 4-tert-butyloxy carbonyloxy styrene, 4-vinyl benzyl alkyl ether which hydroxy Examples thereof include styrene derivatives.

(2)加水分解でスルホン酸基に変換可能なハロゲン化スルホニル基、スルホン酸エステル基、スルホン酸塩基を有するビニルモノマーとして、4-ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウム塩、4-ビニルベンジルスルホン酸ナトリウム塩、4-メトキシスルホニルスチレン、4-エトキシスルホニルスチレン、4-スチレンスルホニルフルオリド、CF2=CF-O-(CF2)n-SO2F(式中、n=1〜5)、CF2=CF-O-CF2-CF(CF3)-O-(CF2)n-SO2F(式中、n=1〜5)などのパーフルオロ(フルオロスルホニルアルキルビニルエーテル)誘導体、CF2=CF-SO2Fなどのフルオロスルホニルテトラフルオロビニル誘導体などが挙げられる。 (2) 4-vinylbenzenesulfonic acid sodium salt, 4-vinylbenzylsulfonic acid sodium salt as vinyl monomers having a sulfonyl halide group, a sulfonic acid ester group, and a sulfonic acid group that can be converted into a sulfonic acid group by hydrolysis, 4-methoxy sulfonyl styrene, 4-ethoxy sulfonyl styrene, 4-styrene sulfonyl fluoride, CF 2 = CF-O- ( CF 2) n-SO 2 F ( wherein, n = 1~5), CF 2 = CF -O-CF2-CF (CF 3 ) -O- (CF 2) n-SO 2 F ( wherein, n = 1 to 5) perfluoro (fluorosulfonyl vinyl ether) derivatives such as, CF 2 = CF-SO And fluorosulfonyltetrafluorovinyl derivatives such as 2 F.

(3)スルホン化反応でスルホン酸基が導入可能なハロゲンを有するビニルモノマーとしては、4-クロロメチルスチレン、CH2=CH-O-(CH2)n-X(式中、nは1〜5。Xはハロゲン基で、塩素又はフッ素である)、CF2=CF-O-(CH2)n-X(式中、nは1〜5。Xはハロゲン基で、塩素又はフッ素である)、CH2=CH-O-(CF2)n-X(式中、nは1〜5。Xはハロゲン基で、塩素又はフッ素である)、CF2=CF-O-(CF2)n-X(式中、nは1〜5。Xはハロゲン基で、塩素又はフッ素である)、CF2=CF-O-CF2-CF(CF3)-O-(CF2)n-X(式中、nは1〜5。Xはハロゲン基で、塩素又はフッ素である)。また、スルホン化反応でスルホン酸基が導入可能なカルボニル基を有するビニルモノマーとしては、アクリル酸、アクリル酸塩、アクリル酸エステル、アルキルビニルケトン、アリルビニルケトン、アルキル(2-プロペニル)ケトンがあげられる。具体的にはアクリル酸、アクリル酸ナトリウム塩、アクリル酸カリウム塩、アクリル酸トリメチルアンモニウム塩、アクリル酸トリエチルアンモニウム塩、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸フェニル、アクリル酸ナフチル、アクリル酸ベンジル、メチルビニルケトン、エチルビニルケトン、プロピルビニルケトン、ブチルビニルケトン、フェニルビニルケトン、ベンジルビニルケトン、メチル(2-プロペニル)ケトン、エチル(2-プロペニル)ケトン、プロピル(2-プロペニル)ケトン、ブチル(2-プロペニル)ケトン、ベンジル(2-プロペニル)ケトン等が挙げられる。これらのモノマーは一種だけでなく複数種を混合しても良く、溶媒中に希釈して用いても良い。 (3) As the vinyl monomer having a halogen sulfonic acid group can be introduced by sulfonation reaction, 4-chloromethyl styrene, CH 2 = CH-O- ( CH 2) nX ( wherein, n 1-5. X is a halogen group, chlorine or fluorine), CF 2 = CF—O— (CH 2 ) nX (where n is 1 to 5, X is a halogen group, chlorine or fluorine), CH 2 = CH-O- (CF 2) nX ( wherein, n 1~5.X a halogen group, chlorine or fluorine), CF 2 = CF-O- (CF 2) nX ( in wherein, n 1 to 5. X is a halogen group, which is chlorine or fluorine), CF 2 = CF—O—CF 2 —CF (CF 3 ) —O— (CF 2 ) nX (where n is 1 to 5). X is a halogen group, chlorine or fluorine). Examples of the vinyl monomer having a carbonyl group into which a sulfonic acid group can be introduced by a sulfonation reaction include acrylic acid, acrylic acid salt, acrylic acid ester, alkyl vinyl ketone, allyl vinyl ketone, and alkyl (2-propenyl) ketone. It is done. Specifically, acrylic acid, sodium acrylate, potassium acrylate, trimethylammonium acrylate, triethylammonium acrylate, methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, butyl acrylate, phenyl acrylate, acrylic Naphthyl acid, benzyl acrylate, methyl vinyl ketone, ethyl vinyl ketone, propyl vinyl ketone, butyl vinyl ketone, phenyl vinyl ketone, benzyl vinyl ketone, methyl (2-propenyl) ketone, ethyl (2-propenyl) ketone, propyl (2 -Propenyl) ketone, butyl (2-propenyl) ketone, benzyl (2-propenyl) ketone and the like. These monomers may be used not only as a single species but also as a mixture of a plurality of species, or may be used by diluting in a solvent.

多官能性モノマーなどの架橋剤をビニルモノマーと併用することで、グラフト鎖を架橋することも可能である。また、グラフト重合後に、多官能性モノマーの添加や放射線照射により、グラフト鎖同士、芳香族高分子鎖同士、及び、グラフト鎖と芳香族高分子鎖間を架橋することも可能である。架橋剤として用いる多官能性モノマーとしては、ビス(ビニルフェニル)エタン、ジビニルベンゼン、2,4,6-トリアリロキシ-1,3,5-トリアジン(トリアリルシアヌレート)、トリアリル-1,2,4-ベンゼントリカルボキシレート(トリアリルトリメリテート)、ジアリルエーテル、ビス(ビニルフェニル)メタン、ジビニルエーテル、1,5-ヘキサジエン、ブタジエンなどが挙げられる。架橋剤は、ビニルモノマーとの重量比で10%以下用いることが好ましい。10%以上使用すると高分子電解質膜が脆くなる。   It is also possible to crosslink the graft chain by using a crosslinking agent such as a polyfunctional monomer in combination with the vinyl monomer. Further, after graft polymerization, graft chains, aromatic polymer chains, and graft chains and aromatic polymer chains can be cross-linked by addition of a polyfunctional monomer or irradiation with radiation. Polyfunctional monomers used as crosslinking agents include bis (vinylphenyl) ethane, divinylbenzene, 2,4,6-triallyloxy-1,3,5-triazine (triallyl cyanurate), triallyl-1,2,4 -Benzene tricarboxylate (triallyl trimellitate), diallyl ether, bis (vinylphenyl) methane, divinyl ether, 1,5-hexadiene, butadiene and the like. The crosslinking agent is preferably used in an amount of 10% or less by weight with respect to the vinyl monomer. If used over 10%, the polymer electrolyte membrane becomes brittle.

高分子電解質膜は、イオン交換容量と正の相関関係にある電気伝導度が高いものほど、高分子電解質膜としての性能は優れている。ここで、イオン交換容量とは、乾燥電解質膜の重量1g当たりのイオン交換基量(mmol/g)である。しかし、25℃におけるイオン交換膜の電気伝導度が0.02([Ω・cm]-1)以下である場合は、燃料電池としての出力性能が著しく低下する場合が多いため、高分子電解質膜の電気伝導度は0.02([Ω・cm]-1)以上、より高性能の高分子電解質膜では0.10([Ω・cm]-1)以上に設計されていることが多い。 As the polymer electrolyte membrane has a higher electrical conductivity having a positive correlation with the ion exchange capacity, the performance as the polymer electrolyte membrane is better. Here, the ion exchange capacity is the amount of ion exchange groups (g / g) per gram of dry electrolyte membrane. However, when the electric conductivity of the ion exchange membrane at 25 ° C is 0.02 ([Ω · cm] -1 ) or less, the output performance as a fuel cell often decreases significantly. In many cases, the conductivity is designed to be 0.02 ([Ω · cm] −1 ) or more, and higher performance polymer electrolyte membranes are designed to be 0.10 ([Ω · cm] −1 ) or more.

本発明において、放射線の作用により、芳香族高分子膜基材に生成したラジカルを利用して、ビニルモノマーのグラフト重合と、次いでスルホン酸基に化学変換することで高分子電解質膜は作製される。したがって、グラフト率やスルホン化率を制御することによって、得られる膜のイオン交換容量、ひいては、電気伝導度を制御することができる。   In the present invention, a polymer electrolyte membrane is produced by graft polymerization of a vinyl monomer using a radical generated on an aromatic polymer membrane substrate by the action of radiation and then chemical conversion to a sulfonic acid group. . Therefore, by controlling the graft rate and the sulfonation rate, the ion exchange capacity and thus the electrical conductivity of the resulting membrane can be controlled.

本発明において、放射線は、室温〜150℃、不活性ガス下又は酸素存在下で、芳香族高分子膜基材に1〜1000kGy照射する。より好ましくは、10〜500kGy照射する。10kGy以下では0.02([Ω・cm]-1)以上の電気伝導度を得るために必要なグラフト率を得ることが困難であり、500kGy以上だと高分子膜基材が脆くなる。グラフト重合は、芳香族高分子膜基材とモノマーを同時に放射線照射してグラフト重合させる同時照射法と、芳香族高分子膜基材を先に放射線照射した後にビニルモノマーと接触させてグラフト重合させる前照射法のいずれかの方法によって行うことができる。 In the present invention, the radiation is applied to the aromatic polymer membrane substrate at 1 to 1000 kGy at room temperature to 150 ° C. in an inert gas or in the presence of oxygen. More preferably, irradiation is performed at 10 to 500 kGy. If it is 10 kGy or less, it is difficult to obtain a graft ratio necessary for obtaining an electric conductivity of 0.02 ([Ω · cm] −1 ) or more, and if it is 500 kGy or more, the polymer film substrate becomes brittle. Graft polymerization is a simultaneous irradiation method in which an aromatic polymer membrane substrate and a monomer are simultaneously irradiated and graft polymerized, and an aromatic polymer membrane substrate is irradiated with radiation and then contacted with a vinyl monomer for graft polymerization. It can be performed by any of the pre-irradiation methods.

高分子膜基材のグラフト重合は、ビニルモノマー液体中に、高分子膜基材を浸漬する方法が一般的に用いられている。本発明において、芳香族高分子膜基材への該ビニルモノマーのグラフト重合では、該高分子基材のグラフト重合性、グラフト重合して得られるグラフト高分子膜基材の重合溶液中での膜形状維持の観点から、ジクロロエタン、クロロホルム、N-メチルホルムアミド、N-メチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、γ-プチロラクトン、n-ヘキサン、メタノール、エタノール、1-プロパノール、t-ブタノール、トルエン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホオキシドなどの溶媒で希釈したビニルモノマー溶液中に、高分子膜基材を浸漬する方法を用いることも可能である。   For graft polymerization of a polymer film substrate, a method of immersing the polymer film substrate in a vinyl monomer liquid is generally used. In the present invention, in the graft polymerization of the vinyl monomer to the aromatic polymer membrane substrate, the graft polymerizability of the polymer substrate, the membrane in the polymerization solution of the graft polymer membrane substrate obtained by graft polymerization From the viewpoint of shape maintenance, dichloroethane, chloroform, N-methylformamide, N-methylacetamide, N-methylpyrrolidone, γ-ptyrolactone, n-hexane, methanol, ethanol, 1-propanol, t-butanol, toluene, cyclohexane, cyclohexanone It is also possible to use a method of immersing the polymer membrane substrate in a vinyl monomer solution diluted with a solvent such as dimethyl sulfoxide.

本発明において、グラフト率は高分子膜基材に対し、2〜120重量%、より好ましくは4〜80重量%である。4重量%以下では0.02([Ω・cm]-1)以上の電気伝導度を得ることが困難であり、80重量%以上だとグラフト高分子膜の機械的強度が得られない。 In the present invention, the graft ratio is 2 to 120% by weight, more preferably 4 to 80% by weight, based on the polymer membrane substrate. If it is 4% by weight or less, it is difficult to obtain an electric conductivity of 0.02 ([Ω · cm] −1 ) or more, and if it is 80% by weight or more, the mechanical strength of the graft polymer film cannot be obtained.

本発明において、スルホン酸基を導入する方法は、グラフト重合に用いる該ビニルモノマー(1)〜(3)によって異なる。該ビニルモノマー(1)から得られたグラフト高分子膜において、グラフト鎖中の芳香環へのスルホン化は、濃硫酸や発煙硫酸、もしくはクロロスルホン酸のジクロロエタン溶液やクロロホルム溶液を反応させることによって行うことができる。グラフト高分子膜のグラフト率によって、高分子電解質膜に適用できる電気伝導度を示すためのスルホン化率は異なる。ここで、スルホン化率は、グラフト鎖のビニルモノマー単位当たりに1分子のスルホン酸が導入されたときの値を100%とする。スルホン化率は、反応時間と反応温度を変えることで、10〜150%に調整することが好ましい。更に好ましくは、30〜100%である。30%以下では0.02([Ω・cm]-1)以上の電気伝導度を得ることが困難であり、100%以上だとグラフト鎖の耐熱性、耐酸化性が著しく低下する。 In the present invention, the method for introducing a sulfonic acid group differs depending on the vinyl monomers (1) to (3) used for graft polymerization. In the graft polymer membrane obtained from the vinyl monomer (1), sulfonation to the aromatic ring in the graft chain is carried out by reacting concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, or dichloroethane solution or chloroform solution of chlorosulfonic acid. be able to. Depending on the graft rate of the graft polymer membrane, the sulfonation rate for showing electrical conductivity applicable to the polymer electrolyte membrane varies. Here, the sulfonation rate is 100% when one molecule of sulfonic acid is introduced per vinyl monomer unit of the graft chain. The sulfonation rate is preferably adjusted to 10 to 150% by changing the reaction time and the reaction temperature. More preferably, it is 30 to 100%. If it is 30% or less, it is difficult to obtain an electric conductivity of 0.02 ([Ω · cm] −1 ) or more, and if it is 100% or more, the heat resistance and oxidation resistance of the graft chain are remarkably lowered.

該ビニルモノマー(2)から得られたグラフト高分子膜において、グラフト鎖中のハロゲン化スルホニル基、スルホン酸エステル基、スルホン酸塩基のスルホン酸基への加水分解は、中性水溶液、アルカリ性水溶液、もしくは酸性水溶液で処理することでできる。ビニルモノマー(2)以外のビニルモノマーとのグラフト共重合において,その組成比を変えることで、スルホン化率を、10〜100%に調整することが好ましい。更に好ましくは、30〜100%である。30%以下では0.02([Ω・cm]-1)以上の電気伝導度を得ることが困難であり、100%以上だとグラフト鎖の耐熱性、耐酸化性が著しく低下する。 In the graft polymer membrane obtained from the vinyl monomer (2), hydrolysis of a sulfonyl halide group, a sulfonate group, and a sulfonate group in the graft chain into a sulfonate group is carried out by using a neutral aqueous solution, an alkaline aqueous solution, Or it can process by processing with acidic aqueous solution. In graft copolymerization with vinyl monomers other than vinyl monomer (2), the sulfonation rate is preferably adjusted to 10 to 100% by changing the composition ratio. More preferably, it is 30 to 100%. If it is 30% or less, it is difficult to obtain an electric conductivity of 0.02 ([Ω · cm] −1 ) or more, and if it is 100% or more, the heat resistance and oxidation resistance of the graft chain are remarkably lowered.

該ビニルモノマー(3)から得られたグラフト高分子膜において、グラフト鎖中のハロゲン原子のスルホン酸塩への化学変換は、亜硫酸ナトリウム水溶液、亜硫酸水素ナトリウム水溶液、又は、それらとジメチルスルホキシドとの混合溶液で処理することができる。また、グラフト鎖中のカルボニル基が結合する炭素上の水素原子のスルホン酸への化学変換は、クロロスルホン酸又は三酸化硫黄とジオキサンなどのルイス塩基との錯体のジクロロエタン溶液で処理することが出来る。ビニルモノマー(3)以外のビニルモノマーとのグラフト共重合において,その組成比を変えることで、スルホン化率を、10〜100%に調整することが好ましい。更に好ましくは、30〜100%である。30%以下では0.02([Ω・cm]-1)以上の電気伝導度を得ることが困難であり、100%以上だとグラフト鎖の耐熱性、耐酸化性が著しく低下する。 In the graft polymer membrane obtained from the vinyl monomer (3), the chemical conversion of the halogen atom in the graft chain to the sulfonate is carried out by using a sodium sulfite aqueous solution, a sodium hydrogen sulfite aqueous solution, or a mixture thereof with dimethylsulfoxide Can be treated with a solution. Also, chemical conversion of hydrogen atom on carbon to which carbonyl group in the graft chain is bonded to sulfonic acid can be treated with dichloroethane solution of chlorosulfonic acid or a complex of sulfur trioxide and Lewis base such as dioxane. . In graft copolymerization with vinyl monomers other than the vinyl monomer (3), the sulfonation rate is preferably adjusted to 10 to 100% by changing the composition ratio. More preferably, it is 30 to 100%. If it is 30% or less, it is difficult to obtain an electric conductivity of 0.02 ([Ω · cm] −1 ) or more, and if it is 100% or more, the heat resistance and oxidation resistance of the graft chain are remarkably lowered.

本発明において、高分子電解質膜の電気伝導度を高めるため、高分子電解質膜を薄くすることも考えられる。しかし現状では、過度に薄い高分子電解質膜では破損しやすく、膜自体の製作が困難である。したがって、本発明では、5〜200μmの高分子電解質膜が好ましい。さらに好ましくは10〜100μmの範囲の高分子電解質膜である。   In the present invention, in order to increase the electric conductivity of the polymer electrolyte membrane, it is also conceivable to make the polymer electrolyte membrane thin. However, at present, an excessively thin polymer electrolyte membrane is easily damaged, and it is difficult to manufacture the membrane itself. Therefore, in the present invention, a polymer electrolyte membrane of 5 to 200 μm is preferable. More preferred is a polymer electrolyte membrane in the range of 10 to 100 μm.

本発明において、放射線により与えられたエネルギーは、芳香族高分子鎖に作用し、ビニルモノマーのグラフト重合を開始するラジカル等の活性種を該高分子鎖上に生じさせる。従って、高分子鎖上にラジカル等の活性種を発生する反応を起こすエネルギー源であれば、放射線は特に制限されるものではない。具体的には、γ線、電子線、イオン線、X線などが挙げられる。
(実施例)
In the present invention, the energy imparted by radiation acts on the aromatic polymer chain to generate an active species such as a radical that initiates graft polymerization of the vinyl monomer on the polymer chain. Therefore, radiation is not particularly limited as long as it is an energy source that causes a reaction that generates active species such as radicals on the polymer chain. Specific examples include γ rays, electron beams, ion rays, and X-rays.
(Example)

以下、本発明を実施例及び比較例により説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、各測定値は以下の測定によって求めた。
(1)グラフト率(%)
Hereinafter, although an example and a comparative example explain the present invention, the present invention is not limited to this. In addition, each measured value was calculated | required by the following measurements.
(1) Graft rate (%)

高分子膜基材を主鎖部、ビニルモノマーとのグラフト重合した部分をグラフト鎖部とすると、主鎖部に対するグラフト鎖部の重量比は、次式のグラフト率(Xdg [重量%])として表される。

Figure 2010092787
(2)イオン交換容量(mmol/g) When the polymer membrane substrate is the main chain part and the graft polymerized part with the vinyl monomer is the graft chain part, the weight ratio of the graft chain part to the main chain part is the graft ratio (X dg [wt%]) Represented as:
Figure 2010092787
(2) Ion exchange capacity (mmol / g)

高分子電解質膜のイオン交換容量(Ion Exchange Capacity, IEC)は次式で表される。

Figure 2010092787
[n(酸性基)obs]の測定は、高分子電解質膜を1M硫酸溶液中に50℃で4時間浸漬し、完全にプロトン型(H型)とした後、50℃の3M NaCl水溶液中に4時間浸漬することで再度-SO3Na型とする。高分子電解質膜を取り出した後、残存のNaCl水溶液を0.2M NaOHで中和滴定することで、高分子電解質膜の酸性基濃度を、置換されたプロトン(H+)として求めた。
(3)含水率(%) The ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte membrane is expressed by the following equation.
Figure 2010092787
[n (acidic group) obs ] is measured by immersing the polymer electrolyte membrane in a 1M sulfuric acid solution at 50 ° C for 4 hours to form a complete proton type (H type), and then in a 3M NaCl aqueous solution at 50 ° C. Re-SO 3 Na type by immersion for 4 hours. After removing the polymer electrolyte membrane, the remaining NaCl aqueous solution was neutralized and titrated with 0.2 M NaOH to obtain the acidic group concentration of the polymer electrolyte membrane as a substituted proton (H + ).
(3) Moisture content (%)

室温下、水中で保存のH型の高分子電解質膜を取り出し、表面の水を軽くふき取った後(約1分後)、重量を測定する(W (g))。この膜を60℃にて16時間、真空乾燥後、重量測定することで高分子電解質膜の乾燥重量 Wd(g)を求め、Ws、Wdから次式により含水率を算出する。

Figure 2010092787
(4)電気伝導度([Ω・cm]-1) Remove the H-type polymer electrolyte membrane stored in water at room temperature, gently wipe off the water on the surface (after about 1 minute), and then measure the weight (W (g)). This membrane is vacuum-dried at 60 ° C. for 16 hours and then weighed to obtain the dry weight W d (g) of the polymer electrolyte membrane, and the moisture content is calculated from W s and W d by the following formula.
Figure 2010092787
(4) Electrical conductivity ([Ω · cm] -1 )

交流法による測定(新実験化学講座19、高分子化学(II)、p998、丸善)に従い、通常の膜抵抗測定セルとヒューレットパッカード製のLCRメータ、E-4925Aを使用して、高分子電解質膜の膜抵抗(Rm)の測定を行った。1M 硫酸水溶液をセルに満たして二つの白金電極間(距離 5 mm)の抵抗を測定し、高分子電解質膜の電気伝導度を次式を用いて算出した。

Figure 2010092787
(5)熱水耐性(重量残存率%) In accordance with the measurement by the alternating current method (New Experimental Chemistry Course 19, Polymer Chemistry (II), p998, Maruzen), using a normal membrane resistance measurement cell, Hewlett-Packard LCR meter, E-4925A, polymer electrolyte membrane The film resistance (Rm) was measured. The cell was filled with a 1M aqueous sulfuric acid solution, the resistance between two platinum electrodes (distance 5 mm) was measured, and the electrical conductivity of the polymer electrolyte membrane was calculated using the following equation.
Figure 2010092787
(5) Hot water resistance (weight residual rate%)

60℃で16時間真空乾燥後の高分子電解質膜の重量をW3とし、95℃の水に24時間浸漬した電解質膜の乾燥重量をW4とする。

Figure 2010092787
The weight of the polymer electrolyte membrane after vacuum drying at 60 ° C. for 16 hours is W 3, and the dry weight of the electrolyte membrane immersed in water at 95 ° C. for 24 hours is W 4 .
Figure 2010092787

3 cm x 5 cmのピロメリット酸二無水物/4、4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンからなる脂環式炭化水素ポリイミド膜(以下、PI膜1と略す)(膜厚 25μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器に入れて脱気後、ガラス容器内をアルゴンガスで置換した。この状態で、ポリイミド膜1に60Co線源からのγ線を室温で220kGy照射した。引き続いて、このガラス容器中に、アルゴンガスのバブリングにより脱気したスチレンを、照射されたPI膜1が浸漬するよう添加した。アルゴンガスで置換した後、ガラス容器を密閉し、60℃で24時間放置した。得られたグラフト高分子膜をトルエンで洗浄し乾燥した。0.05Mクロロスルホン酸の1,2-ジクロロエタン溶液中、30℃で4時間放置した後、水洗処理を行うことで高分子電解質膜を得た。本実施例で得られた高分子電解質膜のグラフト率、イオン交換容量、電気伝導度、破断弾性率、熱水耐性を表1に示す。

Figure 2010092787
3 cm x 5 cm pyromellitic dianhydride / 4,4'-diaminodicyclohexylmethane alicyclic hydrocarbon polyimide film (hereinafter abbreviated as PI film 1) (film thickness 25μm) made of glass with cock After deaeration in a separable container, the inside of the glass container was replaced with argon gas. In this state, the polyimide film 1 was irradiated with γ rays from a 60 Co source at 220 kGy at room temperature. Subsequently, styrene degassed by bubbling argon gas was added to the glass container so that the irradiated PI film 1 was immersed. After replacing with argon gas, the glass container was sealed and left at 60 ° C. for 24 hours. The obtained graft polymer membrane was washed with toluene and dried. A polymer electrolyte membrane was obtained by leaving it to stand in a 1,2-dichloroethane solution of 0.05 M chlorosulfonic acid at 30 ° C. for 4 hours, followed by washing with water. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, electrical conductivity, elastic modulus at break, and hot water resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in this example.
Figure 2010092787

3cm x 5cmのピロメリット酸二無水物/4、4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン/4、4’−ジアミノジフェニルエーテル(モル比:10/1/9)からなる脂環式炭化水素ポリイミド膜(以下、PI膜2と略す)(膜厚 25μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器に入れて脱気後、ガラス容器内をアルゴンガスで置換した。この状態で、ポリイミド膜2に60Co線源からのγ線を室温で220 kGy照射した。引き続いて、このガラス容器中に、アルゴンガスのバブリングにより脱気したスチレンを、照射されたPI膜2が浸漬するよう添加した。アルゴンガスで置換した後、ガラス容器を密閉し、60℃で24時間放置した。得られたグラフト高分子膜をトルエンで洗浄し乾燥した。0.05Mクロロスルホン酸の1,2-ジクロロエタン溶液中、30℃で4時間放置した後、水洗処理を行うことで高分子電解質膜を得た。本実施例で得られた高分子電解質膜のグラフト率、イオン交換容量、電気伝導度、破断弾性率、熱水耐性を表1に示す。 An alicyclic hydrocarbon polyimide film composed of 3 cm x 5 cm pyromellitic dianhydride / 4,4'-diaminodicyclohexylmethane / 4,4'-diaminodiphenyl ether (molar ratio: 10/1/9) (hereinafter referred to as PI The film was abbreviated as “film 2” (film thickness: 25 μm) in a separable container made of glass with a cock, and after deaeration, the inside of the glass container was replaced with argon gas. In this state, the polyimide film 2 was irradiated with γ rays from a 60 Co source at 220 kGy at room temperature. Subsequently, styrene degassed by bubbling argon gas was added to the glass container so that the irradiated PI film 2 was immersed. After replacing with argon gas, the glass container was sealed and left at 60 ° C. for 24 hours. The obtained graft polymer membrane was washed with toluene and dried. A polymer electrolyte membrane was obtained by leaving it to stand in a 1,2-dichloroethane solution of 0.05 M chlorosulfonic acid at 30 ° C. for 4 hours, followed by washing with water. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, electrical conductivity, elastic modulus at break, and hot water resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in this example.

3cm x 5cmの3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物/4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン/4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(モル比:10/1/9)からなる脂環式炭化水素ポリイミド膜(以下、PI膜3と略す)(膜厚 25μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器に入れて脱気後、ガラス容器内をアルゴンガスで置換した。この状態で、ポリイミド膜3に60Co線源からのγ線を室温で220kGy照射した。引き続いて、このガラス容器中に、アルゴンガスのバブリングにより脱気したスチレンを、照射されたPI膜3が浸漬するよう添加した。アルゴンガスで置換した後、ガラス容器を密閉し、60℃で24時間放置した。得られたグラフト高分子膜をトルエンで洗浄し乾燥した。0.05Mクロロスルホン酸の1,2-ジクロロエタン溶液中、30℃で4時間放置した後、水洗処理を行うことで高分子電解質膜を得た。本実施例で得られた高分子電解質膜のグラフト率、イオン交換容量、電気伝導度、破断弾性率、熱水耐性を表1に示す。 3 cm x 5 cm 3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride / 4,4'-diaminodicyclohexylmethane / 4,4'-diaminodiphenyl ether (molar ratio: 10/1/9) An alicyclic hydrocarbon polyimide film (hereinafter abbreviated as PI film 3) (film thickness: 25 μm) was placed in a separable container made of glass with a cock, and after deaeration, the inside of the glass container was replaced with argon gas. In this state, the polyimide film 3 was irradiated with 220 kGy of γ rays from a 60 Co ray source at room temperature. Subsequently, styrene degassed by bubbling argon gas was added to the glass container so that the irradiated PI film 3 was immersed. After replacing with argon gas, the glass container was sealed and left at 60 ° C. for 24 hours. The obtained graft polymer membrane was washed with toluene and dried. A polymer electrolyte membrane was obtained by leaving it to stand in a 1,2-dichloroethane solution of 0.05 M chlorosulfonic acid at 30 ° C. for 4 hours, followed by washing with water. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, electrical conductivity, elastic modulus at break, and hot water resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in this example.

3cm x 5cmのシクロブタンテトラカルボン酸二無水物/4,4’−ジアミノジフェニルエーテルからなる脂環式炭化水素ポリイミド膜(以下、PI膜4と略す)(膜厚 25μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器に入れて脱気後、ガラス容器内をアルゴンガスで置換した。この状態で、ポリイミド膜1に60Co線源からのγ線を室温で220kGy照射した。引き続いて、このガラス容器中に、アルゴンガスのバブリングにより脱気したスチレンを、照射されたポリイミド膜4が浸漬するよう添加した。アルゴンガスで置換した後、ガラス容器を密閉し、60℃で24時間放置した。得られたグラフト高分子膜をトルエンで洗浄し乾燥した。0.05Mクロロスルホン酸の1,2-ジクロロエタン溶液中、30℃で4時間放置した後、水洗処理を行うことで高分子電解質膜を得た。本実施例で得られた高分子電解質膜のグラフト率、イオン交換容量、電気伝導度、破断弾性率、熱水耐性を表1に示す。
(比較例1)
Glass separable container with cock of alicyclic hydrocarbon polyimide film (hereinafter abbreviated as PI film 4) consisting of 3cm x 5cm cyclobutanetetracarboxylic dianhydride / 4,4'-diaminodiphenyl ether (hereinafter abbreviated as PI film 4) After deaeration by putting in, the inside of the glass container was replaced with argon gas. In this state, the polyimide film 1 was irradiated with γ rays from a 60 Co source at 220 kGy at room temperature. Subsequently, styrene degassed by bubbling with argon gas was added to the glass container so that the irradiated polyimide film 4 was immersed. After replacing with argon gas, the glass container was sealed and left at 60 ° C. for 24 hours. The obtained graft polymer membrane was washed with toluene and dried. A polymer electrolyte membrane was obtained by leaving it to stand in a 1,2-dichloroethane solution of 0.05 M chlorosulfonic acid at 30 ° C. for 4 hours, followed by washing with water. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, electrical conductivity, elastic modulus at break, and hot water resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in this example.
(Comparative Example 1)

3cm x 5cmのピロメリット酸二無水物/4、4’−ジアミノジフェニルエーテルからなる全芳香族ポリイミド膜(以下、カプトン膜と略す)(膜厚25μm)を実施例1と同じ条件でグラフト重合したところ、重量増加が全くみられずグラフト膜は得られなかった。
(比較例2)
3 cm x 5 cm of pyromellitic dianhydride / 4, 4'-diaminodiphenyl ether wholly aromatic polyimide film (hereinafter abbreviated as Kapton film) (thickness 25 μm) graft polymerized under the same conditions as in Example 1 No weight increase was observed, and no graft membrane was obtained.
(Comparative Example 2)

3cm x 5cmの2、2−ビス(4−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)フェニル)プロパン/4、4’−ジアミノジフェニルエーテルからなる全芳香族ポリイミド膜(以下、PEI(ポリエーテルイミド)膜と略す)(膜厚 50μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器に入れて脱気後、ガラス容器内をアルゴンガスで置換した。この状態で、PEI膜に60Co線源からのγ線を室温で220kGy照射した。引き続いて、このガラス容器中に、アルゴンガスのバブリングにより脱気したスチレンを、照射されたPEI膜が浸漬するよう添加した。アルゴンガスで置換した後、ガラス容器を密閉し、60℃で24時間放置した。得られたグラフト高分子膜をトルエンで洗浄し乾燥した。0.05Mクロロスルホン酸の1,2-ジクロロエタン溶液中、30℃で4時間放置した後、水洗による加水分解処理を行うことで高分子電解質膜を得た。本実施例で得られた高分子電解質膜のグラフト率、イオン交換容量、電気伝導度、破断弾性率、熱水耐性を表1の比較例2に示す。
(比較例3)
3 cm x 5 cm 2,2-bis (4- (3,4-dicarboxyphenoxy) phenyl) propane / 4,4'-diaminodiphenyl ether wholly aromatic polyimide film (hereinafter referred to as PEI (polyetherimide) film) (Omitted) (film thickness 50 μm) was placed in a glass separable container with a cock and deaerated, and the inside of the glass container was replaced with argon gas. In this state, the PEI film was irradiated with 220 kGy of γ rays from a 60 Co source at room temperature. Subsequently, styrene degassed by bubbling argon gas was added to the glass container so that the irradiated PEI film was immersed. After replacing with argon gas, the glass container was sealed and left at 60 ° C. for 24 hours. The obtained graft polymer membrane was washed with toluene and dried. A polymer electrolyte membrane was obtained by leaving it to stand in a 1,2-dichloroethane solution of 0.05 M chlorosulfonic acid at 30 ° C. for 4 hours and then performing a hydrolysis treatment by washing with water. Comparative Example 2 in Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, electrical conductivity, elastic modulus at break, and hot water resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in this example.
(Comparative Example 3)

ナフィオン112(デュポン社製)について測定されたイオン交換容量、電気伝導度、破断弾性率、熱水耐性を表1の比較例3に示す。   The ion exchange capacity, electrical conductivity, elastic modulus at break, and hot water resistance measured for Nafion 112 (manufactured by DuPont) are shown in Comparative Example 3 in Table 1.

本発明の高分子電解質膜は、高温での機械的特性や燃料不透過性に優れた脂環式ポリイミド膜基材に、高いグラフト重合性により多くのグラフト鎖を導入できることから、従来のスルホン化芳香族高分子電解質膜やグラフト型全芳香族高分子電解質膜に比べ、高いプロトン伝導性、耐久性、及び、燃料不透過性を示す。これにより、メタノール、水素などを燃料とした携帯機器、家庭向けコージェネレーションや自動車用の電源として期待されている燃料電池に最適な、プロトン伝導性、耐久性、燃料不透過性に優れた高分子電解質膜を提供することができる。   Since the polymer electrolyte membrane of the present invention can introduce many graft chains into an alicyclic polyimide membrane base material excellent in mechanical properties and fuel impermeability at high temperatures due to high graft polymerizability, Compared to aromatic polymer electrolyte membranes and grafted wholly aromatic polymer electrolyte membranes, it exhibits higher proton conductivity, durability, and fuel impermeability. As a result, this polymer is excellent in proton conductivity, durability, and fuel impermeability, ideal for portable devices powered by methanol, hydrogen, etc., fuel cells expected as power sources for household cogeneration and automobiles. An electrolyte membrane can be provided.

Claims (6)

脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜にビニルモノマーがグラフト重合された高分子電解質膜であって、グラフト鎖の一部がスルホン酸基に化学変換されていることを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane in which a vinyl monomer is graft-polymerized on a polyimide base membrane containing an alicyclic hydrocarbon, wherein a part of the graft chain is chemically converted to a sulfonic acid group. film. 請求項1に記載の高分子電解質膜において、前記脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜が、ポリイミドを構成するジアミン若しくは酸二無水物の一方に脂環式炭化水素構造を有することを特徴とする高分子電解質膜。   2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polyimide base film containing the alicyclic hydrocarbon has an alicyclic hydrocarbon structure on one of diamine or acid dianhydride constituting the polyimide. A polymer electrolyte membrane. 請求項1に記載の高分子電解質膜において、前記脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜が、ポリイミドを構成するジアミン若しくは酸二無水物のそれぞれに脂環式炭化水素構造を有することを特徴とする高分子電解質膜。   2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polyimide base film containing the alicyclic hydrocarbon has an alicyclic hydrocarbon structure in each of the diamine or acid dianhydride constituting the polyimide. A polymer electrolyte membrane. 脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜に、ビニルモノマーをグラフト重合した後、グラフト鎖の一部をスルホン酸基に化学変換して作製することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。   A method for producing a polymer electrolyte membrane, which is produced by graft-polymerizing a vinyl monomer to a polyimide substrate membrane containing an alicyclic hydrocarbon and then chemically converting a part of the graft chain to a sulfonic acid group. 脂環式炭化水素を含むポリイミド基材膜に、(1)スルホン酸基保持可能な芳香環を持つビニルモノマー、(2)加水分解でスルホン酸基に変換可能なハロゲン化スルホニル基若しくはスルホン酸エステル基を有するビニルモノマー、及び(3)スルホン化反応でスルホン酸基が導入可能なハロゲンやカルボニル基を有するビニルモノマーの中から選択される少なくとも一種のビニルモノマーをグラフト重合した後、グラフト鎖の一部をスルホン酸基に化学変換することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。   (1) Vinyl monomer having an aromatic ring capable of retaining a sulfonic acid group, (2) Halogenated sulfonyl group or sulfonic acid ester that can be converted to a sulfonic acid group by hydrolysis. After graft polymerization of a vinyl monomer having a group and (3) a vinyl monomer having a halogen or a carbonyl group capable of introducing a sulfonic acid group by a sulfonation reaction, A method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the part is chemically converted to a sulfonic acid group. 請求項4または5に記載の製造方法において、前記ビニルモノマーと共に、ビニルモノマーとの重量比で10%以下の多官能性モノマーを加えることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。   6. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein a polyfunctional monomer having a weight ratio of 10% or less to the vinyl monomer is added together with the vinyl monomer.
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