JP4602845B2 - Solid polymer electrolyte membrane obtained by addition copolymerization of unsaturated silicon group-containing organosilicon compound and phosphate group-containing unsaturated monomer, and use thereof - Google Patents

Solid polymer electrolyte membrane obtained by addition copolymerization of unsaturated silicon group-containing organosilicon compound and phosphate group-containing unsaturated monomer, and use thereof Download PDF

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Description

本発明は、一次電池、二次電池、燃料電池等の電解質膜、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜等に好適な固体高分子電解質膜に関し、常用の温度範囲及び湿度範囲にわたり高いプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜及びその用途に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane suitable for electrolyte membranes such as primary batteries, secondary batteries, fuel cells, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, etc. The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane exhibiting high proton conductivity over a humidity range and its use.

固体高分子電解質材料として、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、ポリビニルスルホン酸、パーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー[Polymer Preprints, Japan Vol. 42, No. 7, pp. 2490〜2492 (1993), Polymer Preprints, Japan Vol. 43, No. 3, pp. 735〜736 (1994), Polymer Preprints, Japan Vol. 42, No. 3, p. 730 (1993)]等が報告されている。   Polymers belonging to so-called cation exchange resins such as polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, perfluorosulfonic acid polymer, perfluorocarboxylic acid polymer [Polymer Preprints, Japan Vol. 42, No. 7, pp. 2490-2492 (1993), Polymer Preprints, Japan Vol. 43, No. 3, pp. 735-736 (1994), Polymer Preprints, Japan Vol. 42, No. 3, p. 730 (1993)] etc. Has been reported.

特に側鎖にスルホン酸基を有する固体高分子材料は、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過したりする性質を有しているので、粒子状、繊維状又は膜状に成形され、電気透析膜、拡散透析膜、電池隔膜等の各種用途に利用されている。中でもNafion(デュポン株式会社製)の商標で知られるパーフルオロ骨格の側鎖にスルホン酸基を有するフッ素系高分子電解質膜は耐熱性及び耐薬品性に優れており、苛酷な条件下での使用に耐える電解質膜として実用化されている。しかし上記のようなフッ素系電解質膜は非常に高価であり、しかも対環境性に劣っているという問題を抱えている。   In particular, a solid polymer material having a sulfonic acid group in the side chain has a property of binding firmly to a specific ion or selectively transmitting a cation or an anion. It is formed into a shape or a membrane and is used in various applications such as electrodialysis membranes, diffusion dialysis membranes, and battery membranes. Above all, fluoropolymer electrolyte membranes with a sulfonic acid group in the side chain of the perfluoro skeleton known by the trademark Nafion (manufactured by DuPont) have excellent heat resistance and chemical resistance, and are used under severe conditions. Has been put to practical use as an electrolyte membrane that can withstand However, the fluorine-based electrolyte membrane as described above has a problem that it is very expensive and inferior to the environment.

このような状況下、特開2003-86021号は分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体と、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有するスルホン酸基含有不飽和単量体との共重合体からなる固体高分子電解質膜を提案している。この固体高分子電解質膜は比較的安価に製造できるだけでなく、伝導性が著しく高く、導電率の温度依存性が低く、耐熱性及び耐溶剤性に優れている点で従来の固体高分子材料と一線を画すものであった。   Under such circumstances, JP-A-2003-86021 discloses a phosphate group-containing unsaturated monomer having at least one phosphate group and at least one ethylenically unsaturated bond in the molecule, and 1 in the molecule. A solid polymer electrolyte membrane comprising a copolymer of at least one sulfonic acid group and a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer having at least one ethylenically unsaturated bond is proposed. This solid polymer electrolyte membrane can be manufactured at a relatively low cost, is extremely high in conductivity, has low temperature dependence of conductivity, and is excellent in heat resistance and solvent resistance. It was a line.

しかし固体高分子電解質膜を燃料電池、特に直接型メタノール固体高分子型燃料電池に用いる場合、固体高分子電解質膜の一面に設けられた燃料極に、メタノール及び水からなる燃料を直接供給するので、伝導性だけでなく、耐溶剤性及び耐水性が求められる。そこで特開2005-5046号(特許文献1)は、(メタ)アクリル酸エステル基を有するアルコキシシラン又はその加水分解生成物と、リン酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルとを付加共重合してなり、かつシロキサン架橋してなる固体高分子電解質を開示している。この固体高分子電解質膜は、ポリシロキサンを有することにより耐熱性、耐溶剤性及び耐水性に優れ、リン酸基による高い伝導性を有する。   However, when a solid polymer electrolyte membrane is used in a fuel cell, particularly a direct methanol solid polymer fuel cell, a fuel composed of methanol and water is directly supplied to a fuel electrode provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane. In addition to conductivity, solvent resistance and water resistance are required. JP 2005-5046 (Patent Document 1) discloses an addition copolymerization of an alkoxysilane having a (meth) acrylate group or a hydrolysis product thereof and a (meth) acrylate having a phosphate group. And a solid polymer electrolyte formed by siloxane crosslinking. This solid polymer electrolyte membrane has excellent heat resistance, solvent resistance, and water resistance due to having polysiloxane, and has high conductivity due to a phosphate group.

しかし近年燃料電池システムの加湿装置及びその付随装置を縮小化し、システム構築コストを低減するために、燃料電池用の固体高分子電解質膜には、低湿度下でも優れたプロトン伝導性を有することが求められている。   However, in recent years, in order to reduce the humidifier and associated devices of the fuel cell system and reduce the system construction cost, the solid polymer electrolyte membrane for fuel cells has excellent proton conductivity even under low humidity. It has been demanded.

特開2005-5046号公報JP 2005-5046

従って、本発明の目的は、不飽和結合を有する有機ケイ素化合物と、リン酸基を有する不飽和単量体とを共重合してなり、プロトン伝導性の湿度依存性が低い固体高分子電解質膜及び用途を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte membrane having a low proton conductivity-dependent humidity dependency, which is obtained by copolymerizing an organosilicon compound having an unsaturated bond and an unsaturated monomer having a phosphate group. And providing use.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(a) エチレン性不飽和結合を有するが、アルコキシ基及びシラノール基を有しない有機ケイ素化合物と、(b) リン酸基を有する不飽和単量体とを付加共重合させることにより、プロトン伝導性が高く、プロトン伝導性の湿度依存性が低い固体高分子電解質膜が得られることを見出し、本発明に想到した。   As a result of diligent research in view of the above object, the present inventors have (a) an organosilicon compound having an ethylenically unsaturated bond but having no alkoxy group and silanol group, and (b) an unsaturated group having a phosphate group. The inventors have found that a solid polymer electrolyte membrane having high proton conductivity and low proton conductivity humidity dependency can be obtained by addition copolymerization with a monomer, and the present invention has been conceived.

すなわち、本発明の第一の固体高分子電解質膜は、(a) ポリシロキサンからなる主骨格を有し、前記ポリシロキサン主骨格の各ケイ素原子にはケイ素−炭素結合により有機基が結合して側鎖及び末端を形成しており、前記有機基のうちの少なくとも一個がエチレン性不飽和結合を有する不飽和結合含有有機ケイ素化合物と、(b) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を各々1個以上有するリン酸基含有不飽和単量体とが付加共重合してなり、かつ実質的にシロキサン架橋していない固体高分子電解質膜であって、前記リン酸基含有不飽和単量体が、
下記一般式(5):

Figure 0004602845
(ただしR 13 は水素基又はアルキル基であり、R 14 は置換又は無置換のアルキレン基であり、xは1〜6の整数である。)により表される化合物と、
下記一般式(6):
Figure 0004602845
(ただしR 15 及びR 17 はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R 16 及びR 18 はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、x'及びx''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体、下記一般式(7):
Figure 0004602845
(ただしR 19 及びR 21 はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R 20 及びR 22 はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、y及びy'はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体、及び下記一般式(8):
Figure 0004602845
(ただしR 23 、R 25 及びR 27 はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R 24 、R 26 及びR 28 はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、z、z'及びz''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種と
の混合物からなることを特徴とする。
That is, the first solid polymer electrolyte membrane of the present invention has (a) a main skeleton composed of polysiloxane, and an organic group is bonded to each silicon atom of the polysiloxane main skeleton by a silicon-carbon bond. An unsaturated silicon-containing organosilicon compound having a side chain and a terminal, wherein at least one of the organic groups has an ethylenically unsaturated bond; and (b) a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond in the molecule. And a phosphate group-containing unsaturated monomer each having one or more thereof, and a solid polymer electrolyte membrane that is substantially not siloxane-crosslinked , comprising the phosphate group-containing unsaturated monomer. The mass is
The following general formula (5):
Figure 0004602845
Wherein R 13 is a hydrogen group or an alkyl group, R 14 is a substituted or unsubstituted alkylene group, and x is an integer of 1 to 6, and
The following general formula (6):
Figure 0004602845
(However, R 15 and R 17 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 16 and R 18 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and x ′ and x ″ are each independently 1 to 1) A phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the following general formula (7):
Figure 0004602845
(However, R 19 and R 21 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 20 and R 22 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and y and y ′ are each independently 1-6. A pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the following general formula (8):
Figure 0004602845
(However, R 23 , R 25 and R 27 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 24 , R 26 and R 28 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and z, z ′ and z '' Is each independently an integer of 1 to 6.) and at least one selected from the group consisting of phosphate group-containing triester unsaturated monomers
It consists of the mixture of these, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の第二の固体高分子電解質膜は、(a) ポリシロキサンからなる主骨格を有し、前記ポリシロキサン主骨格の各ケイ素原子にはケイ素−炭素結合により有機基が結合して側鎖及び末端を形成しており、前記有機基のうちの少なくとも一個がエチレン性不飽和結合を有する不飽和結合含有有機ケイ素化合物と、(b) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を各々1個以上有するリン酸基含有不飽和単量体と、(c) 分子内にエチレン性不飽和結合を2個以上含む硬化剤とが共重合してなり、かつ実質的にシロキサン架橋していない固体高分子電解質膜であって、前記硬化剤が、下記一般式(9):

Figure 0004602845
(ただしR 29 〜R 32 はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R 33 はアルキレン基である。)により表される4官能性ウレタン(メタ)アクリレート、下記一般式(10):
Figure 0004602845
(ただしR 29' 〜R 31' はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R 33' はアルキレン基である。)により表される3官能性ウレタン(メタ)アクリレート、及び下記一般式(11):
Figure 0004602845
(ただしR 29'' 及びR 31'' はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R 33'' はアルキレン基である。)により表される2官能性ウレタン(メタ)アクリレートからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする。
The second solid polymer electrolyte membrane of the present invention has (a) a main skeleton composed of polysiloxane, and an organic group is bonded to each silicon atom of the polysiloxane main skeleton by a silicon-carbon bond to form a side chain. And an unsaturated silicon-containing organosilicon compound in which at least one of the organic groups has an ethylenically unsaturated bond, and (b) a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond in the molecule, respectively. One or more phosphate group-containing unsaturated monomers and (c) a curing agent containing two or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule are copolymerized and are substantially not crosslinked with siloxane. A solid polymer electrolyte membrane, wherein the curing agent has the following general formula (9):
Figure 0004602845
(Wherein R 29 to R 32 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 33 is an alkylene group.), A tetrafunctional urethane (meth) acrylate represented by the following general formula (10):
Figure 0004602845
(Wherein R 29 ′ to R 31 ′ each independently represents a hydrogen group or a methyl group, and R 33 ′ represents an alkylene group), and a trifunctional urethane (meth) acrylate represented by the following general formula (11 ):
Figure 0004602845
(However, R 29 ″ and R 31 ″ are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 33 ″ is an alkylene group.) From the group consisting of bifunctional urethane (meth) acrylates represented by It is characterized by being at least one selected .

前記有機ケイ素化合物は、下記一般式(1):

Figure 0004602845
(ただしR1〜R4はそれぞれ独立にエチレン性不飽和結合を有する有機基、置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、かつR1〜R4のいずれかはエチレン性不飽和結合を有する有機基であり、R5及びR6はそれぞれ独立に置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、m及びnは各々1以上の整数である。)により表される化合物であるのが好ましい。R 1 〜R 4 はそれぞれ独立に下記式(12):
Figure 0004602845
(ただしR 34 は置換又は無置換の炭素数1〜6のアルキレン基であり、R 35 は水素基又はメチル基である。)により表される(メタ)アクリレート基、置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキル基、又は炭素数6〜12のアリール基であり、かつR 1 〜R 4 のいずれかが前記(メタ)アクリレート基であるのが好ましい。R 5 及びR 6 はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数6〜12のアリール基であるのが好ましい。
The organosilicon compound has the following general formula (1):
Figure 0004602845
(However, R 1 to R 4 are each independently an organic group having an ethylenically unsaturated bond, a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and any of R 1 to R 4 represents an ethylenically unsaturated bond. R 5 and R 6 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group or aryl group, and m and n are each an integer of 1 or more.) preferable. R 1 to R 4 are each independently the following formula (12):
Figure 0004602845
(Wherein R 34 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and R 35 is a hydrogen group or a methyl group), a (meth) acrylate group, a substituted or unsubstituted carbon number 1-6 alkyl group or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, and preferably one of R 1 to R 4 are the (meth) acrylate groups. R 5 and R 6 are preferably each independently a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms.

式(1)により表される有機ケイ素化合物の中でも、下記一般式(3):

Figure 0004602845
(ただしR1'〜R3'はそれぞれ独立に前記(メタ)アクリレート基、メチル基又はフェニル基であり、かつR1'〜R3'のいずれかは前記(メタ)アクリレート基であり、m及びnは各々1以上の整数である。)により表される化合物がより好ましい。
Among the organosilicon compounds represented by the formula (1), the following general formula (3):
Figure 0004602845
(Wherein R 1 '~R 3' are each independently the (meth) acrylate group, a methyl group or a phenyl group, and any of R 1 '~R 3' is said (meth) acrylate group, m And n are each an integer of 1 or more).

本発明の別の好ましい例では、前記有機ケイ素化合物は、下記一般式(2):

Figure 0004602845
(ただしR7は水素基又はアルキル基であり、R8は置換又は無置換のアルキレン基であり、R9〜R12はそれぞれ独立に置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、pは0〜2の整数である。)により表される化合物である。R 8 は置換又は無置換の炭素数1〜6のアルキレン基であるのが好ましい。R 9 〜R 12 はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数6〜12のアリール基であるのが好ましい。
In another preferred example of the present invention, the organosilicon compound has the following general formula (2):
Figure 0004602845
(However, R 7 is a hydrogen group or an alkyl group, R 8 is a substituted or unsubstituted alkylene group, R 9 to R 12 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and p is It is an integer of 0-2. R 8 is preferably a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms. R 9 to R 12 are preferably each independently a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms.

式(2)により表される有機ケイ素化合物の中でも、下記一般式(4):

Figure 0004602845
(ただしR7'は水素基又はメチル基である。)により表される化合物がより好ましい。 Among the organosilicon compounds represented by the formula (2), the following general formula (4):
Figure 0004602845
A compound represented by (wherein R 7 ′ is a hydrogen group or a methyl group) is more preferred.

式(1)により表される化合物、及び式(2)により表される化合物は、各々単独で用いてもよいし、併用してもよい。   The compound represented by the formula (1) and the compound represented by the formula (2) may be used alone or in combination.

第二の固体高分子電解質膜において、リン酸基含有不飽和単量体は、(b-1) 前記一般式(5) により表される化合物からなるか、(b-2) 前記一般式(5)により表される化合物と、前記一般式(6)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体、前記一般式(7) により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体、及び前記一般式(8)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種との混合物からなるのが好ましい。
In the second solid polymer electrolyte membrane, the phosphate group-containing unsaturated monomer comprises (b-1) a compound represented by the general formula (5), or (b-2) the general formula ( 5), a phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the general formula (6), a pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (7) And a mixture with at least one selected from the group consisting of a phosphate group-containing triester unsaturated monomer represented by the general formula (8).

前記一般式(5)により表される化合物のR 13 は−H基又は−CH 3 基であるのが好ましく、R 14 は−(CH 2 ) 2 −基、−CH 2 CH 2 (CH 3 )−基、−CH 2 CH 2 (CH 2 Cl)−基又は−(CH 2 ) 4 −基であるのが好ましい。前記一般式(6)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体のR15及びR17はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であるのが好ましく、R16及びR18はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であるのが好ましい。前記一般式(7)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体のR 19 及びR 21 はそれぞれ独立に−H基又は−CH 3 基であるのが好ましく、R 20 及びR 22 はそれぞれ独立に−(CH 2 ) 2 −基、−CH 2 CH 2 (CH 3 )−基、−CH 2 CH 2 (CH 2 Cl)−基又は−(CH 2 ) 4 −基であるのが好ましい。前記一般式(8)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体のR 23 、R 25 及びR 27 はそれぞれ独立に−H基又は−CH 3 基であるのが好ましく、R 24 、R 26 及びR 28 はそれぞれ独立に−(CH 2 ) 2 −基、−CH 2 CH 2 (CH 3 )−基、−CH 2 CH 2 (CH 2 Cl)−基又は−(CH 2 ) 4 −基であるのが好ましい。
R 13 of the compound represented by the general formula (5) is preferably a —H group or a —CH 3 group, and R 14 is a — (CH 2 ) 2 — group, —CH 2 CH 2 (CH 3 ). It is preferably a — group, a —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or a — (CH 2 ) 4 — group. R 15 and R 17 of the phosphate group-containing diester unsaturated monomer represented by the general formula (6) are preferably each independently an —H group or a —CH 3 group, and R 16 and R 18 Each independently represents a — (CH 2 ) 2 — group, a —CH 2 CH 2 (CH 3 ) — group, a —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or a — (CH 2 ) 4 — group. preferable. In the pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (7), R 19 and R 21 are preferably each independently -H group or -CH 3 group, and R 20 and R 22 are each Independently, it is preferably a — (CH 2 ) 2 — group, —CH 2 CH 2 (CH 3 ) — group, —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or — (CH 2 ) 4 — group. R 23 , R 25 and R 27 of the phosphate group-containing triester unsaturated monomer represented by the general formula (8) are preferably each independently an —H group or a —CH 3 group, 24 , R 26 and R 28 are each independently-(CH 2 ) 2 -group, -CH 2 CH 2 (CH 3 )-group, -CH 2 CH 2 (CH 2 Cl)-group or-(CH 2 ) A 4 -group is preferred.

固体高分子電解質膜は、前記有機ケイ素化合物及び前記リン酸基含有不飽和単量体以外の他の不飽和化合物も共重合成分として含んでもよい。前記他の不飽和化合物は、(d) 分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有するが酸性基を有しない不飽和化合物、及び/又は(e) 分子内にエチレン性不飽和結合と酸性基とを各々1個以上有する不飽和化合物であるのが好ましい。前記(d) 酸性基を有しない不飽和化合物は(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリル基を有する共役ジエン系液状オリゴマー、(メタ)アクリル基を有する水素化共役ジエン系液状オリゴマー、ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマー又はその誘導体、置換又は無置換のスチレン、ハロゲン化ビニル、脂肪酸置換ビニルエステル及びフッ素基含有不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種であるのが好ましい。ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーの誘導体は、(i) (メタ)アクリル基、イソシアネート基、水酸基、アルコキシ基、エポキシ基、炭化水素基、ウレタン結合、エステル結合及びエーテル結合のいずれかを導入する処理、及び(ii) 水素添加処理のいずれかを前記ビニル芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーに施してなる化合物であるのが好ましい。前記(e) 酸性基を有する不飽和化合物はスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基及び硼酸基からなる群から選ばれた少なくとも一種を有するのが好ましい。
The solid polymer electrolyte membrane may also contain an unsaturated compound other than the organosilicon compound and the phosphate group-containing unsaturated monomer as a copolymer component. The other unsaturated compound includes ( d ) an unsaturated compound having one or more ethylenically unsaturated bonds but no acid group in the molecule, and / or ( e ) an ethylenically unsaturated bond in the molecule. It is preferably an unsaturated compound having at least one acidic group. The ( d ) unsaturated compound having no acidic group has (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, (meth) acrylic acid ester, conjugated diene-based liquid oligomer having (meth) acrylic group, and (meth) acrylic group From the group consisting of hydrogenated conjugated diene liquid oligomers, vinylated aromatic-conjugated diene liquid oligomers or derivatives thereof, substituted or unsubstituted styrene, vinyl halides, fatty acid substituted vinyl esters, and fluorine group-containing unsaturated monomers. It is preferably at least one selected. Derivatives of vinylated aromatic-conjugated diene liquid oligomers are (i) any of (meth) acrylic groups, isocyanate groups, hydroxyl groups, alkoxy groups, epoxy groups, hydrocarbon groups, urethane bonds, ester bonds and ether bonds. The compound is preferably a compound obtained by subjecting the vinyl aromatic-conjugated diene liquid oligomer to either the treatment to be introduced and (ii) the hydrogenation treatment. The unsaturated compound having an acidic group ( e ) preferably has at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group and a boric acid group.

本発明の好ましい実施態様による固体高分子電解質膜は、95%以下の相対湿度及び室温〜60℃の温度でのプロトン導電率が1×10-3 S/cm以上である。 The solid polymer electrolyte membrane according to a preferred embodiment of the present invention has a proton conductivity of 1 × 10 −3 S / cm or more at a relative humidity of 95% or less and a temperature of room temperature to 60 ° C.

本発明の固体高分子電解質膜の製造方法は、溶媒中で、少なくとも上記有機ケイ素化合物と上記リン酸基含有不飽和単量体とを付加共重合させ、得られた固体高分子電解質を含む溶液又は分散液を水平な支持体上に流延し、前記溶媒を除去することを特徴とする。   The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to the present invention includes a solution containing the obtained solid polymer electrolyte by addition copolymerization of at least the organosilicon compound and the phosphate group-containing unsaturated monomer in a solvent. Alternatively, the dispersion is cast on a horizontal support to remove the solvent.

上記製造方法において、(a) 前記有機ケイ素化合物を含む溶液又は分散液に、前記リン酸基含有不飽和単量体を含む溶液又は分散液を滴下するか、(b) 前記リン酸基含有不飽和単量体を含む溶液又は分散液に、前記有機ケイ素化合物を含む溶液又は分散液を滴下するか、(c)前記有機ケイ素化合物を含む溶液又は分散液と、前記リン酸基含有不飽和単量体を含む溶液又は分散液とを一括混合し、重合開始剤の存在下付加共重合させるのが好ましい。溶媒としては、(a) 炭素数1〜6の脂肪族アルコール溶媒、及び(b) ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフラン及びジメチルスルホキシドからなる群から選ばれた少なくとも一種と、炭素数1〜6の脂肪族アルコールとの混合溶媒が好ましい。   In the above production method, (a) a solution or dispersion containing the phosphate group-containing unsaturated monomer is dropped into a solution or dispersion containing the organosilicon compound, or (b) the phosphate group-containing A solution or dispersion containing the organosilicon compound is dropped into a solution or dispersion containing a saturated monomer, or (c) the solution or dispersion containing the organosilicon compound and the phosphate group-containing unsaturated monolayer. It is preferable that the solution or dispersion containing the monomer is mixed together and subjected to addition copolymerization in the presence of a polymerization initiator. The solvent includes (a) an aliphatic alcohol having 1 to 6 carbon atoms, and (b) at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, tetrahydrofuran and dimethyl sulfoxide, A mixed solvent with ˜6 aliphatic alcohols is preferred.

本発明の固体高分子電解質膜は燃料電池用途に好適である。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is suitable for fuel cell applications.

本発明の固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性が高く、かつプロトン導電率の湿度依存性が低い。特に相対湿度95%以下の低湿度下でも優れたプロトン伝導性を示す。このような特性を有する本発明の固体高分子電解質膜を燃料電池用電解質膜として用いると、燃料電池システムの加湿装置及びその付随装置を縮小化し、システム構築コストを低減することができる。さらに本発明の固体高分子電解質膜は、一次電池用電解質膜、二次電池用電解質膜、表示素子膜、各種センサー膜、信号伝達媒体膜、固体コンデンサー膜、イオン交換膜などにも好適に利用できる。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has high proton conductivity and low humidity dependency of proton conductivity. In particular, it exhibits excellent proton conductivity even at low humidity below 95% relative humidity. When the solid polymer electrolyte membrane of the present invention having such characteristics is used as an electrolyte membrane for a fuel cell, the humidifier of the fuel cell system and its associated device can be reduced, and the system construction cost can be reduced. Further, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is suitably used for an electrolyte membrane for a primary battery, an electrolyte membrane for a secondary battery, a display element membrane, various sensor membranes, a signal transmission medium membrane, a solid capacitor membrane, an ion exchange membrane, and the like. it can.

[1] 固体高分子電解質膜の原料及び配合割合
本発明の固体高分子電解質膜は、少なくとも(a) 分子内に少なくとも一個のエチレン性不飽和結合を有する不飽和結合含有有機ケイ素化合物と、(b) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を各々1個以上有するリン酸基含有不飽和単量体とが付加共重合してなり、かつ実質的にシロキサン架橋していない。以下不飽和結合含有有機ケイ素化合物、リン酸基含有不飽和単量体、これらの配合割合、及び共重合し得る他の不飽和化合物について説明する。
[1] Raw material and blending ratio of solid polymer electrolyte membrane The solid polymer electrolyte membrane of the present invention comprises at least (a) an unsaturated bond-containing organosilicon compound having at least one ethylenically unsaturated bond in the molecule; b) It is formed by addition copolymerization with a phosphate group-containing unsaturated monomer each having at least one phosphate group and ethylenically unsaturated bond in the molecule, and is substantially not crosslinked with siloxane. Hereinafter, the unsaturated bond-containing organosilicon compound, the phosphate group-containing unsaturated monomer, the blending ratio thereof, and other unsaturated compounds that can be copolymerized will be described.

(1) 不飽和結合含有有機ケイ素化合物
不飽和結合含有有機ケイ素化合物(以下特段の断りがない限り、単に「有機ケイ素化合物」と呼ぶ)は、下記一般式(1):

Figure 0004602845
(ただしR1〜R4はそれぞれ独立にエチレン性不飽和結合を有する有機基、置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、かつR1〜R4のいずれかはエチレン性不飽和結合を有する有機基であり、R5及びR6はそれぞれ独立に置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、m及びnは各々1以上の整数である。)により表すことができる。 (1) Unsaturated Bond-Containing Organosilicon Compound Unsaturated bond-containing organosilicon compound (hereinafter simply referred to as “organosilicon compound” unless otherwise specified) has the following general formula (1):
Figure 0004602845
(However, R 1 to R 4 are each independently an organic group having an ethylenically unsaturated bond, a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and any of R 1 to R 4 represents an ethylenically unsaturated bond. R 5 and R 6 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group or aryl group, and m and n are each an integer of 1 or more.

式(1)に示すように、有機ケイ素化合物はポリシロキサンからなる主骨格を有し、ポリシロキサン主骨格の各ケイ素原子には有機基が結合して側鎖及び末端を形成しており、分子内に少なくとも一個のエチレン性不飽和結合を有する。ケイ素原子と有機基はケイ素−炭素結合している。分子中のケイ素原子に対する炭素原子の原子比(C/Si原子比)は2以上であるのが好ましい。   As shown in the formula (1), the organosilicon compound has a main skeleton composed of polysiloxane, and an organic group is bonded to each silicon atom of the polysiloxane main skeleton to form a side chain and a terminal. It has at least one ethylenically unsaturated bond inside. The silicon atom and the organic group have a silicon-carbon bond. The atomic ratio of carbon atoms to silicon atoms in the molecule (C / Si atomic ratio) is preferably 2 or more.

式(1)中のエチレン性不飽和結合を有する有機基(R1〜R4のいずれか)としては、例えば下記式(12):

Figure 0004602845
(ただしR34は置換又は無置換のアルキレン基であり、R35は水素基又はメチル基である。)により表される(メタ)アクリレート基が挙げられ、それ以外のものとして(メタ)アリルエステル基、ビニル基、メチルビニル基、(メタ)アリル基、スチリル基、エポキシ(メタ)アクリレート基等が挙げられるが、(メタ)アクリレート基が好ましい。(メタ)アクリレート基のアルキレン基R34の炭素数は特に制限されないが、1〜6が好ましい。アルキレン基R34の具体例として、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、メチルエチレン基等が挙げられる。 Examples of the organic group (any one of R 1 to R 4 ) having an ethylenically unsaturated bond in the formula (1) include the following formula (12):
Figure 0004602845
(Wherein R 34 is a substituted or unsubstituted alkylene group, and R 35 is a hydrogen group or a methyl group), and a (meth) allyl ester represented by the others. Group, vinyl group, methylvinyl group, (meth) allyl group, styryl group, epoxy (meth) acrylate group, and the like, and (meth) acrylate group is preferable. The number of carbon atoms of the alkylene group R 34 of the (meth) acrylate group is not particularly limited, but 1 to 6 is preferable. Specific examples of the alkylene group R 34 include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a methylethylene group, and the like.

R1〜R6のいずれかが置換又は無置換のアルキル基である場合、その炭素数は1〜6が好ましい。R1〜R6のいずれかが置換又は無置換のアリール基である場合、その炭素数は6〜12が好ましい。具体的には、アルキル基としてはメチル基が好ましく、アリール基としてはフェニル基が好ましい。R1〜R6のいずれかが置換アルキル基又は置換アリール基である場合、置換により有してもよい他の原子団としては、炭化水素基、水酸基、各種酸性基、イソシアネート基、ウレタン結合、エステル結合、エーテル結合等が挙げられる。 When any of R 1 to R 6 is a substituted or unsubstituted alkyl group, the number of carbon atoms is preferably 1 to 6. When any of R 1 to R 6 is a substituted or unsubstituted aryl group, the number of carbon atoms is preferably 6 to 12. Specifically, the alkyl group is preferably a methyl group, and the aryl group is preferably a phenyl group. When any of R 1 to R 6 is a substituted alkyl group or a substituted aryl group, as other atomic groups that may be substituted, a hydrocarbon group, a hydroxyl group, various acidic groups, an isocyanate group, a urethane bond, An ester bond, an ether bond, etc. are mentioned.

中でも式(1)により表される有機ケイ素化合物としては、下記一般式(3):

Figure 0004602845
(ただしR1'〜R3'はそれぞれ独立に(メタ)アクリレート基、メチル基又はフェニル基であり、かつR1'〜R3'のいずれかは(メタ)アクリレート基であり、m及びnは各々1以上の整数である。)により表される化合物が好ましい。 Among these, as the organosilicon compound represented by the formula (1), the following general formula (3):
Figure 0004602845
(However, R 1 ′ to R 3 ′ are each independently a (meth) acrylate group, a methyl group or a phenyl group, and any of R 1 ′ to R 3 ′ is a (meth) acrylate group, and m and n Are each an integer of 1 or more).

有機ケイ素化合物として、下記一般式(2):

Figure 0004602845
(ただしR7は水素基又はアルキル基であり、R8は置換又は無置換のアルキレン基であり、R9〜R12はそれぞれ独立に置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、pは0〜2の整数である。)により表される化合物を用いてもよい。式(2)において、pが0のときR9は無い。 As an organosilicon compound, the following general formula (2):
Figure 0004602845
(However, R 7 is a hydrogen group or an alkyl group, R 8 is a substituted or unsubstituted alkylene group, R 9 to R 12 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and p is It is an integer of 0-2.) You may use the compound represented by. In formula (2), when p is 0, there is no R 9 .

アルキレン基R8の炭素数は特に制限されないが、1〜6が好ましい。アルキレン基R8の具体例として、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、メチルエチレン基等が挙げられる。R9〜R12のいずれかがアルキル基又はアリール基である場合、それらの炭素数はR1〜R6と同じでよい。具体的には、アルキル基としてはメチル基が好ましく、アリール基としてはフェニル基が好ましい。 The number of carbon atoms of the alkylene group R 8 is not particularly limited, but is preferably 1-6. Specific examples of the alkylene group R 8 include methylene group, ethylene group, propylene group, methylethylene group and the like. When any of R 9 to R 12 is an alkyl group or an aryl group, their carbon number may be the same as R 1 to R 6 . Specifically, the alkyl group is preferably a methyl group, and the aryl group is preferably a phenyl group.

式(2)により表される有機ケイ素化合物としては、下記一般式(4):

Figure 0004602845
(ただしR7'は水素基又はメチル基である。)により表される化合物が好ましい。 As the organosilicon compound represented by the formula (2), the following general formula (4):
Figure 0004602845
A compound represented by (wherein R 7 ′ is a hydrogen group or a methyl group) is preferred.

式(1)により表される有機ケイ素化合物の平均分子量は特に制限されないが、500〜20,000であるのが好ましい。式(1)又は式(2)により表される有機ケイ素化合物の官能基(エチレン性不飽和結合を有する基)当量(g/mol)は特に制限されないが、300〜10,000が好ましい。   The average molecular weight of the organosilicon compound represented by the formula (1) is not particularly limited, but is preferably 500 to 20,000. The functional group (group having an ethylenically unsaturated bond) equivalent (g / mol) of the organosilicon compound represented by formula (1) or formula (2) is not particularly limited, but is preferably 300 to 10,000.

式(1)により表される化合物、及び式(2)により表される化合物は、各々単独で用いてもよいし、併用してもよい。式(3)により表される化合物のうち3官能型の市販品として、例えば「X-22-2457」(商品名、信越化学工業株式会社製)等がある。式(3)により表される化合物のうち2官能型の市販品として、例えば「X-22-164AS」、「X-22-164A」、「X-22-164B」、「X-22-164C」、「X-21-5822」、「X-22-5825」、「X-22-2445」、「X-22-2426」(以上商品名、信越化学工業株式会社製)等がある。式(3)により表される化合物のうち1官能型の市販品として、例えば「X-24-8201」、「X-22-174DX」(以上商品名、信越化学工業株式会社製)等がある。式(4)により表される各化合物の市販品として、例えば「X-22-2404」(商品名、信越化学工業株式会社製)等がある。   The compound represented by the formula (1) and the compound represented by the formula (2) may be used alone or in combination. Among the compounds represented by the formula (3), for example, “X-22-2457” (trade name, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is a trifunctional commercial product. Among the compounds represented by the formula (3), as a bifunctional commercial product, for example, “X-22-164AS”, “X-22-164A”, “X-22-164B”, “X-22-164C” ”,“ X-21-5822 ”,“ X-22-5825 ”,“ X-22-2445 ”,“ X-22-2426 ”(the trade name, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). Among the compounds represented by formula (3), monofunctional commercial products include, for example, “X-24-8201”, “X-22-174DX” (trade names, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and the like. . As a commercial item of each compound represented by Formula (4), there exists "X-22-2404" (brand name, the Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. make) etc., for example.

(2) リン酸基含有不飽和単量体
リン酸基含有不飽和単量体は下記一般式(5):

Figure 0004602845
(ただしR13は水素基又はアルキル基であり、R14は置換又は無置換のアルキレン基であり、xは1〜6の整数である。)により表すことができる。R1は−H基又は−CH3基であるのが好ましい。アルキレン基R14について、「置換又は無置換」であるとは、直鎖状又は分岐状であることも含む。アルキレン基R14の炭素数は2〜4が好ましい。 (2) Phosphoric acid group-containing unsaturated monomer The phosphoric acid group-containing unsaturated monomer is represented by the following general formula (5):
Figure 0004602845
Wherein R 13 is a hydrogen group or an alkyl group, R 14 is a substituted or unsubstituted alkylene group, and x is an integer of 1 to 6. R 1 is preferably a —H group or a —CH 3 group. Regarding the alkylene group R 14 , “substituted or unsubstituted” includes linear or branched. The alkylene group R 14 preferably has 2 to 4 carbon atoms.

式(5)により表されるリン系酸残基含有不飽和単量体は、下記一般式(13):

Figure 0004602845
(ただしR13は水素基又はアルキル基であり、R14'は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、xは1〜6の整数である。)により表される化合物が好ましい。式(13)により表されるリン系酸残基含有不飽和単量体において、R14'はH、CH3又はCH2Clであるのが好ましい。 The phosphoric acid residue-containing unsaturated monomer represented by the formula (5) is represented by the following general formula (13):
Figure 0004602845
(Wherein R 13 is a hydrogen group or an alkyl group, R 14 ′ is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and x is an integer of 1 to 6). In the phosphoric acid residue-containing unsaturated monomer represented by the formula (13), R 14 ′ is preferably H, CH 3 or CH 2 Cl.

一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体のうち代表的なものの構造式及び物性をそれぞれ表1及び表2に示す。これらの単量体はユニケミカル株式会社から商品名Phosmer(登録商標)として販売されている。ただし本発明に使用できるリン酸基含有不飽和単量体はこれらに限定されるものではない。一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体は単独で用いることができるが、2種以上を併用しても良い。   Tables 1 and 2 show the structural formulas and physical properties of representative ones of the phosphate group-containing unsaturated monomers represented by the general formula (5), respectively. These monomers are sold by Unichemical Corporation under the trade name Phosmer (registered trademark). However, the phosphate group-containing unsaturated monomer that can be used in the present invention is not limited to these. The phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (5) can be used alone, but two or more kinds may be used in combination.

Figure 0004602845
Figure 0004602845

Figure 0004602845
Figure 0004602845

一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体のうち、アシッド・ホスホオキシブチルアクリレートもユニケミカル株式会社から商品名Phosmer BAとして入手可能である。   Among the phosphoric acid group-containing unsaturated monomers represented by the general formula (5), acid phosphooxybutyl acrylate is also available from Unichemical Co., Ltd. under the trade name “Phosmer BA”.

リン酸基は解離していてもよいし、錯塩を形成していても良い。錯塩を形成する場合、電荷を中和させるため、例えば第1級、第2級、第3級又は第4級のアルキル基、アリル基、アラルキル基等を含有するアンモニウムイオンやモノ、ジ又はトリアルカノールアミン残基と錯塩を形成するのが好ましく、特にN+R4−f(OH)f(但しRは炭素数1〜18のアルキル基、炭素数6〜12の芳香族基及び炭素数6〜12の脂環族基からなる群から選ばれた少なくとも一種を表し、fは1〜3の正の整数を表す。)が好ましい。 The phosphoric acid group may be dissociated or may form a complex salt. When forming a complex salt, in order to neutralize the charge, for example, ammonium ions containing mono-, di- or tri-alkyl groups such as primary, secondary, tertiary or quaternary alkyl groups, allyl groups, aralkyl groups, etc. It is preferable to form a complex salt with an alkanolamine residue, particularly N + R 4 -f (OH) f (where R is an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, an aromatic group having 6 to 12 carbon atoms, and 6 carbon atoms). Represents at least one selected from the group consisting of -12 alicyclic groups, and f represents a positive integer of 1-3.

リン酸基含有不飽和単量体としては、下記一般式(6):

Figure 0004602845
(ただしR15及びR17はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R16及びR18はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、x'及びx''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体、下記一般式(7):
Figure 0004602845
(ただしR19及びR21はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R20及びR22はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、y及びy'はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体、及び下記一般式(8):
Figure 0004602845
(ただしR23、R25及びR27はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R24、R26及びR28はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、z、z'及びz''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体も使用可能である。各アルキレン基R16、R18、R20、R22、R24、R26及びR28の炭素数は2〜4が好ましい。 As the phosphate group-containing unsaturated monomer, the following general formula (6):
Figure 0004602845
(However, R 15 and R 17 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 16 and R 18 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and x ′ and x ″ are each independently 1 to 1) A phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the following general formula (7):
Figure 0004602845
(However, R 19 and R 21 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 20 and R 22 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and y and y ′ are each independently 1-6. A pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the following general formula (8):
Figure 0004602845
(However, R 23 , R 25 and R 27 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 24 , R 26 and R 28 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and z, z ′ and z '' Each independently represents an integer of 1 to 6.) A phosphate group-containing triester unsaturated monomer represented by the following formula can also be used. Each alkylene group R 16 , R 18 , R 20 , R 22 , R 24 , R 26 and R 28 preferably has 2 to 4 carbon atoms.

一般式(6)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体としては、下記一般式(14):

Figure 0004602845
(ただしR15及びR17はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R16'及びR18'はそれぞれ独立に水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、x'及びx''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表される化合物が好ましい。 Examples of the phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the general formula (6) include the following general formula (14):
Figure 0004602845
(However, R 15 and R 17 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 16 ′ and R 18 ′ are each independently a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and x ′ and x ″ are Each independently represents an integer of 1 to 6).

一般式(7)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体としては、下記一般式(15):

Figure 0004602845
(ただしR19及びR21はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R20'及びR22'はそれぞれ独立に水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、y及びy'はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表される化合物が好ましい。 Examples of the pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (7) include the following general formula (15):
Figure 0004602845
(However, R 19 and R 21 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 20 ′ and R 22 ′ are each independently a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and y and y ′ are each independently Is an integer of 1 to 6.).

一般式(8)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体としては、下記一般式(16):

Figure 0004602845
(ただしR23、R25及びR27はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R24'、R26'及びR28'はそれぞれ独立に水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、z、z'及びz''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表される化合物が好ましい。 As the phosphate group-containing triester unsaturated monomer represented by the general formula (8), the following general formula (16):
Figure 0004602845
(However, R 23 , R 25 and R 27 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, and R 24 ′ , R 26 ′ and R 28 ′ are each independently a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, z, z ′ and z ″ are each independently an integer of 1 to 6).

リン酸基含有ジエステル系不飽和単量体としては、ジ(メタクリロイルオキシエチル)ホスフェート及びジ(アクリロイルオキシエチル)ホスフェートが好ましい。ピロリン酸基含有不飽和単量体としては、ジ(メタクリロイルオキシエチル)アシッド・ピロホスフェート及びジ(アクリロイルオキシエチル)アシッド・ピロホスフェートが好ましい。   As the phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer, di (methacryloyloxyethyl) phosphate and di (acryloyloxyethyl) phosphate are preferable. As the pyrophosphate group-containing unsaturated monomer, di (methacryloyloxyethyl) acid pyrophosphate and di (acryloyloxyethyl) acid pyrophosphate are preferable.

一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体はプロトン伝導性に優れており、一般式(6)〜(8)により表されるリン酸基含有不飽和単量体は硬化作用を有し製膜性に優れているので、一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体と、一般式(6)〜(8)により表されるリン酸基含有不飽和単量体とからなる群から選ばれた少なくとも一種とを併用してもよい。このような併用により膜のプロトン伝導性と耐溶剤性と膜強度のバランスが向上する。中でも一般式(5)及び(6)により表されるリン酸基含有不飽和単量体を併用するのが好ましい。一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体と、一般式(6)〜(8)により表されるリン酸基含有不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種とを併用する場合、式[一般式(5)により表されるリン酸基含有不飽和単量体]/[一般式(6)〜(8)により表されるリン酸基含有不飽和単量体の合計]により表される配合モル比は1/0.05〜1/2であるのが好ましい。   The phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (5) is excellent in proton conductivity, and the phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formulas (6) to (8) is Since it has a curing action and is excellent in film forming properties, a phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (5) and a phosphate group represented by the general formulas (6) to (8) You may use together at least 1 type chosen from the group which consists of a contained unsaturated monomer. Such a combination improves the balance of proton conductivity, solvent resistance and membrane strength of the membrane. Among them, it is preferable to use a phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formulas (5) and (6) in combination. At least selected from the group consisting of a phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formula (5) and a phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the general formulas (6) to (8) When used in combination with one kind, the formula [phosphate group-containing unsaturated monomer represented by formula (5)] / [phosphate group-containing unsaturated monomer represented by formulas (6) to (8) It is preferable that the blending molar ratio represented by [total of the monomers] is 1 / 0.05 to 1/2.

固体高分子電解質膜が上記のようなリン酸基含有不飽和単量体成分を含むことにより、固体高分子電解質に高い水保持能力を付与でき、高伝導性を有する膜が得られる。   When the solid polymer electrolyte membrane contains the phosphate group-containing unsaturated monomer component as described above, a high water retention capability can be imparted to the solid polymer electrolyte, and a highly conductive membrane can be obtained.

(3) 配合割合
有機ケイ素化合物及びリン酸基含有不飽和単量体の配合割合は、溶媒中での付加共重合反応中にゲル化しない限り特に制限されないが、モル比で(有機ケイ素化合物)/(リン酸基含有不飽和単量体)=90/10〜10/90であるのが好ましく、この比が90/10〜50/50であるのがより好ましい。この比を10/90未満とすると、共重合体の耐熱性等の向上効果が不十分となる恐れがあり、一方90/10超とすると、リン酸基が不足してプロトン伝導性が不十分となる恐れがある。
(3) Blending ratio The blending ratio of the organosilicon compound and the phosphate group-containing unsaturated monomer is not particularly limited as long as it does not gel during the addition copolymerization reaction in the solvent, but in molar ratio (organosilicon compound) / (Phosphate group-containing unsaturated monomer) = 90/10 to 10/90 is preferable, and this ratio is more preferably 90/10 to 50/50. If this ratio is less than 10/90, the effect of improving the heat resistance of the copolymer may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 90/10, the phosphoric acid group is insufficient and the proton conductivity is insufficient. There is a risk of becoming.

(4) 共重合できる他の不飽和化合物
固体高分子電解質膜は、有機ケイ素化合物及びリン酸基含有不飽和単量体以外の他の不飽和化合物を共重合成分として含んでもよい。他の不飽和化合物は以下の2群(a) 分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有するが酸性基を有しない不飽和化合物、及び(b) 分子内にエチレン性不飽和結合と酸性基とを各々1個以上有する不飽和化合物に大別できる。
(4) Other unsaturated compounds that can be copolymerized The solid polymer electrolyte membrane may contain an unsaturated compound other than the organosilicon compound and the phosphate group-containing unsaturated monomer as a copolymerization component. Other unsaturated compounds include the following two groups (a) unsaturated compounds having one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule but no acidic groups, and (b) ethylenically unsaturated bonds in the molecule. It can be roughly divided into unsaturated compounds each having one or more acidic groups.

(a) 酸性基を含有しない不飽和化合物
固体高分子電解質膜は、造膜性、耐水性、耐薬品性等の向上を目的として、酸性基を含有しない不飽和化合物(酸性基非含有不飽和化合物)を共重合成分として含んでもよい。酸性基非含有不飽和化合物としては、常温で気体でない、分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有する不飽和化合物がすべて対象になるが、中でも(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸エステル、共役ジエン系液状オリゴマー又はその誘導体、ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマー又はその誘導体、置換又は無置換のスチレン、ハロゲン化ビニル(例えば塩化ビニル等)、脂肪酸置換ビニルエステル(例えば酢酸ビニル等)、及びフッ素基含有不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましい。
(a) Unsaturated compounds that do not contain acidic groups Solid polymer electrolyte membranes are unsaturated compounds that do not contain acidic groups (unsaturated non-acidic groups) for the purpose of improving film-forming properties, water resistance, chemical resistance, etc. Compound) may be included as a copolymerization component. Non-acidic group-containing unsaturated compounds include all unsaturated compounds that are not gaseous at room temperature and have one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule. Among them, (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, (Meth) acrylic acid ester, conjugated diene-based liquid oligomer or derivative thereof, vinylated aromatic-conjugated diene-based liquid oligomer or derivative thereof, substituted or unsubstituted styrene, vinyl halide (such as vinyl chloride), fatty acid-substituted vinyl At least one selected from the group consisting of esters (for example, vinyl acetate) and fluorine-containing unsaturated monomers is preferred.

(i) (メタ)アクリル酸エステル
(メタ)アクリル酸エステルとして、例えばメチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート等のアルキル(メタ)アクリレート;エチレングリコールジ(メタ)アクリレート;トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート;ヘキサメチレンジオールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
(i) (Meth) acrylic acid ester As (meth) acrylic acid ester, for example, alkyl (meth) acrylate such as methyl (meth) acrylate and ethyl (meth) acrylate; ethylene glycol di (meth) acrylate; trimethylolpropane tri ( (Meth) acrylate; hexamethylenediol di (meth) acrylate and the like.

(メタ)アクリル酸エステルとしては、上記のもの以外に下記一般式(9):

Figure 0004602845
(ただしR29〜R32はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R33はアルキレン基である。)により表されるウレタン(メタ)アクリレートも挙げられる。 As the (meth) acrylic acid ester, the following general formula (9):
Figure 0004602845
(However, R 29 to R 32 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 33 is an alkylene group.)

(メタ)アクリル酸エステルはアルコール性水酸基を含有するものであってもよい。アルコール性水酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルとしては、グリセロールジメタクリレート[例えば商品名「ブレンマーGMR」、「同GMR-R」、「同GMR-H」(以上日本油脂株式会社製)等]、グリセロールメタクリレートアクリレート[例えば商品名「ブレンマーGAM」、「同GAM-R」(以上日本油脂株式会社製)等]等のグリセロールジ(メタ)アクリレート;1, 6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテルアクリレート[例えば商品名「NK オリゴ EA-5521」(新中村化学工業株式会社製)等];1, 4-ブタンジオールジグリシジルエーテルアクリレート[例えば商品名「NK オリゴ EA-5520」(新中村化学工業株式会社製)等];ビスフェノールA型エポキシアクリレート[例えば商品名「NK オリゴ EA-1020」(新中村化学工業株式会社製)等];2-ヒドロキシメチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等の2-ヒドロキシ(メタ)アクリレート等が挙げられる。   The (meth) acrylic acid ester may contain an alcoholic hydroxyl group. Examples of the (meth) acrylic acid ester containing an alcoholic hydroxyl group include glycerol dimethacrylate [for example, “Blemmer GMR”, “GMR-R”, “GMR-H” (manufactured by Nippon Oil & Fats Co., Ltd.), etc.] Glycerol di (meth) acrylate such as glycerol methacrylate acrylate [for example, trade name “Blemmer GAM”, “same GAM-R” (manufactured by Nippon Oil & Fats Co., Ltd.)]; 1,6-hexanediol diglycidyl ether acrylate [for example Product name “NK Oligo EA-5521” (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.), etc.]; 1,4-butanediol diglycidyl ether acrylate [eg, product name “NK Oligo EA-5520” (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) ) Etc.]; Bisphenol A type epoxy acrylate [for example, “NK Oligo EA-1020” (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) etc.]; 2-Hydro Examples thereof include 2-hydroxy (meth) acrylate such as xylmethyl (meth) acrylate and 2-hydroxyethyl (meth) acrylate.

アルコール性水酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルとしては下記一般式(10):

Figure 0004602845
(ただしR29'〜R31'はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R33'はアルキレン基である。)により表される3官能性ウレタン(メタ)アクリレート、下記一般式(11):
Figure 0004602845
(ただしR29''及びR31''はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R33''はアルキレン基である。)により表される2官能性ウレタン(メタ)アクリレート等も挙げられる。 As the (meth) acrylic acid ester containing an alcoholic hydroxyl group, the following general formula (10):
Figure 0004602845
(Wherein R 29 ′ to R 31 ′ each independently represents a hydrogen group or a methyl group, and R 33 ′ represents an alkylene group), a trifunctional urethane (meth) acrylate represented by the following general formula (11) :
Figure 0004602845
(However, R 29 ″ and R 31 ″ are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 33 ″ is an alkylene group.) .

上記の2〜4官能型のウレタン(メタ)アクリレートは、例えばジイソシアネートとグリセロールジアクリレートとを反応させることにより得られ、市販品として例えば「NK オリゴ U-4HA」(商品名、新中村化学工業株式会社製)等がある。   The above-mentioned 2-4 functional urethane (meth) acrylate is obtained by reacting, for example, diisocyanate and glycerol diacrylate. As a commercial product, for example, “NK Oligo U-4HA” (trade name, Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) Etc.).

(ii) 共役ジエン系液状オリゴマー
共役ジエン系液状オリゴマーとしては、分子内に少なくとも1個のエチレン性不飽和結合を有するブタジエンオリゴマー、イソプレンオリゴマー及びこれらの誘導体からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましい。共役ジエン系液状オリゴマーとしては、下記一般式(17):

Figure 0004602845
(ただしR36及びR37はそれぞれ独立に(I) エチレン性不飽和結合を1個以上有し、かつ他の原子団を有してもよい炭化水素基、(II) エチレン性不飽和結合を有さず、かつ他の原子団を有してもよい炭化水素基又は(III) 水素基であり、かつR36及びR37の少なくとも一方は上記(I)のエチレン性不飽和結合を有する炭化水素基であり、R38及びR39はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、かつR38及びR39の少なくとも一方は水素基であり、rは重合度である。)により表されるものがより好ましい。ただし共役ジエン系液状オリゴマーとしては、式(17)に示すような重合体鎖中の共役ジエン単位が1, 2−結合であるものに限定する趣旨ではなく、共役ジエン単位が1, 4−結合であるものであってもよい。 (ii) Conjugated diene-based liquid oligomer As the conjugated diene-based liquid oligomer, at least one selected from the group consisting of a butadiene oligomer having at least one ethylenically unsaturated bond in the molecule, an isoprene oligomer, and derivatives thereof is preferable. . As the conjugated diene liquid oligomer, the following general formula (17):
Figure 0004602845
(However, R 36 and R 37 are each independently (I) a hydrocarbon group which has one or more ethylenically unsaturated bonds and may have other atomic groups, and (II) an ethylenically unsaturated bond. A hydrocarbon group which does not have and may have another atomic group or (III) a hydrogen group, and at least one of R 36 and R 37 has the ethylenically unsaturated bond of (I) above. A hydrogen group, R 38 and R 39 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and at least one of R 38 and R 39 is a hydrogen group, and r is the degree of polymerization. Is more preferable. However, the conjugated diene-based liquid oligomer is not limited to those in which the conjugated diene unit in the polymer chain is a 1,2-bond as shown in the formula (17), but the conjugated diene unit is a 1,4-bond. It may be what is.

R36及びR37の具体例として(メタ)アクリル基が挙げられる。R36及びR37が有してもよい他の原子団としては、ウレタン結合、エステル結合、エーテル結合、イソシアネート基、水酸基及びアルコキシ基からなる群から選ばれた少なくとも一種が挙げられる。共役ジエン系液状オリゴマーは、必要に応じて他の共役ジエンを重合成分として含有してもよい。 Specific examples of R 36 and R 37 include a (meth) acryl group. Examples of the other atomic group that R 36 and R 37 may have include at least one selected from the group consisting of a urethane bond, an ester bond, an ether bond, an isocyanate group, a hydroxyl group, and an alkoxy group. The conjugated diene-based liquid oligomer may contain other conjugated diene as a polymerization component, if necessary.

共役ジエン系液状オリゴマーの分子量に特に制限はないが、数平均分子量が500〜50,000のものが好ましい。式(17)により表される共役ジエン系液状オリゴマーの市販品として、例えば「NISSO-PB TEA-1000」、「NISSO-PB TE-2000」(以上日本曹達株式会社製)等がある。   Although there is no restriction | limiting in particular in the molecular weight of a conjugated diene type liquid oligomer, A thing with a number average molecular weight of 500-50,000 is preferable. Examples of commercially available conjugated diene liquid oligomers represented by the formula (17) include “NISSO-PB TEA-1000” and “NISSO-PB TE-2000” (manufactured by Nippon Soda Co., Ltd.).

共役ジエン系液状オリゴマーは水素化されたものであってもよい。水素化共役ジエン系液状オリゴマーは、下記一般式(18):

Figure 0004602845
(ただしR36〜R39及びrは式(17)と同じである。)により表されるものが好ましい。式(18)により表される水素化共役ジエン系液状オリゴマーの市販品として、例えば「NISSO-PB TEAI-1000」(日本曹達株式会社製)等がある。 The conjugated diene liquid oligomer may be hydrogenated. The hydrogenated conjugated diene-based liquid oligomer has the following general formula (18):
Figure 0004602845
(Wherein R 36 to R 39 and r are the same as those in formula (17)) are preferred. Examples of commercially available hydrogenated conjugated diene liquid oligomers represented by the formula (18) include “NISSO-PB TEAI-1000” (manufactured by Nippon Soda Co., Ltd.).

(iii) ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマー
ビニル化芳香族−共役ジエン系共重合体は、少なくともビニル化芳香族単位及び共役ジエン単位を有する共重合体からなる。ビニル化芳香族成分としてはスチレンが好ましい。共役ジエン成分としてはイソプレンが好ましい。ビニル化芳香族−共役ジエン系共重合体中のビニル化芳香族成分及び共役ジエン成分の割合は特に制限されず、固体高分子電解質膜に要求される靭性、可撓性、機械的強度等の物性に応じて適宜設定すればよい。ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーの分子量に特に制限はないが、例えば質量平均分子量が1,000〜100,000であればよい。
(iii) Vinylated aromatic-conjugated diene-based liquid oligomer The vinylated aromatic-conjugated diene-based copolymer comprises a copolymer having at least a vinylated aromatic unit and a conjugated diene unit. Styrene is preferred as the vinylated aromatic component. Isoprene is preferred as the conjugated diene component. The ratio of the vinylated aromatic component and the conjugated diene component in the vinylated aromatic-conjugated diene copolymer is not particularly limited, and the toughness, flexibility, mechanical strength, etc. required for the solid polymer electrolyte membrane are not limited. What is necessary is just to set suitably according to a physical property. The molecular weight of the vinylated aromatic-conjugated diene-based liquid oligomer is not particularly limited, and may be, for example, a mass average molecular weight of 1,000 to 100,000.

ビニル化芳香族−共役ジエン系共重合体は官能基や他の原子団の導入、水素添加等の処理により変性された誘導体であってもよい。官能基としては、(メタ)アクリル基、イソシアネート基、水酸基、アルコキシ基、エポキシ基、炭化水素基等が挙げられる。他の原子団としては、ウレタン結合、エステル結合、エーテル結合等が挙げられる。ビニル化芳香族−共役ジエン系共重合体の市販品として、例えば「クラプレン LIR-310」(株式会社クラレ製)等がある。   The vinylated aromatic-conjugated diene copolymer may be a derivative modified by a treatment such as introduction of a functional group or other atomic group or hydrogenation. Examples of the functional group include a (meth) acryl group, an isocyanate group, a hydroxyl group, an alkoxy group, an epoxy group, and a hydrocarbon group. Examples of other atomic groups include a urethane bond, an ester bond, and an ether bond. Examples of commercially available vinylated aromatic-conjugated diene copolymers include “Claprene LIR-310” (manufactured by Kuraray Co., Ltd.).

(iv) フッ素基含有不飽和単量体
フッ素基含有不飽和単量体としては、例えば特開2005-11789号に記載のものが挙げられる。具体的には、パーフロロオクチルエチル(メタ)アクリレート等のハイドロフルオロアルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル;パーフルオロアルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル;α-(トリフルオロメチル)アクリル酸等のハイドロフルオロアルキル基含有(メタ)アクリル酸;パーフルオロブチルエチレン、パーフルオロヘキシルエチレン、パーフルオロオクチルエチレン、パーフルオロデシルエチレン等のパーフルオロアルキル基含有ビニル;ハイドロフルオロアルキル基含有ビニル等が好ましい。フッ素基含有不飽和単量体を共重合成分として含むことにより、固体高分子電解質膜の耐熱性及び耐水性が一層向上する。
(iv) Fluorine group-containing unsaturated monomer Examples of the fluorine group-containing unsaturated monomer include those described in JP-A-2005-11789. Specifically, hydrofluoroalkyl group-containing (meth) acrylic acid esters such as perfluorooctylethyl (meth) acrylate; perfluoroalkyl group-containing (meth) acrylic acid esters; α- (trifluoromethyl) acrylic acid, etc. Hydrofluoroalkyl group-containing (meth) acrylic acid; perfluoroalkyl group-containing vinyl such as perfluorobutylethylene, perfluorohexylethylene, perfluorooctylethylene, perfluorodecylethylene; hydrofluoroalkyl group-containing vinyl and the like are preferable. By including a fluorine group-containing unsaturated monomer as a copolymerization component, the heat resistance and water resistance of the solid polymer electrolyte membrane are further improved.

(v) 酸性基を有さないが分子内に複数個のエチレン性不飽和結合を含有する化合物
固体高分子電解質膜の耐溶剤性を向上させるために、酸性基を有さない不飽和化合物として、複数個のエチレン性不飽和結合を含有するものを使用し、固体高分子電解質膜を硬化するのが好ましい。そのような硬化剤として、各々上記の式(9)〜式(11)により表される2〜4官能型ウレタン(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ヘキサメチレンジオールジ(メタ)アクリレート、グリセロールジ(メタ)アクリレート、1, 6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテルアクリレート、1, 4-ブタンジオールジグリシジルエーテルアクリレート、ビスフェノールA型エポキシアクリレート、ヘキサメチレンジオールジアクリレート、共役ジエン系液状オリゴマー又はその誘導体、及びビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマー又はその誘導体が挙げられる。その他にジビニルベンゼン等も挙げられる。
(v) A compound having no acidic group but containing a plurality of ethylenically unsaturated bonds in the molecule As an unsaturated compound having no acidic group in order to improve the solvent resistance of the solid polymer electrolyte membrane It is preferable to use a material containing a plurality of ethylenically unsaturated bonds and cure the solid polymer electrolyte membrane. As such a curing agent, 2- to 4-functional urethane (meth) acrylate, ethylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate represented by the above formulas (9) to (11), respectively. , Hexamethylenediol di (meth) acrylate, glycerol di (meth) acrylate, 1,6-hexanediol diglycidyl ether acrylate, 1,4-butanediol diglycidyl ether acrylate, bisphenol A type epoxy acrylate, hexamethylenediol diacrylate , Conjugated diene liquid oligomers or derivatives thereof, and vinylated aromatic-conjugated diene liquid oligomers or derivatives thereof. Other examples include divinylbenzene.

(b) 酸性基を含有する不飽和化合物
酸性基は特に制限されないが、例えばスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、硼酸基等が挙げられる。中でもスルホン酸基、カルボン酸基及びホスホン酸基からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましい。エチレン性不飽和結合を有する骨格としては、(メタ)アクリレート骨格、(メタ)アリルエステル骨格、置換又は無置換の不飽和脂肪族炭化水素骨格、不飽和基により置換された芳香族炭化水素骨格等を挙げることができる。
(b) Unsaturated compound containing acidic group The acidic group is not particularly limited, and examples thereof include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a boric acid group. Among these, at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphonic acid group is preferable. Examples of the skeleton having an ethylenically unsaturated bond include a (meth) acrylate skeleton, a (meth) allyl ester skeleton, a substituted or unsubstituted unsaturated aliphatic hydrocarbon skeleton, and an aromatic hydrocarbon skeleton substituted with an unsaturated group. Can be mentioned.

(i) スルホン酸基を含有する不飽和単量体
スルホン酸基を含有する不飽和単量体としては、例えば特開2004-179154号に記載のものが挙げられる。具体的には、ターシャリーブチルアクリルアミドスルホン酸、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、p-スチレンスルホン酸、(メタ)アクリル酸ブチル-4-スルホン酸、(メタ)アクリロオキシベンゼンスルホン酸等が好ましい。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(i) Unsaturated monomer containing sulfonic acid group Examples of the unsaturated monomer containing a sulfonic acid group include those described in JP-A-2004-179154. Specifically, tertiary butyl acrylamide sulfonic acid, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, p-styrene sulfonic acid, (meth) acrylic acid butyl-4-sulfonic acid, (meth) acrylooxybenzene Sulfonic acid and the like are preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

(ii) カルボン酸基を含有する不飽和単量体
カルボン酸基を含有する不飽和単量体の例示化合物としては、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、マレイン酸無水物等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(ii) Unsaturated monomer containing a carboxylic acid group Examples of unsaturated monomers containing a carboxylic acid group include (meth) acrylic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, maleic acid. An acid anhydride etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.

(iii) アルコール性水酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルのリン酸エステル化物
上記のアルコール性水酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルは、その水酸基をリン酸エステル化してもよい。特にエチレン性不飽和基を分子中に2個以上有するアルコール性水酸基含有不飽和単量体のリン酸エステル化物は、硬化能が良い。そのようなリン酸エステル化物の中でもグリセロールジ(メタ)アクリレートをリン酸エステル化した化合物、すなわち下記式(19):

Figure 0004602845
(ただしR40及びR41はそれぞれ独立に水素基又はメチル基である。)により表される化合物、及び下記式(20):
Figure 0004602845
(ただしR40及びR41はそれぞれ独立に水素基又はメチル基である。)により表される化合物が好ましい。 (iii) Phosphate esterified product of (meth) acrylic acid ester containing alcoholic hydroxyl group The (meth) acrylic acid ester containing the above alcoholic hydroxyl group may be converted to a phosphate ester. In particular, a phosphate esterified product of an alcoholic hydroxyl group-containing unsaturated monomer having two or more ethylenically unsaturated groups in the molecule has good curability. Among such phosphoric acid ester products, a compound obtained by phosphorylating glycerol di (meth) acrylate, that is, the following formula (19):
Figure 0004602845
(Wherein R 40 and R 41 are each independently a hydrogen group or a methyl group), and the following formula (20):
Figure 0004602845
(However, R 40 and R 41 are each independently a hydrogen group or a methyl group.)

アルコール性水酸基含有不飽和単量体をリン酸エステル化するには、例えばアルコール性水酸基含有不飽和単量体の水酸基に対して0.5〜0.6モル当量の無水リン酸を加えて反応させ、必要に応じて得られた反応生成物を加水分解すればよい。   In order to convert the alcoholic hydroxyl group-containing unsaturated monomer to phosphoric ester, for example, 0.5 to 0.6 molar equivalent of phosphoric anhydride is added to the hydroxyl group of the alcoholic hydroxyl group-containing unsaturated monomer and reacted. What is necessary is just to hydrolyze the reaction product obtained according to it.

(iv) 共役ジエン系液状オリゴマーの酸性基導入誘導体
上記式(17)及び(18)により表される(水素化)共役ジエン系液状オリゴマーは、式(17)及び(18)中のR36及びR37に、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基等が導入された誘導体であってもよい。
(iv) Acid Group-Introduced Derivatives of Conjugated Diene Liquid Oligomers (Hydrogenated) conjugated diene liquid oligomers represented by the above formulas (17) and (18) are R 36 and R 36 in formulas (17) and (18) R 37 may be a derivative in which a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or the like is introduced.

(v) ホスホン酸基含有(メタ)アクリルアミド誘導体
ホスホン酸基含有(メタ)アクリルアミド誘導体は、(メタ)アクリルアミド系単量体と、リン酸源化合物とを反応させ、得られた反応生成物を加水分解してなるものである。具体例として、アクリルアミドホスホン酸、アクリルアミドジホスホン酸及びホスホン酸基含有ターシャリーブチルアクリルアミドスルホン酸等が挙げられる。
(v) Phosphonic acid group-containing (meth) acrylamide derivatives Phosphonic acid group-containing (meth) acrylamide derivatives react (meth) acrylamide monomers with phosphoric acid source compounds and hydrolyze the resulting reaction product. It is a decomposition product. Specific examples include acrylamide phosphonic acid, acrylamide diphosphonic acid, and phosphonic acid group-containing tertiary butyl acrylamide sulfonic acid.

(vi) ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーの酸性基導入誘導体
上記ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーは、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基等が導入された誘導体であってもよい。
(vi) Acid group-introduced derivative of vinylated aromatic-conjugated diene-based liquid oligomer The vinylated aromatic-conjugated diene-based liquid oligomer is a derivative having a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or the like introduced therein. May be.

(vii) 酸性基を有し、かつ分子内に複数個のエチレン性不飽和結合を含有する単量体
固体高分子電解質膜の耐溶剤性(例えば耐メタノール性等)を向上させるために、酸性基を含有する不飽和化合物として、複数個のエチレン性不飽和結合を含有する硬化剤を使用し、固体高分子電解質膜を硬化してもよい。そのような硬化剤として、上記の式(6)〜(8)により表されるリン酸基含有不飽和単量体、並びに上記の式(19)及び(20)により表されるグリセロールジ(メタ)アクリレートのリン酸エステル化物が好ましい。
(vii) A monomer having an acidic group and containing a plurality of ethylenically unsaturated bonds in the molecule. In order to improve the solvent resistance (for example, methanol resistance) of the solid polymer electrolyte membrane, it is acidic. As the unsaturated compound containing a group, a solid polymer electrolyte membrane may be cured using a curing agent containing a plurality of ethylenically unsaturated bonds. Examples of such curing agents include phosphate group-containing unsaturated monomers represented by the above formulas (6) to (8), and glycerol di (meta) represented by the above formulas (19) and (20). ) A phosphate ester of acrylate is preferred.

(c) 他の不飽和化合物の添加量
他の不飽和化合物の添加量は、有機ケイ素化合物及びリン酸基含有不飽和単量体と溶媒中で共重合した時にゲル化しない限り特に制限されない。他の不飽和化合物の添加量は、有機ケイ素化合物、リン酸基含有不飽和単量体及び他の不飽和化合物の合計を100質量%として、一般的に50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。限定する趣旨ではないが、上記硬化剤の添加量は10質量%以下が好ましい。
(c) Addition amount of other unsaturated compound The addition amount of the other unsaturated compound is not particularly limited as long as it does not gel when it is copolymerized with an organosilicon compound and a phosphate group-containing unsaturated monomer in a solvent. The amount of the other unsaturated compound added is generally preferably 50% by mass or less, and preferably 40% by mass, with the total of the organosilicon compound, phosphate group-containing unsaturated monomer and other unsaturated compound being 100% by mass. The following is more preferable. Although not intended to limit, the addition amount of the curing agent is preferably 10% by mass or less.

(5) 混合できる他の重合体
固体高分子電解質膜を製造する際の造膜性や、得られる固体高分子電解質膜の強度、疎水性、耐溶剤性等を一層向上させるために、固体高分子電解質膜を形成する共重合体と相溶し得るその他の(共)重合体を混合することができる。その他の(共)重合体としてはポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、メラミン、セルロース及びその変性物等を挙げることができる。本発明の固体高分子電解質膜は、その他の(共)重合体からなる膜を支持膜として用いた構成とすることもできる。
(5) Other polymers that can be mixed In order to further improve the film-forming properties when producing solid polymer electrolyte membranes, the strength, hydrophobicity, solvent resistance, etc. of the obtained solid polymer electrolyte membranes, Other (co) polymers compatible with the copolymer forming the molecular electrolyte membrane can be mixed. Examples of other (co) polymers include polyamide, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyacrylic acid, melamine, cellulose, and modified products thereof. The solid polymer electrolyte membrane of the present invention may have a configuration in which a membrane made of another (co) polymer is used as a support membrane.

[2] 固体高分子電解質膜の製造方法
本発明の固体高分子電解質膜は、少なくとも上記有機ケイ素化合物及び上記リン酸基含有不飽和単量体を溶媒中で共重合させた溶液を調製し、得られた固体高分子電解質溶液をキャスト法により製膜することにより製造できる。
[2] Production method of solid polymer electrolyte membrane The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is prepared by preparing a solution obtained by copolymerizing at least the organosilicon compound and the phosphate group-containing unsaturated monomer in a solvent, It can manufacture by forming the obtained solid polymer electrolyte solution into a film by the casting method.

(1) 共重合による固体高分子電解質の調製
まず(a) 有機ケイ素化合物を含む溶液又は分散液に、リン酸基含有不飽和単量体を含む溶液又は分散液を滴下するか、(b) リン酸基含有不飽和単量体を含む溶液又は分散液に、有機ケイ素化合物を含む溶液又は分散液を滴下するか、(c) 有機ケイ素化合物を含む溶液又は分散液と、リン酸基含有不飽和単量体を含む溶液又は分散液とを一括混合し、重合開始剤の存在下付加共重合させる。
(1) Preparation of solid polymer electrolyte by copolymerization First, (a) A solution or dispersion containing a phosphate group-containing unsaturated monomer is dropped into a solution or dispersion containing an organosilicon compound, or (b) A solution or dispersion containing an organosilicon compound is dropped into a solution or dispersion containing a phosphate group-containing unsaturated monomer, or (c) a solution or dispersion containing an organosilicon compound and a phosphate group-containing A solution or dispersion containing a saturated monomer is mixed together and subjected to addition copolymerization in the presence of a polymerization initiator.

以下(有機ケイ素化合物+溶媒)からなる溶液又は分散液(有機ケイ素化合物含有液)に、[リン酸基含有不飽和単量体+重合開始剤+溶媒(+他の不飽和化合物)]からなる溶液又は分散液(リン酸基含有不飽和単量体含有液)を滴下し、付加共重合する方法について説明する。溶媒としては、有機ケイ素化合物、リン酸基含有不飽和単量体及び生成する共重合体が全て溶解する共通溶媒を用いる。そのような溶媒としては(a) 炭素数1〜6の脂肪族アルコール溶媒、及び(b) ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、テトラヒドロフラン(THF)及びジメチルスルホキシド(DMSO)からなる群から選ばれた少なくとも一種と、炭素数1〜6の脂肪族アルコールとの混合溶媒が好ましい。炭素数1〜6の脂肪族アルコールとしては、ブタノールがより好ましく、n-ブタノールが特に好ましい。上記(a)及び(b)の溶媒は各々一種のみを使用してもよいし、複数種を併用してもよい。   A solution or dispersion (organosilicon compound-containing liquid) comprising the following (organosilicon compound + solvent) comprises [phosphate group-containing unsaturated monomer + polymerization initiator + solvent (+ other unsaturated compound)]. A method of adding a solution or dispersion (phosphate group-containing unsaturated monomer-containing solution) dropwise and carrying out addition copolymerization will be described. As the solvent, a common solvent in which the organosilicon compound, the phosphate group-containing unsaturated monomer, and the copolymer to be produced are all dissolved is used. Such solvents include (a) aliphatic alcohol solvents having 1 to 6 carbon atoms, and (b) dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), tetrahydrofuran (THF) and dimethyl sulfoxide (DMSO). A mixed solvent of at least one selected from the group consisting of C 1-6 aliphatic alcohols is preferred. As the aliphatic alcohol having 1 to 6 carbon atoms, butanol is more preferable, and n-butanol is particularly preferable. Each of the solvents (a) and (b) may be used alone or in combination.

重合開始剤としては、2, 2'-アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、2, 2'-アゾビス(2, 4-ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2, 2'-アゾビス(2-メチルプロピオネート)、ジメチル2, 2'-アゾビスイソブチレート等のアゾ系開始剤、あるいはラウリルパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド、tert-ブチルパーオキシ・ピバレート等の過酸化物系開始剤等が挙げられる。   As polymerization initiators, 2, 2'-azobisisobutyronitrile (AIBN), 2, 2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2, 2'-azobis (2-methylpropio) And azo initiators such as dimethyl 2,2′-azobisisobutyrate, or peroxide initiators such as lauryl peroxide, benzoyl peroxide, tert-butyl peroxy pivalate, and the like.

重合手順について述べる。まず攪拌器、添加器及び還流冷却器付き反応器に有機ケイ素化合物含有液を入れるとともに、添加器にリン酸基含有不飽和単量体含有液を入れる。リン酸基含有不飽和単量体含有液の不飽和化合物成分の濃度は5〜30質量%とするのが好ましい。反応器内の気相部に窒素を流通させながら、反応器内を40℃〜100℃、好ましくは50℃〜100℃の温度に昇温する。所定温度到達直後に、添加器内のリン酸基含有不飽和単量体含有液を所定の時間をかけて滴下する。滴下にかける時間は15〜120分が好ましい。   The polymerization procedure is described. First, an organosilicon compound-containing liquid is put into a stirrer, an adder, and a reactor equipped with a reflux condenser, and a phosphate group-containing unsaturated monomer-containing liquid is put into an adder. The concentration of the unsaturated compound component in the phosphate group-containing unsaturated monomer-containing liquid is preferably 5 to 30% by mass. The temperature inside the reactor is raised to a temperature of 40 ° C. to 100 ° C., preferably 50 ° C. to 100 ° C., while nitrogen is passed through the gas phase in the reactor. Immediately after reaching the predetermined temperature, the phosphate group-containing unsaturated monomer-containing liquid in the adder is dropped over a predetermined time. The dropping time is preferably 15 to 120 minutes.

有機ケイ素化合物含有液に、リン酸基含有不飽和単量体含有液を全量添加した後、1〜10時間共重合する。リン酸基含有不飽和単量体含有液を有機ケイ素化合物含有液に全量添加した後に、必要に応じて再び重合開始剤を添加してもよい。共重合温度は85℃〜100℃が好ましい。共重合温度は最初から最後まで一定である必要はなく、共重合末期に上記範囲内で温度を上げて共重合率を増加させ、未反応単量体を極力少なくする方法をとってもよい。   After the total amount of the phosphate group-containing unsaturated monomer-containing liquid is added to the organosilicon compound-containing liquid, copolymerization is performed for 1 to 10 hours. After the total amount of the phosphate group-containing unsaturated monomer-containing liquid is added to the organosilicon compound-containing liquid, the polymerization initiator may be added again as necessary. The copolymerization temperature is preferably 85 ° C to 100 ° C. The copolymerization temperature does not need to be constant from the beginning to the end, and a method of increasing the copolymerization rate by increasing the temperature within the above range at the end of the copolymerization and reducing the unreacted monomer as much as possible may be adopted.

重合液中の原料[リン酸基含有不飽和単量体+有機ケイ素化合物(+その他の不飽和化合物)]の濃度は、できるだけ高い方が好ましいが、反応試験機の撹拌強度の観点から、20質量%以下であるのが好ましい。重合液中の原料濃度が20質量%超であると、反応途中でゲル化物が生じる恐れがある。重合開始剤のトータル使用量は、リン酸基含有不飽和単量体を100質量%として0.005〜0.5質量%であるのが好ましく、0.01〜0.3質量%であるのがより好ましい。   The concentration of the raw material [phosphate group-containing unsaturated monomer + organosilicon compound (+ other unsaturated compound)] in the polymerization solution is preferably as high as possible, but from the viewpoint of the stirring strength of the reaction tester, 20 It is preferable that it is below mass%. If the raw material concentration in the polymerization solution is more than 20% by mass, a gelled product may be generated during the reaction. The total amount of the polymerization initiator used is preferably 0.005 to 0.5% by mass, more preferably 0.01 to 0.3% by mass based on 100% by mass of the phosphate group-containing unsaturated monomer.

一括混合法は、有機ケイ素化合物含有液に、リン酸基含有不飽和単量体含有液を一括添加すること以外上記滴下法と本質的に同じでよい。   The batch mixing method may be essentially the same as the dropping method described above except that the phosphate group-containing unsaturated monomer-containing solution is added to the organosilicon compound-containing solution at once.

(2) キャスト法による製膜
付加共重合により調製した共重合体溶液を用い、キャスト法により製膜する。上記他の(共)重合体を混合する場合、これを固体電解質の溶液又は分散液に予め添加し、溶解又は分散させる。キャスト法は、固体電解質の溶液又は分散液を水平な支持体(例えばガラス板、トレイ等)上に流延し、重合反応に用いた溶媒を蒸発させるものである。溶媒は、キャストした溶液又は分散液を減圧及び/又は加熱することにより蒸発させる。具体的には90〜150℃の温度で1〜180分程度加熱乾燥処理するのが好ましい。加熱乾燥処理時の圧力は常圧〜10 mmHg(絶対圧)とするのが好ましい。
(2) Film formation by casting method A film is formed by casting method using a copolymer solution prepared by addition copolymerization. When the other (co) polymer is mixed, it is added in advance to a solid electrolyte solution or dispersion and dissolved or dispersed. In the casting method, a solution or dispersion of a solid electrolyte is cast on a horizontal support (for example, a glass plate, a tray, etc.), and the solvent used in the polymerization reaction is evaporated. The solvent is evaporated by reducing and / or heating the cast solution or dispersion. Specifically, it is preferable to heat and dry at 90 to 150 ° C. for about 1 to 180 minutes. The pressure during the heat drying treatment is preferably normal pressure to 10 mmHg (absolute pressure).

製膜したフィルム(皮膜)をさらに加熱するのが好ましく、これにより共重合体中に組み込まれたリン酸基間で縮合が起こり、機械的強度及び耐溶剤性が向上する。具体的には90〜100℃で20分〜3時間程度加熱乾燥処理するのが好ましい。加熱乾燥処理時の圧力は常圧〜10 mmHg(絶対圧)とするのが好ましい。   It is preferable to further heat the formed film (coating), whereby condensation occurs between phosphoric acid groups incorporated in the copolymer, and mechanical strength and solvent resistance are improved. Specifically, it is preferable to heat and dry at 90 to 100 ° C. for about 20 minutes to 3 hours. The pressure during the heat drying treatment is preferably normal pressure to 10 mmHg (absolute pressure).

減圧及び/又は加熱により溶媒を蒸発させて得られた膜は、不純物(残留溶媒、単量体等の未反応成分等)を抽出するのが好ましい。抽出は膜を貧溶媒に浸漬した後、取り出すことにより行う。貧溶媒としては水、メタノール等が好ましい。1回の抽出操作に使用する貧溶媒の量は、膜の10倍容積〜100倍容積とする。浸漬温度は通常室温でよく、必要に応じて膜が劣化しない程度に加熱しても構わない。浸漬時間に関して、例えば貧溶媒として水又はメタノールを用いて室温で抽出する場合、約24時間浸漬すれば、1回の抽出操作でほぼ不純物を抽出できる。必要に応じて、貧溶媒による抽出を繰り返してもよい。   The film obtained by evaporating the solvent by decompression and / or heating preferably extracts impurities (residual solvent, unreacted components such as monomers). Extraction is performed by immersing the membrane in a poor solvent and then removing it. As the poor solvent, water, methanol and the like are preferable. The amount of the poor solvent used for one extraction operation is 10 to 100 times the volume of the membrane. The immersion temperature is usually room temperature, and if necessary, the film may be heated to such an extent that the film does not deteriorate. Regarding the immersion time, for example, when extraction is performed at room temperature using water or methanol as a poor solvent, the impurities can be substantially extracted by one extraction operation if immersed for about 24 hours. You may repeat extraction by a poor solvent as needed.

本発明の固体高分子電解質膜の厚さは通常30〜200μmとし、好ましくは30〜150μmとする。本発明の固体高分子共重合体からなる膜は、共重合後に不純物を抽出しない場合、メタノール抽出率が15質量%以下であるが、耐メタノール性が格段に優れているわけではない。ここでメタノール抽出率は、膜を大過剰のメタノールに室温で24時間浸漬し、105℃で10分間乾燥した後の質量減少を測定したものである。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is usually 30 to 200 μm, preferably 30 to 150 μm. The film made of the solid polymer copolymer of the present invention has a methanol extraction rate of 15% by mass or less when impurities are not extracted after copolymerization, but the methanol resistance is not particularly excellent. Here, the methanol extraction rate is obtained by measuring the mass loss after the membrane was immersed in a large excess of methanol at room temperature for 24 hours and dried at 105 ° C. for 10 minutes.

このような特性を有する本発明の固体高分子電解質膜は、直接型メタノール固体高分子型燃料電池に用いる場合、上記のように貧溶媒(メタノール)を用いて抽出した上で用いるのが好ましい。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention having such characteristics is preferably used after being extracted with a poor solvent (methanol) as described above when used in a direct methanol solid polymer fuel cell.

[3] 固体高分子電解質膜の特性
以上のような製造方法により得られる本発明の固体高分子電解質膜は、上記有機ケイ素化合物とリン酸基含有不飽和単量体とが付加共重合してなり、かつ実質的にシロキサン架橋していない。ここで「実質的にシロキサン架橋していない」とは、有機ケイ素化合物に由来するポリシロキサン主骨格(主鎖)同士がシロキサン結合した構造(シロキサン架橋構造)を有しないことを意味する。上記のように有機ケイ素化合物は、側鎖及び末端が有機基により形成されているが、有機基はケイ素−炭素結合により直鎖状ポリシロキサン主骨格の各ケイ素原子に結合している。有機基の一部は水素基に置換されていてもよいが、その場合、水素基はケイ素−水素結合によりポリシロキサン主骨格のケイ素原子に結合している。そのため有機ケイ素化合物は、アルコキシ基及びシラノール基を含まない。よって上記のような方法により固体高分子電解質膜を製造しても、一般的にアルコキシ基間又はシラノール基とアルコキシ基間の縮合反応(ゾルゲル反応)により生じるシロキサン結合が生成しないので、シロキサン架橋構造は形成されない。固体高分子電解質膜の共重合構造に特に制限はなく、例えばブロック共重合体又はグラフト共重合体のいずれでもよい。
[3] Characteristics of the solid polymer electrolyte membrane The solid polymer electrolyte membrane of the present invention obtained by the production method as described above is obtained by addition copolymerization of the organosilicon compound and a phosphate group-containing unsaturated monomer. And substantially free of siloxane crosslinking. Here, “substantially not siloxane crosslinked” means that the polysiloxane main skeleton (main chain) derived from the organosilicon compound does not have a structure in which siloxane bonds are formed (siloxane crosslinked structure). As described above, in the organosilicon compound, the side chain and the terminal are formed of an organic group, and the organic group is bonded to each silicon atom of the linear polysiloxane main skeleton through a silicon-carbon bond. A part of the organic group may be substituted with a hydrogen group. In this case, the hydrogen group is bonded to the silicon atom of the polysiloxane main skeleton through a silicon-hydrogen bond. Therefore, the organosilicon compound does not contain an alkoxy group or a silanol group. Therefore, even when a solid polymer electrolyte membrane is produced by the method as described above, a siloxane cross-linking structure is generally not generated because a siloxane bond generated by a condensation reaction (sol-gel reaction) between alkoxy groups or between silanol groups and alkoxy groups is not generated. Is not formed. There is no restriction | limiting in particular in the copolymer structure of a solid polymer electrolyte membrane, For example, any of a block copolymer or a graft copolymer may be sufficient.

本発明の固体高分子電解質膜は、50〜95%の相対湿度及び30〜90℃の温度条件下において導電率が10-4〜10-2 S/cmの優れたプロトン伝導性を有し、かかるプロトン導電率の温度依存性及び湿度依存性が小さい。例えば50℃の温度で相対湿度を90%から50%まで降下させながら測定した場合でも、50℃の温度で相対湿度を50%から90%まで上昇させながら測定した場合でも、プロトン伝導性の湿度依存性は小さい。特に50%の相対湿度及び50℃の温度でのプロトン導電率は1×10-3 S/cm以上であるという特徴を有する。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent proton conductivity with a conductivity of 10 −4 to 10 −2 S / cm under a relative humidity of 50 to 95% and a temperature of 30 to 90 ° C., Such proton conductivity has low temperature dependency and humidity dependency. For example, even when measuring relative humidity from 90% to 50% at a temperature of 50 ° C, or when measuring relative humidity from 50% to 90% at a temperature of 50 ° C, proton-conductive humidity The dependency is small. In particular, the proton conductivity at a relative humidity of 50% and a temperature of 50 ° C. is 1 × 10 −3 S / cm or more.

そのため本発明の固体高分子電解質膜を用いると、燃料電池システムの加湿装置及びその付随装置を縮小化し、システム構築コストを低減することができる。ここで導電率とは、複素インピーダンス法により測定したデータを平面複素インピーダンス解析し、さらにcole-cole プロット図形処理をして得られた抵抗値から求めたものである。本発明の固体高分子電解質膜は、(1) 有機ケイ素化合物単位のポリシロキサン主骨格及び側鎖・末端の有機基、並びにリン酸基含有不飽和単量体単位のエチレン性不飽和結合に由来する炭化水素骨格からなる疎水部と、(2) リン酸基含有不飽和単量体に由来するリン酸基、エステル結合及びアルキレンオキシド基の連鎖からなる親水部とを有する構造をとるので、リン酸基等からなる親水部が効率的なプロトン伝導経路となるものと推測される。   For this reason, when the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used, the humidifier and its associated device of the fuel cell system can be reduced, and the system construction cost can be reduced. Here, the conductivity is obtained from a resistance value obtained by performing plane complex impedance analysis on data measured by the complex impedance method and further performing cole-cole plot graphic processing. The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is derived from (1) an organic silicon compound unit polysiloxane main skeleton and side chain / terminal organic groups, and an ethylenically unsaturated bond of a phosphate group-containing unsaturated monomer unit. Since it has a structure having a hydrophobic part consisting of a hydrocarbon skeleton and a hydrophilic part consisting of (2) a phosphate group derived from a phosphate group-containing unsaturated monomer, an ester bond and an alkylene oxide group, It is presumed that the hydrophilic part composed of an acid group or the like becomes an efficient proton conduction path.

[4] 燃料電池
燃料電池の構造は公知のものでよい。通常燃料電池は複数個の単位燃料電池(膜−電極接合体)を、セパレータを介して積層することにより形成することができる。単位燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その両側に接合されたアノード電極及びカソード電極とから構成される。電極は、ガス拡散層(多孔性の炭素系材料等)と触媒層(白金粒子等)とからなる。触媒層はガス拡散層上に触媒粒子が塗布されることにより形成される。
[4] Fuel Cell The structure of the fuel cell may be a known one. Usually, a fuel cell can be formed by laminating a plurality of unit fuel cells (membrane-electrode assemblies) via separators. The unit fuel cell is composed of a solid polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode bonded to both sides thereof. The electrode is composed of a gas diffusion layer (such as a porous carbon-based material) and a catalyst layer (such as platinum particles). The catalyst layer is formed by applying catalyst particles on the gas diffusion layer.

セパレータは、燃料ガス(水素、メタン、メタノール等)と酸化剤ガス(酸素又は空気)とを分離すると共に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を確保し、さらに燃料電池セルで発電した電気を外部へ伝達する役割を担う。従ってセパレータは、炭素材料、炭素複合材料(カーボンと熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂との複合材料等)、金属材料、金属複合材料(金属とカーボンとの複合材料等)等の導電性材料から形成される。またセパレータの表面には電極との接触部分に燃料ガス及び酸化剤ガスの流路をなす溝(反応ガス流路)が形成されている。   The separator separates fuel gas (hydrogen, methane, methanol, etc.) and oxidant gas (oxygen or air), secures a flow path for the fuel gas and oxidant gas, and further generates electricity generated by the fuel cell. It plays a role to communicate outside. Accordingly, the separator is made of a conductive material such as a carbon material, a carbon composite material (such as a composite material of carbon and a thermosetting resin or a thermoplastic resin), a metal material, or a metal composite material (such as a composite material of a metal and carbon). It is formed. Further, a groove (reactive gas flow path) that forms a flow path for the fuel gas and the oxidant gas is formed on the surface of the separator at the contact portion with the electrode.

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1〜18
表3に示す組成のリン酸基含有不飽和単量体(Phosmer)含有液、及び有機ケイ素化合物(両末端メタクリル変性シリコーン、商品名「X-22-164AS」、Mw:973、信越化学工業株式会社製)含有液(溶媒:n-ブタノール、濃度:10質量%)を各々調製し、表4に示す配合割合に従い、共重合体を調製した。還流冷却管、滴下漏斗、温度計及び窒素ガス導入管を接続した反応装置に、両末端メタクリル変性シリコーンオイル(X-22-164AS)含有液を入れ、気相部に窒素ガスを導入しながら攪拌し、重合温度80℃まで昇温した。内温が80℃に到達したことを確認後、滴下漏斗に入れたリン酸基含有不飽和単量体含有液を滴下した。その後3時間共重合させて、共重合体を含む溶液を得た。冷却した後、溶液をテフロン(登録商標)シート上に流延し、減圧加熱して溶媒を除去した後、表4に示す条件で加熱することにより固体高分子電解質膜を作製した。
Examples 1-18
Phosmer-containing unsaturated monomer (Phosmer) -containing liquid having the composition shown in Table 3 and an organosilicon compound (both ends methacryl-modified silicone, trade name “X-22-164AS”, Mw: 973, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) Company-made) liquids (solvent: n-butanol, concentration: 10% by mass) were prepared, and copolymers were prepared according to the blending ratios shown in Table 4. Put a solution containing methacryl-modified silicone oil (X-22-164AS) at both ends into a reactor connected with a reflux condenser, dropping funnel, thermometer, and nitrogen gas inlet, and stir while introducing nitrogen gas into the gas phase The temperature was raised to a polymerization temperature of 80 ° C. After confirming that the internal temperature reached 80 ° C., the phosphate group-containing unsaturated monomer-containing liquid placed in the dropping funnel was added dropwise. Thereafter, copolymerization was performed for 3 hours to obtain a solution containing the copolymer. After cooling, the solution was cast on a Teflon (registered trademark) sheet, heated under reduced pressure to remove the solvent, and then heated under the conditions shown in Table 4 to produce a solid polymer electrolyte membrane.

Figure 0004602845
Figure 0004602845

注:(1) n-ブタノール溶媒。Phosmerに対して0.2質量%のAIBNを含む。
(2) アシッド・ホスホオキシポリオキシエチレングリコールモノメタクリレート(分子量:342)。
(3) アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(分子量:456)。
(4) アシッド・ホスホオキシエチルメタクリレート(分子量:210)。
(5) 商品名「NK オリゴ U-4HA」(Mw:516、新中村化学工業株式会社製)。
Note: (1) n-butanol solvent. Contains 0.2% AIBN by weight with respect to Phosmer.
(2) Acid phosphooxypolyoxyethylene glycol monomethacrylate (molecular weight: 342).
(3) Acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (molecular weight: 456).
(4) Acid phosphooxyethyl methacrylate (molecular weight: 210).
(5) Product name “NK Oligo U-4HA” (Mw: 516, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.).

Figure 0004602845
表4(続き)
Figure 0004602845
表4(続き)
Figure 0004602845
表4(続き)
Figure 0004602845
表4(続き)
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表4(続き)
Figure 0004602845
Figure 0004602845
Table 4 (continued)
Figure 0004602845
Table 4 (continued)
Figure 0004602845
Table 4 (continued)
Figure 0004602845
Table 4 (continued)
Figure 0004602845
Table 4 (continued)
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注:(1) アシッド・ホスホオキシポリオキシエチレングリコールモノメタクリレート(分子量:342)。
(2) アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(分子量:456)。
(3) アシッド・ホスホオキシエチルメタクリレート(分子量:210)。
(4) 両末端メタクリル変性シリコーン、商品名「X-22-164AS」、Mw:973、信越化学工業株式会社製。
(5) 商品名「NK オリゴ U-4HA」(Mw:516、新中村化学工業株式会社製)。
(6) リン酸基含有不飽和単量体含有液を有機ケイ素化合物含有液に滴下。
(7) 反応溶液中の原料[リン酸基含有不飽和単量体+有機ケイ素化合物(+その他の不飽和化合物)]の初期濃度。
(8) 2, 2 ’ -アゾビスイソブチロニトリル。
(9) ビスメトロン粘度計により測定。
(10) 膜を大過剰のメタノールに室温で24時間浸漬し、105℃で10分間乾燥した後の質量減少を測定。
Notes: (1) Acid phosphooxypolyoxyethylene glycol monomethacrylate (molecular weight: 342).
(2) Acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (molecular weight: 456).
(3) Acid phosphooxyethyl methacrylate (molecular weight: 210).
(4) Methacrylate modified silicone at both ends, trade name “X-22-164AS”, Mw: 973, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
(5) Product name “NK Oligo U-4HA” (Mw: 516, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.).
(6) The phosphate group-containing unsaturated monomer-containing solution is dropped into the organosilicon compound-containing solution.
(7) Initial concentration of raw material [phosphate group-containing unsaturated monomer + organosilicon compound (+ other unsaturated compound)] in the reaction solution.
(8) 2, 2 '-Azobisisobutyronitrile.
(9) Measured with a bismetholone viscometer.
(10) Measure the mass loss after immersing the membrane in a large excess of methanol at room temperature for 24 hours and drying at 105 ° C for 10 minutes.

<メタノール抽出試験>
実施例1〜18の固体高分子電解質膜を、大過剰のメタノールに室温で24時間浸漬し、105℃で10分間乾燥した後の質量減少を測定した。表4から、いずれの膜でも15質量%以下の優れたメタノール抽出率を示した。
<Methanol extraction test>
The mass loss after the solid polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 18 were immersed in a large excess of methanol at room temperature for 24 hours and dried at 105 ° C. for 10 minutes was measured. Table 4 shows an excellent methanol extraction rate of 15% by mass or less in any membrane.

<プロトン伝導性の評価>
プロトン伝導性は複素インピーダンス法を用いて測定した。実施例1〜18の膜から切り出した3cm×1cmの矩形状サンプルを、開放系インピーダンスセルに設置した。このセルを恒温恒湿器内に設置し、インピーダンス測定を行った(相対湿度:90%、測定温度:35、50、65、80℃)。得られたデータを平面複素インピーダンス解析し、その結果をcole-cole プロット図形処理をして得られたサンプルの抵抗値から導電率を求めた(以下同じ)。結果を図1〜6に示す。
<Evaluation of proton conductivity>
Proton conductivity was measured using the complex impedance method. A 3 cm × 1 cm rectangular sample cut out from the membranes of Examples 1 to 18 was placed in an open impedance cell. This cell was installed in a thermo-hygrostat and impedance measurement was performed (relative humidity: 90%, measurement temperature: 35, 50, 65, 80 ° C.). The obtained data was subjected to planar complex impedance analysis, and the conductivity was obtained from the resistance value of the sample obtained by performing the cole-cole plot figure processing (the same applies hereinafter). The results are shown in FIGS.

実施例2、7及び8の膜について、50℃の一定温度で、相対湿度を段階的に降下させて(相対湿度:90、70、60、50%)、各相対湿度でインピーダンス法により導電性測定を行った。参考例として、パーフルオロ骨格の側鎖にスルホン酸基を有するフッ素系高分子電解質膜(商品名「Nafion112」、デュポン株式会社製)についても同様にして測定した。結果を図7に示す。   For the membranes of Examples 2, 7 and 8, the relative humidity was decreased stepwise at a constant temperature of 50 ° C. (relative humidity: 90, 70, 60, 50%), and the conductivity was measured by the impedance method at each relative humidity. Measurements were made. As a reference example, the same measurement was performed on a fluorine-based polymer electrolyte membrane (trade name “Nafion112”, manufactured by DuPont) having a sulfonic acid group in the side chain of the perfluoro skeleton. The results are shown in FIG.

実施例2、7及び8の膜について、50℃の一定温度で、相対湿度を段階的に上昇させて(相対湿度:50、60、70、90%)、各相対湿度でインピーダンス法により導電性測定を行った。参考例として、Nafion112についても同様にして測定した。結果を図8に示す。   For the membranes of Examples 2, 7, and 8, the relative humidity was increased stepwise at a constant temperature of 50 ° C. (relative humidity: 50, 60, 70, 90%), and the conductivity was measured by the impedance method at each relative humidity. Measurements were made. As a reference example, Nafion 112 was measured in the same manner. The results are shown in FIG.

図1〜6に示す結果から、実施例1〜18の固体高分子電解質膜の導電率は、90%の相対湿度及び35〜80℃の温度範囲において、10-3〜10-2 S/cmのオーダーにあり、リン酸基を官能基とする高分子電解質としては良好な水準であり、かつ導電率の温度依存性が小さいことが分かる。また図7及び8に示す結果から、50℃の温度及び50〜90%の相対湿度範囲において、Nafion112は湿度低下に従い導電率が低下しているが、実施例2、7、8の固体高分子電解質膜は導電率が10-3〜10-2 S/cmのオーダーにあり、かつNafion112に比べて導電率の湿度依存性が小さいことが分かる。本発明の固体高分子電解質膜は、高湿度下のみならず50%の低湿度下でのプロトン伝導性にも優れていた。 From the results shown in FIGS. 1 to 6, the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 18 is 10 −3 to 10 −2 S / cm at a relative humidity of 90% and a temperature range of 35 to 80 ° C. It can be seen that the polymer electrolyte having a phosphate group as a functional group is in a good level, and the temperature dependence of conductivity is small. Further, from the results shown in FIGS. 7 and 8, Nafion 112 has a decrease in conductivity as the humidity decreases at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity range of 50 to 90%. It can be seen that the electrolyte membrane has a conductivity on the order of 10 −3 to 10 −2 S / cm, and the conductivity is less dependent on humidity than Nafion 112. The solid polymer electrolyte membrane of the present invention was excellent in proton conductivity not only under high humidity but also under low humidity of 50%.

実施例1〜3の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and electrical conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Examples 1-3. 実施例4及び5の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and electrical conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Example 4 and 5. FIG. 実施例6〜8の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and electrical conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Examples 6-8. 実施例9〜11の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and electrical conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Examples 9-11. 実施例12〜15の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and electrical conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Examples 12-15. 実施例16〜18の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and electrical conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Examples 16-18. 実施例2、7、8及び参考例の固体高分子電解質膜について、相対湿度を段階的に降下させながら導電率を測定した場合の相対湿度(%)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。For the solid polymer electrolyte membranes of Examples 2, 7, 8 and Reference Example, the relative humidity (%) and the conductivity log (σ / S · cm when the conductivity was measured while the relative humidity was lowered stepwise It is a graph which shows the relationship with 1 ) by a cole-cole plot. 実施例2、7、8及び参考例の固体高分子電解質膜について、相対湿度を段階的に上昇させながら導電率を測定した場合の相対湿度(%)と導電率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。For the solid polymer electrolyte membranes of Examples 2, 7, 8 and Reference Example, the relative humidity (%) and the conductivity log (σ / S · cm when the conductivity was measured while increasing the relative humidity stepwise. It is a graph which shows the relationship with 1 ) by a cole-cole plot.

Claims (11)

(a) ポリシロキサンからなる主骨格を有し、前記ポリシロキサン主骨格の各ケイ素原子にはケイ素−炭素結合により有機基が結合して側鎖及び末端を形成しており、前記有機基のうちの少なくとも一個がエチレン性不飽和結合を有する不飽和結合含有有機ケイ素化合物と、(b) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を各々1個以上有するリン酸基含有不飽和単量体とが付加共重合してなり、かつ実質的にシロキサン架橋していない固体高分子電解質膜であって、前記リン酸基含有不飽和単量体が、
下記一般式(5):
Figure 0004602845
(ただしR13は水素基又はアルキル基であり、R14は置換又は無置換のアルキレン基であり、xは1〜6の整数である。)により表される化合物と、
下記一般式(6):
Figure 0004602845
(ただしR15及びR17はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R16及びR18はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、x'及びx''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体、下記一般式(7):
Figure 0004602845
(ただしR19及びR21はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R20及びR22はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、y及びy'はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体、及び下記一般式(8):
Figure 0004602845
(ただしR23、R25及びR27はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R24、R26及びR28はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、z、z'及びz''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種と
の混合物からなることを特徴とする固体高分子電解質膜。
(a) having a main skeleton composed of polysiloxane, each silicon atom of the polysiloxane main skeleton is bonded with an organic group by a silicon-carbon bond to form a side chain and a terminal, An unsaturated bond-containing organosilicon compound in which at least one of them has an ethylenically unsaturated bond, and (b) a phosphate group-containing unsaturated monomer having at least one phosphate group and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule Is a solid polymer electrolyte membrane that is addition-copolymerized and is not substantially siloxane crosslinked, wherein the phosphate group-containing unsaturated monomer is,
The following general formula (5):
Figure 0004602845
Wherein R 13 is a hydrogen group or an alkyl group, R 14 is a substituted or unsubstituted alkylene group, and x is an integer of 1 to 6, and
The following general formula (6):
Figure 0004602845
(However, R 15 and R 17 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 16 and R 18 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and x ′ and x ″ are each independently 1 to 1) A phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the following general formula (7):
Figure 0004602845
(However, R 19 and R 21 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 20 and R 22 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and y and y ′ are each independently 1-6. A pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the following general formula (8):
Figure 0004602845
(However, R 23 , R 25 and R 27 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 24 , R 26 and R 28 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and z, z ′ and z '' Each independently represents an integer of 1 to 6.) characterized in that it comprises a mixture with at least one selected from the group consisting of phosphate group-containing triester unsaturated monomers. Solid polymer electrolyte membrane.
請求項1に記載の固体高分子電解質膜において、前記一般式(5)により表される化合物のR13は−H基又は−CH3基であり、R14は−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であり、前記一般式(6)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体のR15及びR17はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であり、R16及びR18はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であり、前記一般式(7)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体のR19及びR21はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であり、R20及びR22はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であり、前記一般式(8)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体のR23、R25及びR27はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であり、R24、R26及びR28はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であることを特徴とする固体高分子電解質膜。 2. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein R 13 of the compound represented by the general formula (5) is a —H group or a —CH 3 group, and R 14 is a — (CH 2 ) 2 — group. , —CH 2 CH 2 (CH 3 ) — group, —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or — (CH 2 ) 4 — group, represented by the general formula (6) R 15 and R 17 of the contained diester unsaturated monomer are each independently —H group or —CH 3 group, and R 16 and R 18 are each independently —— (CH 2 ) 2 — group, —CH 2. A CH 2 (CH 3 ) — group, a —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or a — (CH 2 ) 4 — group, and a pyrophosphate group-containing unsaturated single group represented by the general formula (7). R 19 and R 21 in the monomer are each independently —H group or —CH 3 group, and R 20 and R 22 are each independently — (CH 2 ) 2 — group, —CH 2 CH 2 (CH 3 ). -Group, -CH 2 CH 2 (CH 2 Cl)-group or-(CH 2 ) 4 -group, and a phosphate group-containing triester-based unsaturated compound represented by the general formula (8). R 23 , R 25 and R 27 of the sum monomer are each independently -H group or -CH 3 group, and R 24 , R 26 and R 28 are each independently-(CH 2 ) 2 -group,- CH 2 CH 2 (CH 3) - group, -CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) - group or a - (CH 2) 4 - solid polymer electrolyte membrane, which is a group. (a) ポリシロキサンからなる主骨格を有し、前記ポリシロキサン主骨格の各ケイ素原子にはケイ素−炭素結合により有機基が結合して側鎖及び末端を形成しており、前記有機基のうちの少なくとも一個がエチレン性不飽和結合を有する不飽和結合含有有機ケイ素化合物と、(b) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を各々1個以上有するリン酸基含有不飽和単量体と、(c) 分子内にエチレン性不飽和結合を2個以上含む硬化剤とが共重合してなり、かつ実質的にシロキサン架橋していない固体高分子電解質膜であって、前記硬化剤が、下記一般式(9):
Figure 0004602845
(ただしR 29 〜R 32 はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R 33 はアルキレン基である。)により表される4官能性ウレタン(メタ)アクリレート、下記一般式(10):
Figure 0004602845
(ただしR 29' 〜R 31' はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R 33' はアルキレン基である。)により表される3官能性ウレタン(メタ)アクリレート、及び下記一般式(11):
Figure 0004602845
(ただしR 29'' 及びR 31'' はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R 33'' はアルキレン基である。)により表される2官能性ウレタン(メタ)アクリレートからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
(a) having a main skeleton composed of polysiloxane, each silicon atom of the polysiloxane main skeleton is bonded with an organic group by a silicon-carbon bond to form a side chain and a terminal, An unsaturated bond-containing organosilicon compound in which at least one of them has an ethylenically unsaturated bond, and (b) a phosphate group-containing unsaturated monomer having at least one phosphate group and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule And (c) a solid polymer electrolyte membrane that is copolymerized with a curing agent containing two or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule and is substantially not crosslinked with siloxane , wherein the curing agent comprises: The following general formula (9):
Figure 0004602845
(Wherein R 29 to R 32 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 33 is an alkylene group.), A tetrafunctional urethane (meth) acrylate represented by the following general formula (10):
Figure 0004602845
(Wherein R 29 ′ to R 31 ′ each independently represents a hydrogen group or a methyl group, and R 33 ′ represents an alkylene group), and a trifunctional urethane (meth) acrylate represented by the following general formula (11 ):
Figure 0004602845
(However, R 29 ″ and R 31 ″ are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 33 ″ is an alkylene group.) From the group consisting of bifunctional urethane (meth) acrylates represented by A solid polymer electrolyte membrane, which is at least one selected .
請求項3に記載の固体高分子電解質膜において、前記リン酸基含有不飽和単量体は、(b-1) 下記一般式(5):
Figure 0004602845
(ただしR13は水素基又はアルキル基であり、R14は置換又は無置換のアルキレン基であり、xは1〜6の整数である。)により表される化合物からなるか、
(b-2) 前記一般式(5)により表される化合物と、下記一般式(6):
Figure 0004602845
(ただしR15及びR17はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R16及びR18はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、x'及びx''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体、下記一般式(7):
Figure 0004602845
(ただしR19及びR21はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R20及びR22はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、y及びy'はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体、及び下記一般式(8):
Figure 0004602845
(ただしR23、R25及びR27はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R24、R26及びR28はそれぞれ独立に置換又は無置換のアルキレン基であり、z、z'及びz''はそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種との混合物からなることを特徴とする固体高分子電解質膜。
4. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 3, wherein the phosphate group-containing unsaturated monomer is (b-1) the following general formula (5):
Figure 0004602845
(Wherein R 13 is a hydrogen group or an alkyl group, R 14 is a substituted or unsubstituted alkylene group, and x is an integer of 1 to 6), or
(b-2) the compound represented by the general formula (5) and the following general formula (6):
Figure 0004602845
(However, R 15 and R 17 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 16 and R 18 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and x ′ and x ″ are each independently 1 to 1) A phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the following general formula (7):
Figure 0004602845
(However, R 19 and R 21 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 20 and R 22 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and y and y ′ are each independently 1-6. A pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the following general formula (8):
Figure 0004602845
(However, R 23 , R 25 and R 27 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 24 , R 26 and R 28 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group, and z, z ′ and z '' Each independently represents an integer of 1 to 6.) characterized in that it comprises a mixture with at least one selected from the group consisting of phosphate group-containing triester unsaturated monomers. Solid polymer electrolyte membrane.
請求項4に記載の固体高分子電解質膜において、前記一般式(5)により表される化合物のR13は−H基又は−CH3基であり、R14は−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であり、前記一般式(6)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体のR15及びR17はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であり、R16及びR18はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であり、前記一般式(7)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体のR19及びR21はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であり、R20及びR22はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であり、前記一般式(8)により表されるリン酸基含有トリエステル系不飽和単量体のR23、R25及びR27はそれぞれ独立に−H基又は−CH3基であり、R24、R26及びR28はそれぞれ独立に−(CH2)2−基、−CH2CH2(CH3)−基、−CH2CH2(CH2Cl)−基又は−(CH2)4−基であることを特徴とする固体高分子電解質膜。 5. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein R 13 of the compound represented by the general formula (5) is a —H group or a —CH 3 group, and R 14 is a — (CH 2 ) 2 — group. , —CH 2 CH 2 (CH 3 ) — group, —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or — (CH 2 ) 4 — group, represented by the general formula (6) R 15 and R 17 of the contained diester unsaturated monomer are each independently —H group or —CH 3 group, and R 16 and R 18 are each independently —— (CH 2 ) 2 — group, —CH 2. A CH 2 (CH 3 ) — group, a —CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) — group or a — (CH 2 ) 4 — group, and a pyrophosphate group-containing unsaturated single group represented by the general formula (7). R 19 and R 21 in the monomer are each independently —H group or —CH 3 group, and R 20 and R 22 are each independently — (CH 2 ) 2 — group, —CH 2 CH 2 (CH 3 ). -Group, -CH 2 CH 2 (CH 2 Cl)-group or-(CH 2 ) 4 -group, and a phosphate group-containing triester-based unsaturated compound represented by the general formula (8). R 23 , R 25 and R 27 of the sum monomer are each independently -H group or -CH 3 group, and R 24 , R 26 and R 28 are each independently-(CH 2 ) 2 -group,- CH 2 CH 2 (CH 3) - group, -CH 2 CH 2 (CH 2 Cl) - group or a - (CH 2) 4 - solid polymer electrolyte membrane, which is a group. 請求項1〜のいずれかに記載の固体高分子電解質膜において、前記有機ケイ素化合物は、下記一般式(1):
Figure 0004602845
(ただしR1〜R4はそれぞれ独立にエチレン性不飽和結合を有する有機基、置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、かつR1〜R4のいずれかはエチレン性不飽和結合を有する有機基であり、R5及びR6はそれぞれ独立に置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、m及びnは各々1以上の整数である。)により表される化合物、及び/又は下記一般式(2):
Figure 0004602845
(ただしR7は水素基又はアルキル基であり、R8は置換又は無置換のアルキレン基であり、R9〜R12はそれぞれ独立に置換もしくは無置換のアルキル基又はアリール基であり、pは0〜2の整数である。)により表される化合物であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5 , wherein the organosilicon compound is represented by the following general formula (1):
Figure 0004602845
(However, R 1 to R 4 are each independently an organic group having an ethylenically unsaturated bond, a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and any of R 1 to R 4 represents an ethylenically unsaturated bond. And R 5 and R 6 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and m and n are each an integer of 1 or more, and / or The following general formula (2):
Figure 0004602845
(However, R 7 is a hydrogen group or an alkyl group, R 8 is a substituted or unsubstituted alkylene group, R 9 to R 12 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group or an aryl group, and p is It is an integer of 0-2.) The solid polymer electrolyte membrane characterized by the above-mentioned.
請求項に記載の固体高分子電解質膜において、前記一般式(1)により表される化合物のR1〜R4がそれぞれ独立に下記式(12):
Figure 0004602845
(ただしR34は置換又は無置換の炭素数1〜6のアルキレン基であり、R35は水素基又はメチル基である。)により表される(メタ)アクリレート基、置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキル基、又は炭素数6〜12のアリール基であり、かつR1〜R4のいずれかが前記(メタ)アクリレート基であり、R5及びR6がそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数6〜12のアリール基であり、前記一般式(2)により表される化合物のR7が水素基又はメチル基であり、R8が置換又は無置換の炭素数1〜6のアルキレン基であり、R9〜R12がそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数6〜12のアリール基であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
7. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 6 , wherein R 1 to R 4 of the compound represented by the general formula (1) are each independently represented by the following formula (12):
Figure 0004602845
(Wherein R 34 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and R 35 is a hydrogen group or a methyl group), a (meth) acrylate group, a substituted or unsubstituted carbon number An alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, and any one of R 1 to R 4 is the (meth) acrylate group, and R 5 and R 6 are each independently substituted or unsubstituted. A substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, R 7 in the compound represented by the general formula (2) is a hydrogen group or a methyl group, and R 8 is substituted or An unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and R 9 to R 12 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms. Solid polymer electrolyte membrane.
請求項に記載の固体高分子電解質膜において、前記有機ケイ素化合物は、下記一般式(3):
Figure 0004602845
(ただしR1'〜R3'はそれぞれ独立に前記(メタ)アクリレート基、メチル基又はフェニル基であり、かつR1'〜R3'のいずれかは前記(メタ)アクリレート基であり、m及びnは各々1以上の整数である。)により表される化合物、及び/又は下記一般式(4):
Figure 0004602845
(ただしR7'は水素基又はメチル基である。)により表される化合物であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 7 , wherein the organosilicon compound is represented by the following general formula (3):
Figure 0004602845
(However, R 1 ′ to R 3 ′ are each independently the (meth) acrylate group, methyl group or phenyl group, and any of R 1 ′ to R 3 ′ is the (meth) acrylate group, m And n are each an integer of 1 or more.) And / or the following general formula (4):
Figure 0004602845
A solid polymer electrolyte membrane characterized by being a compound represented by the formula (wherein R 7 ' is a hydrogen group or a methyl group).
請求項1〜のいずれかに記載の固体高分子電解質膜において、さらに、(I)(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリル基を有する共役ジエン系液状オリゴマー、(メタ)アクリル基を有する水素化共役ジエン系液状オリゴマー、ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマー又はその誘導体、置換又は無置換のスチレン、ハロゲン化ビニル、脂肪酸置換ビニルエステル及びフッ素基含有不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種の不飽和化合物(d)、(II) スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基及び硼酸基からなる群から選ばれた少なくとも一種の酸性基と、少なくとも1個のエチレン性不飽和結合とを有する不飽和化合物(e)、又は(III) 前記不飽和化合物(d)及び(e)の混合物を共重合成分として含み、前記ビニル化芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーの誘導体が、(i) (メタ)アクリル基、イソシアネート基、水酸基、アルコキシ基、エポキシ基、炭化水素基、ウレタン結合、エステル結合及びエーテル結合のいずれかを導入する処理、及び(ii) 水素添加処理のいずれかを前記ビニル芳香族−共役ジエン系液状オリゴマーに施してなる化合物であることを特徴とする固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8 , further comprising (I) (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, (meth) acrylic acid ester, and a conjugated diene system having a (meth) acrylic group. Liquid oligomer, hydrogenated conjugated diene liquid oligomer having (meth) acrylic group, vinylated aromatic-conjugated diene liquid oligomer or derivative thereof, substituted or unsubstituted styrene, vinyl halide, fatty acid substituted vinyl ester and fluorine group At least one unsaturated compound (d) selected from the group consisting of unsaturated monomers containing (d), (II) at least one selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups and boric acid groups An unsaturated compound (e) having an acidic group and at least one ethylenically unsaturated bond, or (III) of the unsaturated compounds (d) and (e) Including a compound as a copolymerization component, the derivative of the vinylated aromatic-conjugated diene liquid oligomer is (i) a (meth) acryl group, an isocyanate group, a hydroxyl group, an alkoxy group, an epoxy group, a hydrocarbon group, a urethane bond. A solid polymer characterized by being a compound obtained by subjecting the vinyl aromatic-conjugated diene-based liquid oligomer to any one of an ester bond and an ether bond treatment, and (ii) a hydrogenation treatment Electrolyte membrane. 請求項1〜のいずれかに記載の固体高分子電解質膜において、95%以下の相対湿度及び室温〜60℃の温度でのプロトン導電率が1×10-3 S/cm以上であることを特徴とする固体高分子電解質膜。 In the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9 that a proton conductivity at 95% or less relative humidity and a temperature of room temperature to 60 ° C. is 1 × 10 -3 S / cm or more A solid polymer electrolyte membrane. 請求項1〜10のいずれかに記載の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池。 Fuel cell characterized by using a solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1-10.
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