JP5162903B2 - Anion exchange type electrolyte composition, solid electrolyte membrane and fuel cell - Google Patents

Anion exchange type electrolyte composition, solid electrolyte membrane and fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池に使用できるアニオン交換型電解質組成物、このアニオン交換型電解質組成物からなる固体電解質膜および、このアニオン交換型電解質組成物を固体電解質膜として用いたアニオン交換型固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to an anion exchange type electrolyte composition that can be used in a fuel cell, a solid electrolyte membrane comprising the anion exchange type electrolyte composition, and an anion exchange type solid polymer using the anion exchange type electrolyte composition as a solid electrolyte membrane Type fuel cell.

近年、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistants)、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の進展に伴い、その駆動電源やメモリ保持電源となる電池についても、小型化、軽量化、そして高容量化が求められてきている。現在の携帯型電子機器においては、リチウムイオン電池が駆動電源等として最も一般的に用いられている。   In recent years, along with the development of portable electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), notebook personal computers, etc., the batteries used as the driving power source and memory holding power source are also reduced in size, weight, and capacity. Has been demanded. In current portable electronic devices, lithium ion batteries are most commonly used as drive power sources and the like.

このリチウムイオン電池は、実用化当初から高い駆動電圧と電池容量を有し、携帯型電子機器の進歩に合わせるように性能改善が図られてきた。しかし、このリチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後、更なる高機能化が進む携帯型電子機器の駆動電源等として用いるには、その要求を満足できなくなりつつある。   This lithium ion battery has a high driving voltage and a battery capacity from the beginning of practical use, and has been improved in performance to match the progress of portable electronic devices. However, there is a limit to improving the performance of the lithium ion battery, and it is becoming impossible to satisfy the requirement for use as a driving power source for portable electronic devices that are further enhanced in the future.

このような背景のもとで、リチウムイオン電池に代わる新たな発電デバイスの開発が行われた結果、リチウムイオン電池に比べて数倍の高容量化が期待できる燃料電池が提案されるに至った。   Against this background, the development of a new power generation device that replaces lithium-ion batteries has resulted in the proposal of fuel cells that can be expected to have a capacity that is several times higher than lithium-ion batteries. .

一般に燃料電池は、触媒を含む燃料極(負極)および空気極(正極)と、これらの間に設けられ、所定のイオンの移動を許容する電解質層とからなる発電部を具備した構造を有している。この燃料電池においては、負極に水素や低分子量有機物質等の燃料を供給するとともに、正極に酸素(空気の形態であってもよい)を供給すると、電極に含まれる触媒の作用により各電極において電気化学的な反応が起こり、燃料を供給源として電子による電流を直接取り出すことができる。このようなメカニズムで発電する燃料電池においては、負極に燃料を補給するとともに正極に酸素を補給することにより、長時間にわたって連続発電が可能となり、二次電池と同様に使用することができ、携帯型電子機器類の電源への応用が期待されている。   In general, a fuel cell has a structure including a power generation unit including a fuel electrode (negative electrode) and an air electrode (positive electrode) containing a catalyst, and an electrolyte layer that is provided between the electrode and allows movement of predetermined ions. ing. In this fuel cell, when a fuel such as hydrogen or a low molecular weight organic substance is supplied to the negative electrode and oxygen (may be in the form of air) is supplied to the positive electrode, An electrochemical reaction takes place, and the electric current from the electrons can be directly taken out using fuel as a supply source. In a fuel cell that generates electricity by such a mechanism, by supplying fuel to the negative electrode and oxygen to the positive electrode, continuous power generation is possible over a long period of time, and it can be used in the same way as a secondary battery. Application to power sources of electronic devices is expected.

燃料電池は、その電解質の種類に基づいて、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に類別されている。携帯型電子機器類の電源としては、室温付近の低温において作動可能であること、小型に構成可能であること、振動に強く大量生産が容易な固体電解質層を備えること等の要請から、固体高分子型の燃料電池が適していると考えられている。   Fuel cells are classified into phosphoric acid type, solid polymer type, molten carbonate type, solid oxide type, and the like based on the type of electrolyte. As a power source for portable electronic devices, it is possible to operate at low temperatures around room temperature, to be compact, and to be equipped with a solid electrolyte layer that is resistant to vibration and easy to mass-produce. Molecular fuel cells are considered suitable.

固体高分子型燃料電池では、その燃料供給方法として、水素ガスを貯蔵してこの水素ガスを燃料極に直接供給する方法、有機燃料を貯蔵してこの有機燃料を改質することによって生ずる水素ガスを燃料極に供給する方法(改質型燃料電池)、液体燃料を燃料極に直接供給する方法(直接型燃料電池)等が知られている。このうち、水素を燃料とする電池は水素燃料電池と呼ばれる。   In a polymer electrolyte fuel cell, as a fuel supply method, a method of storing hydrogen gas and supplying the hydrogen gas directly to a fuel electrode, a hydrogen gas generated by storing an organic fuel and reforming the organic fuel There are known a method for supplying the fuel electrode to the fuel electrode (reformed fuel cell), a method for supplying the liquid fuel directly to the fuel electrode (direct fuel cell), and the like. Among these, a battery using hydrogen as a fuel is called a hydrogen fuel cell.

これらのうち、水素ガスを直接供給する方法は、水素ガスの取り扱いが困難であること、有機燃料を改質することによって生ずる水素ガスを燃料極に供給する方法は、改質するために装置構成が複雑になることおよび電力を必要とする装置が不可欠であることから、携帯型電子機器等に用いる小型電源としては適さない。そのため、小型電源を構成するという観点からは、液体燃料を供給する方式を採用する燃料電池、特に、液体燃料を燃料極に対して供給するダイレクト方式の燃料電池(直接型燃料電池)が注目を集めている。   Among these, the method of directly supplying hydrogen gas is difficult to handle the hydrogen gas, and the method of supplying hydrogen gas generated by reforming organic fuel to the fuel electrode is an apparatus configuration for reforming. Therefore, it is not suitable as a small power source used for portable electronic devices and the like. Therefore, from the viewpoint of configuring a small power source, a fuel cell that employs a system that supplies liquid fuel, particularly a direct-type fuel cell that supplies liquid fuel to the fuel electrode (direct fuel cell) has attracted attention. Collecting.

現在までに、多数のダイレクト方式燃料電池が開発されてきている(例えばダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)。これらの燃料電池は、その発電部への燃料供給の方式および燃料の状態により分類することができる。   To date, a large number of direct fuel cells have been developed (for example, direct methanol fuel cells (DMFC). These fuel cells are classified according to the fuel supply system and fuel condition to the power generation unit. Can do.

まず、DMFCの燃料供給方式としては、液体燃料をポンプ等の補機と呼ばれる機器で強制的に循環させる「アクティブ式」と呼ばれる方式と、液体燃料を重力や毛管現象、自然拡散により供給する「パッシブ式」と呼ばれる方式に分類できる。   First, as a fuel supply system for DMFC, a system called “active type” in which liquid fuel is forcibly circulated by a device called an auxiliary machine such as a pump, and a liquid fuel is supplied by gravity, capillary action, or natural diffusion. It can be classified into a method called "passive type".

「アクティブ式」のDMFCは、その最大の特徴として、発電反応により生成する水を回収した上でその回収した水を循環させ、供給する液体燃料の濃度を機械的に制御できることにある。これにより、DMFCの課題である発電部の電解質層を通る空気極へのメタノールの透過と、それに伴う空気極における性能の低下、いわゆるメタノールのクロスオーバを回避しつつ高濃度のメタノールの供給が可能となる。   The most important feature of the “active type” DMFC is that the concentration of the liquid fuel to be supplied can be mechanically controlled by recovering the water generated by the power generation reaction and circulating the recovered water. This makes it possible to supply high-concentration methanol while avoiding the permeation of methanol to the air electrode that passes through the electrolyte layer of the power generation unit, which is a problem of DMFC, and the accompanying performance degradation at the air electrode, so-called methanol crossover. It becomes.

しかし一方で、「アクティブ式」のDMFCは、機構が複雑で小型化が困難であること、機構を動かすための電力が必要なこと等の問題を抱えているために、携帯型電子機器等の小型電源を構成するには不向きである。これに対し、「パッシブ式」のDMFCは、機構が簡易であるため小型化が容易である。   However, on the other hand, “active” DMFCs have problems such as complicated mechanisms and difficulty in miniaturization, and the need for electric power to move the mechanism. It is not suitable for configuring a small power supply. On the other hand, the “passive type” DMFC is easy to miniaturize because of its simple mechanism.

更に、上記固体高分子型燃料電池はその高分子材料の化学的性質により分類することもできる。たとえば、固体高分子型燃料電池は、使用される高分子材料の化学構造にカチオン交換基を有するとカチオン交換型燃料電池、アニオン交換基を有するとアニオン交換型燃料電池と呼ばれる。メタノール燃料の場合における、カチオン交換型燃料電池とアニオン交換型燃料電池との電極反応を図1に示す。   Furthermore, the polymer electrolyte fuel cells can be classified according to the chemical properties of the polymer material. For example, a solid polymer fuel cell is called a cation exchange fuel cell if it has a cation exchange group in the chemical structure of the polymer material used, and an anion exchange fuel cell if it has an anion exchange group. The electrode reaction between the cation exchange fuel cell and the anion exchange fuel cell in the case of methanol fuel is shown in FIG.

図1のカチオン型燃料電池の例(燃料としてメタノールを使用)では、燃料極でメタノールと水とが反応して、プロトンと電子と二酸化炭素とが生じ、二酸化炭素は外部に放出され、電子が外部の負荷を通って空気極に至ると共に、プロトンが固体電解質中を移動して空気極に至り、そこで酸素と外部の負荷を通って空気極に至った電子と反応して水を生じる。この固体電解質はプロトンを通す電解質(プロトン型固体電解質)である。最も一般的にはSO3 -基を有する固体電解質が使用される。 In the example of the cationic fuel cell of FIG. 1 (using methanol as the fuel), methanol and water react at the fuel electrode to produce protons, electrons, and carbon dioxide, and the carbon dioxide is released to the outside. Along with reaching the air electrode through an external load, protons move through the solid electrolyte to the air electrode, where they react with oxygen and electrons that reach the air electrode through the external load to produce water. This solid electrolyte is an electrolyte that passes protons (proton-type solid electrolyte). Most commonly SO 3 - a solid electrolyte having group is used.

図1のアニオン型燃料電池の例(燃料としてメタノールを使用)では、燃料極でメタノールとヒドロキシイオンとが反応して、水と電子と二酸化炭素とが生じ、二酸化炭素は外部に放出され、電子が外部の負荷を通って空気極に至る。空気極では、酸素と外部の負荷を通って空気極に至った電子と水とが反応してヒドロキシイオンが生じ、このヒドロキシイオンが固体電解質中を移動して、燃料極に至る。この固体電解質はヒドロキシイオンを通す電解質(アニオン型固体電解質)である。最も一般的にはテトラアルキルアンモニウムカチオン基を有する固体電解質が使用される。   In the example of the anionic fuel cell in FIG. 1 (using methanol as fuel), methanol, hydroxy ions react with each other at the fuel electrode to produce water, electrons, and carbon dioxide, and the carbon dioxide is released to the outside. Reaches the air electrode through an external load. In the air electrode, oxygen and electrons that have reached the air electrode through an external load react with water to produce hydroxy ions, which move through the solid electrolyte and reach the fuel electrode. This solid electrolyte is an electrolyte (anionic solid electrolyte) that passes hydroxy ions. Most commonly, a solid electrolyte having a tetraalkylammonium cation group is used.

DMFCの場合、理論的セル電圧は、水素電池の場合と同様、1.28Vであるが、カチオン系電解質/電極層を利用するカチオン型DMFCでは、メタノールの分解過程の中間体であるCOが白金触媒に吸収され、酸性雰囲気でそのCOが解放されるためには、0.4Vの過電圧が必要である。更に、アノード(負極)に供給されるメタノールが電解質膜を通してカソード(正極)に到達する(メタノールクロスオーバー)ことでカソードの電位が下がると言われている。その結果、実際DMFCの開放回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)は0.8V以下になるのが現状である。   In the case of DMFC, the theoretical cell voltage is 1.28 V, as in the case of a hydrogen battery. However, in the case of a cationic DMFC that uses a cationic electrolyte / electrode layer, CO, which is an intermediate in the decomposition process of methanol, is platinum. In order to be absorbed by the catalyst and to release its CO in an acidic atmosphere, an overvoltage of 0.4 V is required. Furthermore, it is said that the methanol supplied to the anode (negative electrode) reaches the cathode (positive electrode) through the electrolyte membrane (methanol crossover), thereby lowering the cathode potential. As a result, the actual open circuit voltage (OCV: Open Circuit Voltage) of the DMFC is 0.8 V or less.

したがって、カチオン型DMFCの場合には、携帯機器用内蔵型燃料電池の(たとえば小型化による)普及のための要求出力密度を実現するのが困難である。この過電圧の低減のために多くの研究がなされているが、未だに充分な効果は得られていない。   Therefore, in the case of a cation type DMFC, it is difficult to realize a required output density for popularization (for example, by downsizing) of a built-in fuel cell for portable devices. Many studies have been made to reduce this overvoltage, but a sufficient effect has not yet been obtained.

一方、アニオン型燃料電池の場合、アルカリ雰囲気でのCO解放が容易であるため、過電圧はほぼゼロと、水素燃料電池と同様のセル電圧を得ることが可能である。したがって、高出力密度のDMFCの実現が期待されている。また、アニオン型燃料電池の場合、OH-イオンがカソードからアノードへ移動するのでアノードからカソードへの水とアルコールの浸透度も低く、燃料(たとえばメタノール)のクロスオーバーも小さくなり、高性能化が可能である。更に、アルカリ雰囲気であるため、非白金系触媒材料(Fe,Co,Ni等)の使用も可能で、低コスト化にも有利である。燃料に関しても、メタノール以外にも、エタノール、エチレングリコール等の無害のアルコール燃料の適用も可能である等の数多くの利点が挙げられる。これに対し、カチオン型燃料電池の場合には、非白金系触媒材料(Fe,Co,Ni等)が酸によって侵食され、メタノールを使用すると生じたCOを電極から脱着するのに0.4Vが必要となり、エタノールの場合には生じたアセトアルデヒドが電極から脱着しない等の問題を生じる。
特開2000−212306号(特許請求の範囲) 特開2005−268044号(特許請求の範囲) 特開2004−206899号(特許請求の範囲) 特開2002−203568号(特許請求の範囲) 米国特許第4,012,324号(クレーム) 米国特許第5,376,418号(クレーム) ” Journal of Electrochemical Society(ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイエティー)”,2003年,150(3),A398−A402
On the other hand, in the case of an anionic fuel cell, CO release in an alkaline atmosphere is easy, so that the overvoltage is almost zero and a cell voltage similar to that of a hydrogen fuel cell can be obtained. Therefore, realization of a high power density DMFC is expected. In the case of an anionic fuel cell, since OH ions move from the cathode to the anode, the permeability of water and alcohol from the anode to the cathode is low, the crossover of fuel (for example, methanol) is also reduced, and high performance is achieved. Is possible. Furthermore, since the atmosphere is alkaline, non-platinum catalyst materials (Fe, Co, Ni, etc.) can be used, which is advantageous for cost reduction. As for the fuel, there are many advantages in addition to methanol such that harmless alcohol fuel such as ethanol and ethylene glycol can be applied. On the other hand, in the case of a cation type fuel cell, non-platinum-based catalyst materials (Fe, Co, Ni, etc.) are eroded by acid, and 0.4 V is required to desorb CO generated from the electrodes when methanol is used. In the case of ethanol, there arises a problem that the generated acetaldehyde does not desorb from the electrode.
JP 2000-212306 (Claims) Japanese Patent Laying-Open No. 2005-268044 (Claims) JP2004-206899 (Claims) JP 2002-203568 (Claims) US Pat. No. 4,012,324 (claims) US Pat. No. 5,376,418 (claims) “Journal of Electrochemical Society”, 2003, 150 (3), A398-A402.

このアニオン交換材料の課題としては、(1)耐熱性やアルコール等の燃料に対する耐性(アルコール等の燃料に溶解したり、膨潤して機械的強度が低下することの少ないまたはない性質)、寸法安定性、アルコール等の燃料に対するブロック性(燃料の透過を防止する性質)の点で不十分であること、(2)OH-の拡散性が低いことで膜の電気抵抗が高く、膜電気抵抗を減少させるため、十分な高イオン交換容量(IEC:Ion Exchange capacity)を得ようとすると膜の燃料に対する耐性と寸法安定性とが悪化するという欠点がある。このため、十分な燃料耐性と十分なIECを持つ材料の開発が必須となっている。 The problems with this anion exchange material are: (1) heat resistance and resistance to fuels such as alcohol (properties that dissolve or swell in alcohol and other fuels, and mechanical strength does not decrease), dimensional stability sex, it is insufficient in terms of fuel for the block of such alcohols (property of preventing the permeation of fuel), (2) OH - of the low diffusivity at high electrical resistance of the membrane, the membrane electrical resistance In order to reduce this, there is a drawback in that the membrane's resistance to fuel and dimensional stability deteriorate when attempting to obtain a sufficiently high ion exchange capacity (IEC). For this reason, it is essential to develop materials having sufficient fuel resistance and sufficient IEC.

現在、燃料電池用のアニオン交換型電解質膜材料はまだ広く使用されていないが、例えば、側鎖に四級アンモニウムイオンを有するポリスチレン樹脂(特許文献1〜5参照。)が報告されている。更に、特許文献6では、ポリフェニレンエーテル等の熱可塑性高分子にクロロメチレーション法でアニオン交換基を導入する方法が提案されている。しかしながら、これらの材料の場合、樹脂材料のIECを自由に変えられないことや、充分なIECとメタノール中における膜の充分な強度とを両立することが困難であることが知られている。更に、これらアニオン交換導電性膜材料の場合には、燃料電池への適用可能性については教示されていない。   At present, anion exchange type electrolyte membrane materials for fuel cells have not been widely used. For example, polystyrene resins having quaternary ammonium ions in the side chain (see Patent Documents 1 to 5) have been reported. Further, Patent Document 6 proposes a method of introducing an anion exchange group into a thermoplastic polymer such as polyphenylene ether by a chloromethylation method. However, in the case of these materials, it is known that the IEC of the resin material cannot be freely changed, and it is difficult to achieve both sufficient IEC and sufficient strength of the film in methanol. Furthermore, in the case of these anion exchange conductive membrane materials, no applicability to fuel cells is taught.

本発明の更に他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。   Still other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.

本発明の一態様によれば、テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質組成物であって、
式(1)で表される構造単位および式(4)で表される構造単位を含んでなるアニオン交換型電解質組成物が提供される。
According to one aspect of the present invention, an anion exchange type electrolyte composition containing a tetraalkylammonium cation group,
An anion exchange type electrolyte composition comprising the structural unit represented by the formula (1) and the structural unit represented by the formula (4) is provided.

Figure 0005162903
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なお、式(1)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。 In the formula (1), X represents O or S independently of each other, Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other, and Ar may have fluorine and may be a heterocyclic ring. Represents one or more aromatic rings which may contain, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , and R 1 , independently of each other, represents an alkyl Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, and n represents an integer of 1 to 10 independently of each other. In Formula (4), E may have fluorine, may have a branched aliphatic group, may have fluorine, and may contain a heterocyclic ring Or a divalent to tetravalent group having at least one of a direct bond, a group bonded by O, S, SO or SO 2 , and these aromatic rings are derived from E A broken line means two to four single bonds depending on the valence, and m represents an integer of 2 to 4.

式(2)で表される構造単位と式(3)で表される構造単位との少なくともいずれか一方を更に含んでなることが好ましい。   It is preferable to further include at least one of the structural unit represented by the formula (2) and the structural unit represented by the formula (3).

Figure 0005162903
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なお、式(2)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。 In the formula (2), X represents O or S independently of each other, Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these Represents a group in which the aromatic ring is bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 . In the formula (3), B may have fluorine, may have a branched alkylene group, may have fluorine, and may contain one or more heterocyclic rings. Represents an aromatic ring or a divalent group having at least one of a direct bond, a group bonded with O, S, SO or SO 2 , and R 2 represents an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group.

本発明の他の一態様によれば、テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質組成物であって、
式(1’)で表される化合物および式(4’)で表される化合物を反応させることを含んでなる処理により得られるアニオン交換型電解質組成物が提供される。
According to another aspect of the present invention, an anion exchange type electrolyte composition containing a tetraalkylammonium cation group,
An anion exchange type electrolyte composition obtained by a treatment comprising reacting a compound represented by the formula (1 ′) and a compound represented by the formula (4 ′) is provided.

Figure 0005162903
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なお、式(1’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4’)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。 In the formula (1 ′), X represents O or S independently of each other, Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other, and Ar may have fluorine and may be complex. One or more aromatic rings optionally containing a ring, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , R 1 independently of each other, Represents an alkyl group, Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, and n represents an integer of 1 to 10 independently of each other. In formula (4 ′), E may have fluorine, may have a branched aliphatic group, may have fluorine, and may contain a heterocyclic ring 1 The above aromatic ring or a divalent to tetravalent group having at least one of a direct bond, a group bonded with O, S, SO, or SO 2 is represented by E, The broken line that comes out means two to four single bonds depending on the valence, and m represents an integer of 2 to 4.

式(2’)で表される化合物と式(3’)で表される化合物との少なくともいずれか一方を更に反応させることを含んでなる処理により得られることが好ましい。   It is preferably obtained by a treatment comprising further reacting at least one of the compound represented by the formula (2 ′) and the compound represented by the formula (3 ′).

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なお、式(2’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3’)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。 In the formula (2 ′), X represents O or S independently of each other, Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these Represents a group in which the aromatic ring is bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 . In formula (3 ′), B may have fluorine, may have a branched alkylene group, may have fluorine, and may contain a heterocyclic ring Or a divalent group having at least one of a direct bond, a group bonded with O, S, SO or SO 2 , and R 2 represents an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group.

前記反応が、加熱処理と活性エネルギー線照射処理との少なくともいずれか一方により行われるものであること、および、前記処理が、前記反応による生成物を塩基性水溶液中に浸漬して、カウンターイオンとしてOH-を有するようにする処理を含むこと、が好ましい。 The reaction is performed by at least one of a heat treatment and an active energy ray irradiation treatment, and the treatment is performed by immersing the product of the reaction in a basic aqueous solution as a counter ion. It is preferable to include a treatment to have OH .

更に、上記二つの態様に共通して、前記Z-がCl-またはBr-であること、および、mが2または4であること、が好ましい。 Furthermore, in common with the above two embodiments, it is preferable that Z is Cl or Br and m is 2 or 4.

上記二つの態様により、新規なアニオン交換型電解質組成物が得られる。モノマー状態でアニオン交換基を導入することによって、任意にIECを制御し、また高IECを実現することができる。三次元ネットワーク構造を最適化し、その結果、耐熱性、優れた燃料耐性(例えば高濃度アルコール耐性)、寸法安定性および燃料ブロック性のいずれかを有する固体電解質膜を得ることができる。   According to the above two embodiments, a novel anion exchange type electrolyte composition is obtained. By introducing an anion exchange group in the monomer state, IEC can be arbitrarily controlled and high IEC can be realized. The three-dimensional network structure is optimized, and as a result, a solid electrolyte membrane having any one of heat resistance, excellent fuel resistance (for example, high-concentration alcohol resistance), dimensional stability, and fuel blockability can be obtained.

本発明の更に他の態様によれば、上記のアニオン交換型電解質組成物からなる固体電解質膜や、上記のアニオン交換型電解質組成物を固体電解質膜として用いたアニオン交換型固体高分子型燃料電池が提供される。   According to still another aspect of the present invention, a solid electrolyte membrane comprising the above anion exchange electrolyte composition, or an anion exchange solid polymer fuel cell using the above anion exchange electrolyte composition as a solid electrolyte membrane Is provided.

本発明により新規なアニオン交換型電解質組成物、そのアニオン交換型電解質組成物を用いた固体電解質膜およびアニオン交換型固体高分子型燃料電池が得られる。   According to the present invention, a novel anion exchange type electrolyte composition, a solid electrolyte membrane using the anion exchange type electrolyte composition, and an anion exchange type solid polymer fuel cell can be obtained.

以下に、本発明の実施の形態を図、式、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、式、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, formulas, examples and the like. In addition, these figures, formulas, examples, etc., and explanations illustrate the present invention, and do not limit the scope of the present invention. It goes without saying that other embodiments may belong to the category of the present invention as long as they match the gist of the present invention.

本発明に係る電解質組成物は、テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質組成物であって、式(1)で表される構造単位および式(4)で表される構造単位を含んでなるアニオン交換型電解質組成物である。   The electrolyte composition according to the present invention is an anion exchange type electrolyte composition containing a tetraalkylammonium cation group, and includes a structural unit represented by the formula (1) and a structural unit represented by the formula (4). An anion exchange type electrolyte composition.

Figure 0005162903
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ここで、式(1)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。 Here, in the formula (1), X represents O or S independently of each other, Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other, and Ar may have fluorine and be complex. One or more aromatic rings optionally containing a ring, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , R 1 independently of each other, Represents an alkyl group, Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, and n represents an integer of 1 to 10 independently of each other. In Formula (4), E may have fluorine, may have a branched aliphatic group, may have fluorine, and may contain a heterocyclic ring Or a divalent to tetravalent group having at least one of a direct bond, a group bonded by O, S, SO or SO 2 , and these aromatic rings are derived from E A broken line means two to four single bonds depending on the valence, and m represents an integer of 2 to 4.

この構造により、式(1)で表される構造単位と式(4)で表される構造単位との割合に応じて、所望量のテトラアルキルアンモニウムカチオン基の組み込まれたアニオン交換型電解質組成物を得ることができる。また、このアニオン交換型電解質組成物の全体量に対する、式(4)で表される構造単位の量と、式(4)で表される構造単位におけるmの大きさと、重合の進捗度とより、所望の架橋度を実現することができる。   With this structure, an anion exchange type electrolyte composition in which a desired amount of tetraalkylammonium cation group is incorporated according to the ratio of the structural unit represented by formula (1) and the structural unit represented by formula (4). Can be obtained. Further, the amount of the structural unit represented by the formula (4), the size of m in the structural unit represented by the formula (4), and the degree of progress of polymerization with respect to the total amount of the anion exchange electrolyte composition. The desired degree of crosslinking can be realized.

本アニオン交換型電解質組成物には、式(2)で表される構造単位と式(3)で表される構造単位との少なくともいずれか一方を更に含ませてもよい。   The anion exchange electrolyte composition may further include at least one of the structural unit represented by the formula (2) and the structural unit represented by the formula (3).

Figure 0005162903
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式(2)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。 In the formula (2), X independently represents O or S, and Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine or may include a heterocyclic ring, or aromatics thereof. Represents a group in which the ring is connected by a direct bond, O, S, SO or SO 2 . In the formula (3), B may have fluorine, may have a branched alkylene group, may have fluorine, and may contain one or more heterocyclic rings. Represents an aromatic ring or a divalent group having at least one of a direct bond, a group bonded with O, S, SO or SO 2 , and R 2 represents an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group.

式(2)で表される構造単位を共用することにより、所望量のテトラアルキルアンモニウムカチオン基の組み込まれたアニオン交換型電解質組成物を得ることが更に容易になる。式(3)で表される構造単位を共用することにより、重合の進捗度や架橋度を調節することが更に容易になる。   By sharing the structural unit represented by the formula (2), it becomes easier to obtain an anion exchange type electrolyte composition having a desired amount of tetraalkylammonium cation group incorporated therein. By sharing the structural unit represented by the formula (3), it becomes easier to adjust the degree of polymerization progress and the degree of crosslinking.

なお、上記のアニオン交換型電解質組成物は、式(1)または(2)で表される構造単位と式(3)または(4)で表される構造単位とが酸素(O)を介して(すなわちエーテル結合により)結合することになる。従って、式(1)〜(4)で表される構造単位における末端では、Oが存在するものとして表すことも、Oが存在しないものとして表すことも可能である。したがって、例えば図8に示す式(1”)〜(4”)で表される構造単位の組み合わせも式(1)〜(4)で表される構造単位の組み合わせと同一の意味を有し得る。   In the anion exchange electrolyte composition, the structural unit represented by the formula (1) or (2) and the structural unit represented by the formula (3) or (4) are interposed via oxygen (O). (Ie through an ether bond). Therefore, at the terminal in the structural unit represented by the formulas (1) to (4), it can be expressed as O is present or as O is not present. Therefore, for example, combinations of structural units represented by formulas (1 ″) to (4 ″) shown in FIG. 8 may have the same meaning as combinations of structural units represented by formulas (1) to (4). .

上記のアニオン交換型電解質組成物は、公知のどのような方法によって作製してもよい。   The above anion exchange type electrolyte composition may be produced by any known method.

本発明に係るアニオン交換型電解質組成物は、たとえば、式(1’)で表される化合物および式(4’)で表される化合物を反応させることを含んでなる処理により得ることができる。   The anion exchange type electrolyte composition according to the present invention can be obtained, for example, by a treatment comprising reacting a compound represented by the formula (1 ′) and a compound represented by the formula (4 ′).

Figure 0005162903
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式(1’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4’)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。 In the formula (1 ′), X independently represents O or S, Y independently represents CH 2 or CH 2 O, and Ar represents a heterocyclic ring which may have fluorine. One or more aromatic rings which may be contained, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , R 1 is independently of each other an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, and n represents an integer of 1 to 10 independently of each other. In formula (4 ′), E may have fluorine, may have a branched aliphatic group, may have fluorine, and may contain a heterocyclic ring 1 The above aromatic ring or a divalent to tetravalent group having at least one of a direct bond, a group bonded with O, S, SO, or SO 2 is represented by E, The broken line that comes out means two to four single bonds depending on the valence, and m represents an integer of 2 to 4.

この処理により、式(1’)で表される化合物と式(4’)で表される化合物との割合に応じて、所望量のテトラアルキルアンモニウムカチオン基の組み込まれたアニオン交換型電解質組成物を得ることができる。また、原料の全体量に対する、式(4)で表される化合物の量と、式(4)で表される化合物におけるmの大きさと、重合の進捗度とより、所望の架橋度を実現することができる。   By this treatment, an anion exchange type electrolyte composition in which a desired amount of tetraalkylammonium cation group is incorporated according to the ratio of the compound represented by formula (1 ′) and the compound represented by formula (4 ′). Can be obtained. Further, a desired degree of crosslinking is realized based on the amount of the compound represented by the formula (4), the size of m in the compound represented by the formula (4), and the progress of the polymerization with respect to the total amount of the raw material. be able to.

また、上記のアニオン交換型電解質組成物は、上記の処理に加え、式(2’)で表される化合物と式(3’)で表される化合物との少なくともいずれか一方を更に反応させることを含んでなる処理によっても得られる。   Moreover, in addition to said process, said anion exchange type electrolyte composition is made to further react at least any one of the compound represented by Formula (2 '), and the compound represented by Formula (3'). Can also be obtained by a process comprising

Figure 0005162903
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式(2’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3’)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。 In the formula (2 ′), X independently represents O or S, and Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or aromatics thereof. A group ring represents a group in which a direct bond, O, S, SO, or SO 2 is bonded. In formula (3 ′), B may have fluorine, may have a branched alkylene group, may have fluorine, and may contain a heterocyclic ring Or a divalent group having at least one of a direct bond, a group bonded with O, S, SO or SO 2 , and R 2 represents an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group.

式(2’)で表される化合物を共用することにより、所望量のテトラアルキルアンモニウムカチオン基の組み込まれたアニオン交換型電解質組成物を得ることが更に容易になる。式(3’)で表される化合物を共用することにより、重合の進捗度や架橋度を調節することが更に容易になる。   By sharing the compound represented by the formula (2 '), it becomes easier to obtain an anion exchange type electrolyte composition incorporating a desired amount of tetraalkylammonium cation group. By sharing the compound represented by the formula (3 '), it becomes easier to adjust the degree of polymerization progress and the degree of crosslinking.

上記において、XとしてはOが好ましく、Yとしては、CH2Oが好ましく、Arとしては、ビスフェニルスルホン基、ビスペンチルスルホキシド基、ビスフェニルケトン基、フェニル,ビスフェニルホスフィンオキシド基、ビスフェニルパーフルオロアルキル基、ビスフェニル−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン基、ベンゾオキサゾール基、ベンズチアゾール基等が好ましく、R1やR2としてはメチル基が好ましい。nは2〜6の整数が好ましい。Eとしては、芳香族基、脂肪族基、芳香族基/脂肪族基混合物が好ましく、Bとしては、芳香族基、脂肪族基、芳香族基/脂肪族基混合物が好ましい。 In the above, X is preferably O, Y is preferably CH 2 O, and Ar is bisphenyl sulfone group, bispentyl sulfoxide group, bisphenyl ketone group, phenyl, bisphenylphosphine oxide group, bisphenyl peroxy group. A fluoroalkyl group, a bisphenyl-1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane group, a benzoxazole group, a benzthiazole group, and the like are preferable, and methyl groups are preferable as R 1 and R 2 . n is preferably an integer of 2 to 6. E is preferably an aromatic group, an aliphatic group, or an aromatic group / aliphatic group mixture, and B is preferably an aromatic group, an aliphatic group, or an aromatic group / aliphatic group mixture.

なお、アニオン交換型電解質組成物中、上記の式で表される構造単位や化合物は一種類でなく、複数種類ずつ含まれていてもよい。例えば、mやnが相異なるものが含まれていてもよい。mは、入手が容易であり、十分な架橋度が得られることから、2または4であることが好ましい。Z-についてはどのようなイオンでもよいがハロゲンイオン、特にCl-またはBr-が好ましい。 In addition, in the anion exchange type electrolyte composition, the structural unit and the compound represented by the above formula are not one type, and a plurality of types may be included. For example, the thing from which m and n differ may be contained. m is preferably 2 or 4 because it is easily available and a sufficient degree of crosslinking can be obtained. Z - may be any ion for halide ion, especially Cl - or Br - is preferred.

式(1’)で表される化合物の好適な例としては、図2に示すものを、式(2’)で表される化合物の好適な例としては、図3に示すものを、式(3’)で表される化合物の好適な例としては、図4に示すものを、式(4’)で表される化合物の好適な例としては、図5A、5B、5Cに示すものを、挙げることができる。また、図2〜図5A、5B、5Cに挙げた化合物からヒドロキシ基の水素を取り去った構造およびエポキシ基を開環させた構造を、式(1)〜(4)の好適な構造単位と考えることができる。   Preferable examples of the compound represented by the formula (1 ′) are those shown in FIG. 2, and preferred examples of the compound represented by the formula (2 ′) are those shown in FIG. Preferred examples of the compound represented by 3 ′) are those shown in FIG. 4, and preferred examples of the compound represented by formula (4 ′) are those shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C. Can be mentioned. Moreover, the structure which removed the hydrogen of the hydroxy group from the compounds listed in FIGS. 2 to 5A, 5B and 5C and the structure where the epoxy group was opened are considered as suitable structural units of the formulas (1) to (4). be able to.

式(1)〜(4)および式(1’)〜(4’)においては、同一の記号は同一の意味を有するが、相互に関係が必要であるわけではなく独立している。すなわち、本発明において、式(1)〜(4)の構造単位から適宜構成されるアニオン交換型電解質組成物は、式(1’)〜(4’)の化合物から作製されることを必須の要件とするものではなく、逆に、式(1’)〜(4’)の化合物から適宜作製されるアニオン交換型電解質組成物については、式(1)〜(4)の構造単位から構成されていることを証明する必要はない。   In the formulas (1) to (4) and the formulas (1 ') to (4'), the same symbols have the same meanings, but are not necessarily related to each other and are independent. That is, in the present invention, it is essential that the anion exchange type electrolyte composition appropriately composed of the structural units of the formulas (1) to (4) is prepared from the compounds of the formulas (1 ′) to (4 ′). On the contrary, the anion-exchange electrolyte composition appropriately prepared from the compounds of formulas (1 ′) to (4 ′) is composed of structural units of formulas (1) to (4). There is no need to prove that.

上記の反応は、任意の公知のやり方で行うことができるが、加熱処理と活性エネルギー線照射処理との少なくともいずれか一方により行われるものであることが実際的であり好ましい。加熱処理のみでも活性エネルギー線照射処理のみでも、両者を同時に併用しても、両者を異なるタイミングで採用してもよい。加熱処理の温度については特に制限はないが、120〜150℃の間が実用上好ましいことが多い。   The above reaction can be carried out in any known manner, but it is practical and preferred that it is carried out by at least one of heat treatment and active energy ray irradiation treatment. Either the heat treatment alone, the active energy ray irradiation treatment alone, or both may be used simultaneously, or both may be employed at different timings. Although there is no restriction | limiting in particular about the temperature of heat processing, Between 120-150 degreeC is often preferable practically.

上記において活性エネルギー線とは紫外線または紫外線より波長の短い電磁波を意味し、紫外線、電子線、X線、γ線等を例示することができる。照射した結果、上記化合物の反応が起これば本発明に適した活性エネルギー線といえる。この中でも、紫外線または電子線が実用的であり、好ましい場合が多い。紫外線としては、UV−A(波長315〜400nm)、UV−B(波長280〜315nm)、UV−C(波長200〜280nm)のいずれでもよい。   In the above, active energy rays mean ultraviolet rays or electromagnetic waves having a shorter wavelength than ultraviolet rays, and examples thereof include ultraviolet rays, electron beams, X-rays and γ rays. If the reaction of the above compound occurs as a result of irradiation, it can be said that the active energy ray is suitable for the present invention. Among these, ultraviolet rays or electron beams are practical and preferable in many cases. As ultraviolet rays, any of UV-A (wavelength 315 to 400 nm), UV-B (wavelength 280 to 315 nm), and UV-C (wavelength 200 to 280 nm) may be used.

なお、上記化合物の反応を促進するための触媒を共存させることが好ましい場合も多い。一般的には、イミダゾール、トリフェニルフォスフィン、スルホニウム塩類(カチオン発生剤)、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル等が好ましい。   In many cases, it is preferable to use a catalyst for promoting the reaction of the compound. In general, imidazole, triphenylphosphine, sulfonium salts (cation generator), 2,2'-azobisisobutyronitrile and the like are preferable.

上記反応による生成物は、反応による生成物を塩基性水溶液中に浸漬して、そのカウンターイオンをOH-を置換する処理を行うことが好ましい場合が多い。反応生成物がカウンターイオンとしてハロゲンイオンを有する場合には、苛性ソーダ等のアルカリの水溶液中で容易にイオン交換することができる。 In many cases, the product obtained by the reaction is preferably immersed in a basic aqueous solution and the counter ion is replaced with OH . When the reaction product has halogen ions as counter ions, it can be easily ion-exchanged in an aqueous alkali solution such as caustic soda.

上記処理には、本発明の趣旨に反しない限り、この他、種々の処理を含めることができる。この「他の種々の処理」については特に制限はなく、電解質組成物を作製するために用いられる種々の処理を含めることができる。例えば、シートまたはフィルム状の電解質組成物を得るために溶媒に溶解する処理や、架橋を更に進めるための加熱によるポストキュアを例示することができる。   Various other processes can be included in the above-described processing as long as it is not contrary to the gist of the present invention. There is no restriction | limiting in particular about this "other various process", The various process used in order to produce electrolyte composition can be included. For example, a treatment for dissolving in a solvent in order to obtain a sheet or film-like electrolyte composition, and post-cure by heating to further promote crosslinking can be exemplified.

上記のようにして得られた新規な電解質組成物は、燃料電池の固体電解質膜として、種々のアニオン交換型固体高分子型燃料電池に採用することができる。具体的には、燃料としてメタノール、エタノール、エチレングリコール等を利用する直接型燃料電池や改質型燃料電池、水素燃料電池等に使用できる。この固体電解質膜は、耐熱性、高濃度雰囲気下での寸法安定性と燃料耐性、燃料ブロック性に優れており、高ICEを実現することができる。   The novel electrolyte composition obtained as described above can be employed in various anion exchange solid polymer fuel cells as a solid electrolyte membrane of a fuel cell. Specifically, it can be used for a direct fuel cell, a reforming fuel cell, a hydrogen fuel cell, etc. that use methanol, ethanol, ethylene glycol or the like as a fuel. This solid electrolyte membrane is excellent in heat resistance, dimensional stability under high-concentration atmosphere, fuel resistance, and fuel blockability, and can realize high ICE.

なお、本発明に係る電解質組成物そのものが本発明に係る固体電解質膜やその前駆体であってもよい。すなわち、本発明に係る電解質組成物を作製する際に同時に、あるいはそれに引き続いて、本発明に係る固体電解質膜の形態に仕上げてもよい。   The electrolyte composition itself according to the present invention may be the solid electrolyte membrane according to the present invention or a precursor thereof. That is, at the time of producing the electrolyte composition according to the present invention, or subsequently, the solid electrolyte membrane according to the present invention may be finished.

本発明に係る電解質組成物や固体電解質膜の製作過程では、上記した成分以外に、他の成分が含まれていてもよい。具体的には、他のポリマーや溶媒、上記反応のための触媒、添加剤等が考えられる。他のポリマーとしては、ポリアクリレート、ポリシロキサンを、溶媒としてはジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、水等を挙げることができる。触媒については、すでに上記した通りである。   In the manufacturing process of the electrolyte composition and the solid electrolyte membrane according to the present invention, other components may be included in addition to the components described above. Specifically, other polymers and solvents, catalysts for the above reaction, additives, and the like can be considered. Examples of the other polymer include polyacrylate and polysiloxane, and examples of the solvent include dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, and water. The catalyst has already been described above.

このようにして得られる本発明の電解質組成物やその原料または反応の中間組成物からは、例えば、これらが溶媒を含む溶液の場合には、この溶液を基体上に塗布し、その後溶媒を除去することで容易に固体電解質膜を製造することができる。このため、膜厚制御が容易である。   From the thus obtained electrolyte composition of the present invention and its raw material or reaction intermediate composition, for example, in the case of a solution containing a solvent, this solution is applied onto a substrate, and then the solvent is removed. By doing so, a solid electrolyte membrane can be easily manufactured. For this reason, film thickness control is easy.

溶媒の除去後加熱および/または活性エネルギー線処理を行うこともできる。この加熱および/または活性エネルギー線処理は本発明に係る反応を起こさせるためのものであっても、その反応を更に進めるためのものであってもよい。   Heating and / or active energy ray treatment can also be performed after removal of the solvent. This heating and / or active energy ray treatment may be for inducing the reaction according to the present invention or for further advancing the reaction.

膜を形成するために基体を要する場合、その基体としては、電解質組成物や溶媒に対し不活性で、電解質組成物の膜を形成できるものであればどのようなものでもよい。   When a substrate is required to form a film, the substrate may be any substrate as long as it is inert to the electrolyte composition or solvent and can form a film of the electrolyte composition.

このようにして作製された燃料電池の例を図6に示す。図6中1は燃料電池発電部、2は燃料極触媒層(単に燃料極ともいう)、3はアニオン伝導性高分子固体電解質、4は空気極触媒層(単に空気極ともいう)、5は燃料電池筐体、6は筐体に設けられた空気吸入口、7はアルコールを含む燃料カートリッジ、8は燃料カートリッジから燃料極へ燃料を注液する送液システム部、9は集電体、10は昇圧回路等の電子回路であり、外部へ電力を供給する。   An example of a fuel cell manufactured in this way is shown in FIG. In FIG. 6, 1 is a fuel cell power generation unit, 2 is a fuel electrode catalyst layer (also simply referred to as a fuel electrode), 3 is an anion conductive polymer solid electrolyte, 4 is an air electrode catalyst layer (also simply referred to as an air electrode), and 5 is A fuel cell housing, 6 is an air inlet provided in the housing, 7 is a fuel cartridge containing alcohol, 8 is a liquid feeding system section for injecting fuel from the fuel cartridge to the fuel electrode, 9 is a current collector, 10 Is an electronic circuit such as a booster circuit and supplies power to the outside.

燃料電池発電部(MEA:Membrane Electrode Assembly)は、例えば図7のように構成される。図7中、11は燃料極集電体および空気極集電体で、SUS製のメッシュまたはパンチングメタル等で構成され、表面をAu等安定な金属でメッキしてある。これにより、燃料等の物質が垂直方向に拡散できるようになっている。12は燃料極触媒層であり、ラネーニッケル等の高比表面積を有するNiが使用できる。また、Niパウダー等をPTFE等のバインダと混合して電極体として成形したものでもよい。13は本発明にかかるアニオン伝導性高分子固体電解質膜である。図7中、14は空気極触媒層であり、触媒金属としてNi、Fe、Co,Ag,フタロシアニン錯体等を用いることができ、これらの微粉末をカーボン等に担持させて使用することが一般的である。このアニオン交換型燃料電池で使用される触媒の例は、非特許文献1等に記載されている。   A fuel cell power generation unit (MEA: Membrane Electrode Assembly) is configured as shown in FIG. 7, for example. In FIG. 7, reference numeral 11 denotes a fuel electrode current collector and an air electrode current collector, which are made of SUS mesh or punching metal, and the surface is plated with a stable metal such as Au. Thereby, substances such as fuel can diffuse in the vertical direction. Reference numeral 12 denotes a fuel electrode catalyst layer, and Ni having a high specific surface area such as Raney nickel can be used. Moreover, Ni powder etc. may be mixed with binders, such as PTFE, and it shape | molded as an electrode body. Reference numeral 13 denotes an anion conductive polymer solid electrolyte membrane according to the present invention. In FIG. 7, 14 is an air electrode catalyst layer, and Ni, Fe, Co, Ag, a phthalocyanine complex or the like can be used as a catalyst metal, and these fine powders are generally used by being supported on carbon or the like. It is. Examples of the catalyst used in this anion exchange type fuel cell are described in Non-Patent Document 1 and the like.

次に本発明の実施例を詳述する。   Next, examples of the present invention will be described in detail.

[実施例1](アニオン交換型電解質組成物の作製)
モノマー1−1を以下の手順で合成した。反応経路を図9に示す。
[Example 1] (Preparation of anion exchange type electrolyte composition)
Monomer 1-1 was synthesized by the following procedure. The reaction route is shown in FIG.

(1) 3,5−ジヒドロキシベンジルブロミド(化2)
200mLの三首フラスコに、10mLの無水トルエン、14.0g(0.1モル)の3,5−ジヒドロキシベンジルアルコール(化1)および5.5mLのピリジンを投入し、混合物を−5〜−10℃に冷却した。これに、10.8g(0.04モル)のPBr3を1時間かけて滴下し、次いで、この混合物を室温で一晩撹拌した。混合物を20重量%の塩化ナトリウム溶液に投入し、有機質層を5重量%のNaHCO3水溶液で洗浄した。
(1) 3,5-dihydroxybenzyl bromide
A 200 mL three-necked flask is charged with 10 mL of anhydrous toluene, 14.0 g (0.1 mol) of 3,5-dihydroxybenzyl alcohol (Chemical Formula 1) and 5.5 mL of pyridine, and the mixture is −5 to −10. Cooled to ° C. To this, 10.8 g (0.04 mol) of PBr 3 was added dropwise over 1 hour and then the mixture was stirred overnight at room temperature. The mixture was poured into 20% by weight sodium chloride solution and the organic layer was washed with 5% by weight aqueous NaHCO 3 solution.

最後に、有機質層を無水Mg2SO4上で乾燥し、溶媒を蒸発させた。
最終生成物を、カラムクロマトグラフィーによって、ヘキサン:酢酸エチル(10:4)を溶離剤として使用し、シリカゲル上で精製した(収率は52%)。
Finally, the organic layer was dried over anhydrous Mg 2 SO 4 and the solvent was evaporated.
The final product was purified by column chromatography on silica gel using hexane: ethyl acetate (10: 4) as eluent (52% yield).

(2) 6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)−1−ヘキサノール(化3)
11.8g(0.1モル)のヘキサン−1,6−ジオールを無水THFに溶解した。これに、4.0g(0.1モル)のNaHをミネラルオイルに懸濁させた、60重量%NaH懸濁液を加え、この混合物を、0℃で2時間撹拌した。これに、21.9g(0.1モル)の3,5−ジヒドロキシベンジルブロミドを添加し、混合物を、室温で一晩撹拌し、その後、撹拌しつつ、10mLのエタノールを添加した。溶媒を蒸発させ、粗生成物を蒸留水で洗浄した。
(2) 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) -1-hexanol (Chemical Formula 3)
11.8 g (0.1 mol) of hexane-1,6-diol was dissolved in anhydrous THF. To this was added a 60 wt% NaH suspension of 4.0 g (0.1 mol) NaH suspended in mineral oil and the mixture was stirred at 0 ° C. for 2 hours. To this was added 21.9 g (0.1 mol) of 3,5-dihydroxybenzyl bromide and the mixture was stirred at room temperature overnight, after which 10 mL of ethanol was added with stirring. The solvent was evaporated and the crude product was washed with distilled water.

残ったワックス状の生成物を、カラムクロマトグラフィーによって、ヘキサン:酢酸エチルを溶離液として用い、シリカゲル上で精製した(収率は64%)。   The remaining waxy product was purified by column chromatography on silica gel using hexane: ethyl acetate as eluent (64% yield).

(3) 6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)−1−ブロモヘキサン(化4)
6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)−1−ヘキサノール(化3)にPBrを反応させて、6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)−1−ブロモヘキサン(化4)を得た。
(3) 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) -1-bromohexane
6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) -1-hexanol (Chemical Formula 3) was reacted with PBr to give 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) -1-bromohexane (Chemical Formula 4).

(4) 6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)ヘキシル−トリメチルアンモニウムブロミド(化5)
30.3g(0.1モル)の6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)−1−ブロモヘキサンを200mLのジオキサン中に溶解した。これに、15mLの50重量%トリメチルアミン水溶液を添加した。混合物を一晩掛けて、50℃で撹拌した。溶媒と過剰なアミンは蒸発させ、固形物をジエチルエーテルで洗浄した。最後に、ワックス状の生成物を水に溶かし、塩化ナトリウムで沈殿させ、6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)ヘキシル−トリメチルアンモニウムブロミドを得た。
(4) 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) hexyl-trimethylammonium bromide
30.3 g (0.1 mol) of 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) -1-bromohexane was dissolved in 200 mL of dioxane. To this was added 15 mL of 50 wt% trimethylamine aqueous solution. The mixture was stirred overnight at 50 ° C. The solvent and excess amine were evaporated and the solid was washed with diethyl ether. Finally, the waxy product was dissolved in water and precipitated with sodium chloride to give 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) hexyl-trimethylammonium bromide.

(5) モノマー1−1
ディーンスタークアームと水冷コンデンサーとを装備した三つ口フラスコ中、36.2g(0.1モル)の6−(3,5−ジヒドロキシベンジルオキシ)ヘキシル−トリメチルアンモニウムブロミドと13.8g(0.1モル)のK2CO3とを、300mLのDMF(ジメチルホルムアミド)と30mLのキシレンとの混合物中に溶解した。混合物を、100mbar(換算値は0.01MPa)の真空下、12時間掛けて90℃で還流し、脱水した。脱水した溶液に、12.7g(0.05モル)のビス(4−フルオロフェニル)スルホン(化6)を添加し、この混合物を、80℃で12時間撹拌した。混合物を冷水中に投入し、この溶液を塩化ナトリウムで飽和させた。沈殿物を90%のエタノールで再結晶し、モノマー1−1を得た。
(5) Monomer 1-1
In a three-necked flask equipped with a Dean-Stark arm and a water-cooled condenser, 36.2 g (0.1 mol) of 6- (3,5-dihydroxybenzyloxy) hexyl-trimethylammonium bromide and 13.8 g (0.1 Mol) of K 2 CO 3 was dissolved in a mixture of 300 mL of DMF (dimethylformamide) and 30 mL of xylene. The mixture was refluxed at 90 ° C. for 12 hours under a vacuum of 100 mbar (converted value: 0.01 MPa) and dehydrated. To the dehydrated solution, 12.7 g (0.05 mol) of bis (4-fluorophenyl) sulfone (Chemical 6) was added and the mixture was stirred at 80 ° C. for 12 hours. The mixture was poured into cold water and the solution was saturated with sodium chloride. The precipitate was recrystallized with 90% ethanol to obtain monomer 1-1.

(5) アニオン交換型電解質組成物
9.5g(0.01モル)のモノマー1−1と、2.52g(0.016エポキシ当量)のエポライト40E(共栄社製、図5Bの(13)でn=1の構造),式(4)の化合物に該当するジエポキシド,エポキシ当量140)と、0.30gの、アラルダイトMT0163(日本チバガイギ社製、図5Cの(21)の構造),式(4)の化合物に該当するテトラエポキシド、エポキシ当量154)とをDMF(10mL)に溶かし、0.2gの反応促進剤であるImidazole 2E4ME(四国化成社製キャゾール)を加えて1時間撹拌した。Imidazole 2E4MEの活性水素により反応が促進される。
(5) Anion-exchange electrolyte composition 9.5 g (0.01 mol) of monomer 1-1 and 2.52 g (0.016 epoxy equivalent) of Epolite 40E (manufactured by Kyoeisha, n in FIG. 5B (13)) = 1 structure), diepoxide corresponding to the compound of formula (4), epoxy equivalent 140), 0.30 g of Araldite MT0163 (manufactured by Ciba Gaigi Japan, structure of (21) in FIG. 5C), formula (4) Tetraepoxide corresponding to the above compound, epoxy equivalent 154) was dissolved in DMF (10 mL), 0.2 g of imidazole 2E4ME (Cazor made by Shikoku Kasei Co., Ltd.) as a reaction accelerator was added and stirred for 1 hour. The reaction is accelerated by the active hydrogen of imidazole 2E4ME.

その後、ガラス板上にギャップサイズ300μmのドクターブレードを用いてこの混合物を塗布し、50℃、120℃および150℃(真空中)の温度でそれぞれ1時間溶媒を除去し、重合し、膜厚が約50μmの膜を得た。次いで、この膜を0.5モル/LのNaOH水溶液中に24時間浸漬し、その後、酸が検出できなくなるまで脱イオン水で洗浄し、本発明に係るアニオン交換型電解質組成物を得た。   Thereafter, this mixture was applied onto a glass plate using a doctor blade having a gap size of 300 μm, and the solvent was removed at a temperature of 50 ° C., 120 ° C. and 150 ° C. (in vacuum) for 1 hour, polymerized, and the film thickness was reduced. A membrane of about 50 μm was obtained. Next, this membrane was immersed in a 0.5 mol / L NaOH aqueous solution for 24 hours, and then washed with deionized water until no acid could be detected to obtain an anion exchange type electrolyte composition according to the present invention.

なお、膜の評価は次のようにした。   The film was evaluated as follows.

(メタノール透過率測定)
10体積%メタノール水溶液と脱イオン水とを、ステンレス容器中で、サンプルの電解質膜によって分離された状態にして30℃に保ち、脱イオン水中に透過するメタノール量をGC/MS(ガスクロマトグラフィ/質量分析法)によって一定の時間間隔で測定した。
(Methanol permeability measurement)
A 10% by volume methanol aqueous solution and deionized water are separated in a stainless steel container by a sample electrolyte membrane and kept at 30 ° C., and the amount of methanol permeating into the deionized water is determined by GC / MS (gas chromatography / mass Analytical method) was measured at regular time intervals.

この電解質膜について測定されたメタノール透過率は6.01x10-8mL/s.cmであった。一方、Nafion112のメタノール透過率は1.08x10-7mL/s.cmであった。 The methanol permeability measured for this electrolyte membrane was 6.01 × 10 −8 mL / s. cm. On the other hand, the methanol permeability of Nafion 112 is 1.08 × 10 −7 mL / s. cm.

(アニオン伝導率測定)
サンプルを、電極間距離を1cmとして白金電極間に装着し、室温下で0.3Vの電圧条件で、交流インピーダンス法によって(周波数:100Hz〜100kHz)膜抵抗を測定し、アニオン伝導率を計算した。本電解質膜のアニオン伝導率は0.62S/cmであった。一方、同様にして測定したNafion112のプロトン伝導率は0.112S/cmであった。
(Anion conductivity measurement)
The sample was mounted between platinum electrodes with an electrode distance of 1 cm, and the membrane resistance was measured by the AC impedance method (frequency: 100 Hz to 100 kHz) under a voltage condition of 0.3 V at room temperature, and the anion conductivity was calculated. . The anion conductivity of this electrolyte membrane was 0.62 S / cm. On the other hand, the proton conductivity of Nafion 112 measured in the same manner was 0.112 S / cm.

[実施例2](燃料電池の作製)
燃料極用触媒として、Ni粉をPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)分散体(ダイキン社製,DE4W)と混合し、ペースト化した後、Niメッシュ(100メッシュ)上に塗布、圧着したものを使用した。空気極用触媒にも、燃料極と同様のNi触媒系を用いた。
[Example 2] (Fabrication of fuel cell)
As a catalyst for the fuel electrode, Ni powder was mixed with PTFE (polytetrafluoroethylene) dispersion (Daikin, DE4W), made into a paste, and then applied and pressed onto Ni mesh (100 mesh). . The same Ni catalyst system as the fuel electrode was used for the air electrode catalyst.

アニオン伝導型の高分子固体電解質には、上記アニオン交換膜を用い、これを両電極で挟み込み、電極面積9cm2のMEAを作成した。 The anion exchange membrane was used for the anion conductive polymer solid electrolyte, and was sandwiched between both electrodes to prepare an MEA having an electrode area of 9 cm 2 .

次に、Auメッキを施して耐腐食性を付与したSUSパンチングメタル集電体でこのMEAをはさみ、筐体で固定し、発電部とした。集電体の開口率は60%とした。   Next, this MEA was sandwiched between SUS punching metal current collectors which were plated with Au to give corrosion resistance, and fixed with a casing to form a power generation unit. The aperture ratio of the current collector was 60%.

次に、20%体積MeOH(2重量%K2CO3を含む)水溶液をカートリッジから供給した。 Next, a 20% volume MeOH (containing 2 wt% K 2 CO 3 ) aqueous solution was supplied from the cartridge.

以下の条件で、連続発電特性の実験を行った。すなわち、60mA/cm2の定電流で燃料電池を発電し、燃料電池における電圧が上昇後、0.1Vまで低下したときに発電を終了した。この連続発電特性の実験結果、平均電圧は0.20V、発電時間は90分であった。 Experiments on continuous power generation characteristics were performed under the following conditions. That is, the fuel cell was generated with a constant current of 60 mA / cm 2 , and the power generation was terminated when the voltage in the fuel cell decreased to 0.1 V after the voltage increased. As a result of this continuous power generation experiment, the average voltage was 0.20 V and the power generation time was 90 minutes.

実施例2と同様に、Nafion112を高分子固体電解質として用いて(電解質剤材料)、カチオン交換型燃料電池を作成し、評価した結果、平均電圧は0.20V、発電時間は50分であった。   As in Example 2, a cation exchange type fuel cell was prepared using Nafion 112 as a polymer solid electrolyte (electrolyte material) and evaluated. As a result, the average voltage was 0.20 V and the power generation time was 50 minutes. .

[実施例3](アニオン交換型電解質組成物と燃料電池の作製)
9.5g(0.01モル)のモノマー1−1に代えて、7.60g(0.008モル)のモノマー1−1と0.460g(0.002モル)のビスフェノールAとを使用した以外は、実施例1の(5)と同様にして、本発明に係るアニオン交換型電解質組成物を得、実施例2と同様にして燃料電池を作製した。
[Example 3] (Preparation of anion exchange type electrolyte composition and fuel cell)
Instead of using 9.5 g (0.01 mol) of monomer 1-1, 7.60 g (0.008 mol) of monomer 1-1 and 0.460 g (0.002 mol) of bisphenol A were used. Obtained an anion-exchange electrolyte composition according to the present invention in the same manner as in Example 1 (5), and a fuel cell was produced in the same manner as in Example 2.

この電解質膜について測定されたメタノール透過率は4.21x10-8mL/s.cmであった。一方、Nafion112のメタノール透過率は1.08x10-7mL/s.cmであった。 The methanol permeability measured for this electrolyte membrane was 4.21 × 10 −8 mL / s. cm. On the other hand, the methanol permeability of Nafion 112 is 1.08 × 10 −7 mL / s. cm.

本電解質膜のアニオン伝導率は0.52S/cmであった。一方、Nafion112のプロトン伝導率は0.112S/cmであった。   The anion conductivity of this electrolyte membrane was 0.52 S / cm. On the other hand, the proton conductivity of Nafion 112 was 0.112 S / cm.

[実施例4]
9.5g(0.01モル)のモノマー1−1と、2.52g(0.016エポキシ当量)のエポライト40E(共栄社製、図5Bの(13)でn=1の構造),式(4)の化合物に該当するジエポキシド,エポキシ当量140)と、0.30gの、アラルダイトMT0163(日本チバガイギ社製、(図5Cの(21)の構造),式(4)の化合物に該当するテトラエポキシド,エポキシ当量154)とをDMF(10mL)に溶かし、0.2g(約1重量%)の反応促進剤である{旭電化社製ADEKA Optomer SP-172(トリフェニルスルホーニウムヘキサフルオロアンチモナート)}を加えて1時間撹拌した。
[Example 4]
9.5 g (0.01 mol) of monomer 1-1 and 2.52 g (0.016 epoxy equivalent) of Epolite 40E (manufactured by Kyoeisha, structure of n = 1 in (13) of FIG. 5B), formula (4 Diepoxide corresponding to the compound of), an epoxy equivalent of 140), 0.30 g of Araldite MT0163 (manufactured by Ciba-Gaigi Japan, (structure of (21) in FIG. 5C), tetraepoxide corresponding to the compound of formula (4), Epoxy equivalent 154) is dissolved in DMF (10 mL) and 0.2 g (about 1% by weight) of a reaction accelerator {ADEKA Optomer SP-172 (triphenylsulfonium hexafluoroantimonate) manufactured by Asahi Denka Co., Ltd.}} And stirred for 1 hour.

(アニオン交換型電解質組成物と燃料電池の作製)
加熱処理に代えて、365nmの紫外線を500mJ/cm2照射処理した以外は、実施例1の(5)と同様にして、本発明に係るアニオン交換型電解質組成物を得、実施例2と同様にして燃料電池を作製した。
(Preparation of anion exchange electrolyte composition and fuel cell)
Instead of the heat treatment, an anion exchange type electrolyte composition according to the present invention was obtained in the same manner as (5) of Example 1 except that irradiation with 365 nm ultraviolet rays was performed at 500 mJ / cm 2 , and the same as in Example 2. Thus, a fuel cell was produced.

この電解質膜について測定されたメタノール透過率は3.51x10-8mL/s.cmであった。一方、Nafion112のメタノール透過率は1.08x10-7mL/s.cmであった。 The methanol permeability measured for this electrolyte membrane was 3.51 × 10 −8 mL / s. cm. On the other hand, the methanol permeability of Nafion 112 is 1.08 × 10 −7 mL / s. cm.

本電解質膜のアニオン伝導率は0.51S/cmであった。一方、Nafion112のプロトン伝導率は0.112S/cmであった。   The anion conductivity of this electrolyte membrane was 0.51 S / cm. On the other hand, the proton conductivity of Nafion 112 was 0.112 S / cm.

なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。   In addition, the invention shown to the following additional remarks can be derived from the content disclosed above.

(付記1)
テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質組成物であって、
式(1)で表される構造単位および式(4)で表される構造単位を含んでなるアニオン交換型電解質組成物、
(Appendix 1)
An anion exchange type electrolyte composition containing a tetraalkylammonium cation group,
An anion exchange electrolyte composition comprising a structural unit represented by formula (1) and a structural unit represented by formula (4);

Figure 0005162903
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Figure 0005162903
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(式(1)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。)。 (In Formula (1), X represents O or S independently of each other; Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other; Ar represents a heterocyclic ring which may have fluorine; One or more aromatic rings which may be contained, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , R 1 is independently of each other an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, n independently of each other represents an integer of 1 to 10. In formula (4), E may have fluorine, An aliphatic group which may have a branch and one or more aromatic rings which may have a fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings may be directly bonded, O, Having at least one of S, SO or a group bonded by SO 2 And the broken line coming out from E means two to four single bonds depending on the valence, and m represents an integer of 2 to 4.)

(付記2)
式(2)で表される構造単位と式(3)で表される構造単位との少なくともいずれか一方を更に含んでなる、付記1に記載のアニオン交換型電解質組成物、
(Appendix 2)
The anion exchange electrolyte composition according to appendix 1, further comprising at least one of a structural unit represented by formula (2) and a structural unit represented by formula (3),

Figure 0005162903
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Figure 0005162903
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(式(2)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。)。 (In the formula (2), X represents O or S independently of each other, Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or aromatics thereof. Represents a group in which the group ring is bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2. In formula (3), B may have fluorine or may have a branch. An alkylene group and one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 R 2 represents an alkyl group, and Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group.

(付記3)
テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質組成物であって、
式(1’)で表される化合物および式(4’)で表される化合物を反応させることを含んでなる処理により得られるアニオン交換型電解質組成物、
(Appendix 3)
An anion exchange type electrolyte composition containing a tetraalkylammonium cation group,
An anion-exchange electrolyte composition obtained by a treatment comprising reacting a compound represented by the formula (1 ′) and a compound represented by the formula (4 ′);

Figure 0005162903
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Figure 0005162903
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(式(1’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4’)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。)。 (In the formula (1 ′), X represents O or S independently of each other, Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other, and Ar may have fluorine and may be a heterocyclic ring. Represents one or more aromatic rings which may contain, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , and R 1 , independently of each other, represents an alkyl Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, and n independently of each other represents an integer of 1 to 10. In the formula (4 ′), E may have fluorine. In addition, an aliphatic group which may have a branch and one or more aromatic rings which may have a fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings are directly bonded, O, S, at least one of a group attached by SO or SO 2 Yes Represents two to four divalent group that, dashed lines emanating from the E means a single bond four from two depending on the valence, m is an integer of 2-4.).

(付記4)
式(2’)で表される化合物と式(3’)で表される化合物との少なくともいずれか一方を更に反応させることを含んでなる処理により得られる、付記3に記載のアニオン交換型電解質組成物、
(Appendix 4)
The anion exchange electrolyte according to appendix 3, obtained by a treatment comprising further reacting at least one of the compound represented by the formula (2 ′) and the compound represented by the formula (3 ′). Composition,

Figure 0005162903
Figure 0005162903

Figure 0005162903
Figure 0005162903

(式(2’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3’)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。)。 (In the formula (2 ′), X independently represents O or S, Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these Represents a group in which an aromatic ring is bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2. In the formula (3 ′), B may have fluorine or be branched. An alkylene group which may have a fluorine atom and one or more aromatic rings which may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings may be a direct bond, O, S, SO or SO 2 . A divalent group having at least one of a bonded group, R 2 represents an alkyl group, and Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group).

(付記5)
前記反応が、加熱処理と活性エネルギー線照射処理との少なくともいずれか一方により行われるものである、付記3または4に記載のアニオン交換型電解質組成物。
(Appendix 5)
The anion exchange electrolyte composition according to appendix 3 or 4, wherein the reaction is performed by at least one of heat treatment and active energy ray irradiation treatment.

(付記6)
前記処理が、前記反応による生成物を塩基性水溶液中に浸漬して、カウンターイオンとしてOH-を有するようにする処理を含む、付記3〜5のいずれかに記載のアニオン交換型電解質組成物。
(Appendix 6)
6. The anion exchange electrolyte composition according to any one of appendices 3 to 5, wherein the treatment includes a treatment of immersing a product of the reaction in a basic aqueous solution to have OH as a counter ion.

(付記7)
前記Z-がCl-またはBr-である、付記1〜6のいずれかに記載のアニオン交換型電解質組成物。
(Appendix 7)
The anion exchange electrolyte composition according to any one of appendices 1 to 6, wherein Z is Cl or Br .

(付記8)
mが2または4である、付記1〜7のいずれかに記載のアニオン交換型電解質組成物。
(Appendix 8)
8. The anion exchange electrolyte composition according to any one of appendices 1 to 7, wherein m is 2 or 4.

(付記9)
付記1〜8のいずれかに記載のアニオン交換型電解質組成物からなる固体電解質膜。
(Appendix 9)
A solid electrolyte membrane comprising the anion exchange electrolyte composition according to any one of appendices 1 to 8.

(付記10)
付記1〜8のいずれかに記載のアニオン交換型電解質組成物を固体電解質膜として用いたアニオン交換型固体高分子型燃料電池。
(Appendix 10)
An anion exchange solid polymer fuel cell using the anion exchange electrolyte composition according to any one of appendices 1 to 8 as a solid electrolyte membrane.

カチオン交換型燃料電池とアニオン交換型燃料電池との電極反応を示す図である。It is a figure which shows the electrode reaction of a cation exchange type fuel cell and an anion exchange type fuel cell. 式(1’)で表される化合物の好適な例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of a compound represented by Formula (1 '). 式(2’)で表される化合物の好適な例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of a compound represented by Formula (2 '). 式(3’)で表される化合物の好適な例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of a compound represented by Formula (3 '). 式(4’)で表される化合物の好適な例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of a compound represented by Formula (4 '). 式(4’)で表される化合物の好適な例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of a compound represented by Formula (4 '). 式(4’)で表される化合物の好適な例を示す図である。It is a figure which shows the suitable example of a compound represented by Formula (4 '). 燃料電池の概略図である。It is the schematic of a fuel cell. 燃料電池発電部の概略図である。It is the schematic of a fuel cell power generation part. 式(1)〜(4)で表される構造単位の組み合わせと同一の意味を有し得る式(1”)〜(4”)で表される構造単位の組み合わせを示す図である。It is a figure which shows the combination of the structural unit represented by Formula (1 ")-(4") which may have the same meaning as the combination of the structural unit represented by Formula (1)-(4). モノマー1−1の反応経路を示す図である。It is a figure which shows the reaction pathway of the monomer 1-1.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池発電部
2 燃料極触媒層
3 アニオン伝導性高分子固体電解質
4 空気極触媒層
5 燃料電池筐体
6 空気吸入口
7 燃料カートリッジ
8 送液システム部
9 集電体
10 電子回路
11 燃料極集電体および空気極集電体
12 燃料極触媒層
13 アニオン伝導性高分子固体電解質膜
14 空気極触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power generation part 2 Fuel electrode catalyst layer 3 Anion conductive polymer solid electrolyte 4 Air electrode catalyst layer 5 Fuel cell housing 6 Air inlet 7 Fuel cartridge 8 Liquid supply system part 9 Current collector 10 Electronic circuit 11 Fuel electrode Current collector and air electrode current collector 12 Fuel electrode catalyst layer 13 Anion conductive polymer solid electrolyte membrane 14 Air electrode catalyst layer

Claims (8)

テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質であって、
式(1)で表される構造単位および式(4)で表される構造単位を含んでなる化合物を含むアニオン交換型電解質
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(式(1)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。)。
An anion exchange type electrolyte containing a tetraalkylammonium cation group,
An anion-exchange electrolyte comprising a structural unit represented by formula (1) and a compound comprising the structural unit represented by formula (4);
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(In Formula (1), X represents O or S independently of each other; Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other; Ar represents a heterocyclic ring which may have fluorine; One or more aromatic rings which may be contained, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , R 1 is independently of each other an alkyl group Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, n independently of each other represents an integer of 1 to 10. In formula (4), E may have fluorine, An aliphatic group which may have a branch and one or more aromatic rings which may have a fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings may be directly bonded, O, Having at least one of S, SO or a group bonded by SO 2 And the broken line coming out from E means two to four single bonds depending on the valence, and m represents an integer of 2 to 4.)
前記化合物が、式(2)で表される構造単位と式(3)で表される構造単位との少なくともいずれか一方を更に含んでなる、請求項1に記載のアニオン交換型電解質
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(式(2)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。)。
The anion exchange electrolyte according to claim 1, wherein the compound further comprises at least one of a structural unit represented by formula (2) and a structural unit represented by formula (3).
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(In the formula (2), X represents O or S independently of each other, Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or aromatics thereof. Represents a group in which the group ring is bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2. In formula (3), B may have fluorine or may have a branch. An alkylene group and one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 R 2 represents an alkyl group, and Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group.
テトラアルキルアンモニウムカチオン基を含有するアニオン交換型電解質であって、
式(1’)で表される化合物および式(4’)で表される化合物を反応させることを含んでなる処理により得られるアニオン交換型電解質
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(式(1’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Yは、互いに独立に、CH2またはCH2Oを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表し、R1は、互いに独立に、アルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表し、nは、互いに独立に、1〜10の整数を表す。式(4’)中、Eは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよい脂肪族基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二〜四価の基を表し、Eから出る破線は、その価数に応じて二本から四本の単結合を意味し、mは2〜4の整数を表す。)。
An anion exchange type electrolyte containing a tetraalkylammonium cation group,
An anion exchange electrolyte obtained by a treatment comprising reacting a compound represented by formula (1 ′) and a compound represented by formula (4 ′);
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(In the formula (1 ′), X represents O or S independently of each other, Y represents CH 2 or CH 2 O independently of each other, and Ar may have fluorine and may be a heterocyclic ring. Represents one or more aromatic rings which may contain, or a group in which these aromatic rings are bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2 , and R 1 , independently of each other, represents an alkyl Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group, and n independently of each other represents an integer of 1 to 10. In the formula (4 ′), E may have fluorine. In addition, an aliphatic group which may have a branch and one or more aromatic rings which may have a fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings are directly bonded, O, S, at least one of a group attached by SO or SO 2 Yes Represents two to four divalent group that, dashed lines emanating from the E means a single bond four from two depending on the valence, m is an integer of 2-4.).
式(2’)で表される化合物と式(3’)で表される化合物との少なくともいずれか一方を更に反応させることを含んでなる処理により得られる、請求項3に記載のアニオン交換型電解質
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(式(2’)中、Xは、互いに独立に、OまたはSを表し、Arは、フッ素を有していてもよく複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環、またはこれらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基を表す。式(3’)中、Bは、フッ素を有していてもよく、枝分かれを有していてもよいアルキレン基と、フッ素を有していてもよく、複素環を含んでいてもよい1以上の芳香族環または、これらの芳香族環が、直接結合、O、S、SOまたはSO2で結合されている基との少なくともいずれか一方を有する二価の基を表し、R2はアルキル基を表し、Z-はテトラアルキルアンモニウムカチオン基のカウンターイオンを表す。)。
The anion exchange type | mold of Claim 3 obtained by the process which comprises making further at least any one of the compound represented by Formula (2 '), and the compound represented by Formula (3') react. Electrolyte ,
Figure 0005162903

Figure 0005162903

(In the formula (2 ′), X independently represents O or S, Ar represents one or more aromatic rings which may have fluorine and may contain a heterocyclic ring, or these Represents a group in which an aromatic ring is bonded by a direct bond, O, S, SO or SO 2. In the formula (3 ′), B may have fluorine or be branched. An alkylene group which may have a fluorine atom and one or more aromatic rings which may contain a heterocyclic ring, or these aromatic rings may be a direct bond, O, S, SO or SO 2 . A divalent group having at least one of a bonded group, R 2 represents an alkyl group, and Z represents a counter ion of a tetraalkylammonium cation group).
前記反応が、加熱処理と活性エネルギー線照射処理との少なくともいずれか一方により行われるものである、請求項3または4に記載のアニオン交換型電解質The anion exchange electrolyte according to claim 3 or 4, wherein the reaction is performed by at least one of heat treatment and active energy ray irradiation treatment. 前記処理が、前記反応による生成物を塩基性水溶液中に浸漬して、カウンターイオンとしてOH-を有するようにする処理を含む、請求項3〜5のいずれかに記載のアニオン交換型電解質The process, the product from the reaction was immersed in a basic aqueous solution, OH as a counter ion - includes a process to have the anion exchange type electrolyte according to any one of claims 3-5. 請求項1〜6のいずれかに記載のアニオン交換型電解質からなる固体電解質膜。 A solid electrolyte membrane comprising the anion exchange electrolyte according to claim 1. 請求項1〜6のいずれかに記載のアニオン交換型電解質を固体電解質膜として用いたアニオン交換型固体高分子型燃料電池。 Anion-exchange-type polymer electrolyte fuel cell using an anion-exchange type electrolyte according to any one of claims 1 to 6 as a solid electrolyte membrane.
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