JP5175619B2 - Proton conducting membrane and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池への使用に好適で、燃料遮断性、高耐久性、高プロトン伝導性を有するプロトン伝導性膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive membrane suitable for use in a fuel cell and having fuel barrier properties, high durability, and high proton conductivity, and a method for producing the same.

従来の火力発電では、石油や天然ガスなどの化石燃料が有する化学エネルギーを熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーでタービンを動かすことで熱エネルギーを運動エネルギーに変換して、さらに運動エネルギーを電気エネルギーに変換している。これに対し燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換できるために、火力発電よりも発電効率が高く且つ環境特性に優れている。そこで、近年の地球環境保護への取り組みが活発化する中、燃料電池は大きな脚光を浴びている。また近年では、小型移動機器や携帯機器の電源としても注目されており、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に代わり、携帯電話やパーソナルコンピュータなどへの搭載が期待されている。   In conventional thermal power generation, the chemical energy of fossil fuels such as oil and natural gas is converted into thermal energy, and the turbine is driven by this thermal energy to convert thermal energy into kinetic energy, which is further converted into electrical energy. Has been converted. On the other hand, since the fuel cell can directly convert chemical energy into electric energy, it has higher power generation efficiency and superior environmental characteristics than thermal power generation. Therefore, fuel cells are in the spotlight as efforts to protect the global environment in recent years have become active. In recent years, it has attracted attention as a power source for small mobile devices and portable devices. For example, it is expected to be mounted on mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries. .

一般的に燃料電池は、その電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、なかでも固体高分子形燃料電池(以下、「PEFC」と略記する)は、他のいずれのタイプと比べても小型かつ高出力であり、小規模オンサイト型、例えば、車輌のパワーソース等、移動体機器用又は携帯機器用等の電源として、次世代の主力になると考えられている。
PEFCでは、水素ガスを燃料とする従来のものに加えて、アルコールやジメチルエーテル等を燃料とし、これらを水素に改質することなく直接供給する直接型燃料電池、特に室温付近での出力が高い直接メタノール型燃料電池(以下、「DMFC」と略記する)が注目されている。DMFCは従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器が不要であるため、エネルギー密度が高く、一充填あたりの搭載機器の使用時間が長くなるという利点がある。
In general, fuel cells are classified into several types according to the type of electrolyte. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as “PEFC”) is in comparison with any other type. It is also considered to become the next generation main power source as a power source for small-sized on-site type, for example, a power source for a vehicle, a mobile device or a portable device.
In PEFC, in addition to the conventional ones that use hydrogen gas as fuel, direct fuel cells that use alcohol or dimethyl ether as fuel and supply them directly without reforming to hydrogen, especially direct output with high output near room temperature. Methanol fuel cells (hereinafter abbreviated as “DMFC”) are attracting attention. Although the DMFC has a lower output than the conventional PEFC, since the fuel is liquid and a reformer is unnecessary, there is an advantage that the energy density is high and the usage time of the on-board equipment per filling is long.

DMFC等、PEFCの電解質膜には、高プロトン伝導性と燃料遮断性が要求される。電解質膜中の燃料透過は、燃料クロスオーバーと呼ばれ、電池出力及びエネルギー効率が低下するという問題を引き起こす。
従来、固体高分子型燃料電池の電解質膜においては、例えば、スルホン酸基含有フッ素系高分子であるナフィオン(Nafion、デュポン社)(登録商標)が用いられてきた。しかし、ナフィオンは、電解質膜中のスルホン酸基がクラスター構造を形成するために、メタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題点があった。そこで、ナフィオン同等の高プロトン伝導性を有し、且つ燃料クロスオーバーが抑制された電解質膜の実用化が市場から望まれていた。
The electrolyte membrane of PEFC such as DMFC is required to have high proton conductivity and fuel cutoff. The fuel permeation through the electrolyte membrane is called fuel crossover and causes a problem that the battery output and the energy efficiency are lowered.
Conventionally, for example, Nafion (DuPont) (registered trademark), which is a sulfonic acid group-containing fluoropolymer, has been used in an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. However, Nafion has a problem that fuel crossover of methanol or the like is large because sulfonic acid groups in the electrolyte membrane form a cluster structure. Therefore, there has been a demand from the market for practical use of an electrolyte membrane having high proton conductivity equivalent to Nafion and suppressing fuel crossover.

一方、燃料用電池用電解質膜としては、フッ素系高分子以外にも、炭化水素系、無機系等、様々な種類の材質からなるものも盛んに開発されている。その中で、有機ケイ素化合物は、強い結合エネルギーを有するケイ素−酸素結合からなる架橋構造を有するため、プロトン伝導性膜のような強い酸性(プロトン存在)条件下で、高温高湿状態にさらされた場合でも比較的安定であり、電解質膜内部の架橋構造体として好適に使用できる(例えば、特許文献1参照)。
特許第3679104号公報
On the other hand, as electrolyte membranes for fuel cells, in addition to fluoropolymers, those made of various kinds of materials such as hydrocarbons and inorganics have been actively developed. Among them, organosilicon compounds have a cross-linked structure consisting of silicon-oxygen bonds with strong binding energy, so they are exposed to high-temperature and high-humidity conditions under strong acidic (proton presence) conditions such as proton conductive membranes. Even if it is, it is comparatively stable and can be suitably used as a crosslinked structure inside the electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent No. 3679104

しかしながら、膜中に含まれるケイ素−炭素結合は、その周囲への分子間力が、ケイ素−酸素結合よりも若干弱く、温度変化等の環境変化に対して耐衝撃性が低い。そのため、例えば、高温低温下における高プロトン伝導性が要求される燃料電池用電解質膜として有機ケイ素化合物を用いた場合、温度変動に伴い、プロトン伝導性や燃料遮断性が低下することがあるという問題点があった。
これらの問題を解決するために、例えば、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)と、シラン化合物と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)とがケイ素−酸素結合によって連結されたプロトン伝導性膜が考えられる。しかし、このようなプロトン伝導性膜は、その製造過程において、原料同士の重合反応の反応度が低いと、原料が溶液、特にメタノール水溶液等の極性溶媒中に溶け出し、その結果、燃料遮断性が低下する可能性があるという問題点があった。
However, the silicon-carbon bond contained in the film has a slightly lower intermolecular force around the silicon-oxygen bond than the silicon-oxygen bond, and has low impact resistance against environmental changes such as temperature changes. Therefore, for example, when an organosilicon compound is used as an electrolyte membrane for a fuel cell that requires high proton conductivity at high temperature and low temperature, there is a problem that proton conductivity and fuel cutoff may decrease with temperature fluctuation. There was a point.
In order to solve these problems, for example, a crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond and an acid group-containing structure (B) covalently bonded to a silane compound and having an acid group are composed of silicon-oxygen. Proton conducting membranes connected by bonds are conceivable. However, in the production process, such a proton conductive membrane, when the reactivity of the polymerization reaction between the raw materials is low, the raw materials are dissolved in a polar solvent such as a solution, in particular, an aqueous methanol solution. There was a problem that there is a possibility that it will decrease.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高プロトン伝導性を有し、燃料遮断性及び耐久性にも優れるプロトン伝導性膜を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide a proton conductive membrane which has high proton conductivity, and is excellent also in fuel cutoff property and durability.

上記課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A’)、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基及び重合性不飽和二重結合を有するシラン化合物(α)、酸基及び重合性不飽和二重結合を有する酸基含有化合物(β)及び重合開始剤を混合して、重合性組成物を調製する第一工程と、該重合性組成物を成膜する第二工程と、成膜した重合性組成物を重合させる第三工程とを有するプロトン伝導性膜の製造方法であって、前記ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A’)が、下記一般式(1’)で表され、前記酸基含有化合物(β)が、前記酸基としてスルホ基を有する化合物であり、前記重合開始剤として、10時間半減期温度が異なる複数種類の重合開始剤を使用することを特徴とするプロトン伝導性膜の製造方法である。
To solve the above problem,
The invention according to claim 1 includes a crosslinkable compound (A ′) having a silicon-oxygen bond, a group capable of forming a silicon-oxygen-silicon bond and a silane compound (α) having a polymerizable unsaturated double bond, an acid A first step of preparing a polymerizable composition by mixing an acid group-containing compound (β) having a group and a polymerizable unsaturated double bond and a polymerization initiator, and a second step of forming a film of the polymerizable composition And a third step of polymerizing the formed polymerizable composition, wherein the crosslinkable compound (A ′) having a silicon-oxygen bond is represented by the following general formula (A): 1 ′), wherein the acid group-containing compound (β) is a compound having a sulfo group as the acid group, and a plurality of types of polymerization initiators having different 10-hour half-life temperatures are used as the polymerization initiator. In a method for producing a proton conductive membrane, characterized in that That.

Figure 0005175619
Figure 0005175619

(式中、Rは炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子であり;R、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基であり、少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であり;R〜Rが複数である場合には、複数のR〜Rれぞれ同一でも異なっていても良く;mは0以上の整数である。) (Wherein R 1 is a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms or an oxygen atom; R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a hydrogen atom, Methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group N-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, hydroxyl group or a group represented by the formula “—O—Si—”, at least one of which is a methoxy group, an ethoxy group, or an n-propoxy group. group, Isopuropokishiki group, n- butoxy group, isobutoxy group, sec- butoxy group, a tert- butoxy group or a hydroxyl group; when R 1 to R 3 is plural, a plurality of R To R 3 may be the same or different, respectively Re its; m 2 is an integer of 0 or more).

請求項2にかかる発明は、前記第三工程における前記シラン化合物(α)及び前記酸基含有化合物(β)の重合温度の範囲内に10時間半減期温度がある前記重合開始剤を複数種類使用し、これら重合開始剤の10時間半減期温度の差が最大で16℃以上であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性膜の製造方法である。
請求項3にかかる発明は、前記第三工程において、前記重合開始剤の10時間半減期温度のうち、最も低い温度以下の温度で反応を開始し、且つ最も高い温度以上の温度まで昇温して反応を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のプロトン伝導性膜の製造方法である。
請求項4にかかる発明は、さらに、前記シラン化合物(α)又は前記酸基含有化合物(β)と結合可能な官能基を1分子中に2つ以上有する架橋剤(C)を添加して前記第一工程を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜の製造方法である。
請求項5にかかる発明は、前記R、R、R、R、R及びRが、それぞれ独立にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基又は水酸基であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜の製造方法である。
請求項6にかかる発明は、前記R、R、R、R、R及びRが、それぞれ独立にメトキシ基又は水酸基であることを特徴とする請求項5に記載のプロトン伝導性膜の製造方法である。
請求項7にかかる発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法で製造されたことを特徴とするプロトン伝導性膜である。
The invention according to claim 2 uses a plurality of the polymerization initiators having a 10-hour half-life temperature within the range of the polymerization temperature of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) in the third step. The method for producing a proton conductive membrane according to claim 1, wherein the difference in 10-hour half-life temperature of these polymerization initiators is 16 ° C or more at the maximum.
According to a third aspect of the present invention, in the third step, the reaction is initiated at a temperature below the lowest temperature among the 10-hour half-life temperatures of the polymerization initiator, and the temperature is raised to a temperature above the highest temperature. The method according to claim 1 or 2, wherein the reaction is performed.
The invention according to claim 4 further includes the addition of a crosslinking agent (C) having two or more functional groups in one molecule that can be bonded to the silane compound (α) or the acid group-containing compound (β). The method for producing a proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the first step is performed.
In the invention according to claim 5, the R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, an n-butoxy group or a hydroxyl group. It is a manufacturing method of the proton-conductive film | membrane as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
The invention according to claim 6 is characterized in that the R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a methoxy group or a hydroxyl group. It is a manufacturing method of a conductive film.
The invention according to claim 7 is a proton conductive membrane manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6.

請求項8にかかる発明は、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)と、シラン化合物と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)とが、ケイ素−酸素−ケイ素結合によって連結されてなるプロトン伝導性膜であって、ゲル分率が96%以上であり、前記ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)が、下記一般式(1)で表され、前記酸基含有構造体(B)が、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基及び重合性不飽和二重結合を有するシラン化合物(α)と、酸基及び重合性不飽和二重結合を有する酸基含有化合物(β)とが共有結合してなる構造体を含み、前記シラン化合物(α)が下記一般式(2)で表される化合物であり、前記酸基含有化合物(β)が、前記酸基としてスルホ基を有する化合物であることを特徴とするプロトン伝導性膜である。 The invention according to claim 8 is characterized in that the crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond and the acid group-containing structure (B) covalently bonded to the silane compound and having an acid group are silicon-oxygen-silicon. A proton conductive membrane connected by a bond, the gel fraction is 96% or more, and the crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond is represented by the following general formula (1): The acid group-containing structure (B) has a group capable of forming a silicon-oxygen-silicon bond and a silane compound (α) having a polymerizable unsaturated double bond, and has an acid group and a polymerizable unsaturated double bond. look containing a structure acid group-containing compound and (beta) is covalently bound, the silane compound (alpha) is a compound represented by the following general formula (2), wherein the acid group-containing compound (beta) is , characterized in that it is a compound having a sulfo group as the acid group It is a proton conducting membrane to.

Figure 0005175619
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(式中、R(Wherein R 1 は炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子であり;RIs a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms or an oxygen atom; R 2 、R, R 3 、R, R 4 、R, R 5 、R, R 6 及びRAnd R 7 は、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基であり、少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であり;RAre each independently a hydrogen atom, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n -Propoxy group, isopropoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, hydroxyl group or a group represented by the formula "-O-Si-", at least one of which is methoxy A group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group or hydroxyl group; R 1 〜R~ R 3 が複数である場合には、複数のRIs a plurality of R 1 〜R~ R 3 はそれぞれ同一でも異なっていても良く;mMay be the same or different; m 1 は1以上の整数である。)Is an integer of 1 or more. )

Figure 0005175619
Figure 0005175619
(式中、R(Wherein R 8 は置換基を有していても良い二価の炭化水素基、該炭化水素基とオキシカルボニル基とが結合した二価の基又はヘテロ原子であり;RIs a divalent hydrocarbon group which may have a substituent, a divalent group in which the hydrocarbon group and an oxycarbonyl group are bonded, or a hetero atom; R 9 、R, R 1010 及びRAnd R 1111 はそれぞれ独立に置換基を有していても良い炭化水素基、該炭化水素基がヘテロ原子に結合した基、水酸基、水素原子、ヘテロ原子又はハロゲン原子であり、少なくとも一つはケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基であり;REach independently represents a hydrocarbon group which may have a substituent, a group in which the hydrocarbon group is bonded to a hetero atom, a hydroxyl group, a hydrogen atom, a hetero atom or a halogen atom, at least one of which is silicon-oxygen- A group capable of forming a silicon bond; R 0 は水素原子又はメチル基であり;nIs a hydrogen atom or a methyl group; n 1 は1以上の整数であり、nIs an integer greater than or equal to 1, n 2 は0又は1であり、ただしnIs 0 or 1, where n 2 が0である場合、nN is 0, n 1 は1である。)Is 1. )

本発明によれば、高プロトン伝導性を有し、燃料遮断性及び耐久性にも優れるプロトン伝導性膜が得られる。   According to the present invention, a proton conductive membrane having high proton conductivity and excellent fuel cutoff and durability can be obtained.

以下、本発明について詳しく説明する。
なお、以下の説明において、例えば、「架橋性化合物(A)とシラン化合物(α)との反応」は、便宜上「架橋性化合物(A)と、酸基含有構造体(B)中のシラン化合物(α)由来の部位との反応」も含むものとする。
同様に、「シラン化合物(α)と酸基含有化合物(β)との重合反応」は、便宜上「シラン化合物(α)に由来する重合体と、酸基含有化合物(β)との重合反応」及び「シラン化合物(α)と、酸基含有化合物(β)に由来する重合体との重合反応」も含むものとする。
同様に、「シラン化合物(α)と架橋剤(C)との結合」は、便宜上「シラン化合物(α)に由来する重合体と架橋剤(C)との結合」も含むものとする。「酸基含有化合物(β)と架橋剤(C)との結合」についても同様である。
The present invention will be described in detail below.
In the following description, for example, “reaction between crosslinkable compound (A) and silane compound (α)” means “crosslinkable compound (A) and silane compound in acid group-containing structure (B)” for convenience. The reaction with the site derived from (α) ”is also included.
Similarly, the “polymerization reaction between the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β)” refers to the “polymerization reaction between the polymer derived from the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β)” for convenience. And “a polymerization reaction between the silane compound (α) and a polymer derived from the acid group-containing compound (β)”.
Similarly, “bonding between the silane compound (α) and the crosslinking agent (C)” includes “bonding between the polymer derived from the silane compound (α) and the crosslinking agent (C)” for convenience. The same applies to “the bond between the acid group-containing compound (β) and the crosslinking agent (C)”.

<プロトン伝導性膜>
本発明のプロトン伝導性膜は、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)(以下、「架橋性化合物(A)」と略記することがある)と、シラン化合物と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)(以下、「酸基含有構造体(B)」と略記することがある)とが、ケイ素−酸素−ケイ素結合によって連結されてなり、ゲル分率が96%以上であり、前記架橋性化合物(A)が、下記一般式(1)で表され、前記酸基含有構造体(B)が、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基及び重合性不飽和二重結合を有するシラン化合物(α)(以下、「シラン化合物(α)」と略記することがある)と、酸基及び重合性不飽和二重結合を有する酸基含有化合物(β)(以下、「酸基含有化合物(β)」と略記することがある)とが共有結合してなる構造体を含むことを特徴とする。
<Proton conductive membrane>
The proton conductive membrane of the present invention is covalently bonded to a crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond (hereinafter sometimes abbreviated as “crosslinkable compound (A)”) and a silane compound. The acid group-containing structure (B) having a group (hereinafter sometimes abbreviated as “acid group-containing structure (B)”) is linked by a silicon-oxygen-silicon bond, and the gel fraction is 96% or more, the crosslinkable compound (A) is represented by the following general formula (1), and the acid group-containing structure (B) can form a silicon-oxygen-silicon bond and polymerizability Silane compound (α) having an unsaturated double bond (hereinafter sometimes abbreviated as “silane compound (α)”), and acid group-containing compound (β) having an acid group and a polymerizable unsaturated double bond (Hereinafter sometimes abbreviated as “acid group-containing compound (β)”). Characterized in that it comprises a structure and formed by.

Figure 0005175619
Figure 0005175619

(式中、Rは炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子であり;R、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基であり、少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であり;R〜Rが複数である場合には、複数のR〜Rれぞれ同一でも異なっていても良く;mは1以上の整数である。) (Wherein R 1 is a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms or an oxygen atom; R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a hydrogen atom, Methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group N-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, hydroxyl group or a group represented by the formula “—O—Si—”, at least one of which is a methoxy group, an ethoxy group, or an n-propoxy group. group, Isopuropokishiki group, n- butoxy group, isobutoxy group, sec- butoxy group, a tert- butoxy group or a hydroxyl group; when R 1 to R 3 is plural, a plurality of R To R 3 may be the same or different, respectively Re its; m 1 is an integer of 1 or more).

[架橋性化合物(A)]
架橋性化合物(A)は、本発明のプロトン伝導性膜において、架橋基本構造体となるものであり、前記一般式(1)で表される。
[Crosslinking compound (A)]
The crosslinkable compound (A) serves as a crosslinked basic structure in the proton conductive membrane of the present invention, and is represented by the general formula (1).

一般式(1)中、Rは炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子である。
の二価の炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状及び環状のいずれでも良く、脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基のいずれでも良い。
In the general formula (1), R 1 is a divalent hydrocarbon group or an oxygen atom having 1 to 50 carbon atoms.
The divalent hydrocarbon group for R 1 may be linear, branched or cyclic, and may be either an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group.

前記脂肪族炭化水素基は、飽和脂肪族炭化水素基及び不飽和脂肪族炭化水素基のいずれでも良いが、飽和脂肪族炭化水素基であることが好ましく、直鎖状又は分岐鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、直鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることが特に好ましい。
該脂肪族炭化水素基は、炭素数が1〜20であることが好ましく、1〜10であることがより好ましい。
該脂肪族炭化水素基の特に好ましいものとしては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、デシレン基が例示できる。
前記芳香族炭化水素基は、単環式及び多環式のいずれでも良いが、単環式であることが好ましく、フェニレン基が特に好ましい。
The aliphatic hydrocarbon group may be either a saturated aliphatic hydrocarbon group or an unsaturated aliphatic hydrocarbon group, but is preferably a saturated aliphatic hydrocarbon group, and is a linear or branched saturated fat. An aromatic hydrocarbon group is more preferable, and a linear saturated aliphatic hydrocarbon group is particularly preferable.
The aliphatic hydrocarbon group preferably has 1 to 20 carbon atoms, and more preferably 1 to 10 carbon atoms.
Particularly preferred examples of the aliphatic hydrocarbon group include methylene group, ethylene group, propylene group, butylene group, pentylene group, hexylene group, heptylene group, octylene group, nonylene group and decylene group.
The aromatic hydrocarbon group may be monocyclic or polycyclic, but is preferably monocyclic, and particularly preferably a phenylene group.

また、Rの二価の炭化水素基は、脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基が結合した2価の基でも良く、このようなものとしては、芳香族炭化水素基の二個の水素原子が2価の脂肪族炭化水素基で置換されたものが好ましい。ここで、脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基としては、上記で説明したものの中から、炭素数の総数が50以下となる組み合わせを選択すれば良い。好ましいものとして具体的には、ベンゼンの1位及び4位の水素原子がアルキレン基で置換されたものが例示でき、該アルキレン基としては炭素数1〜5であるものが好ましく、炭素数1〜3であるものがより好ましく、エチレン基が特に好ましい。 In addition, the divalent hydrocarbon group of R 1 may be a divalent group in which an aliphatic hydrocarbon group and an aromatic hydrocarbon group are bonded, and as such, there are two aromatic hydrocarbon groups. Those in which a hydrogen atom is substituted with a divalent aliphatic hydrocarbon group are preferred. Here, as the aliphatic hydrocarbon group and the aromatic hydrocarbon group, a combination in which the total number of carbon atoms is 50 or less may be selected from those described above. Specific examples of preferable ones include those in which hydrogen atoms at the 1-position and 4-position of benzene are substituted with an alkylene group. The alkylene group preferably has 1 to 5 carbon atoms, preferably 1 to 1 carbon atoms. 3 is more preferable, and an ethylene group is particularly preferable.

一般式(1)中、R、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基である。ここで、R〜Rのいずれかが、式「−O−Si−」で表される基である場合には、架橋性化合物(A)が、他の架橋性化合物(A)と結合していることを示す。
そして、R〜Rの少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であるので、該水酸基、あるいは該水酸基を除くこれらの基が酸又は塩基触媒存在下で加水分解されて生じた水酸基(シラノール基)が、シラノール基を有する他の分子と縮合反応することが可能となっている。
本発明においては、R〜Rがそれぞれ独立にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基又は水酸基であることが好ましく、R〜Rがそれぞれ独立にメトキシ基又は水酸基であることがより好ましい。
In general formula (1), R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, or an n-butyl group. , Isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group , A hydroxyl group or a group represented by the formula “—O—Si—”. Here, when any of R 2 to R 7 is a group represented by the formula “—O—Si—”, the crosslinkable compound (A) binds to another crosslinkable compound (A). Indicates that
And at least one of R 2 to R 7 is a methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group or hydroxyl group. Then, the hydroxyl group or a hydroxyl group (silanol group) generated by hydrolysis of these groups excluding the hydroxyl group in the presence of an acid or base catalyst can undergo a condensation reaction with other molecules having a silanol group. Yes.
In the present invention, R 2 to R 7 are preferably each independently a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, an n-butoxy group or a hydroxyl group, and R 2 to R 7 are each independently a methoxy group or a hydroxyl group. It is more preferable that

〜Rが複数である場合には、複数のR〜Rれぞれ同一でも異なっていても良い。例えば、一般式(1)において、mが2以上の整数である場合には、架橋性化合物(A)は、Rとして炭素数1〜50の二価の炭化水素基と酸素原子とを両方含むものであっても良く、このようなものとして、一般式「−Si−R’−Si−O−(式中、R’は炭素数1〜50の二価の炭化水素基を表す)」で表される繰り返しの基本骨格を有するものが例示できる。同様に、複数のRもそれぞれ同一でも異なっていても良く、複数のRもそれぞれ同一でも異なっていても良い。 When R 1 to R 3 is plural, a plurality of R 1 to R 3 may be the same or different, respectively Re it. For example, in the general formula (1), when m 1 is an integer of 2 or more, the crosslinkable compound (A) includes a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms and an oxygen atom as R 1. As such, the general formula “—Si—R 1 ′ —Si—O— (wherein R 1 ′ represents a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms). And a compound having a repeating basic skeleton represented by Similarly, a plurality of R 2 may be the same or different, and a plurality of R 5 may be the same or different.

一般式(1)中、mは1以上の整数である。 In general formula (1), m 1 is an integer of 1 or more.

前記一般式(1)で表されるように、架橋性化合物(A)は、無機化合物でも良いし、無機化合物に有機化合物が複合された有機無機複合体でも良い。なかでも、有機無機複合体の場合には、有機化合物及び無機化合物の組み合わせを目的に応じて適宜選択することにより、プロトン伝導性膜の物性を調整できる。例えば、無機化合物が有する耐熱性と有機化合物が有する柔軟性とを兼ね備えたプロトン伝導性膜を形成できる。また、架橋性化合物(A)の架橋度やその他の構造を調整することで、プロトン伝導性膜の重要な特性の一つである燃料遮断性も調整できる。   As represented by the general formula (1), the crosslinkable compound (A) may be an inorganic compound or an organic-inorganic composite in which an organic compound is combined with an inorganic compound. In particular, in the case of an organic-inorganic composite, the physical properties of the proton conductive membrane can be adjusted by appropriately selecting a combination of an organic compound and an inorganic compound according to the purpose. For example, it is possible to form a proton conductive membrane that has both the heat resistance of an inorganic compound and the flexibility of an organic compound. In addition, by adjusting the degree of cross-linking of the cross-linkable compound (A) and other structures, the fuel blocking property, which is one of the important characteristics of the proton conductive membrane, can be adjusted.

本発明のプロトン伝導性膜は、電解質の構造が粒子状であって、この粒子状構造が互いに結合した粒子の連続体であることが好ましい。このような粒子の連続体においては、その架橋密度や粒子間結合強度を調整することで、プロトン伝導性膜の強度や可撓性も適宜調整できる。さらに、粒子表面は酸基を有しており、粒子と粒子との間にプロトン伝導経路が形成されていることが好ましい。このような構造をとることにより、電解質の機械的強度が向上し、かつ効率的にプロトンが伝導される。ここで粒子は球形が好ましいが、不定形粒子でもよい。ここで不定形粒子とは、完全な曲面により構成されておらず、一部または全部に角のある箇所を有する粒子のことを指す。粒子の平均粒子径は3〜200nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましい。平均粒子径が200nmを超えるとプロトン伝導を担う粒子の表面積が減少し、高い伝導度が得られなくなり、また、粒子の間隙が大きくなりすぎて脆くなる。一方、平均粒子径が3nmよりも小さいと均一層に近くなり、より少ない酸基で効率的なプロトン伝導をさせることができなくなる場合がある。平均粒子径の範囲を前述の好ましい範囲とすることにより、十分な強度を確保しつつ、プロトン伝導経路を十分に確保することができる。粒径は、例えば電界放射形走査電子顕微鏡(FE−SEM)等の電子顕微鏡写真から直接求めることも出来るが、小角X線散乱などの手段によって求めることも出来る。また、粒径の分布については、均一な粒径の粒子の連続体であってもよく、不均一な粒径の粒子の連続体であってもよい。ここで、粒子の粒径分布が均一であると、粒径にもよるが、幾何学的に間隙が出来やすく、高いイオン伝導度を発揮できる可能性がある。一方、粒径分布に幅があると、密なパッキングが可能であり、燃料遮断性の向上や膜の強度向上に寄与する。従って使用状況に応じて粒径分布を選ぶようにするのが好ましい。粒径制御は、用いる原料の構造、分子量、溶媒の種類・濃度、反応温度などの条件の調整により可能である。   The proton conductive membrane of the present invention is preferably a continuum of particles in which the electrolyte has a particulate structure and the particulate structure is bonded to each other. In such a continuum of particles, the strength and flexibility of the proton conductive membrane can be adjusted as appropriate by adjusting the crosslink density and interparticle bond strength. Furthermore, it is preferable that the particle surface has an acid group and a proton conduction path is formed between the particles. By taking such a structure, the mechanical strength of the electrolyte is improved, and protons are efficiently conducted. Here, the particles are preferably spherical, but may be irregular particles. Here, the irregularly shaped particles refer to particles that are not constituted by a completely curved surface and have a part with a corner in part or in whole. The average particle size of the particles is preferably 3 to 200 nm, more preferably 10 to 100 nm. When the average particle diameter exceeds 200 nm, the surface area of the particles responsible for proton conduction decreases, and high conductivity cannot be obtained, and the gaps between the particles become too large and become brittle. On the other hand, if the average particle diameter is smaller than 3 nm, the layer becomes close to a uniform layer, and efficient proton conduction may not be possible with a smaller number of acid groups. By setting the range of the average particle diameter to the above-described preferable range, it is possible to sufficiently secure the proton conduction path while ensuring sufficient strength. The particle diameter can be determined directly from an electron micrograph such as a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), but can also be determined by means such as small angle X-ray scattering. The particle size distribution may be a continuum of particles having a uniform particle size or a continuum of particles having a non-uniform particle size. Here, when the particle size distribution of the particles is uniform, although depending on the particle size, a gap is easily formed geometrically and there is a possibility that high ionic conductivity can be exhibited. On the other hand, if the particle size distribution is wide, dense packing is possible, which contributes to improved fuel shut-off and improved membrane strength. Therefore, it is preferable to select the particle size distribution according to the use situation. The particle size can be controlled by adjusting conditions such as the structure of the raw material used, the molecular weight, the type / concentration of the solvent, and the reaction temperature.

架橋性化合物(A)は、前記条件を満たすものであれば特に限定されないが、好ましいものとして、具体的には、下記化合物からなる群から選択される一種以上をモノマーとし、該モノマーが重合してなる重合体が例示できる。
1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン、1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、1,9−ビス(トリエトキシシリル)ノナン、1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン等のビス(アルコキシシリル)アルカン;
1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタン、1,8−ビス(エチルジメトキシシリル)オクタン等のビス(アルキルアルコキシシリル)アルカン;
1,4−ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、1,4−ビス(トリエトキシシリルエチル)ベンゼン等のビス(トリアルコキシシリルアルキル)ベンゼン;
テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラ−n−ブトキシシラン等のアルコキシシラン;
メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、メチルトリ−n−ブトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジメチルジイソプロポキシシラン、ジメチルジ−n−ブトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリ−n−ブトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、n−プロピルトリイソプロポキシシラン、n−プロピルトリ−n−ブトキシシラン、イソプロピルトリメトキシシラン、イソプロピルトリエトキシシラン、イソプロピルトリイソプロポキシシラン、イソプロピルトリ−n−ブトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、n−ブチルトリエトキシシラン、n−ブチルトリイソプロポキシシラン、n−ブチルトリ−n−ブトキシシラン等のアルキルアルコキシシラン;
フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリ−n−ブトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン、フェニルメチルジイソプロポキシシラン、フェニルメチルジ−n−ブトキシシラン等のアリールアルコキシシラン;
The crosslinkable compound (A) is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned conditions, but as a preferable one, specifically, one or more selected from the group consisting of the following compounds is used as a monomer, and the monomer is polymerized. Can be exemplified.
Bis such as 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane, 1,9-bis (triethoxysilyl) nonane, 1,8-bis (triethoxysilyl) octane (Alkoxysilyl) alkanes;
Bis (alkylalkoxysilyl) alkanes such as 1,8-bis (diethoxymethylsilyl) octane, 1,8-bis (ethyldimethoxysilyl) octane;
Bis (trialkoxysilylalkyl) benzene such as 1,4-bis (trimethoxysilylethyl) benzene, 1,4-bis (triethoxysilylethyl) benzene;
Alkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetra-n-butoxysilane;
Methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, methyltri-n-butoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, dimethyldiisopropoxysilane, dimethyldi-n-butoxysilane, ethyltrimethoxysilane, Ethyltriethoxysilane, ethyltriisopropoxysilane, ethyltri-n-butoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, n-propyltriisopropoxysilane, n-propyltri-n-butoxysilane, Isopropyltrimethoxysilane, isopropyltriethoxysilane, isopropyltriisopropoxysilane, isopropyltri-n-butoxysilane, n-butyltrimethoxysilane, n-buty Triethoxysilane, n- butyl triisopropoxysilane, alkyl alkoxysilanes such as n- butyltri -n- butoxysilane;
Phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, phenyltriisopropoxysilane, phenyltri-n-butoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, phenylmethyldiethoxysilane, phenylmethyldiisopropoxysilane, phenylmethyldi-n-butoxysilane Arylalkoxysilanes such as;

上記化合物の中でも、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランは汎用品であり、安価で大量且つ容易に入手可能であることから、これらの一種以上が重合してなる重合体を架橋性化合物(A)として使用するのが好適である。   Among the above compounds, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are general-purpose products, and are inexpensive and available in large quantities and easily. Therefore, a polymer obtained by polymerizing one or more of these is used as the crosslinkable compound (A). It is preferred to use.

ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   The crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond may be used singly or in combination of two or more. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

[酸基含有構造体(B)]
酸基含有構造体(B)は、シラン化合物(α)と酸基含有化合物(β)とが共有結合してなる構造体を含む。
[Acid group-containing structure (B)]
The acid group-containing structure (B) includes a structure in which a silane compound (α) and an acid group-containing compound (β) are covalently bonded.

(シラン化合物(α))
シラン化合物(α)は、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基及び重合性不飽和二重結合を有するものであれば良い。なかでも好ましいものとして、下記一般式(2)で表される化合物が例示できる。
(Silane compound (α))
Silane compound ((alpha)) should just have a group which can form a silicon-oxygen-silicon bond, and a polymerizable unsaturated double bond. Among them, preferred examples include compounds represented by the following general formula (2).

Figure 0005175619
Figure 0005175619

(式中、Rは置換基を有していても良い二価の炭化水素基、該炭化水素基とオキシカルボニル基(−O−C(=O)−)とが結合した二価の基又はヘテロ原子であり;R、R10、R11はそれぞれ独立に置換基を有していても良い炭化水素基、該炭化水素基がヘテロ原子に結合した基、水酸基、水素原子、ヘテロ原子又はハロゲン原子であり、少なくとも一つはケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基であり;Rは水素原子又はメチル基であり;nは1以上の整数であり、nは0又は1であり、ただしnが0である場合、nは1である。) (Wherein R 8 is a divalent hydrocarbon group which may have a substituent, and a divalent group in which the hydrocarbon group and an oxycarbonyl group (—O—C (═O) —) are bonded). Or R 9 , R 10 and R 11 are each independently a hydrocarbon group which may have a substituent, a group in which the hydrocarbon group is bonded to a hetero atom, a hydroxyl group, a hydrogen atom or a hetero atom. Or a halogen atom, at least one of which is capable of forming a silicon-oxygen-silicon bond; R 0 is a hydrogen atom or a methyl group; n 1 is an integer of 1 or more, and n 2 is 0 or 1 if n 2 is 0, n 1 is 1.)

一般式(2)中、Rは置換基を有していても良い二価の炭化水素基、該炭化水素基とオキシカルボニル基(−O−C(=O)−)とが結合した二価の基又はヘテロ原子である。
の二価の炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状及び環状のいずれでも良く、脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基のいずれでも良く、脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基が結合した2価の基でも良い。
前記脂肪族炭化水素基は、飽和脂肪族炭化水素基及び不飽和脂肪族炭化水素基のいずれでも良いが、飽和脂肪族炭化水素基であることが好ましく、直鎖状又は分岐鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、直鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることが特に好ましい。
該脂肪族炭化水素基は、炭素数が1〜10であることが好ましく、1〜5であることがより好ましい。
該脂肪族炭化水素基の特に好ましいものとしては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基が例示できる。
前記芳香族炭化水素基は、単環式及び多環式のいずれでも良いが、単環式であることが好ましく、フェニレン基が特に好ましい。
In the general formula (2), R 8 represents a divalent hydrocarbon group which may have a substituent, a divalent hydrocarbon group bonded to an oxycarbonyl group (—O—C (═O) —). A valent group or a heteroatom.
The divalent hydrocarbon group for R 8 may be linear, branched or cyclic, and may be either an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group, and may be an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group. A divalent group to which a hydrogen group is bonded may be used.
The aliphatic hydrocarbon group may be either a saturated aliphatic hydrocarbon group or an unsaturated aliphatic hydrocarbon group, but is preferably a saturated aliphatic hydrocarbon group, and is a linear or branched saturated fat. An aromatic hydrocarbon group is more preferable, and a linear saturated aliphatic hydrocarbon group is particularly preferable.
The aliphatic hydrocarbon group preferably has 1 to 10 carbon atoms, and more preferably 1 to 5 carbon atoms.
Particularly preferable examples of the aliphatic hydrocarbon group include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, and a pentylene group.
The aromatic hydrocarbon group may be monocyclic or polycyclic, but is preferably monocyclic, and particularly preferably a phenylene group.

の前記炭化水素基とオキシカルボニル基(−O−C(=O)−)とが結合した二価の基とは、エステル結合を有する二価の基であり、前記炭化水素基の末端の炭素原子と、オキシカルボニル基(−O−C(=O)−)の酸素原子(−O−)とが結合した基である。
のヘテロ原子は、酸素原子又は硫黄原子であることが好ましい。
The divalent group in which the hydrocarbon group of R 8 and the oxycarbonyl group (—O—C (═O) —) are bonded is a divalent group having an ester bond, and is a terminal of the hydrocarbon group. Are bonded to the oxygen atom (—O—) of the oxycarbonyl group (—O—C (═O) —).
The hetero atom of R 8 is preferably an oxygen atom or a sulfur atom.

が有していても良い置換基としては、アルキル基、アルコキシ基、水酸基、ハロゲン原子が例示できる。
置換基としてのアルキル基又はアルコキシ基は、炭素数1〜3であることが好ましい。
置換基としてのハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子が例示できる。
置換基の数は特に限定されないが、0又は1であることが好ましく、0であることがより好ましい。
Examples of the substituent that R 8 may have include an alkyl group, an alkoxy group, a hydroxyl group, and a halogen atom.
The alkyl group or alkoxy group as the substituent preferably has 1 to 3 carbon atoms.
Examples of the halogen atom as a substituent include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom.
The number of substituents is not particularly limited, but is preferably 0 or 1, and more preferably 0.

、R10、R11はそれぞれ独立に置換基を有していても良い炭化水素基、該炭化水素基がヘテロ原子に結合した基、水酸基、水素原子、ヘテロ原子又はハロゲン原子である。
〜R11の炭化水素基としては、前記Rの二価の炭化水素基に水素原子が結合した一価の炭化水素基が例示できる。なかでも、脂肪族炭化水素基であることが好ましく、飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、直鎖状又は分岐鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることが特に好ましい。
該脂肪族炭化水素基は、炭素数が1〜5であることが好ましく、1〜3であることがより好ましい。具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基が例示できる。
R 9 , R 10 and R 11 are each independently a hydrocarbon group which may have a substituent, a group in which the hydrocarbon group is bonded to a hetero atom, a hydroxyl group, a hydrogen atom, a hetero atom or a halogen atom.
Examples of the hydrocarbon group of R 9 to R 11 include a monovalent hydrocarbon group in which a hydrogen atom is bonded to the divalent hydrocarbon group of R 8 . Of these, an aliphatic hydrocarbon group is preferable, a saturated aliphatic hydrocarbon group is more preferable, and a linear or branched saturated aliphatic hydrocarbon group is particularly preferable.
The aliphatic hydrocarbon group preferably has 1 to 5 carbon atoms, and more preferably 1 to 3 carbon atoms. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, an n-pentyl group, an isopentyl group, and a neopentyl group. .

〜R11のヘテロ原子としては、酸素原子又は硫黄原子が例示でき、酸素原子が特に好ましい。
〜R11の前記炭化水素基がヘテロ原子に結合した基におけるヘテロ原子は、前記と同様であり、なかでも、R〜R11の前記炭化水素基が酸素原子に結合した基が好ましく、直鎖状又は分岐鎖状のアルコキシ基であることが特に好ましい。
〜R11のハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子が例示できる。
Examples of the hetero atom of R 9 to R 11 include an oxygen atom or a sulfur atom, and an oxygen atom is particularly preferable.
The hetero atom in the group in which the hydrocarbon group of R 9 to R 11 is bonded to a hetero atom is the same as described above, and among them, the group in which the hydrocarbon group of R 9 to R 11 is bonded to an oxygen atom is preferable. Particularly preferred is a linear or branched alkoxy group.
As a halogen atom of R < 9 > -R < 11 >, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom can be illustrated.

〜R11の少なくとも一つは、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基であり、好ましいものとしてアルコキシ基、水酸基が例示できる。アルコキシシリル基は、加水分解反応後にシラノール基等と縮合させることで、分子間でケイ素−酸素−ケイ素結合を形成する。 At least one of R 9 to R 11 is a group capable of forming a silicon-oxygen-silicon bond, and preferred examples include an alkoxy group and a hydroxyl group. The alkoxysilyl group forms a silicon-oxygen-silicon bond between molecules by condensation with a silanol group or the like after the hydrolysis reaction.

は水素原子又はメチル基である。
は1以上の整数であり、1〜5であることが好ましく、1〜3であることがより好ましく、1であることが特に好ましい。
は0又は1であり、ただしnが0である場合、nは1である。
R 0 is a hydrogen atom or a methyl group.
n 1 is an integer of 1 or more, preferably 1 to 5, more preferably 1 to 3, and particularly preferably 1.
n 2 is 0 or 1, provided that when n 2 is 0, n 1 is 1.

好ましいシラン化合物(α)として具体的には、3−(トリメトキシシリル)プロピルアクリレート、3−(メチルジメトキシシリル)プロピルアクリレート、3−(トリエトキシシリル)プロピルアクリレート、3−(メチルジエトキシシリル)プロピルアクリレート、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリルレート、3−(メチルジメトキシシリル)プロピルメタクリルレート、3−(トリエトキシシリル)プロピルメタクリルレート、3−(メチルジエトキシシリル)プロピルメタクリルレート、p−スチリルトリメトキシシラン、p−スチリルトリエトキシシラン等が例示できる。
これらの中でもシラン化合物(α)としては、3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート、トリメトキシビニルシランが特に好ましい。
Specific examples of preferred silane compounds (α) include 3- (trimethoxysilyl) propyl acrylate, 3- (methyldimethoxysilyl) propyl acrylate, 3- (triethoxysilyl) propyl acrylate, and 3- (methyldiethoxysilyl). Propyl acrylate, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate, 3- (methyldimethoxysilyl) propyl methacrylate, 3- (triethoxysilyl) propyl methacrylate, 3- (methyldiethoxy Examples include silyl) propyl methacrylate, p-styryltrimethoxysilane, p-styryltriethoxysilane and the like.
Among these, as the silane compound (α), 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate and trimethoxyvinylsilane are particularly preferable.

シラン化合物(α)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   A silane compound ((alpha)) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

(酸基含有化合物(β))
酸基含有化合物(β)は、酸基及び重合性不飽和二重結合を有するものであれば良い。
酸基としては、水中での酸解離定数で定義される該酸基含有化合物(β)のpKaを5以下とするものが好ましく、スルホ基(−SOH)、カルボキシ基、リン酸基等が例示でき、スルホ基が特に好ましい。
酸基含有化合物(β)としては、好ましいものとして、例えば、プロトン付加が可能なヘテロ原子を3つ以上有し、且つメチレン基が2つ以上連結した直鎖構造を含む(メタ)アクリレートが例示できる。ここでプロトン付加が可能なヘテロ原子としては、酸素原子、硫黄原子又は窒素原子が例示でき、スルホ基等、前記酸基を構成する原子団中の原子であっても良い。
(Acid group-containing compound (β))
The acid group-containing compound (β) may be any compound having an acid group and a polymerizable unsaturated double bond.
The acid group is preferably an acid group-containing compound (β) having a pKa of 5 or less as defined by an acid dissociation constant in water, such as a sulfo group (—SO 3 H), a carboxy group, and a phosphate group. And a sulfo group is particularly preferable.
Preferred examples of the acid group-containing compound (β) include (meth) acrylates having a straight chain structure having three or more heteroatoms capable of protonation and two or more methylene groups linked. it can. Here, examples of the heteroatom that can be protonated include an oxygen atom, a sulfur atom, and a nitrogen atom, and may be an atom in an atomic group constituting the acid group, such as a sulfo group.

酸基含有化合物(β)としては、好ましいものとして、下記一般式(3)〜(5)で表される化合物が例示できる。   Preferred examples of the acid group-containing compound (β) include compounds represented by the following general formulas (3) to (5).

Figure 0005175619
Figure 0005175619

(式中、R12は置換基を有していても良い炭素数10以下のアルキレン基、アリーレン基又はカルボニルオキシアルキレン基であり;R13は置換基を有していても良い炭素数10以下のアルキル基、アリール基、カルボニルオキシアルキル基又はアミノカルボニル基であり;Xは酸基である。) (In the formula, R 12 is an alkylene group, an arylene group or a carbonyloxyalkylene group having 10 or less carbon atoms which may have a substituent; and R 13 has 10 or less carbon atoms which may have a substituent. An alkyl group, an aryl group, a carbonyloxyalkyl group or an aminocarbonyl group; X is an acid group.)

式中、R12は置換基を有していても良い炭素数10以下のアルキレン基、アリーレン基又はオキシカルボニルアルキレン基である。
12のアルキレン基は、直鎖状及び分岐鎖状のいずれでも良く、炭素数2〜8であることが好ましく、炭素数2〜5であることが好ましい。
12のアリーレン基は、フェニレン基が好ましい。
12のカルボニルオキシアルキレン基におけるアルキレン基は、炭素数2〜6であることが好ましく、炭素数2〜4であることがより好ましく、直鎖状であることが好ましい。なお、該カルボニルオキシアルキレン基のカルボニル基を構成する炭素原子は、上記式中の炭素=炭素二重結合を構成する炭素原子に結合するものとする。
In the formula, R 12 is an alkylene group having 10 or less carbon atoms, an arylene group, or an oxycarbonylalkylene group which may have a substituent.
The alkylene group for R 12 may be linear or branched and preferably has 2 to 8 carbon atoms, more preferably 2 to 5 carbon atoms.
The arylene group for R 12 is preferably a phenylene group.
The alkylene group in the carbonyloxyalkylene group represented by R 12 preferably has 2 to 6 carbon atoms, more preferably 2 to 4 carbon atoms, and is preferably linear. The carbon atom constituting the carbonyl group of the carbonyloxyalkylene group is bonded to the carbon atom constituting the carbon = carbon double bond in the above formula.

12のアルキレン基、アリーレン基又はカルボニルオキシアルキレン基は、置換基を有していても良い。ここで置換基を有するとは、前記アルキレン基、アリーレン基又はカルボニルオキシアルキレン基の炭素原子に結合している水素原子の一部が置換基で置換されていることを示す。
ここで置換基としては、好ましいものとしてアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子、アミノ基、スルホ基、カルボキシ基が例示できる。置換基としてのアルキル基及びアルコキシ基は、炭素数1〜3であることが好ましい。置換基としてのハロゲン原子は、フッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子が例示できる。これらの中でも、置換基としては、アルコキシ基、カルボキシ基、アミノ基又はスルホ基が好ましく、アミノ基又はスルホ基がより好ましい。
The alkylene group, arylene group, or carbonyloxyalkylene group represented by R 12 may have a substituent. Here, having a substituent means that a part of the hydrogen atoms bonded to the carbon atom of the alkylene group, arylene group or carbonyloxyalkylene group is substituted with a substituent.
Here, preferred examples of the substituent include an alkyl group, an alkoxy group, a halogen atom, an amino group, a sulfo group, and a carboxy group. It is preferable that the alkyl group and alkoxy group as a substituent have 1 to 3 carbon atoms. The halogen atom as a substituent can be exemplified by a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom. Among these, as a substituent, an alkoxy group, a carboxy group, an amino group, or a sulfo group is preferable, and an amino group or a sulfo group is more preferable.

式中、R13は置換基を有していても良い炭素数10以下のアルキル基、アリール基、カルボニルオキシアルキル基又はアミノカルボニル基である。
13のアルキレン基は、R12のアルキレン基に水素原子が結合したものが例示できる。
13のアリール基は、R12のアリーレン基に水素原子が結合したものが例示できる。
13のカルボニルオキシアルキル基は、R12のカルボニルオキシアルキレン基に水素原子が結合したものが例示できる。
In the formula, R 13 is an alkyl group having 10 or less carbon atoms, an aryl group, a carbonyloxyalkyl group or an aminocarbonyl group which may have a substituent.
Examples of the alkylene group for R 13 include those in which a hydrogen atom is bonded to the alkylene group for R 12 .
Examples of the aryl group of R 13 include those in which a hydrogen atom is bonded to the arylene group of R 12 .
Examples of the carbonyloxyalkyl group for R 13 include those in which a hydrogen atom is bonded to the carbonyloxyalkylene group for R 12 .

13のアルキル基、アリール基、カルボニルオキシアルキル基又はアミノカルボニル基は、置換基を有していても良い。ここで置換基を有するとは、前記アルキル基、アリール基又はカルボニルオキシアルキル基の炭素原子に結合している水素原子の一部が置換基で置換されていること、あるいはアミノカルボニル基の窒素原子に結合している水素原子の一部又は全部が置換基で置換されていることを示す。
前記アルキル基、アリール基又はカルボニルオキシアルキル基における置換基としては、R12における置換基と同様のものが例示できる。
前記アミノカルボニル基における置換基としては、好ましいものとして炭素数1〜3のアルキル基が例示できる。
The alkyl group, aryl group, carbonyloxyalkyl group or aminocarbonyl group of R 13 may have a substituent. Here, having a substituent means that a part of hydrogen atoms bonded to carbon atoms of the alkyl group, aryl group or carbonyloxyalkyl group is substituted with a substituent, or a nitrogen atom of an aminocarbonyl group. It shows that part or all of the hydrogen atoms bonded to is substituted with a substituent.
Examples of the substituent in the alkyl group, aryl group or carbonyloxyalkyl group include the same substituents as those in R 12 .
Preferred examples of the substituent in the aminocarbonyl group include an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.

式中、Xは酸基であり、上記の酸基含有化合物(β)における酸基と同じである。   In formula, X is an acid group and is the same as the acid group in said acid group containing compound ((beta)).

好ましい酸基含有化合物(β)として、具体的には、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、2−(メタクリロイルオキシ)エチルスルホン酸、3−スルホプロピルメタクリレート、p−スチルスルホン酸、4,4’−ジアミノスチルベンゼン−2,2’−ジスルホン酸、イタコン酸ビス(3−スルホプロピル)等が例示できる。
これらの中でも、酸基含有化合物(β)としては、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸が特に好ましい。
Specific examples of preferred acid group-containing compound (β) include 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 2- (methacryloyloxy) ethylsulfonic acid, 3-sulfopropyl methacrylate, p-stilsulfonic acid, 4, Examples thereof include 4′-diaminostilbenzene-2,2′-disulfonic acid, bis (3-sulfopropyl) itaconate, and the like.
Among these, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid is particularly preferable as the acid group-containing compound (β).

酸基含有化合物(β)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   An acid group containing compound ((beta)) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

[架橋剤(C)]
本発明のプロトン伝導性膜は、必要に応じて、前記架橋性化合物(A)及び酸基含有構造体(B)以外に、さらに架橋剤(C)が配合されてなるものでも良い。このように、プロトン伝導性膜を架橋剤(C)で架橋された構造とすることにより、柔軟性が一層向上し且つ強固な架橋構造が得られるため、耐衝撃性及び耐極性溶媒性がより一層向上する。
[Crosslinking agent (C)]
The proton conductive membrane of the present invention may be prepared by further blending a crosslinking agent (C) in addition to the crosslinking compound (A) and the acid group-containing structure (B) as necessary. Thus, since the proton conductive membrane has a structure cross-linked with the cross-linking agent (C), the flexibility is further improved and a strong cross-linked structure is obtained, so that the impact resistance and the polar solvent resistance are further improved. Further improvement.

架橋剤(C)は、酸基含有構造体(B)の原料である前記シラン化合物(α)又は前記酸基含有化合物(β)と結合可能な官能基を1分子中に2つ以上有するものが好ましい。好ましい架橋剤(C)として、具体的には、N,N’−メチレンビス(アクリルアミド)、ネオペンチルグリコールジアクリレート、1,4−ビス(アクリロイルオキシ)ブタン、1,3−ビス(メタクリロイルオキシ)−2−プロパノール、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、1−(アクリロイルオキシ)−3−(メタクリロイルオキシ)−2−プロパノール、ジビニルベンゼン、3−(メタクリロイルアミノ)プロピルトリメチルアンモニウムクロリド、ビニルメタクリレート等の炭化水素系架橋剤が例示できる。
これらの中でも、架橋剤(C)としては、N,N’―メチレンビス(アクリルアミド)、ジビニルベンゼン、トリメチロールプロパントリアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレートが特に好ましい。
また、架橋剤(C)を使用する場合には、2,2,2ートリフルオロエチルアクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルメタクリレート等のフッ素系モノマーを併用しても良い。
The cross-linking agent (C) has two or more functional groups in one molecule that can be bonded to the silane compound (α) or the acid group-containing compound (β) that is a raw material of the acid group-containing structure (B). Is preferred. Preferable examples of the crosslinking agent (C) include N, N′-methylenebis (acrylamide), neopentyl glycol diacrylate, 1,4-bis (acryloyloxy) butane, 1,3-bis (methacryloyloxy) — 2-propanol, trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, 1- (acryloyloxy) -3- (methacryloyloxy) -2-propanol, divinylbenzene, 3- (methacryloylamino) propyltrimethylammonium chloride, vinyl methacrylate And hydrocarbon-based crosslinking agents such as
Among these, as the crosslinking agent (C), N, N′-methylenebis (acrylamide), divinylbenzene, trimethylolpropane triacrylate, and neopentyl glycol diacrylate are particularly preferable.
Moreover, when using a crosslinking agent (C), you may use together fluorine-type monomers, such as 2,2,2-trifluoroethyl acrylate and 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate.

架橋剤(C)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。   A crosslinking agent (C) may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose.

プロトン伝導性膜は、酸基が高濃度に存在し、連続的に酸が存在するプロトン伝導路が形成されていることで、高プロトン伝導性を発現する。
本発明のプロトン伝導性膜は、前記酸基含有構造体(B)を含むことにより、膜中に酸基が高濃度に存在する状態を維持できるとともに、膜中のプロトン濃度を上昇させることが可能となっており、これにより、長時間安定した燃料電池作動が達成可能となっている。
図1に、本発明のプロトン伝導性膜の構造を模式的に例示する。ここに示すように、本発明のプロトン伝導性膜は、架橋基本構造体(骨格)となる架橋性化合物(A)と、前記シラン化合物(α)に前記酸基含有化合物(β)が反応して共有結合を介して結合した酸基含有構造体(B)とが少なくとも結合したものである。
なお、ここに示すプロトン伝導性膜の構造は一例に過ぎず、例えば、シラン化合物(α)同士の重合体や、酸基含有化合物(β)同士の重合体が含まれていても良いし、架橋剤(C)がシラン化合物(α)又は酸基含有化合物(β)と架橋構造を形成していても良く、あるいは架橋剤(C)同士で架橋構造を形成していても良い。
The proton conductive membrane exhibits high proton conductivity by forming a proton conduction path in which acid groups are present at a high concentration and acid is continuously present.
By including the acid group-containing structure (B), the proton conductive membrane of the present invention can maintain a state where acid groups are present in a high concentration in the membrane, and can increase the proton concentration in the membrane. Thus, stable fuel cell operation for a long time can be achieved.
FIG. 1 schematically illustrates the structure of the proton conductive membrane of the present invention. As shown here, in the proton conductive membrane of the present invention, the acid group-containing compound (β) reacts with the crosslinkable compound (A) to be a crosslinked basic structure (skeleton) and the silane compound (α). And an acid group-containing structure (B) bonded via a covalent bond.
In addition, the structure of the proton conductive membrane shown here is only an example, and for example, a polymer of silane compounds (α) or a polymer of acid group-containing compounds (β) may be included, The crosslinking agent (C) may form a crosslinked structure with the silane compound (α) or the acid group-containing compound (β), or the crosslinking agent (C) may form a crosslinked structure.

図2(a)は、本発明のプロトン伝導性膜の原料である架橋性化合物(A)、シラン化合物(α)、酸基含有化合物(β)及び架橋剤(C)の構造を模式的に例示する図である。
ここに示す架橋性化合物(A)は、前記一般式(1)で表されるものであり、シラン化合物(α)は、前記一般式(2)で表されるものであり、酸基含有化合物(β)は、前記一般式(5)で表されるものである。
また、架橋剤(C)中のR14は、アルキレン基;該アルキレン基の炭素原子がアミド基、カルボニルオキシ基等の二価の基で置換された基;アリーレン基である。
図2(b)は、図2(a)に示す原料が反応してなるプロトン伝導性膜の構造を模式的に例示する図である。
ただし、ここに示す各原料やプロトン伝導性膜の構造が一例に過ぎないことは言うまでもない。
FIG. 2A schematically shows the structures of a crosslinkable compound (A), a silane compound (α), an acid group-containing compound (β), and a crosslinker (C), which are raw materials for the proton conductive membrane of the present invention. It is a figure illustrated.
The crosslinkable compound (A) shown here is represented by the general formula (1), the silane compound (α) is represented by the general formula (2), and an acid group-containing compound. (Β) is represented by the general formula (5).
R 14 in the crosslinking agent (C) is an alkylene group; a group in which a carbon atom of the alkylene group is substituted with a divalent group such as an amide group or a carbonyloxy group; an arylene group.
FIG. 2B is a diagram schematically illustrating the structure of the proton conductive membrane formed by the reaction of the raw material shown in FIG.
However, it goes without saying that the structure of each raw material and proton conductive membrane shown here is only an example.

一般に、ケイ素−酸素架橋構造体は構造が剛直なため、極性の高い部分が多くあると温度変動によるプロトン伝導性及び燃料遮断性の劣化が生じることがある。本発明では、図1に示すように、酸基含有化合物(β)中の酸基(X)が、シラン化合物(α)を介して架橋性化合物(A)に結合することにより、燃料遮断性、強度等の様々な膜特性をより向上させることができる。特に、酸基(X)が、少なくとも4つ以上の炭素−炭素単結合を介して、架橋性化合物(A)中のシロキサン結合を構成するケイ素原子と結合することにより、酸基(X)と前記ケイ素原子との距離が近い場合よりも、極性溶媒の急激な侵入による膜の破壊や特性劣化を効果的に抑制できる。
さらに、酸基含有構造体(B)を、有機部位を多く含むように構成することにより、プロトン伝導性膜に柔軟性が付与され、耐衝撃性が向上する。
In general, since the silicon-oxygen crosslinked structure has a rigid structure, if there are many highly polar parts, the proton conductivity and the fuel cutoff performance may be deteriorated due to temperature fluctuations. In the present invention, as shown in FIG. 1, the acid group (X) in the acid group-containing compound (β) is bonded to the crosslinkable compound (A) via the silane compound (α), thereby preventing fuel blocking. Various film properties such as strength can be further improved. In particular, the acid group (X) is bonded to the silicon atom constituting the siloxane bond in the crosslinkable compound (A) via at least four or more carbon-carbon single bonds, whereby the acid group (X) and As compared with the case where the distance from the silicon atom is short, it is possible to effectively suppress the destruction of the film and the deterioration of characteristics due to the rapid penetration of the polar solvent.
Furthermore, by configuring the acid group-containing structure (B) so as to include many organic sites, flexibility is imparted to the proton conductive membrane, and impact resistance is improved.

本発明においては、シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)の組み合わせを適宜選択することで、プロトン伝導性膜に所望の柔軟性及び高耐極性溶媒性を付与できる。   In the present invention, desired flexibility and high polar solvent resistance can be imparted to the proton conductive membrane by appropriately selecting the combination of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β).

<プロトン伝導性膜の製造方法>
本発明のプロトン伝導性膜の製造方法は、ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A’)(以下、「架橋性化合物(A’)」と略記することがある)、シラン化合物(α)、酸基含有化合物(β)及び重合開始剤を混合して、重合性組成物を調製する第一工程と、該重合性組成物を成膜する第二工程と、成膜した重合性組成物を重合させる第三工程とを有し、前記架橋性化合物(A’)が、下記一般式(1’)で表され、前記重合開始剤として、10時間半減期温度が異なる複数種類の重合開始剤を使用することを特徴とする。
<Method for producing proton conductive membrane>
The method for producing a proton conductive membrane of the present invention comprises a crosslinkable compound (A ′) having a silicon-oxygen bond (hereinafter sometimes abbreviated as “crosslinkable compound (A ′)”), a silane compound (α). , A first step of preparing a polymerizable composition by mixing the acid group-containing compound (β) and a polymerization initiator, a second step of forming a film of the polymerizable composition, and a formed polymerizable composition A plurality of types of polymerization initiators having different 10-hour half-life temperatures as the polymerization initiator, wherein the crosslinkable compound (A ′) is represented by the following general formula (1 ′): It is characterized by using an agent.

Figure 0005175619
Figure 0005175619

(式中、Rは炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子であり;R、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基であり、少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であり;R〜Rが複数である場合には、複数のR〜Rれぞれ同一でも異なっていても良く;mは0以上の整数である。) (Wherein R 1 is a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms or an oxygen atom; R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a hydrogen atom, Methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group N-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, hydroxyl group or a group represented by the formula “—O—Si—”, at least one of which is a methoxy group, an ethoxy group, or an n-propoxy group. group, Isopuropokishiki group, n- butoxy group, isobutoxy group, sec- butoxy group, a tert- butoxy group or a hydroxyl group; when R 1 to R 3 is plural, a plurality of R To R 3 may be the same or different, respectively Re its; m 2 is an integer of 0 or more).

(架橋性化合物(A’))
架橋性化合物(A’)は、前記一般式(1’)で表される。
一般式(1’)中、R〜Rは、前記一般式(1)中のR〜Rと同じである。
は0以上の整数である。
すなわち、架橋性化合物(A’)は、mが1以上の整数である場合には、前記架橋性化合物(A)を表し、mが0である場合には、該架橋性化合物(A)の原料となるモノマーを表す。
本発明の製造方法では、第一工程で架橋性化合物(A)を使用して、後述するように、これを第三工程で酸基含有構造体(B)と結合させても良いし、第一工程で架橋性化合物(A’)を使用して、後述するように、これを第三工程で重合させて架橋性化合物(A)とし、酸基含有構造体(B)と結合させても良い。
(Crosslinkable compound (A ′))
The crosslinkable compound (A ′) is represented by the general formula (1 ′).
In general formula (1 ′), R 1 to R 7 are the same as R 1 to R 7 in general formula (1).
m 2 is an integer of 0 or more.
That is, the crosslinkable compound (A ′) represents the crosslinkable compound (A) when m 2 is an integer of 1 or more, and when m 2 is 0, the crosslinkable compound (A ′) ) Represents a monomer as a raw material.
In the production method of the present invention, the crosslinkable compound (A) is used in the first step, and as described later, this may be combined with the acid group-containing structure (B) in the third step. As described later, the crosslinkable compound (A ′) is used in one step, and this is polymerized in the third step to form a crosslinkable compound (A), which is combined with the acid group-containing structure (B). good.

架橋性化合物(A’)は、一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。二種以上を併用する場合には、その組み合わせ及び比率は目的に応じて適宜選択すれば良い。例えば、架橋性化合物(A’)として、mが0であるものとmが1以上であるものとを併用しても良い。
以下、各工程について、詳細に説明する。
A crosslinking compound (A ') may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the combination and ratio may be appropriately selected according to the purpose. For example, as the crosslinkable compound (A ′), a compound in which m 2 is 0 and a compound in which m 2 is 1 or more may be used in combination.
Hereinafter, each step will be described in detail.

[第一工程]
(重合開始剤)
第一工程で使用する重合開始剤としては、前記シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)の重合性不飽和二重結合が重合反応により共有結合を形成することを可能とするもののうち、10時間半減期温度が異なる複数種類のものを使用する。具体的には、加熱や光照射でラジカルを発生させるもの(熱重合開始剤、光重合開始剤)が好ましく、公知のものから適宜選択して使用すれば良い。このようなものとして、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕塩酸塩(44℃)、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕硫酸塩(47℃)、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)塩酸塩(56℃)、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−〔1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル〕プロピオンアミド}(60℃)、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス〔N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン〕水和物(57℃)、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕(61℃)、2,2’−アゾビス(1−イミノ−1−ピロリジノ−2−メチルプロパン)二塩酸塩(67℃)、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル]プロピオンアミド}(80℃)、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド](87℃)等のアゾ開始剤;
ベンゾフェノン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン、1−[4−(2−ヒドロキシエトキシ)−フェニル]−2−ヒドロキシ−2−メチル−1−プロパン−1−オン、2−ヒロドキシ−1−{4−[4−(2−ヒドロキシ−2−メチル−プロピオニル)−ベンジル]フェニル}−2−メチル−プロパン−1−オン、2−メチル−1−(4−メチルチオフェニル)−2−モルフォリノプロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタノン−1、2−(ジメチルアミノ)−2−[(4−メチルフェニル)メチル]−1−[4−(4−モルホリニル)フェニル]−1−ブタノン、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド等の光重合開始剤;
ジベンゾイルパーオキシド(74℃)、t−ブチルハイドロパーオキシド(167℃)、ジ−t−ブチルパーオキシド(116℃)等の有機過酸化物;
からなる群から選択される二種以上が例示できる。
なお、上記重合開始剤のうちのいくつかについては、化合物名直後の( )内に10時間半減期温度を例示している。
[First step]
(Polymerization initiator)
Among the polymerization initiators used in the first step, the polymerizable unsaturated double bond of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) can form a covalent bond by a polymerization reaction. A plurality of types having different 10-hour half-life temperatures are used. Specifically, those that generate radicals by heating or light irradiation (thermal polymerization initiators, photopolymerization initiators) are preferable, and may be appropriately selected from known ones. As such, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] hydrochloride (44 ° C.), 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) ) Propane] sulfate (47 ° C.), 2,2′-azobis (2-methylpropionamidine) hydrochloride (56 ° C.), 2,2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis ( Hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide} (60 ° C.), 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) -2-methylpropionamidine Hydrate (57 ° C.), 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] (61 ° C.), 2,2′-azobis (1-imino-1-pyrrolidino-2) -Methylpropane) dihydrochloride (67 ° C.), 2 , 2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide} (80 ° C.), 2,2′-azobis [2-methyl-N- ( Azo initiators such as 2-hydroxyethyl) propionamide] (87 ° C.);
Benzophenone, 2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one, 1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-propan-1-one, 1- [ 4- (2-hydroxyethoxy) -phenyl] -2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-one, 2-hydroxy-1- {4- [4- (2-hydroxy-2-methyl-propionyl) ) -Benzyl] phenyl} -2-methyl-propan-1-one, 2-methyl-1- (4-methylthiophenyl) -2-morpholinopropan-1-one, 2-benzyl-2-dimethylamino-1 -(4-morpholinophenyl) -butanone-1,2- (dimethylamino) -2-[(4-methylphenyl) methyl] -1- [4- (4-morpholini) ) Phenyl] -1-butanone, 2,4,6-trimethylbenzoyl - diphenyl - photopolymerization initiators such as phosphine oxide;
Organic peroxides such as dibenzoyl peroxide (74 ° C.), t-butyl hydroperoxide (167 ° C.), di-t-butyl peroxide (116 ° C.);
2 or more types selected from the group consisting of
In addition, about some of the said polymerization initiators, the 10-hour half-life temperature is illustrated in () immediately after the compound name.

「10時間半減期温度」とは、重合開始剤を単独で存在させた場合において、当初の約1/2の量の重合開始剤が10時間後に未反応で残存する温度のことを指す。そして、後述するように第一工程で溶媒を使用する場合には、該溶媒中に重合開始剤を単独で存在させた場合において、同様に当初の約1/2の量の重合開始剤が10時間後に未反応で残存する温度のことを指す。
本発明においては、10時間半減期温度が異なる複数種類の重合開始剤を使用することで、第三工程での不飽和二重結合同士の重合反応をいずれの段階でも促進できる。例えば、10時間半減期温度が低い重合開始剤を単独で使用したり、10時間半減期温度が低く且つ同等であるか又は近い複数種類の重合開始剤を併用した場合には、重合反応の初期段階では反応が促進されるが、重合時間が長くなるにつれ、反応が進行し難くなる。一方、10時間半減期温度が高い重合開始剤を単独で使用したり、10時間半減期温度が高く且つ同等であるか又は近い複数種類の重合開始剤を併用した場合には、反応時間が著しく長くなるか又は反応を十分に行うことができない。このように、重合開始剤を単独で使用したり、10時間半減期温度が同等か又は近い重合開始剤を複数種類併用した場合には、不飽和二重結合同士の重合反応の反応性が低下し、架橋度が十分高いプロトン伝導性膜が得られない。
これに対し、本発明においては、10時間半減期温度が異なる複数種類の重合開始剤を使用するので、重合反応の初期段階から終了まで反応を促進でき、シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)が共有結合してなる構造体が効率的に得られる。そして、かかる構造体を含む酸基含有構造体(B)と架橋性化合物(A)とがケイ素−酸素−ケイ素結合によって連結されて、架橋度が十分高いプロトン伝導性膜が得られる。その結果、シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)の残存量を低減でき、極性溶媒に対する可溶成分の量を低減できるので、得られるプロトン伝導性膜の耐極性溶媒性が向上する。
“10-hour half-life temperature” refers to a temperature at which about half of the initial amount of the polymerization initiator remains unreacted after 10 hours when the polymerization initiator is present alone. Then, as will be described later, when a solvent is used in the first step, when the polymerization initiator is present alone in the solvent, the amount of the polymerization initiator of about ½ of the initial amount is 10 The temperature that remains unreacted after a time.
In the present invention, the polymerization reaction of unsaturated double bonds in the third step can be promoted at any stage by using a plurality of types of polymerization initiators having different 10-hour half-life temperatures. For example, when a polymerization initiator having a low 10-hour half-life temperature is used alone, or when a plurality of types of polymerization initiators having a low and similar 10-hour half-life temperature are similar or close together, Although the reaction is promoted at the stage, the reaction becomes difficult to proceed as the polymerization time becomes longer. On the other hand, when a polymerization initiator having a high 10-hour half-life temperature is used alone, or when a plurality of types of polymerization initiators having a high and similar 10-hour half-life temperature are used, the reaction time is remarkably increased. It becomes long or the reaction cannot be performed sufficiently. In this way, when a polymerization initiator is used alone or when a plurality of types of polymerization initiators having similar or close 10-hour half-life temperatures are used in combination, the reactivity of the polymerization reaction between unsaturated double bonds decreases. However, a proton conductive membrane having a sufficiently high degree of crosslinking cannot be obtained.
In contrast, in the present invention, since a plurality of types of polymerization initiators having different 10-hour half-life temperatures are used, the reaction can be accelerated from the initial stage to the end of the polymerization reaction, and the silane compound (α) and the acid group-containing compound A structure formed by covalently bonding (β) can be obtained efficiently. Then, the acid group-containing structure (B) containing such a structure and the crosslinkable compound (A) are linked by a silicon-oxygen-silicon bond, and a proton conductive membrane having a sufficiently high degree of crosslinking is obtained. As a result, the residual amount of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) can be reduced, and the amount of soluble components in the polar solvent can be reduced, so that the polar solvent resistance of the resulting proton conductive membrane is improved. .

10時間半減期温度が異なる重合開始剤の種類は、複数であれば良いが、本発明の効果を妨げない範囲で多種類の方が有利である。ただし、操作性と効果のバランスを考慮すると、2〜4種類であることが好ましい。   A plurality of types of polymerization initiators having different 10-hour half-life temperatures may be used, but many types are more advantageous as long as the effects of the present invention are not hindered. However, considering the balance between operability and effect, 2 to 4 types are preferable.

本発明においては、第三工程における前記シラン化合物(α)及び前記酸基含有化合物(β)の重合温度の範囲内に10時間半減期温度がある重合開始剤を使用することが好ましい。また、この場合、かかる重合開始剤を複数種類、好ましくは2〜4種類使用し、これら重合開始剤の10時間半減期温度の差が最大で16℃以上となるようにすることが好ましい。ここで「10時間半減期温度の差」とは、複数種類の重合開始剤のうち、任意の二種類についての、10時間半減期温度の差を指すものとする。   In the present invention, it is preferable to use a polymerization initiator having a 10-hour half-life temperature within the range of the polymerization temperature of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) in the third step. In this case, it is preferable to use a plurality, preferably 2 to 4, of such polymerization initiators so that the difference in 10-hour half-life temperature of these polymerization initiators is 16 ° C. or more at the maximum. Here, the “difference in 10-hour half-life temperature” refers to a difference in 10-hour half-life temperature for any two of a plurality of types of polymerization initiators.

重合開始剤の総使用量は、通常、溶媒を除く原料全量に対して0.01〜25質量%であれば十分だが、総使用量が多いほど反応液中での分散性が高まり、重合性不飽和二重結合の反応性が向上して、未反応のまま残存する量が減少する。その結果、得られるプロトン伝導性膜の耐極性溶媒性が向上する。したがって、本発明においても、原料混合時の溶解性が妨げられない範囲で重合開始剤の総使用量を多くすることが好ましい。   The total amount of polymerization initiator used is usually 0.01 to 25% by mass relative to the total amount of raw materials excluding the solvent. However, the greater the total amount used, the higher the dispersibility in the reaction solution, and the higher the polymerizability. The reactivity of the unsaturated double bond is improved, and the amount remaining unreacted is reduced. As a result, the polar solvent resistance of the resulting proton conductive membrane is improved. Therefore, also in the present invention, it is preferable to increase the total amount of the polymerization initiator as long as the solubility during mixing of the raw materials is not hindered.

第一工程は、架橋剤(C)を添加して行っても良い。
さらに、本発明の効果を損なわない範囲で、ドデシル硫酸ナトリウム等の相溶化剤等、任意の成分を添加して行うこともできる。
The first step may be performed by adding a crosslinking agent (C).
Furthermore, it can also carry out by adding arbitrary components, such as compatibilizers, such as sodium dodecyl sulfate, in the range which does not impair the effect of this invention.

第一工程で重合性組成物を調製する際には、溶媒を使用することが好ましい。溶媒の種類は特に限定されないが、それぞれの原料を均一に混合できるものが好ましい。具体的には、水;メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、tert−ブタノール等のアルコール系溶媒;テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶媒等が例示できる。
溶媒の使用量は特に限定されないが、通常、固形分濃度が10〜90質量%程度となるように使用量を設定することが好ましい。
第三工程で、例えば、アルコキシシリル基等の加水分解反応を同時に行う場合には、水の使用量は、該加水分解反応に必要な量も考慮して選定すれば良い。例えば、通常、水は加水分解性シリル基に対して等モル量加えるが、加水分解反応を加速するために等モル量を超える量を加えても良く、また、加水分解反応を緩やかに行うために等モル量未満の量を加えてもよい。
In preparing the polymerizable composition in the first step, it is preferable to use a solvent. Although the kind of solvent is not specifically limited, What can mix each raw material uniformly is preferable. Specific examples include water; alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and tert-butanol; ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane.
Although the usage-amount of a solvent is not specifically limited, Usually, it is preferable to set a usage-amount so that solid content concentration may be about 10-90 mass%.
In the third step, for example, when the hydrolysis reaction of an alkoxysilyl group or the like is simultaneously performed, the amount of water used may be selected in consideration of the amount necessary for the hydrolysis reaction. For example, water is usually added in an equimolar amount with respect to the hydrolyzable silyl group, but an amount exceeding the equimolar amount may be added to accelerate the hydrolysis reaction, and the hydrolysis reaction is performed slowly. An amount less than an equimolar amount may be added.

架橋性化合物(A’)、シラン化合物(α)、酸基含有化合物(β)及び架橋剤(C)の使用量の比率(モル比)は、目的に応じて適宜選択すれば良い。すなわち、所望のプロトン伝導性膜の物性を考慮して調整することが好ましく、一概に規定されるものではない。
敢えて一例を挙げれば、架橋性化合物(A’)として、mが0であるものを使用した場合であれば、架橋性化合物(A’)/シラン化合物(α)の比率(モル比)は、1〜7であることが好ましく、2〜5であることがより好ましい。
架橋性化合物(A’)/酸基含有化合物(β)の比率(モル比)は、0.05〜0.6であることが好ましく、0.1〜0.4であることがより好ましい。
[シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)]/架橋剤(C)の比率(モル比)は、3〜10であることが好ましく、6〜9であることがより好ましい。
The ratio (molar ratio) of the amounts used of the crosslinkable compound (A ′), the silane compound (α), the acid group-containing compound (β) and the crosslinking agent (C) may be appropriately selected according to the purpose. That is, it is preferable to adjust in consideration of the physical properties of a desired proton conductive membrane, and it is not generally defined.
For example, if the crosslinkable compound (A ′) is a compound having m 2 of 0, the ratio (molar ratio) of the crosslinkable compound (A ′) / silane compound (α) is 1 to 7 is preferable, and 2 to 5 is more preferable.
The ratio (molar ratio) of the crosslinkable compound (A ′) / acid group-containing compound (β) is preferably 0.05 to 0.6, and more preferably 0.1 to 0.4.
The ratio (molar ratio) of [silane compound (α) and acid group-containing compound (β)] / crosslinking agent (C) is preferably from 3 to 10, and more preferably from 6 to 9.

原料を混合する方法は、十分な混合が可能であれば特に限定されず、撹拌や振動等、公知の方法から適宜選択すれば良い。また、必要に応じて混合時に加圧、脱泡、脱気等を行っても良い。
混合時の温度及び時間は、使用する原料や溶媒の種類等を考慮し、目的に応じて適宜調整することが好ましいが、通常、温度は0〜5℃であることが好ましく、時間は3〜10分であることが好ましい。混合時の時間は、均一な液が得られる範囲で短い方が好ましい。混合時間が長くなり過ぎると、製造時間が長くなり、コストが上昇する。
The method for mixing the raw materials is not particularly limited as long as sufficient mixing is possible, and may be appropriately selected from known methods such as stirring and vibration. Moreover, you may perform pressurization, defoaming, deaeration, etc. at the time of mixing as needed.
The temperature and time at the time of mixing are preferably adjusted appropriately according to the purpose in consideration of the type of raw materials and solvents used, etc., but the temperature is usually preferably 0 to 5 ° C., and the time is 3 to 3. It is preferably 10 minutes. The mixing time is preferably shorter as long as a uniform liquid can be obtained. If the mixing time becomes too long, the manufacturing time becomes longer and the cost increases.

[第二工程]
前記重合性組成物を成膜する方法は、均一な膜を得ることができる方法であれば特に限定されず、キャスト、コート、注型等、公知の方法から適宜選択すれば良い。
成膜時の膜厚は、製造後のプロトン伝導性膜に求められる膜厚に応じて適宜選択すれば良い。燃料電池用のプロトン伝導性膜では、求められるプロトン伝導性、燃料遮断性及び膜の機械的強度から好ましい膜厚が適宜決定され、通常は20〜300μmであることが好ましい。このような観点から本発明においては、通常、重合性組成物成膜時の膜厚は、10μm〜1mmとすることが好ましい。
[Second step]
The method for forming the polymerizable composition is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a uniform film, and may be appropriately selected from known methods such as casting, coating, and casting.
What is necessary is just to select the film thickness at the time of film-forming suitably according to the film thickness calculated | required by the proton-conductive film | membrane after manufacture. In the proton conductive membrane for a fuel cell, a preferable film thickness is appropriately determined from the required proton conductivity, fuel barrier properties, and mechanical strength of the membrane, and is preferably 20 to 300 μm. From this point of view, in the present invention, it is usually preferable that the film thickness when forming the polymerizable composition is 10 μm to 1 mm.

第二工程では、前記重合性組成物中に繊維、マット、フィブリル等の支持体又は補強材を添加して成膜しても良いし、これら支持体又は補強材中に前記重合性組成物を含浸させたものを使用して成膜しても良い。
前記支持体及び補強材の材質は、耐熱性及び耐酸性を考慮して選択すれば良く、好ましいものとして、ガラス、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、環状ポリオレフィン、超高分子量ポリオレフィン等が例示できる。
重合性組成物を含浸させる方法は特に限定されず、ディップ法、ポッティング法、ロールプレス法、真空プレス法等、公知の方法から適宜選択すれば良い。また、含浸時には、加熱、加圧等を行っても良い。
In the second step, a film may be formed by adding a support or reinforcing material such as fiber, mat, fibril or the like to the polymerizable composition, or the polymerizable composition is added to the support or reinforcing material. You may form into a film using what was impregnated.
The material of the support and the reinforcing material may be selected in consideration of heat resistance and acid resistance. Preferred examples include glass, silicone resin, fluororesin, cyclic polyolefin, and ultrahigh molecular weight polyolefin.
The method for impregnating the polymerizable composition is not particularly limited, and may be appropriately selected from known methods such as a dipping method, a potting method, a roll press method, and a vacuum press method. Moreover, you may perform a heating, pressurization, etc. at the time of impregnation.

本発明においては、プロトン伝導性膜の強度を高めるために、前記重合性組成物をフッ素樹脂、ポリエチレン又はポリイミドからなる高分子材料製の膜に含浸させることが好ましい。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレンが好ましい。高分子材料製の膜は、膜厚が20〜100μm、孔径が0.05〜1μm、空孔率が60%以上である多孔質膜であることが好ましく、親水化処理が施されていることが好ましい。   In the present invention, in order to increase the strength of the proton conductive membrane, it is preferable to impregnate the polymerizable composition with a polymer material membrane made of fluororesin, polyethylene or polyimide. As the fluororesin, polytetrafluoroethylene is preferable. The membrane made of a polymer material is preferably a porous membrane having a thickness of 20 to 100 μm, a pore diameter of 0.05 to 1 μm, and a porosity of 60% or more, and has been subjected to a hydrophilic treatment. Is preferred.

[第三工程]
第三工程では、成膜した重合性組成物を重合させる。ここで「重合させる」とは、重合性組成物中の重合性不飽和二重結合同士間で共有結合を形成させること、縮合反応によりケイ素−酸素−ケイ素結合を形成させることを指す。
シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)は、いずれも重合性不飽和二重結合を有するので、第三工程ではこれらが重合し、酸基含有構造体(B)が生成する。
また、架橋性化合物(A)は、上記のように、少なくともメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基がケイ素原子に結合しているので、同様にアルコキシシリル基や水酸基等、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基を有するシラン化合物(α)と、酸又は塩基触媒存在下で、縮合反応によりケイ素−酸素−ケイ素結合を形成して結合する。通常、アルコキシシリル基は加水分解されてシラノール基となり、シラノール基同士が縮合することで、ケイ素−酸素−ケイ素結合が形成される。
また、架橋性化合物(A)に代わり、前記架橋性化合物(A’)を第一工程で使用した場合には、該架橋性化合物(A’)も、少なくともメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基がケイ素原子に結合しているので、酸又は塩基触媒存在下で、該架橋性化合物(A’)をモノマーとする重合体が生成して架橋性化合物(A)となり、次いで上記と同様にシラン化合物(α)と結合する。
さらに、第一工程で架橋剤(C)を使用した場合には、例えば、シラン化合物(α)又は酸基含有化合物(β)と該架橋剤(C)との間でも結合が形成される。
第三工程では、上記のように反応が進行し、ケイ素-酸素架橋構造を有する粒子の連続体を含むプロトン伝導性膜が形成される。かかるプロトン伝導性膜は、高温においても安定的にプロトン伝導性を発現し、燃料遮断性に優れ、形状変化等も少ない
[Third step]
In the third step, the formed polymerizable composition is polymerized. Here, “polymerize” refers to forming a covalent bond between polymerizable unsaturated double bonds in the polymerizable composition, and forming a silicon-oxygen-silicon bond by a condensation reaction.
Since both the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) have a polymerizable unsaturated double bond, they are polymerized in the third step to produce an acid group-containing structure (B).
In addition, as described above, the crosslinkable compound (A) is at least a methoxy group, an ethoxy group, an n-propoxy group, an isopropoxy group, an n-butoxy group, an isobutoxy group, a sec-butoxy group, a tert-butoxy group, or Since the hydroxyl group is bonded to the silicon atom, the condensation reaction is similarly performed in the presence of an acid or base catalyst with a silane compound (α) having a group capable of forming a silicon-oxygen-silicon bond such as an alkoxysilyl group or a hydroxyl group. To form a silicon-oxygen-silicon bond. Usually, an alkoxysilyl group is hydrolyzed to become a silanol group, and the silanol groups are condensed to form a silicon-oxygen-silicon bond.
In addition, when the crosslinkable compound (A ′) is used in the first step instead of the crosslinkable compound (A), the crosslinkable compound (A ′) is also at least a methoxy group, an ethoxy group, an n-propoxy group. Group, isopropoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group or hydroxyl group is bonded to a silicon atom, so that the crosslinkable compound (A A polymer having ') as a monomer is produced to form a crosslinkable compound (A), and then bonded to the silane compound (α) in the same manner as described above.
Furthermore, when the crosslinking agent (C) is used in the first step, for example, a bond is also formed between the silane compound (α) or the acid group-containing compound (β) and the crosslinking agent (C).
In the third step, the reaction proceeds as described above, and a proton conductive membrane including a continuum of particles having a silicon-oxygen crosslinked structure is formed. Such a proton conductive membrane stably exhibits proton conductivity even at high temperatures, has excellent fuel blocking properties, and has little shape change.

アルコキシシリル基等の加水分解及び縮合反応による、ケイ素−酸素−ケイ素結合の生成は、ゾルゲル反応としてよく知られている。
ゾルゲル反応においては、反応速度を制御するために、通常は、酸又は塩基触媒が使用されるが、本発明においても、触媒として酸及び塩基のいずれも使用できる。
一般的に、酸を使用した場合には、加水分解と縮合が競争することにより、個々の分子で均等に反応が進行し、分岐の少ない直鎖状の架橋構造となることが知られている。一方、塩基を使用した場合には、加水分解が一気に生じ、1つの分子で加水分解が生じると、その分子で集中的に反応が進行するため、分岐の多い樹状構造となることが知られている。
本発明においては、所望の膜物性を考慮していずれの方法も適用し得る。例えば、粒子及びその連続体の形成という特徴を際立たせるためには、塩基を使用することが好ましく、この場合には酸基含有化合物(β)を塩にしておくことが好ましい。一方、酸を使用する場合には、酸基含有化合物(β)中の酸基を前記酸として使用しても良いし、別途酸を添加して使用しても良い。
酸又は塩基の添加量は、任意に設定することが可能で、反応速度、原料の相溶性などを考慮して適宜決定すれば良い。
酸又は塩基を添加する工程は、第一〜第三工程のいずれでも良い。例えば、第一工程で添加するのが操作上最も簡便だが、この場合、第二工程におけるポットライフやセット時間を考慮する必要がある。
Formation of a silicon-oxygen-silicon bond by hydrolysis and condensation reaction of an alkoxysilyl group or the like is well known as a sol-gel reaction.
In the sol-gel reaction, an acid or base catalyst is usually used to control the reaction rate. In the present invention, either an acid or a base can be used as a catalyst.
In general, when an acid is used, it is known that the reaction proceeds evenly in individual molecules due to competition between hydrolysis and condensation, resulting in a linear crosslinked structure with few branches. . On the other hand, it is known that when a base is used, hydrolysis occurs at once, and when hydrolysis occurs in one molecule, the reaction proceeds intensively in that molecule, resulting in a highly branched dendritic structure. ing.
In the present invention, any method can be applied in consideration of desired film properties. For example, in order to highlight the characteristics of the formation of particles and their continuum, it is preferable to use a base, and in this case, it is preferable to salt the acid group-containing compound (β). On the other hand, when an acid is used, an acid group in the acid group-containing compound (β) may be used as the acid, or an acid may be added separately.
The addition amount of the acid or base can be arbitrarily set, and may be appropriately determined in consideration of the reaction rate, compatibility of raw materials, and the like.
The step of adding the acid or base may be any of the first to third steps. For example, adding in the first step is the simplest in terms of operation, but in this case, it is necessary to consider the pot life and set time in the second step.

加水分解反応は、反応液中に水を随時補給できるよう水蒸気下で行っても良い。また、急激な膜の乾燥を防ぐため、溶媒蒸気下で行っても良い。   The hydrolysis reaction may be performed under water vapor so that water can be replenished into the reaction solution as needed. Moreover, in order to prevent rapid drying of a film | membrane, you may carry out under solvent vapor | steam.

縮合反応時の温度は室温でも良いが、反応時間を短縮し、より効率的に反応させるためには加熱することが好ましい。加熱は公知の方法で行えば良く、オーブンによる加熱、オートクレーブによる加圧加熱、遠赤外線加熱、電磁誘導加熱、マイクロ波加熱等が例示できる。加熱時の温度は、通常、15〜300℃であることが好ましく、100〜250℃であることがより好ましい。ただし、後述するように、重合性不飽和二重結合同士の重合反応を考慮して反応温度を設定しても良い。
縮合反応は、室温程度で一定時間行った後、加熱により徐々に昇温しながら行なうなど、緩やかに反応条件を変化させて行っても良い。
縮合反応は、減圧下で行っても良いし、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で行っても良い。
The temperature during the condensation reaction may be room temperature, but it is preferable to heat in order to shorten the reaction time and to make the reaction more efficient. Heating may be performed by a known method, and examples thereof include heating with an oven, pressure heating with an autoclave, far infrared heating, electromagnetic induction heating, and microwave heating. Usually, the temperature during heating is preferably 15 to 300 ° C, more preferably 100 to 250 ° C. However, as described later, the reaction temperature may be set in consideration of a polymerization reaction between polymerizable unsaturated double bonds.
The condensation reaction may be performed by gradually changing the reaction conditions, for example, by performing the condensation reaction at a room temperature for a certain period of time and then gradually raising the temperature by heating.
The condensation reaction may be performed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas.

重合性組成物の重合反応の条件は、原料の種類及び使用量等、重合性組成物の種類により適宜調整すれば良いが、重合性不飽和二重結合同士の重合反応を考慮すると、反応温度は40〜150℃であることが好ましく、反応時間は1時間〜24時間であることが好ましい。
このような条件では、シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)が共有結合してなる構造体が効率的に生成し、かかる構造体を含む酸基含有構造体(B)が効率的に得られる。
また、このような反応条件であれば、架橋性化合物(A)とシラン化合物(α)との縮合反応や、架橋性化合物(A’)の架橋性化合物(A)への重合反応も並行してより良好に進行する。
The conditions for the polymerization reaction of the polymerizable composition may be appropriately adjusted depending on the type of the polymerizable composition, such as the type and amount used of the raw material, but in consideration of the polymerization reaction between the polymerizable unsaturated double bonds, the reaction temperature Is preferably 40 to 150 ° C., and the reaction time is preferably 1 to 24 hours.
Under such conditions, a structure formed by covalently bonding the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) is efficiently generated, and the acid group-containing structure (B) including such a structure is efficient. Is obtained.
Under such reaction conditions, a condensation reaction between the crosslinkable compound (A) and the silane compound (α) and a polymerization reaction of the crosslinkable compound (A ′) to the crosslinkable compound (A) are also performed in parallel. Progress better.

加水分解及び縮合反応を並行して行う際は、好ましい方法として、加熱温度を室温程度から徐々に上昇させて高温とし、次いで高温のまま所定時間加熱を継続して行う方法が例示できる。例えば、反応温度を25〜35℃の範囲から4〜8時間かけて60〜80℃に昇温し、次いで100〜250℃で2〜6時間反応させると良い。   When performing the hydrolysis and the condensation reaction in parallel, a preferable method is a method in which the heating temperature is gradually increased from about room temperature to a high temperature, and then the heating is continued for a predetermined time at the high temperature. For example, the reaction temperature may be raised from 60 to 80 ° C. over a range of 25 to 35 ° C. over 4 to 8 hours, and then reacted at 100 to 250 ° C. for 2 to 6 hours.

第三工程においては、前記重合開始剤の10時間半減期温度のうち、最も低い温度以下の温度で反応を開始することが好ましい。また反応は、前記重合開始剤の10時間半減期温度のうち、最も高い温度以上の温度まで昇温して行うことが好ましい。そして、本発明においては、これらの条件をいずれも満たすことが好ましい。   In the third step, it is preferable to start the reaction at a temperature not higher than the lowest temperature among the 10-hour half-life temperatures of the polymerization initiator. The reaction is preferably performed by raising the temperature to a temperature equal to or higher than the highest temperature among the 10-hour half-life temperatures of the polymerization initiator. And in this invention, it is preferable to satisfy | fill all these conditions.

第三工程においては、シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)中のそれぞれの重合性不飽和二重結合の反応率が30%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。ここで、「重合性不飽和二重結合の反応率」とは、反応前のシラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)中の重合性不飽和二重結合の総数を(i)、プロトン伝導性膜中の未反応の重合性不飽和二重結合の総数を(ii)とした場合に、下記式で算出される値である。
重合性不飽和二重結合の反応率(%)={(i)−(ii)}/(i)×100
重合性不飽和二重結合の反応率は、シラン化合物(α)及び酸基含有化合物(β)の組み合わせや、重合反応の条件を適宜選択することで調整できる。
In the third step, the reaction rate of each polymerizable unsaturated double bond in the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) is preferably 30% or more, and preferably 50% or more. More preferred. Here, “reaction rate of polymerizable unsaturated double bonds” means the total number of polymerizable unsaturated double bonds in the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) before the reaction (i), When the total number of unreacted polymerizable unsaturated double bonds in the proton conductive membrane is (ii), the value is calculated by the following formula.
Reaction rate of polymerizable unsaturated double bond (%) = {(i) − (ii)} / (i) × 100
The reaction rate of the polymerizable unsaturated double bond can be adjusted by appropriately selecting the combination of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) and the conditions for the polymerization reaction.

上記のような反応条件を適用することにより、本発明の製造方法においては、架橋性化合物(A)とシラン化合物(α)との縮合反応、及びシラン化合物(α)と酸基含有化合物(β)との重合反応がいずれも良好に進行し、ケイ素−酸素−ケイ素結合を有し、架橋度が十分高いプロトン伝導性膜が得られる。
プロトン伝導性膜の架橋度は、下記方法で測定されるゲル分率で評価できる。通常、重合反応せずに残存している原料は極性溶媒への溶解性が高いが、プロトン伝導性膜は極性溶媒へ溶解せずにゲルとなる。本発明の製造方法によれば、プロトン伝導性膜のゲル分率を96%以上とすることができる。ゲル分率は、重合反応の条件を調整することで調整できるが、特に、適切な重合開始剤の組み合わせを選択することで調整できる。
(ゲル分率の測定)
4cm×4cmの大きさのプロトン伝導性膜切片の質量(質量I)を測定する。次いで、該切片を純粋100ml中に添加し、80℃で4時間静置する。次いで、水中に溶解しなかった残存物(ゲル)の乾燥質量(質量II)を測定し、下記式にしたがってゲル分率(%)を算出する。
ゲル分率(%)=(質量II)/(質量I)×100
By applying the reaction conditions as described above, in the production method of the present invention, the condensation reaction between the crosslinkable compound (A) and the silane compound (α), and the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β ), The proton conductive membrane having a silicon-oxygen-silicon bond and a sufficiently high degree of crosslinking can be obtained.
The degree of crosslinking of the proton conductive membrane can be evaluated by the gel fraction measured by the following method. Usually, the raw material remaining without undergoing the polymerization reaction is highly soluble in the polar solvent, but the proton conductive membrane is not dissolved in the polar solvent but becomes a gel. According to the production method of the present invention, the gel fraction of the proton conductive membrane can be 96% or more. The gel fraction can be adjusted by adjusting the conditions of the polymerization reaction, but in particular, it can be adjusted by selecting an appropriate combination of polymerization initiators.
(Measurement of gel fraction)
The mass (mass I) of a proton conductive membrane slice having a size of 4 cm × 4 cm is measured. The section is then added to 100 ml of pure and left at 80 ° C. for 4 hours. Next, the dry mass (mass II) of the residue (gel) that did not dissolve in water is measured, and the gel fraction (%) is calculated according to the following formula.
Gel fraction (%) = (mass II) / (mass I) × 100

重合して得られた膜は、必要に応じて水洗により、未反応物、酸又は塩基を除去したり、硫酸等を使用してイオン交換しても良い。
水洗に使用する水は、蒸留水、イオン交換水等、金属イオンを含まないものが好ましい。水洗は、加熱、加圧、加振等を並行して行うことで、効率的に行っても良い。さらに、膜中への水の浸透を促進するために、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒と水との混合溶媒を使用して水洗しても良い。
The membrane obtained by polymerization may be washed with water as necessary to remove unreacted substances, acids or bases, or may be ion exchanged using sulfuric acid or the like.
The water used for washing is preferably water containing no metal ions, such as distilled water or ion exchange water. The washing with water may be performed efficiently by performing heating, pressurization, vibration, etc. in parallel. Furthermore, in order to promote the penetration of water into the membrane, it may be washed with water using a mixed solvent of water and an organic solvent such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, acetone, and tetrahydrofuran.

以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
[実施例1]
テトラメトキシシラン0.7g、3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート0.15g、トリメトキシ(ビニル)シラン0.05g、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸3.0g、N,N’−メチレンビス(アクリルアミド)0.3gを水3gに混合し、さらに開始剤として、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕塩酸塩(10時間半減期温度44℃)0.05g、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)塩酸塩(10時間半減期温度56℃)0.05g、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−〔1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル〕プロピオンアミド}(10時間半減期温度60℃)0.02gを氷冷しながら約5分間十分に撹拌して重合性組成物を得た。
次いで、得られた重合性組成物をポリエチレンの多孔質膜に含浸させ、厚さ40〜60μmに成膜した。
次いで、成膜した重合性組成物を6時間かけて30から70℃に昇温し、100℃で4時間加熱して重合させて、プロトン伝導性膜を得た。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
Tetramethoxysilane 0.7 g, 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate 0.15 g, trimethoxy (vinyl) silane 0.05 g, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid 3.0 g, N, N′-methylenebis ( Acrylamide (0.3 g) was mixed with water (3 g), and 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] hydrochloride (10 hour half-life temperature: 44 ° C.) as an initiator. 05 g, 2,2′-azobis (2-methylpropionamidine) hydrochloride (10 hour half-life temperature 56 ° C.) 0.05 g, 2,2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis ( Hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide} (10-hour half-life temperature 60 ° C.) 0.02 g was sufficiently stirred for about 5 minutes with ice-cooling to obtain a polymerizable composition I got a thing.
Next, the obtained polymerizable composition was impregnated into a polyethylene porous film to form a film having a thickness of 40 to 60 μm.
Next, the filmed polymerizable composition was heated from 30 to 70 ° C. over 6 hours and polymerized by heating at 100 ° C. for 4 hours to obtain a proton conductive membrane.

[比較例1]
開始剤として、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕塩酸塩0.15gのみを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、プロトン伝導性膜を得た。
[Comparative Example 1]
In the same manner as in Example 1, except that only 0.15 g of 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] hydrochloride was used as an initiator, a proton conductive membrane was prepared. Obtained.

(MCO(メタノール透過性)評価)
直径2cmの円形の窓を有する2つの円形セルを使用し、窓の部分でゴムパッキンを介して、プロトン伝導性膜を挟み込み、一方のセルには30質量%メタノール水溶液を、他方のセルには純水を入れ、25℃にて3時間、スターラーで攪拌した。その後、純水側に透過したメタノール量をガスクロマトグラフィーにより測定し、Nafion117(デュポン社製)(登録商標)を使用した場合の透過量に対する透過量の比(MCO比)を算出した。結果を表1に示す。
(MCO (methanol permeability) evaluation)
Two circular cells having a circular window with a diameter of 2 cm are used, and a proton conductive membrane is sandwiched between the window portions through rubber packing. One cell contains 30% by mass methanol aqueous solution and the other cell contains Pure water was added and stirred with a stirrer at 25 ° C. for 3 hours. Thereafter, the amount of methanol permeated to the pure water side was measured by gas chromatography, and the ratio of the permeation amount to the permeation amount (MCO ratio) when Nafion 117 (manufactured by DuPont) (registered trademark) was used was calculated. The results are shown in Table 1.

(ゲル分率)
プロトン伝導性膜を4センチ角に切り取り重さを測って、純水100mL中に入れ、80℃で4時間放置した。その後、水を捨てて不溶物を乾燥させて重さを測り、ゲル分率(%)を算出した。結果を表1に示す。
(Gel fraction)
The proton conductive membrane was cut into 4 cm square, weighed, put into 100 mL of pure water, and left at 80 ° C. for 4 hours. Thereafter, water was discarded, insoluble matter was dried and weighed, and the gel fraction (%) was calculated. The results are shown in Table 1.

Figure 0005175619
Figure 0005175619

表1に示すように、実施例1のプロトン伝導性膜は、ゲル分率が十分高く、耐極性溶媒性が優れており、MCO性能にも優れたものであった。一方、比較例1の実施例1のプロトン伝導性膜は、耐極性溶媒性及びMCO性能のいずれも劣るものであった。
As shown in Table 1, the proton conductive membrane of Example 1 had a sufficiently high gel fraction, excellent polar solvent resistance, and excellent MCO performance. On the other hand, the proton conductive membrane of Example 1 of Comparative Example 1 was inferior in both polar solvent resistance and MCO performance.

本発明は、燃料電池、特に小型移動機器や携帯機器用の燃料電池に利用可能である。   The present invention is applicable to fuel cells, particularly fuel cells for small mobile devices and portable devices.

本発明のプロトン伝導性膜の構造を模式的に例示する図である。It is a figure which illustrates typically the structure of the proton conductive membrane of this invention. (a)は、本発明のプロトン伝導性膜の原料である架橋性化合物(A)、シラン化合物(α)、酸基含有化合物(β)及び架橋剤(C)の構造を模式的に例示する図であり、(b)はこれら原料が反応してなるプロトン伝導性膜の構造を模式的に例示する図である。(A) schematically illustrates the structures of a crosslinkable compound (A), a silane compound (α), an acid group-containing compound (β), and a crosslinker (C), which are raw materials for the proton conductive membrane of the present invention. It is a figure, (b) is a figure which illustrates typically the structure of the proton conductive film | membrane which these raw materials react.

Claims (8)

ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A’)、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基及び重合性不飽和二重結合を有するシラン化合物(α)、酸基及び重合性不飽和二重結合を有する酸基含有化合物(β)及び重合開始剤を混合して、重合性組成物を調製する第一工程と、該重合性組成物を成膜する第二工程と、成膜した重合性組成物を重合させる第三工程とを有するプロトン伝導性膜の製造方法であって、
前記ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A’)が、下記一般式(1’)で表され、
前記酸基含有化合物(β)が、前記酸基としてスルホ基を有する化合物であり、
前記重合開始剤として、10時間半減期温度が異なる複数種類の重合開始剤を使用することを特徴とするプロトン伝導性膜の製造方法。
Figure 0005175619
(式中、Rは炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子であり;R、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基であり、少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であり;R〜Rが複数である場合には、複数のR〜Rれぞれ同一でも異なっていても良く;mは0以上の整数である。)
Crosslinkable compound (A ′) having silicon-oxygen bond, group capable of forming silicon-oxygen-silicon bond and silane compound (α) having polymerizable unsaturated double bond, acid group and polymerizable unsaturated double A first step of preparing a polymerizable composition by mixing an acid group-containing compound (β) having a bond and a polymerization initiator, a second step of forming a film of the polymerizable composition, and the formed polymerizable property A method for producing a proton conducting membrane comprising a third step of polymerizing the composition,
The crosslinkable compound (A ′) having a silicon-oxygen bond is represented by the following general formula (1 ′):
The acid group-containing compound (β) is a compound having a sulfo group as the acid group,
A method for producing a proton conductive membrane, wherein a plurality of types of polymerization initiators having different 10-hour half-life temperatures are used as the polymerization initiator.
Figure 0005175619
(Wherein R 1 is a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms or an oxygen atom; R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a hydrogen atom, Methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group N-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, hydroxyl group or a group represented by the formula “—O—Si—”, at least one of which is a methoxy group, an ethoxy group, or an n-propoxy group. group, Isopuropokishiki group, n- butoxy group, isobutoxy group, sec- butoxy group, a tert- butoxy group or a hydroxyl group; when R 1 to R 3 is plural, a plurality of R To R 3 may be the same or different, respectively Re its; m 2 is an integer of 0 or more).
前記第三工程における前記シラン化合物(α)及び前記酸基含有化合物(β)の重合温度の範囲内に10時間半減期温度がある前記重合開始剤を複数種類使用し、これら重合開始剤の10時間半減期温度の差が最大で16℃以上であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性膜の製造方法。   A plurality of the polymerization initiators having a 10-hour half-life temperature within the range of the polymerization temperature of the silane compound (α) and the acid group-containing compound (β) in the third step are used. The method for producing a proton-conductive membrane according to claim 1, wherein the difference in time half-life temperature is at most 16 ° C or more. 前記第三工程において、前記重合開始剤の10時間半減期温度のうち、最も低い温度以下の温度で反応を開始し、且つ最も高い温度以上の温度まで昇温して反応を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のプロトン伝導性膜の製造方法。   In the third step, the reaction is started at a temperature below the lowest temperature among the 10-hour half-life temperatures of the polymerization initiator, and the reaction is performed by raising the temperature to a temperature above the highest temperature. The method for producing a proton conductive membrane according to claim 1 or 2. さらに、前記シラン化合物(α)又は前記酸基含有化合物(β)と結合可能な官能基を1分子中に2つ以上有する架橋剤(C)を添加して前記第一工程を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜の製造方法。   Further, the first step is performed by adding a crosslinking agent (C) having two or more functional groups capable of binding to the silane compound (α) or the acid group-containing compound (β) in one molecule. The method for producing a proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 3. 前記R、R、R、R、R及びRが、それぞれ独立にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基又は水酸基であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜の製造方法。 The R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a methoxy group, an ethoxy group, an isopropoxy group, an n-butoxy group or a hydroxyl group. The manufacturing method of the proton-conductive film | membrane as described in any one of -4. 前記R、R、R、R、R及びRが、それぞれ独立にメトキシ基又は水酸基であることを特徴とする請求項5に記載のプロトン伝導性膜の製造方法。 6. The method for producing a proton conductive membrane according to claim 5, wherein R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a methoxy group or a hydroxyl group. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法で製造されたことを特徴とするプロトン伝導性膜。   A proton conductive membrane manufactured by the manufacturing method according to claim 1. ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)と、シラン化合物と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)とが、ケイ素−酸素−ケイ素結合によって連結されてなるプロトン伝導性膜であって、
ゲル分率が96%以上であり、
前記ケイ素−酸素結合を有する架橋性化合物(A)が、下記一般式(1)で表され、
前記酸基含有構造体(B)が、ケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基及び重合性不飽和二重結合を有するシラン化合物(α)と、酸基及び重合性不飽和二重結合を有する酸基含有化合物(β)とが共有結合してなる構造体を含み、
前記シラン化合物(α)が下記一般式(2)で表される化合物であり、
前記酸基含有化合物(β)が、前記酸基としてスルホ基を有する化合物であることを特徴とするプロトン伝導性膜。
Figure 0005175619
(式中、Rは炭素数1〜50の二価の炭化水素基又は酸素原子であり;R、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、水酸基又は式「−O−Si−」で表される基であり、少なくとも一つはメトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシキ基、イソプロポキシキ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基又は水酸基であり;R〜Rが複数である場合には、複数のR〜Rれぞれ同一でも異なっていても良く;mは1以上の整数である。)
Figure 0005175619
(式中、R は置換基を有していても良い二価の炭化水素基、該炭化水素基とオキシカルボニル基とが結合した二価の基又はヘテロ原子であり;R 、R 10 及びR 11 はそれぞれ独立に置換基を有していても良い炭化水素基、該炭化水素基がヘテロ原子に結合した基、水酸基、水素原子、ヘテロ原子又はハロゲン原子であり、少なくとも一つはケイ素−酸素−ケイ素結合を形成し得る基であり;R は水素原子又はメチル基であり;n は1以上の整数であり、n は0又は1であり、ただしn が0である場合、n は1である。)
Proton conduction in which a crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond and an acid group-containing structure (B) covalently bonded to a silane compound and having an acid group are linked by a silicon-oxygen-silicon bond A sex membrane,
The gel fraction is 96% or more,
The crosslinkable compound (A) having a silicon-oxygen bond is represented by the following general formula (1):
The acid group-containing structure (B) comprises a group capable of forming a silicon-oxygen-silicon bond and a silane compound (α) having a polymerizable unsaturated double bond, an acid group and a polymerizable unsaturated double bond. acid group-containing compound having (beta) and is covalently bonded structure only including,
The silane compound (α) is a compound represented by the following general formula (2),
The proton conductive membrane, wherein the acid group-containing compound (β) is a compound having a sulfo group as the acid group .
Figure 0005175619
(Wherein R 1 is a divalent hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms or an oxygen atom; R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently a hydrogen atom, Methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, phenyl group, methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, isopropoxy group N-butoxy group, isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, hydroxyl group or a group represented by the formula “—O—Si—”, at least one of which is a methoxy group, an ethoxy group, or an n-propoxy group. group, Isopuropokishiki group, n- butoxy group, isobutoxy group, sec- butoxy group, a tert- butoxy group or a hydroxyl group; when R 1 to R 3 is plural, a plurality of R To R 3 may be the same or different, respectively Re its; m 1 is an integer of 1 or more).
Figure 0005175619
(In the formula, R 8 is a divalent hydrocarbon group which may have a substituent, a divalent group in which the hydrocarbon group and an oxycarbonyl group are bonded, or a hetero atom; R 9 , R 10 And R 11 are each independently a hydrocarbon group which may have a substituent, a group in which the hydrocarbon group is bonded to a hetero atom, a hydroxyl group, a hydrogen atom, a hetero atom or a halogen atom, at least one of which is silicon A group capable of forming an oxygen-silicon bond; R 0 is a hydrogen atom or a methyl group; n 1 is an integer of 1 or more, n 2 is 0 or 1, provided that n 2 is 0 In this case, n 1 is 1.)
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