JPWO2009104470A1 - Electrolyte membrane manufacturing method and electrolyte membrane - Google Patents

Electrolyte membrane manufacturing method and electrolyte membrane Download PDF

Info

Publication number
JPWO2009104470A1
JPWO2009104470A1 JP2009554268A JP2009554268A JPWO2009104470A1 JP WO2009104470 A1 JPWO2009104470 A1 JP WO2009104470A1 JP 2009554268 A JP2009554268 A JP 2009554268A JP 2009554268 A JP2009554268 A JP 2009554268A JP WO2009104470 A1 JPWO2009104470 A1 JP WO2009104470A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
formula
electrolyte membrane
monomer
hydrogen atom
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009554268A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
平岡 秀樹
秀樹 平岡
久豊 加藤
久豊 加藤
じゆん 高田
じゆん 高田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toagosei Co Ltd
Original Assignee
Toagosei Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toagosei Co Ltd filed Critical Toagosei Co Ltd
Publication of JPWO2009104470A1 publication Critical patent/JPWO2009104470A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1072Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes by chemical reactions, e.g. insitu polymerisation or insitu crosslinking
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0289Means for holding the electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1058Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
    • H01M8/1062Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

分子内にスルホン酸基を有する重合体を含む電解質は耐久性が不十分であったので、酸性基を有する単量体単位の分子構造を改良した組成物およびその重合体によって、大幅に耐久性が改良された電解質膜を提供する。すなわち、脂環炭化水素基を含み、かつ、その脂環炭化水素基の脂肪族環上に、少なくとも1個以上の酸性基および/またはその塩が置換基として結合している特定の単量体を少なくとも1種含む組成物を重合することにより、上記電解質膜を提供する。Since the electrolyte containing a polymer having a sulfonic acid group in the molecule was insufficient in durability, the composition and the polymer with improved molecular structure of the monomer unit having an acidic group greatly improved the durability. Provides an improved electrolyte membrane. That is, a specific monomer containing an alicyclic hydrocarbon group and having at least one acidic group and / or salt thereof bonded as a substituent on the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group The electrolyte membrane is provided by polymerizing a composition containing at least one of the above.

Description

本発明は電解質膜の製造方法、および、電解質膜に関するものであり、当該電解質膜は電気化学装置、特に燃料電池、さらに詳細には直接アルコール形燃料電池用途に好適に用いることができるものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane manufacturing method and an electrolyte membrane, and the electrolyte membrane can be suitably used for electrochemical devices, particularly fuel cells, and more specifically, direct alcohol fuel cell applications. .

高分子電解質膜を用いた電気化学装置の一種である固体高分子形燃料電池(PEFC、Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、低温動作、高出力密度、環境負荷が少ないという優れた特長を有している。中でも、メタノール燃料のPEFCは、ガソリンと同様に液体燃料として供給が可能なため、電気自動車用動力や携帯機器用電源として有望であると考えられている。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which is a type of electrochemical device using a polymer electrolyte membrane, has excellent features such as low temperature operation, high output density, and low environmental impact. . Among them, PEFC, which is a methanol fuel, can be supplied as a liquid fuel in the same way as gasoline, and thus is considered promising as a power source for electric vehicles and a power source for portable devices.

燃料としてメタノールを用いる場合のPEFCは、改質器を用いてメタノールを水素主成分のガスに変換するメタノール改質形と、改質器を用いずにメタノールを直接使用する直接メタノール形(DMFC、Direct Methanol Polymer Fuel Cell)の二つのタイプに区分される。DMFCは、改質器が不要であるため、軽量化が可能である等の大きな利点があり、その実用化が期待されている。   When using methanol as the fuel, PEFC is divided into a methanol reforming type that converts methanol into hydrogen-based gas using a reformer, and a direct methanol type that uses methanol directly without using a reformer (DMFC, It is divided into two types: Direct Methanol Polymer Fuel Cell). Since DMFC does not require a reformer, it has great advantages such as being able to reduce weight, and its practical use is expected.

しかし、DMFC用の電解質膜として、従来の水素を燃料とするPEFC用の電解質膜であるパーフルオロアルキルスルホン酸膜、例えばDu Pont社のNafion(登録商標)膜等を用いた場合には、メタノールが膜を透過してしまうため、起電力が低下し、さらに燃料効率が低いという問題がある。さらに、これらの電解質膜は非常に高価であるという経済上の問題も有している。   However, when an electrolyte membrane for DMFC is a perfluoroalkylsulfonic acid membrane which is an electrolyte membrane for PEFC using hydrogen as a fuel, for example, Nafion (registered trademark) membrane of Du Pont, etc., methanol is used. However, there is a problem that the electromotive force is lowered and the fuel efficiency is low. Furthermore, these electrolyte membranes also have an economic problem that they are very expensive.

上記の問題を解決する手段として、特許文献1には外力に対して変形し難い多孔性基材にプロトン伝導性を有する重合体を充填してなる電解質膜の提案がなされている。   As means for solving the above problems, Patent Document 1 proposes an electrolyte membrane in which a porous base material that is not easily deformed by an external force is filled with a polymer having proton conductivity.

PEFCやDMFCの内部においては、カソード側でプロトンと酸素分子および電子から水が生成する。しかしながら水の生成ルートは直接水分子が出来る反応以外にも過酸化水素を経由する反応があることが電気科学分野においては広く知られている。この内、過酸化水素を経由する場合は、燃料電池内部で過酸化水素が分解してヒドロキシラジカルになり、電池を構成する部材を劣化させる。特に電解質膜や電極内に用いられる電解質が炭化水素系材料から構成される高分子であると、ヒドロキシラジカルによる酸化の影響を受けやすく、炭化水素系電解質膜の耐久性を向上させるためには耐酸化性を向上させることが重要である。   In the PEFC or DMFC, water is generated from protons, oxygen molecules and electrons on the cathode side. However, it is widely known in the field of electrical science that the water generation route has a reaction via hydrogen peroxide in addition to the reaction that directly produces water molecules. Among these, in the case of passing through hydrogen peroxide, the hydrogen peroxide is decomposed into a hydroxyl radical inside the fuel cell, and the members constituting the battery are deteriorated. In particular, if the electrolyte used in the electrolyte membrane or electrode is a polymer composed of a hydrocarbon-based material, it is susceptible to oxidation by hydroxy radicals, and in order to improve the durability of the hydrocarbon-based electrolyte membrane, it is resistant to acid. It is important to improve the productivity.

また、特許文献2には、メタノールを含む有機溶媒および水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の空孔内に、プロトン導電性を有する重合体を充填してなる電解質膜であって、前記重合体が2−アクリルアミド−2−メチルプロパン酸単量体由来の重合体であることを特徴とする電解質膜の提案がなされている。   Patent Document 2 discloses an electrolyte membrane in which a polymer having proton conductivity is filled in pores of a porous base material that does not substantially swell with an organic solvent containing methanol and water. An electrolyte membrane has been proposed in which the polymer is a polymer derived from 2-acrylamido-2-methylpropanoic acid monomer.

さらに、特許文献3において、従来2−アクリルアミド−2−メチルプロパン酸などに由来する重合体の架橋剤として広く用いられていたメチレンビスアクリルアミドに代えて、エチレンビスアクリルアミドなどの架橋剤を用いることで重合体の耐加水分解性が大幅に向上し、耐久性が向上することが提案された。   Furthermore, in Patent Document 3, instead of methylenebisacrylamide, which has been widely used as a crosslinking agent for polymers derived from 2-acrylamido-2-methylpropanoic acid and the like, a crosslinking agent such as ethylenebisacrylamide has been used. It has been proposed that the hydrolysis resistance of the polymer is greatly improved and the durability is improved.

一方、特許文献4にはアクリロニトリルと種々のアルケンおよび硫酸から種々のスルホン酸基を有する単量体を合成する例が記載されており、脂肪族環構造を有する化合物も記載されている。
特開2002−83612号公報 国際公開第2003/075385号パンフレット 国際公開第2006/004098号パンフレット 英国特許第1341104号公報
On the other hand, Patent Document 4 describes an example of synthesizing monomers having various sulfonic acid groups from acrylonitrile, various alkenes and sulfuric acid, and also describes compounds having an aliphatic ring structure.
JP 2002-83612 A International Publication No. 2003/075385 Pamphlet International Publication No. 2006/004098 Pamphlet GB 1341104

しかしながら、特許文献1に記載された電解質膜では、基材をプラズマ照射して前記重合体をグラフト重合させる工程を含むため、製造設備コストの上昇という問題がある。また燃料電池として連続運転した場合の耐久性も充分とはいえなかった。また、特許文献2に記載された電解質膜の耐久性も不充分なものであった。
また、特許文献3においては、酸性基を有する単量体の構造に関しては変更がなく、酸性基を有する単量体単位の化学的分解に基づく劣化機構については検討の余地があった。
さらに、特許文献4においては、反応の容易さや収率が高いなどの理由から、特許文献4に記載されている製造方法で工業的に製造されている単量体は実質的に2−アクリルアミド−2−メチルプロパン酸のみであり、さらには脂肪族環構造を有する化合物が燃料電池用電解質膜用途など高度な耐久性を必要とされる用途に有用であることは知られていなかった。
このように、DMFC用の電解質膜として、従来のパーフルオロスルホン酸重合体に代えて2−アクリルアミド−2−メチルプロパン酸単量体を用いた重合体を含む電解質膜が提案されたが、耐久性が十分ではなかった。
本発明が解決しようとする課題は、酸性基を有する単量体単位の分子構造を改良することによって従来に比べて大幅に耐久性が改良された電解質膜を提供することである。
However, since the electrolyte membrane described in Patent Document 1 includes a step of subjecting the base material to plasma irradiation and graft polymerization of the polymer, there is a problem of an increase in manufacturing equipment cost. In addition, the durability when continuously operating as a fuel cell was not sufficient. Further, the durability of the electrolyte membrane described in Patent Document 2 was also insufficient.
Moreover, in patent document 3, there is no change regarding the structure of the monomer which has an acidic group, and there was room for examination about the degradation mechanism based on the chemical decomposition | disassembly of the monomer unit which has an acidic group.
Furthermore, in Patent Document 4, a monomer that is industrially produced by the production method described in Patent Document 4 is substantially 2-acrylamide- for reasons such as ease of reaction and high yield. It has not been known that 2-methylpropanoic acid alone and a compound having an aliphatic ring structure are useful for applications requiring high durability such as fuel cell electrolyte membrane applications.
Thus, an electrolyte membrane including a polymer using 2-acrylamido-2-methylpropanoic acid monomer instead of the conventional perfluorosulfonic acid polymer has been proposed as an electrolyte membrane for DMFC. Sex was not enough.
The problem to be solved by the present invention is to provide an electrolyte membrane whose durability is greatly improved by improving the molecular structure of the monomer unit having an acidic group.

式(1)で示される単量体を含む組成物を用いて得られた電解質膜は従来用いられていた2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸を重合して得られた電解質膜に比べて著しく耐久性が向上することを見出し、さらにビスアクリロイルピペラジンのように1分子中に脂肪族環状構造を有し、かつ2個以上の重合性官能基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体を架橋剤として用いるとさらに耐久性が向上することを見出して、本発明を完成するに至った。   The electrolyte membrane obtained by using the composition containing the monomer represented by the formula (1) is compared with the electrolyte membrane obtained by polymerizing 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid which has been conventionally used. It has been found that the durability is remarkably improved, and a (meth) acrylamide derivative having an aliphatic cyclic structure in one molecule and having two or more polymerizable functional groups, such as bisacryloylpiperazine, is used as a crosslinking agent. The inventors have found that the durability is further improved, and have completed the present invention.

本発明による組成物を重合して得られる電解質膜は、プロトン伝導性が高くメタノール透過阻止性能にも優れる上、耐酸化性が大きいものである。   The electrolyte membrane obtained by polymerizing the composition according to the present invention has high proton conductivity and excellent methanol permeation prevention performance, and also has high oxidation resistance.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の組成物は、式(1)で示される単量体を少なくとも1種類含む組成物であり、それを重合することにより本発明の電解質膜が得られる。

Figure 2009104470
(式(1)において、R1は水素原子またはメチル基を表し、Aは脂環炭化水素基であり、かつ前記脂環炭化水素基の脂肪族環上に、少なくとも1個以上の酸性基および/またはその塩が置換基として結合している基を表す。)Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The composition of the present invention is a composition containing at least one monomer represented by the formula (1), and the electrolyte membrane of the present invention is obtained by polymerizing the composition.
Figure 2009104470
(In Formula (1), R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, A is an alicyclic hydrocarbon group, and at least one acidic group on the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group and // represents a group to which a salt thereof is bonded as a substituent.)

また、本発明の電解質膜の製造方法は、前記式(1)で示される単量体を少なくとも1種類含む組成物を重合する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の電解質膜の製造方法は、前記式(1)で示される単量体を準備する工程をさらに含むことが好ましい。
The method for producing an electrolyte membrane of the present invention includes a step of polymerizing a composition containing at least one monomer represented by the formula (1).
Moreover, it is preferable that the manufacturing method of the electrolyte membrane of this invention further includes the process of preparing the monomer shown by said Formula (1).

本発明の組成物を構成する式(1)で示される単量体としては、例えば式(2)で示される単量体が挙げられ、具体例としては、2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸、2−メタクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸、2−アクリルアミド−4−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸、2−アクリルアミド−4,5−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸、2−メタクリルアミド−4−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸、2−メタクリルアミド−4,5−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸、2−アクリルアミド−1−メチルシクロヘキサンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルシクロヘキサンスルホン酸、2−アクリルアミド−4−メトキシカルボニルシクロヘキサンスルホン酸、2−アクリルアミド−4−メトキシカルボニル−5−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸、および、これらの塩などが挙げられる。

Figure 2009104470
(式(2)において、R1、R2、および、R3はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、Xは水素原子または金属原子を表し、YおよびZはそれぞれ独立に、カルボキシル基、スルホン酸基、および、これらの塩、並びに、エステル残基よりなる群から選択された基を表し、YとZとはいずれか一方またはその両方が存在しない場合もある。)Examples of the monomer represented by the formula (1) constituting the composition of the present invention include a monomer represented by the formula (2). Specific examples thereof include 2-acrylamidocyclohexanesulfonic acid, 2- Methacrylamidocyclohexanesulfonic acid, 2-acrylamido-4-carboxycyclohexanesulfonic acid, 2-acrylamido-4,5-carboxycyclohexanesulfonic acid, 2-methacrylamideamido-4-carboxycyclohexanesulfonic acid, 2-methacrylamideamido-4,5 -Carboxycyclohexanesulfonic acid, 2-acrylamido-1-methylcyclohexanesulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylcyclohexanesulfonic acid, 2-acrylamido-4-methoxycarbonylcyclohexanesulfonic acid, 2-acrylamido-4-meth Shi-5- carboxy cyclohexane sulfonic acid, and, salts thereof, and the like.
Figure 2009104470
(In the formula (2), R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a methyl group, X represents a hydrogen atom or a metal atom, and Y and Z each independently represent a carboxyl group. , A sulfonic acid group, and a salt thereof, and a group selected from the group consisting of ester residues, and either Y or Z or both of them may not exist.)

また、式(1)で示される単量体におけるAは、脂肪族環上にスルホン酸基またはその塩が少なくとも1個置換された脂環炭化水素基であることが好ましく、スルホン酸基またはその塩が少なくとも1個置換されたシクロヘキシル基であることがより好ましい。
前記Aにおける脂環炭化水素基の脂肪族環上には、酸性基および/またはその塩以外の置換基、例えば、エステル残基等を有していてもよい。
また、前記Aにおける脂環炭化水素基の脂肪族環上の酸性基および/またはその塩の数は、1個以上であり、1〜5個であることが好ましく、1〜3個であることがより好ましい。
また、式(2)で示される単量体は、YおよびZを両方有していても、いずれか一方のみを有していても、両方を有していなくともよく、両方を有していないことが好ましい。
A in the monomer represented by the formula (1) is preferably an alicyclic hydrocarbon group in which at least one sulfonic acid group or a salt thereof is substituted on the aliphatic ring, and the sulfonic acid group or its More preferably, the salt is a cyclohexyl group substituted with at least one.
On the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group in A, there may be a substituent other than the acidic group and / or its salt, for example, an ester residue.
The number of acidic groups and / or salts thereof on the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group in A is 1 or more, preferably 1 to 5, and preferably 1 to 3. Is more preferable.
In addition, the monomer represented by the formula (2) may have both Y and Z, may have only one of them, or may not have both. Preferably not.

前記組成物における式(1)で示される単量体の含有量は、組成物に含まれる全単量体に対し、20〜99質量%の範囲であることが好ましい。   It is preferable that content of the monomer shown by Formula (1) in the said composition is the range of 20-99 mass% with respect to all the monomers contained in a composition.

<式(1)に示される単量体の共重合成分>
本発明の組成物には式(1)で示される単量体の少なくとも1種を加え、必要に応じて分子中にエチレン性の二重結合を有する単量体を共重合成分として含むことができる。また、本発明の組成物に含まれる式(1)で示される単量体は、1〜5種であることが好ましく、1〜3種であることがより好ましい。
当該単量体としては、式(1)で示される単量体と共重合可能であれば特に限定されるものではなく、例えばスルホン酸単量体として従来から知られている、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、イソプレンスルホン酸、ビニルスルホン酸など、およびこれらの塩を挙げることができる。
また、水溶性単量体として、(メタ)アクリル酸、(無水)マレイン酸、フマル酸、クロトン酸、イタコン酸、ビニルホスホン酸、酸性リン酸基含有(メタ)アクリレート等の酸性単量体やその塩;(メタ)アクリルアミド、N−置換(メタ)アクリルアミド、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、N−ビニルアセトアミド等の単量体;N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の塩基性単量体やそれらの4級化物等を具体的に挙げることができる。
また、重合体の吸水性を調整する等の目的でメチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート等のアクリル酸エステル類や酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等の疎水性単量体を使用することもできる。
なお、「(メタ)アクリレート」とは、「アクリレートおよび/またはメタクリレート」を表す。(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリルアミド、(無水)マレイン酸も同様である。
<Copolymerization component of monomer represented by formula (1)>
The composition of the present invention may contain at least one monomer represented by the formula (1) and, if necessary, a monomer having an ethylenic double bond in the molecule as a copolymerization component. it can. Moreover, it is preferable that it is 1-5 types, and, as for the monomer shown by Formula (1) contained in the composition of this invention, it is more preferable that it is 1-3 types.
The monomer is not particularly limited as long as it can be copolymerized with the monomer represented by the formula (1). For example, 2-acrylamide- which is conventionally known as a sulfonic acid monomer Examples include 2-methylpropanesulfonic acid, styrenesulfonic acid, allylsulfonic acid, methallylsulfonic acid, isoprenesulfonic acid, vinylsulfonic acid, and salts thereof.
In addition, as the water-soluble monomer, acidic monomers such as (meth) acrylic acid, (anhydrous) maleic acid, fumaric acid, crotonic acid, itaconic acid, vinylphosphonic acid, acidic phosphoric acid group-containing (meth) acrylate, Salt thereof; (meth) acrylamide, N-substituted (meth) acrylamide, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, methoxypolyethylene glycol (meth) acrylate, polyethylene glycol (meth) acrylate, N -Monomers such as vinylpyrrolidone and N-vinylacetamide; N, N-dimethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide and the like Of basic monomers and their quaternized compounds Mention may be made of the manner.
Also, for the purpose of adjusting the water absorption of the polymer, etc., acrylic acid esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc., and hydrophobic hydrophobic monomers such as vinyl acetate and vinyl propionate The body can also be used.
“(Meth) acrylate” means “acrylate and / or methacrylate”. The same applies to (meth) acrylic acid, (meth) acrylamide, and (maleic anhydride).

上記の共重合成分の内、(メタ)アクリル酸は重合体の耐酸化性が向上させる効果があるから電解質膜の耐久性を上げる効果があり好ましい。(メタ)アクリル酸はカルボキシル基を有しているために式(1)の成分と共に重合体におけるプロトン伝導性に寄与するが、スルホン酸基に比べると電離度が低いため、組成物の中では50質量%以下の範囲で含ませるのが良い。(メタ)アクリル酸は組成物に含まれる全単量体の内、2〜50質量%の範囲で用いるのが好ましい。   Of the above copolymerization components, (meth) acrylic acid is preferable because it has the effect of improving the oxidation resistance of the polymer and thus has the effect of increasing the durability of the electrolyte membrane. Since (meth) acrylic acid has a carboxyl group, it contributes to proton conductivity in the polymer together with the component of formula (1), but its ionization degree is lower than that of the sulfonic acid group. It is good to contain in the range of 50 mass% or less. (Meth) acrylic acid is preferably used in the range of 2 to 50% by mass of the total monomers contained in the composition.

<架橋成分>
本発明の組成物には架橋成分を含ませることによって該組成物を重合して得られる重合体に架橋構造を導入することができる。架橋成分としては、1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体を用いると容易に架橋構造を導入することができ好ましい。また、本発明の組成物に含まれる1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体は、1〜3種であることが好ましく、1種であることがより好ましい。また、1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体におけるエチレン性二重結合の数は、2〜10個であることが好ましく、2〜6個であることがより好ましく、2個であることが更に好ましい。
1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体としては、特に2官能以上の多官能(メタ)アクリルアミド類が、式(1)で示される単量体との共重合性が良好あり、単量体と架橋成分の組成比率も広範に調整しやすいので好ましい。
その中でも、式(3)で示される化合物は特に好ましく用いることができる。その具体例としては、N,N’−エチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−プロピレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−ブチレンビス(メタ)アクリルアミド、1,4ジ(メタ)アクリルアミドシクロヘキサン、N,N’−ビス(メタ)アクリルアミドピペラジンなどが挙げられる。

Figure 2009104470
(式(3)において、R4およびR5はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、R6は炭素数2〜10のアルキレン基を表し、R7およびR8はそれぞれ独立に、水素原子またはR7とR8とが結合して2つの窒素原子を連結する炭素数2〜4のアルキレン基を表す。)<Crosslinking component>
By including a crosslinking component in the composition of the present invention, a crosslinked structure can be introduced into a polymer obtained by polymerizing the composition. As the crosslinking component, it is preferable to use a monomer containing two or more ethylenic double bonds in one molecule because a crosslinked structure can be easily introduced. Moreover, it is preferable that it is 1-3 types, and, as for the monomer which contains 2 or more of ethylenic double bonds in 1 molecule contained in the composition of this invention, it is more preferable that it is 1 type. Further, the number of ethylenic double bonds in the monomer containing two or more ethylenic double bonds in one molecule is preferably 2 to 10, more preferably 2 to 6. More preferably, it is two.
As a monomer containing two or more ethylenic double bonds in one molecule, polyfunctional (meth) acrylamides having two or more functional groups are particularly copolymerizable with the monomer represented by the formula (1). This is preferable because the composition ratio of the monomer and the cross-linking component is easily adjusted widely.
Among these, the compound represented by the formula (3) can be particularly preferably used. Specific examples thereof include N, N′-ethylenebis (meth) acrylamide, N, N′-propylenebis (meth) acrylamide, N, N′-butylenebis (meth) acrylamide, and 1,4 di (meth) acrylamide cyclohexane. N, N′-bis (meth) acrylamide piperazine and the like.
Figure 2009104470
(In Formula (3), R 4 and R 5 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, R 6 represents an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, and R 7 and R 8 each independently represent hydrogen. And represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms in which R 7 and R 8 are bonded to connect two nitrogen atoms.)

これらの具体例の内でも、N,N’−エチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−ビス(メタ)アクリルアミドピペラジンは水溶性が高く、有機溶剤を使用しなくても式(1)で示される単量体を溶解した水に溶解させることができるので好ましい。さらにN,N’−ビス(メタ)アクリルアミドピペラジンは式(1)で示される単量体と組み合わせることで、著しく耐酸化性が高い架橋重合体を得ることができるので、本発明の電解質膜の耐久性を上げる上で特に好ましいものである。   Among these specific examples, N, N′-ethylenebis (meth) acrylamide and N, N′-bis (meth) acrylamide piperazine are highly water-soluble and can be represented by the formula (1) without using an organic solvent. It is preferable because the monomer shown can be dissolved in dissolved water. Further, N, N′-bis (meth) acrylamide piperazine can be combined with the monomer represented by the formula (1) to obtain a crosslinked polymer having extremely high oxidation resistance. Therefore, the electrolyte membrane of the present invention can be obtained. This is particularly preferable for increasing the durability.

架橋成分としては、前記の多官能(メタ)アクリルアミド化合物以外にも、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、ジビニルベンゼン、ビスフェノールジアクリレート、イソシアヌル酸ジアクリレート、テトラアリルオキシエタン、トリアリルアミン、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、ジアリルオキシ酢酸塩等が好ましく用いることができる。   As the crosslinking component, in addition to the polyfunctional (meth) acrylamide compound, for example, ethylene glycol di (meth) acrylate, polyethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) Acrylate, trimethylolpropane di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, pentaerythritol di (meth) acrylate, pentaerythritol tri (meth) acrylate, pentaerythritol tetra (meth) acrylate, trimethylolpropane diallyl ether, Pentaerythritol triallyl ether, divinylbenzene, bisphenol diacrylate, isocyanuric acid diacrylate, tetraallyloxye Emissions, triallylamine, triallyl cyanurate, triallyl isocyanurate, can diallyloxyacetic acid salts and preferably used.

これらの内でトリアリルアミン、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレートは架橋成分として用いたときに重合物の耐加水分解性を向上させることができるので好ましい。その場合の好ましい添加量は、全組成物中0.5質量%以上10質量%以下である。   Of these, triallylamine, triallyl cyanurate, and triallyl isocyanurate are preferred because they can improve the hydrolysis resistance of the polymer when used as a crosslinking component. The preferable addition amount in that case is 0.5 mass% or more and 10 mass% or less in the whole composition.

また本発明の組成物には上記のように式(1)で示される単量体と共重合可能な多官能単量体を架橋成分として含ませる他にも、公知の方法を用いることができる。
具体的には、カルボキシル基等の重合体中の官能基と反応する基を分子内に2個以上有する架橋剤を用いる方法、重合時の水素引き抜き反応による自己架橋を利用する方法、重合後の重合体に紫外線、電子線、ガンマ線等の活性エネルギー線を照射する方法等が挙げられる。
また架橋密度を高くし易い点から、架橋構造を形成し得る官能基を有する水溶性単量体を共重合する方法も好ましい。このような化合物としてはN−メチロールアクリルアミド、N−メトキシメチルアクリルアミド、N−ブトキシメチルアクリルアミドなどが挙げられ、重合性二重結合のラジカル重合を行った後で加熱して縮合反応などを起こさせて架橋するか、ラジカル重合と同時に加熱を行って同様の架橋反応を起こさせることができる。これらの架橋剤は単独で使用することも、必要に応じて2種類以上を併用することも可能である。
Besides the polyfunctional monomer copolymerizable with the monomer represented by the formula (1) as a crosslinking component as described above, a known method can be used for the composition of the present invention. .
Specifically, a method using a crosslinking agent having two or more groups in the molecule that react with a functional group in a polymer such as a carboxyl group, a method using self-crosslinking by a hydrogen abstraction reaction during polymerization, Examples include a method of irradiating the polymer with active energy rays such as ultraviolet rays, electron beams, and gamma rays.
A method of copolymerizing a water-soluble monomer having a functional group capable of forming a crosslinked structure is also preferred from the viewpoint of easily increasing the crosslinking density. Examples of such compounds include N-methylol acrylamide, N-methoxymethyl acrylamide, N-butoxymethyl acrylamide, and the like. After radical polymerization of a polymerizable double bond, heating is performed to cause a condensation reaction. It is possible to cause the same crosslinking reaction by crosslinking or heating simultaneously with radical polymerization. These cross-linking agents can be used alone or in combination of two or more as required.

前記組成物における1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体の含有量は、組成物に含まれる全単量体に対し、1〜50質量%の範囲であることが好ましく、5〜40質量%であることがより好ましい。   The content of the monomer containing two or more ethylenic double bonds in one molecule in the composition is in the range of 1 to 50% by mass with respect to the total monomers contained in the composition. Preferably, it is 5-40 mass%.

<重合方法>
本発明の組成物を重合させるときに用いられる方法としては、公知の水溶液ラジカル重合法の技術を使用することができる。具体例としては、レドックス開始重合、熱開始重合、電子線開始重合、紫外線等の光開始重合等が挙げられる。
熱開始重合、レドックス開始重合のラジカル重合開始剤としては、次のようなものが挙げられる。2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩等のアゾ化合物;過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過酸化水素、過酸化ベンゾイル、クメンヒドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド等の過酸化物;上記過酸化物と、亜硫酸塩、重亜硫酸塩、チオ硫酸塩、ホルムアミジンスルフィン酸、アスコルビン酸等の還元剤とを組み合わせたレドックス開始剤;または2,2’−アゾビス−(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、アゾビスシアノ吉草酸等のアゾ系ラジカル重合開始剤等。これらラジカル重合開始剤は、単独で用いてもよく、また、二種類以上を併用してもよい。
これらの内、過酸化物系ラジカル重合開始剤は炭素水素結合から水素を引き抜くことによってラジカルを発生することができるため多孔性基材としてポリオレフィン等の有機材料と併用すると、基材表面と充填重合体との間に化学結合を形成することができるので好ましい。
<Polymerization method>
As a method used when polymerizing the composition of the present invention, a known aqueous radical polymerization technique can be used. Specific examples include redox-initiated polymerization, heat-initiated polymerization, electron beam-initiated polymerization, and photoinitiated polymerization such as ultraviolet rays.
Examples of the radical polymerization initiator for heat-initiated polymerization and redox-initiated polymerization include the following. Azo compounds such as 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride; ammonium persulfate, potassium persulfate, sodium persulfate, hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, cumene hydroperoxide, di-t-butylperoxide A peroxide such as oxide; a redox initiator in which the above-mentioned peroxide is combined with a reducing agent such as sulfite, bisulfite, thiosulfate, formamidinesulfinic acid, ascorbic acid; or 2,2′-azobis -Azo radical polymerization initiators such as (2-amidinopropane) dihydrochloride and azobiscyanovaleric acid. These radical polymerization initiators may be used alone or in combination of two or more.
Among these, the peroxide radical polymerization initiator can generate radicals by extracting hydrogen from carbon-hydrogen bonds, and therefore when used in combination with an organic material such as polyolefin as a porous substrate, the surface of the substrate and the filling weight are reduced. It is preferable because a chemical bond can be formed with the coalescence.

上記ラジカル重合開始手段の中では、重合反応の制御がし易く、比較的簡便なプロセスで生産性良く所望の電解質膜が得られる点で、紫外線による光開始重合が望ましい。さらに光開始重合させる場合には、ラジカル系光重合開始剤を、重合体前駆体、その溶液または分散液中に予め溶解若しくは分散させておくことがより好ましい。
ラジカル系光重合開始剤としては、一般に紫外線重合に利用されているベンゾイン、ベンジル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、キノン、チオキサントン、チオアクリドンおよびこれらの誘導体等が挙げられる。当該誘導体の例としては、ベンゾイン系として、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル;アセトフェノン系として、ジエトキシアセトフェノン、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−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、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−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;ベンゾフェノン系として、o−ベンゾイル安息香酸メチル、4−フェニルベンゾフェノン、4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルサルファイド、3,3’,4,4’−テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェノン、2,4,6−トリメチルベンゾフェノン、4−ベンゾイル−N,N−ジメチル−N−[2−(1−オキシ−2−プロペニルオキシ)エチル]ベンゼンメタナミニウムブロミド、(4−ベンゾイルベンジル)トリメチルアンモニウムクロリド、4,4’−ジメチルアミノベンゾフェノン、4,4’−ジエチルアミノベンゾフェノン等が挙げられる。
Among the radical polymerization initiating means, photoinitiated polymerization by ultraviolet rays is desirable in that the polymerization reaction is easily controlled and a desired electrolyte membrane can be obtained with a relatively simple process and high productivity. In the case of further photoinitiating polymerization, the radical photopolymerization initiator is more preferably dissolved or dispersed in advance in the polymer precursor, its solution or dispersion.
Examples of the radical photopolymerization initiator include benzoin, benzyl, acetophenone, benzophenone, quinone, thioxanthone, thioacridone, and derivatives thereof that are generally used for ultraviolet polymerization. Examples of such derivatives include benzoin-based benzoin methyl ether, benzoin ethyl ether, benzoin isopropyl ether, benzoin isobutyl ether; acetophenone-based diethoxyacetophenone, 2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1- ON, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-methyl-1- [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropane-1, 2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) Butanone-1,2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, 1- [4- (2-hydroxyethoxy) phenyl] -2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-one ; As benzophenone, o-benzoyl Methyl perfate, 4-phenylbenzophenone, 4-benzoyl-4′-methyldiphenyl sulfide, 3,3 ′, 4,4′-tetra (t-butylperoxycarbonyl) benzophenone, 2,4,6-trimethylbenzophenone, 4-Benzoyl-N, N-dimethyl-N- [2- (1-oxy-2-propenyloxy) ethyl] benzenemethananium bromide, (4-benzoylbenzyl) trimethylammonium chloride, 4,4′-dimethylamino Examples include benzophenone and 4,4′-diethylaminobenzophenone.

これら光重合開始剤の使用量は、重合体前駆体中の不飽和単量体の総質量に対して0.001〜1質量%が好ましく、さらに好ましくは0.001〜0.5質量%、特に好ましくは0.01〜0.5質量%である、この範囲では未反応単量体が少なく、重合体の架橋密度が十分に高くなるので、重合体の耐久性が高くなり、本発明の電解質膜の耐久性が向上するから好ましい。
またこれらの内、ベンゾフェノン、チオキサントン、キノン、チオアクリドン等の芳香族ケトン系ラジカル重合開始剤は炭素水素結合から水素を引き抜くことによってラジカルを発生することができるため多孔性基材としてポリオレフィン等の有機材料と併用する場合には基材表面と充填重合体との間に化学結合を形成することができるので好ましい。
The amount of these photopolymerization initiators used is preferably 0.001 to 1% by mass, more preferably 0.001 to 0.5% by mass, based on the total mass of unsaturated monomers in the polymer precursor. Particularly preferably, it is 0.01 to 0.5% by mass. In this range, the amount of unreacted monomers is small and the crosslink density of the polymer is sufficiently high, so that the durability of the polymer is increased, and This is preferable because the durability of the electrolyte membrane is improved.
Of these, aromatic ketone radical polymerization initiators such as benzophenone, thioxanthone, quinone, and thioacridone can generate radicals by extracting hydrogen from carbon-hydrogen bonds, so that organic materials such as polyolefins can be used as porous substrates. When used together, it is preferable because a chemical bond can be formed between the substrate surface and the filled polymer.

紫外線などの光により重合する場合の光照射条件としては、紫外線照射の場合は10〜5000mJ/cm2が好ましい。式(1)で示される(メタ)アクリルアミド基を含有する化合物はラジカル重合性化合物の中でも特に重合性が良く、加熱や紫外線による重合の場合でも加えるエネルギーの量を多くすることで開始剤を配合しなくても重合できる。As light irradiation conditions in the case of polymerization using light such as ultraviolet rays, 10 to 5000 mJ / cm 2 is preferable in the case of ultraviolet irradiation. The compound containing a (meth) acrylamide group represented by the formula (1) is particularly polymerizable among radical polymerizable compounds, and an initiator is added by increasing the amount of energy applied even in the case of polymerization by heating or ultraviolet rays. It is possible to polymerize without it.

<多孔性基材との組み合わせ>
多孔性基材の空孔内部に本発明の組成物を重合して得られた樹脂が充填されたものは電解質膜として好ましく利用できる。本発明で用いる多孔性基材は、メタノールおよび水に対して実質的に膨潤しない材料であることが好ましく、特に乾燥時に比べて水による湿潤時の面積変化が少ないか、ほとんどないことが好ましい。
面積増加率は、浸漬時間や温度によって変化するが、本発明では25℃における脱イオン水に1時間浸漬したときの面積増加率が、乾燥時に比較して最大でも20%以下であることが好ましい。
<Combination with porous substrate>
What filled the resin obtained by superposing | polymerizing the composition of this invention inside the void | hole of a porous base material can be preferably utilized as an electrolyte membrane. The porous substrate used in the present invention is preferably a material that does not substantially swell with respect to methanol and water, and it is particularly preferable that there is little or almost no change in area when wetted with water compared to when dried.
Although the area increase rate varies depending on the immersion time and temperature, in the present invention, the area increase rate when immersed in deionized water at 25 ° C. for 1 hour is preferably 20% or less at the maximum compared to the time of drying. .

また本発明で用いる多孔性基材は、引張り弾性率が500〜5000MPaであるものが好ましく、さらに好ましくは1000〜5000MPaであり、また破断強度が50〜500MPaを有するのが好ましく、さらに好ましくは100〜500MPaである。この範囲内では充填された重合体がメタノールや水により膨潤しようとする力によって膜が変形されることもなく、堅すぎる基材が脆くなって電極接合時のプレス成形や電池に組み込む際の締付け等によってひび割れを起こすこともないので好ましい。   The porous substrate used in the present invention preferably has a tensile modulus of 500 to 5000 MPa, more preferably 1000 to 5000 MPa, and preferably has a breaking strength of 50 to 500 MPa, more preferably 100. ~ 500 MPa. Within this range, the polymer does not deform due to the force of the filled polymer being swollen by methanol or water, and the base material that is too stiff becomes brittle and is pressed during electrode bonding or tightened when assembled into a battery. It is preferable because it does not cause cracks due to the like.

また、多孔性基材は燃料電池を運転する際の温度に対して耐熱性を有するものがよく、外力が加えられても容易に延びないものがよい。
そのような性質を持つ材料として、無機材料ではガラスまたはアルミナもしくはシリカ等のセラミックス等が挙げられる。また、有機材料では芳香族ポリイミド等のエンジニアリングプラスチック、ポリオレフィンを放射線の照射や架橋剤を加えて架橋したり延伸する等の方法で、外力に対して延び等の変形をし難くしたもの等が挙げられる。これらの材料は単独で用いても2種以上を積層する等により複合化して用いてもよい。
Further, the porous substrate is preferably one having heat resistance against the temperature at which the fuel cell is operated, and one that does not easily extend even when an external force is applied.
Examples of materials having such properties include glass, ceramics such as alumina or silica, and the like. Examples of organic materials include engineering plastics such as aromatic polyimides, polyolefins that have been made difficult to be deformed such as being stretched against external forces by methods such as radiation irradiation and crosslinking or stretching by adding a crosslinking agent. It is done. These materials may be used alone or in combination by stacking two or more of them.

これらの多孔性基材の中では、延伸ポリオレフィン、架橋ポリオレフィン、延伸後架橋されたポリオレフィン、ポリイミド類からなるものが充填工程の作業性が良く、基材の入手し易さの点からも好ましい。ポリオレフィン類の中ではポリエチレンを主成分とするものが疎水性、化学的安定性、入手しやすさなどの点で優れている。また、多孔性基材は上下面を貫通する貫通孔を少なくとも有しているものであることが好ましい。   Among these porous base materials, those made of stretched polyolefin, cross-linked polyolefin, cross-linked polyolefin after stretching, and polyimides are preferable from the viewpoint of good workability in the filling step and easy availability of the base material. Among polyolefins, those mainly composed of polyethylene are excellent in terms of hydrophobicity, chemical stability, and availability. Moreover, it is preferable that the porous substrate has at least a through hole penetrating the upper and lower surfaces.

本発明で用いる多孔性基材の空孔率は、大きい方が面積当たりのプロトン伝導性基であるプロトン酸性基の量が増えるので例えば燃料電池に用いるときは出力が高くなり、一方小さいものは膜強度が高い傾向があるので好ましい。従って好ましい空孔率は5〜95容積%であり、さらに好ましくは5〜90容積%、特に好ましくは20〜80容積%である。また平均孔径は0.001〜100μmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは0.01〜1μmの範囲である。
前記多孔質基材は、膜状であることが好ましい。
さらに基材の厚さは、厚いほうが膜強度が高くメタノールの透過量が減って好ましい一方、薄いほうが電解質膜としての膜抵抗が小さくなって好ましい。従って好ましい膜厚は200μm以下、より好ましくは1〜150μm、さらに好ましくは5〜100μm、特に好ましくは5〜50μmである。
As the porosity of the porous base material used in the present invention is larger, the amount of proton acidic groups, which are proton conductive groups per area, increases, so for example, when used in a fuel cell, the output is higher, while the smaller one is This is preferable because the film strength tends to be high. Accordingly, the porosity is preferably 5 to 95% by volume, more preferably 5 to 90% by volume, and particularly preferably 20 to 80% by volume. Moreover, it is preferable that an average hole diameter exists in the range of 0.001-100 micrometers, More preferably, it is the range of 0.01-1 micrometer.
The porous substrate is preferably in the form of a film.
Further, the thicker the substrate, the better the film strength and the lower the amount of methanol permeated, whereas the thinner the substrate, the smaller the membrane resistance as the electrolyte membrane, and the more preferable. Accordingly, the preferable film thickness is 200 μm or less, more preferably 1 to 150 μm, still more preferably 5 to 100 μm, and particularly preferably 5 to 50 μm.

多孔性基材の空孔内に架橋電解質重合体を充填する方法に関して特に制限はなく公知の方法が利用できる。例えば本発明の組成物または重合体前駆体および/またはその溶液若しくは分散液を多孔性基材に含浸させ、その後に組成物または重合体前駆体を重合させたり架橋させたりする方法が挙げられる。その際、含浸する混合液には必要に応じて架橋剤、重合開始剤、触媒、硬化剤、界面活性剤等を含んでいてもよい。   There is no particular limitation on the method for filling the crosslinked electrolyte polymer in the pores of the porous substrate, and a known method can be used. Examples thereof include a method in which a porous substrate is impregnated with the composition or polymer precursor of the present invention and / or a solution or dispersion thereof, and then the composition or polymer precursor is polymerized or crosslinked. At that time, the impregnated mixed solution may contain a crosslinking agent, a polymerization initiator, a catalyst, a curing agent, a surfactant, and the like, if necessary.

多孔性基材の空孔に含浸する組成物または重合体前駆体が低粘度の場合は、そのまま含浸に用いることができるが、そうでない場合は溶液または分散液とすることが好ましい。特に、濃度を10〜90質量%の溶液とするのが好ましく、20〜70質量%の溶液とするのがさらに好ましい。
また使用する成分に水に難溶のものが含まれる場合は水の一部または全部を有機溶剤に置き換えてもよいが、有機溶剤を使用する場合は電極を接合する前に有機溶剤を全て取り除く必要があるため水溶液の方が好ましい。このように溶液状にして含浸する理由は、水または溶剤に溶解して含浸に用いることにより空孔を有する多孔性基材への含浸が行い易くなるためである。
また含浸作業をより行い易くする目的で、多孔性基材の親水化処理、重合体前駆体溶液への界面活性剤の添加、または含浸中における超音波の照射も行うことができる。
When the composition or polymer precursor impregnated in the pores of the porous substrate has a low viscosity, it can be used for impregnation as it is, but in other cases, it is preferably a solution or a dispersion. In particular, a solution with a concentration of 10 to 90% by mass is preferable, and a solution with a concentration of 20 to 70% by mass is more preferable.
In addition, if the components used are insoluble in water, some or all of the water may be replaced with an organic solvent, but when using an organic solvent, remove all the organic solvent before joining the electrodes. An aqueous solution is preferred because it is necessary. The reason for impregnation in the form of a solution is that it is easy to impregnate a porous substrate having pores when dissolved in water or a solvent and used for impregnation.
Further, for the purpose of facilitating the impregnation operation, hydrophilic treatment of the porous substrate, addition of a surfactant to the polymer precursor solution, or ultrasonic irradiation during the impregnation can be performed.

また多孔性基材の表面、特に空孔内表面にプロトン伝導性を有する架橋電解質重合体が化学的に結合されているのが好ましく、その結合を形成する手段としては、充填する重合体前駆体がラジカル重合性物質である場合は予め基材にプラズマ、紫外線、電子線、ガンマ線、コロナ放電等を照射して表面にラジカルを発生させ、充填した重合体前駆体を重合させる際に基材表面へのグラフト重合が同時に起こるようにする方法、基材に重合体前駆体を充填した後に電子線を照射することによって基材表面へのグラフト重合と重合体前駆体の重合を同時に起こす方法、水素引き抜き型のラジカル重合開始剤を重合体前駆体に配合して充填して加熱または紫外線の照射を行って基材表面へのグラフト重合と重合体前駆体の重合を同時に起こす方法、カップリング剤を用いる方法等が挙げられる。これらは単独で行っても複数の方法を併用してもよい。   In addition, it is preferable that a crosslinked electrolyte polymer having proton conductivity is chemically bonded to the surface of the porous substrate, particularly the inner surface of the pores. As a means for forming the bond, a polymer precursor to be filled is used. Is a radical polymerizable substance, the surface of the substrate is preliminarily generated when the substrate is polymerized by generating radicals on the surface by irradiating the substrate with plasma, ultraviolet rays, electron beams, gamma rays, corona discharge, etc. A method of causing graft polymerization to occur simultaneously, a method of causing graft polymerization to the surface of the substrate and polymerization of the polymer precursor simultaneously by irradiating an electron beam after filling the substrate with the polymer precursor, hydrogen A method of causing graft polymerization onto the substrate surface and polymerization of the polymer precursor simultaneously by blending and filling a pull-out type radical polymerization initiator into the polymer precursor, heating or irradiating with ultraviolet rays, A method using a coupling agent and the like. These may be performed alone or a plurality of methods may be used in combination.

本発明の電解質膜は、式(1)で示される単量体を重合して得ることができ、得られた電解質膜は耐酸化性に優れたものとなる。また、式(3)で示される化合物を架橋剤として併用したり、共重合性分として(メタ)アクリル酸を併用すると、より耐酸化性が向上する。さらに、これらの単量体や架橋剤から得られる電解質重合体が多孔性基材の空孔内へ含浸された構造を有する電解質膜は、メタノール透過性を抑えたものになる。その結果、本電解質膜は耐久性に優れかつメタノールの透過を抑制することができる電解質膜となり、DMFCなどの電気化学装置用途に適したものとなる。   The electrolyte membrane of the present invention can be obtained by polymerizing the monomer represented by the formula (1), and the obtained electrolyte membrane has excellent oxidation resistance. Further, when the compound represented by the formula (3) is used in combination as a crosslinking agent, or (meth) acrylic acid is used in combination as a copolymerizable component, the oxidation resistance is further improved. Furthermore, an electrolyte membrane having a structure in which an electrolyte polymer obtained from these monomers and a crosslinking agent is impregnated into the pores of the porous substrate has a reduced methanol permeability. As a result, the present electrolyte membrane becomes an electrolyte membrane that is excellent in durability and can suppress the permeation of methanol, and is suitable for use in electrochemical devices such as DMFC.

本発明の電解質膜は、式(1’)で示されるモノマー単位とを少なくとも有する樹脂を含むことを特徴とする。

Figure 2009104470
(式(1’)において、R1は水素原子またはメチル基を表し、Aは脂環炭化水素基であり、かつ前記脂環炭化水素基の脂肪族環上に、少なくとも1個以上の酸性基および/またはその塩が置換基として結合している基を表す。)The electrolyte membrane of the present invention includes a resin having at least a monomer unit represented by the formula (1 ′).
Figure 2009104470
(In the formula (1 ′), R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, A is an alicyclic hydrocarbon group, and at least one acidic group on the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group. And / or a group to which a salt thereof is bonded as a substituent.)

式(1’)におけるR1およびAは、前記式(1)におけるR1およびAと同義であり、また、好ましい範囲も同様である。R 1 and A in the formula (1 ') has the same meaning as R 1 and A in the formula (1), and the preferred scopes are also same.

また、本発明の電解質膜は、式(1’)で示されるモノマー単位として、式(2’)で示されるモノマー単位を含むことが好ましく、式(1’)で示されるモノマー単位が式(2’)で示されるモノマー単位であることがより好ましい。

Figure 2009104470
(式(2’)において、R1、R2、および、R3はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、Xは水素原子または金属原子を表し、YおよびZはそれぞれ独立に、カルボキシル基、スルホン酸基、および、これらの塩、並びに、エステル残基よりなる群から選択された基を表し、YとZとはいずれか一方またはその両方が存在しない場合もある。)In addition, the electrolyte membrane of the present invention preferably includes a monomer unit represented by the formula (2 ′) as the monomer unit represented by the formula (1 ′), and the monomer unit represented by the formula (1 ′) is represented by the formula (1 ′). The monomer unit represented by 2 ′) is more preferable.
Figure 2009104470
(In the formula (2 ′), R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a methyl group, X represents a hydrogen atom or a metal atom, and Y and Z each independently represent a carboxyl group. Represents a group selected from the group consisting of a group, a sulfonic acid group, a salt thereof, and an ester residue, and one or both of Y and Z may not be present.)

式(2’)におけるR1、R2、R3、X、YおよびZは、前記式(2)におけるR1、R2、R3、X、YおよびZと同義であり、また、好ましい範囲も同様である。
前記樹脂は、式(1’)に示されるモノマー単位を1〜5種有することが好ましく、1〜3種有することがより好ましい。
前記樹脂における式(1)で示されるモノマー単位の含有量は、前記樹脂の全モノマー単位に対し、20〜99質量%の範囲であることが好ましい。
R 1, R 2, R 3 in the formula (2 '), X, Y and Z, the R 1 in the formula (2), R 2, R 3, X, have the same meaning as Y and Z, it is also preferred The range is the same.
The resin preferably has 1 to 5 monomer units represented by the formula (1 ′), more preferably 1 to 3 types.
It is preferable that content of the monomer unit shown by Formula (1) in the said resin is the range of 20-99 mass% with respect to all the monomer units of the said resin.

また、本発明の電解質膜は、式(1’)で示されるモノマー単位と架橋構造とを少なくとも有する樹脂を含むことが好ましい。
前記架橋構造としては、前記1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体由来のモノマー単位を含むことが好ましく、前記2官能以上の多官能(メタ)アクリルアミド類由来のモノマー単位を含むことがより好ましく、式(3’)で示されるモノマー単位を含むことが更に好ましい。

Figure 2009104470
(式(3’)において、R4およびR5はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、R6は炭素数2〜10のアルキレン基を表し、R7およびR8はそれぞれ独立に、水素原子またはR7とR8とが結合して2つの窒素原子を連結する炭素数2〜4のアルキレン基を表す。)The electrolyte membrane of the present invention preferably contains a resin having at least a monomer unit represented by the formula (1 ′) and a crosslinked structure.
The cross-linked structure preferably contains a monomer unit derived from a monomer containing two or more ethylenic double bonds in one molecule, and is a monomer derived from the bifunctional or higher polyfunctional (meth) acrylamides. It is more preferable to include a unit, and it is further preferable to include a monomer unit represented by the formula (3 ′).
Figure 2009104470
(In Formula (3 ′), R 4 and R 5 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, R 6 represents an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, and R 7 and R 8 each independently represent This represents a hydrogen atom or an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms in which R 7 and R 8 are bonded to connect two nitrogen atoms.

式(3’)におけるR4、R5、R6、R7およびR8は、前記式(3)におけるR4、R5、R6、R7およびR8と同義であり、また、好ましい範囲も同様である。
前記樹脂における1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する単量体由来のモノマー単位は、1〜3種であることが好ましく、1種であることがより好ましい。
前記樹脂における1分子中にエチレン性二重結合を2個以上含有する由来のモノマー単位の含有量は、前記樹脂の全モノマー単位に対し、1〜50質量%の範囲であることが好ましく、5〜40質量%であることがより好ましい。
R 4, R 5, R 6 , R 7 and R 8 in the formula (3 ') has the same meaning as R 4, R 5, R 6 , R 7 and R 8 in the formula (3), it is also preferred The range is the same.
The number of monomer units derived from a monomer containing two or more ethylenic double bonds in one molecule in the resin is preferably 1 to 3, and more preferably 1 type.
The content of the monomer unit derived from containing two or more ethylenic double bonds in one molecule in the resin is preferably in the range of 1 to 50% by mass with respect to the total monomer units of the resin. More preferably, it is -40 mass%.

また、前記樹脂は、式(4’)で示されるモノマー単位を更に含むことが好ましい。前記樹脂における式(4’)で示されるモノマー単位の含有量としては、前記樹脂の全モノマー単位に対し、2〜50質量%であることが好ましい。

Figure 2009104470
(式(4’)において、R9は水素原子またはメチル基を表す。)Moreover, it is preferable that the said resin further contains the monomer unit shown by Formula (4 '). The content of the monomer unit represented by the formula (4 ′) in the resin is preferably 2 to 50% by mass with respect to the total monomer units of the resin.
Figure 2009104470
(In the formula (4 ′), R 9 represents a hydrogen atom or a methyl group.)

本発明の電解質膜は、多孔質膜等の多孔性基材の空孔内部に、式(1’)で示されるモノマー単位とを少なくとも有する樹脂を充填したものであることが好ましい。
本発明の電解質膜に用いることができる多孔質基材としては、前述した多孔質基材を好適に用いることができる。
The electrolyte membrane of the present invention is preferably one in which a resin having at least a monomer unit represented by the formula (1 ′) is filled in the pores of a porous substrate such as a porous membrane.
As the porous substrate that can be used in the electrolyte membrane of the present invention, the porous substrate described above can be suitably used.

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳しく説明するが、本発明の範囲がこれらの例により限定されるものではない。また実施例および比較例中の部は特に断りの無い限り質量部を意味するものとする。得られた電解質膜のプロトン伝導性およびメタノール透過性、耐久性(強制劣化試験)は以下のように評価した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, the scope of the present invention is not limited by these examples. Moreover, the part in an Example and a comparative example shall mean a mass part unless there is particular notice. The proton conductivity, methanol permeability, and durability (forced deterioration test) of the obtained electrolyte membrane were evaluated as follows.

1.実施例および比較例で作製した電解質膜の評価方法
<プロトン伝導性>
25℃における膨潤試料のプロトン伝導度の測定を行った。脱イオン水に1時間浸して膨潤させた電解質膜を2枚の白金板で挟み込み測定用試料とした。その後、100Hzから40MHzの交流インピーダンス測定を実施して、試料の電導度を測定してプロトン伝導度とした。プロトン伝導度度が高いほど、電解質膜中をプロトンが移動し易く、燃料電池用途に優れていることを示す。
1. Evaluation Method for Electrolyte Membranes Produced in Examples and Comparative Examples <Proton Conductivity>
The proton conductivity of the swollen sample at 25 ° C. was measured. An electrolyte membrane that was swollen in deionized water for 1 hour was sandwiched between two platinum plates to obtain a measurement sample. Thereafter, AC impedance measurement from 100 Hz to 40 MHz was performed, and the conductivity of the sample was measured to obtain proton conductivity. The higher the proton conductivity, the easier it is for protons to move through the electrolyte membrane, indicating better fuel cell applications.

<メタノール透過性>
25℃におけるメタノールの浸透実験を以下のように行った。電解質膜をガラス製セルに挟み、一方のセルに10質量%メタノール水溶液を入れ、もう一方のセルに脱イオン水を入れた。脱イオン水側に浸透するメタノール量をガスクロマトグラフ分析により経時的に測定し、定常状態になった時の透過係数を測定してメタノール透過流束とした。透過流束が低いほど、電解質膜中をメタノールが透過し難く、燃料電池用途に適していることを示す。
<Methanol permeability>
The methanol penetration experiment at 25 ° C. was performed as follows. The electrolyte membrane was sandwiched between glass cells, 10% by mass aqueous methanol solution was placed in one cell, and deionized water was placed in the other cell. The amount of methanol penetrating into the deionized water side was measured over time by gas chromatographic analysis, and the permeation coefficient at the steady state was measured to obtain the methanol permeation flux. The lower the permeation flux, the more difficult methanol permeates through the electrolyte membrane, indicating that it is suitable for fuel cell applications.

<耐久性(強制劣化試験)>
電池内で発生する過酸化水素による重合体の劣化現象を確認する代わりにフェントン試薬を用いた強制劣化により耐久性を評価した。過酸化水素3.5質量%、硫酸鉄(II)7水和物0.01質量%の混合水溶液をフェントン試薬と呼ぶ。フェントン試薬の30mlに対して、面積12cm2に切りだした電解質膜を浸し、25℃で所定の時間撹拌し、鉄を除去するために取り出した膜を1mol/リットル濃度の塩酸で3回洗浄して、さらに脱イオン水で2回洗浄した。試験前後の試験片を70℃で3時間真空乾燥して乾燥質量を測定した。一方、電解質膜を作成する際に予め基材に対する本発明の重合体の質量充填率を求めておいた。ポリエチレン製多孔性基材はフェントン試薬に対しほとんど質量変化がないので、フェントン試験前後の膜の質量から基材の質量を差し引いた質量を比較することによって電解質膜中の充填重合体の質量減少率を求めた。質量減少率が小さいほど耐久性が高く、大きいほど劣化しやすいことを示す。
<Durability (Forced deterioration test)>
Durability was evaluated by forced degradation using a Fenton reagent instead of confirming the degradation phenomenon of the polymer by hydrogen peroxide generated in the battery. A mixed aqueous solution of 3.5% by mass of hydrogen peroxide and 0.01% by mass of iron (II) sulfate heptahydrate is called a Fenton reagent. An electrolyte membrane cut out to an area of 12 cm 2 is immersed in 30 ml of Fenton reagent, stirred for a predetermined time at 25 ° C., and the taken-out membrane is washed three times with 1 mol / liter hydrochloric acid to remove iron. Further, it was washed twice with deionized water. The test pieces before and after the test were vacuum-dried at 70 ° C. for 3 hours, and the dry mass was measured. On the other hand, when preparing the electrolyte membrane, the mass filling rate of the polymer of the present invention with respect to the base material was obtained in advance. Since the polyethylene porous substrate has almost no mass change with respect to the Fenton reagent, the mass reduction rate of the filled polymer in the electrolyte membrane is compared by comparing the mass of the membrane before and after the Fenton test minus the mass of the substrate. Asked. It shows that durability is so high that a mass reduction rate is small, and it deteriorates easily, so that it is large.

2.実施例および比較例で用いた試薬の内、入手困難な化合物の合成
(合成例1)
撹拌装置を装備した4つ口フラスコにアクリロニトリル150mlを仕込み、ドライアイスメタノール浴で−30℃以下に冷却した。フラスコ内を撹拌しながら97%クロロ硫酸24.5gを滴下した。次にシクロヘキセン32mlを滴下した。滴下が終了した後、徐々に温度を上げ、0℃になった時点でトルエン300mlを加え、さらに室温まで昇温し結晶が析出するまで撹拌を続けた。結晶析出後、4つ口フラスコを氷浴で冷却し、析出してきた結晶をろ過した。ろ別した結晶をトルエンで洗浄し目的化合物(式(4))に塩酸が付加した構造の化合物を得た。
次に上記の結晶17gをナス型フラスコに仕込み、蒸留水200mlを入れて溶解し、炭酸ナトリウム13.5gを発泡に注意しながら加えた。このフラスコ内に撹拌子を入れ冷却管を取り付けて、95℃で1時間撹拌した。この内容物を減圧濃縮し、メタノールを加えて溶かし、不溶物をろ過した後、更に濃縮とメタノールへの溶解、ろ過の工程を2回繰り返し、ろ液を濃縮した。最後にメタノールで再結晶を行い、得られた結晶を乾燥した。収率は2回の反応全体で14%であった。NMRにより式(4)で表される2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸のナトリウム塩であることを確認した。

Figure 2009104470
2. Synthesis of compounds that are difficult to obtain among the reagents used in Examples and Comparative Examples (Synthesis Example 1)
A four-necked flask equipped with a stirrer was charged with 150 ml of acrylonitrile and cooled to −30 ° C. or lower in a dry ice methanol bath. While stirring the inside of the flask, 24.5 g of 97% chlorosulfuric acid was added dropwise. Next, 32 ml of cyclohexene was added dropwise. After completion of the dropwise addition, the temperature was gradually raised, and when the temperature reached 0 ° C., 300 ml of toluene was added, and the temperature was further raised to room temperature and stirring was continued until crystals were precipitated. After crystal precipitation, the four-necked flask was cooled in an ice bath, and the precipitated crystals were filtered. The crystals separated by filtration were washed with toluene to obtain a compound having a structure in which hydrochloric acid was added to the target compound (formula (4)).
Next, 17 g of the above crystals were charged into an eggplant-shaped flask, dissolved in 200 ml of distilled water, and 13.5 g of sodium carbonate was added while being careful of foaming. A stirring bar was placed in the flask, a condenser tube was attached, and the mixture was stirred at 95 ° C. for 1 hour. The content was concentrated under reduced pressure, methanol was added to dissolve, the insoluble matter was filtered, and then the steps of concentration, dissolution in methanol and filtration were repeated twice, and the filtrate was concentrated. Finally, recrystallization was performed with methanol, and the obtained crystals were dried. The yield was 14% across the two reactions. It was confirmed by NMR that it was a sodium salt of 2-acrylamidocyclohexanesulfonic acid represented by formula (4).
Figure 2009104470

(合成例2)
撹拌装置と冷却装置を装備した4つ口フラスコにアクリロニトリル130mlを仕込み、ドライアイスメタノール浴で−30℃以下に冷却した。フラスコ内を撹拌しながらクロロ硫酸24.5gを滴下した。次に3−シクロヘキセン−1−カルボン酸メチル30mlを滴下した。滴下が終了した後、徐々に温度を上げ、室温まで昇温した後に3時間撹拌を続けた。次に50℃まで昇温し2時間撹拌し氷浴で冷却した。結晶が析出するまで撹拌を続けた。結晶析出後、4つ口フラスコを氷浴で冷却し、トルエンを500ml加えたところ淡黄色の結晶が析出した。この結晶をろ過してトルエンで洗浄し、減圧乾燥して目的化合物(式(5))に塩酸が付加した構造の化合物を得た。
次に上記の結晶31gをナス型フラスコに仕込み、蒸留水150mlを入れて溶解し、炭酸ナトリウム20gを発泡に注意しながら加えた。このフラスコ内に撹拌子を入れ冷却管を取り付けて、95℃で1時間撹拌した。この内容物を減圧濃縮し、メタノールを加えて不溶物をろ過した後、更に濃縮とメタノールへの溶解、ろ過の工程を2回繰り返し、ろ液を濃縮した。最後にエタノールで再結晶を行い、得られた結晶を乾燥した。2回の反応全体での収率は29%であった。NMRスペクトルにより式(5)で表される2−アクリルアミド−4−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸の二ナトリウム塩および2−アクリルアミド−4−メチルカルボキシシクロヘキサンスルホン酸のナトリウム塩の7:3混合物であることを確認した。

Figure 2009104470
(式(5)において、XはNaまたはメチル基を表す)(Synthesis Example 2)
A four-necked flask equipped with a stirrer and a cooling device was charged with 130 ml of acrylonitrile and cooled to −30 ° C. or lower in a dry ice methanol bath. While stirring the flask, 24.5 g of chlorosulfuric acid was added dropwise. Next, 30 ml of methyl 3-cyclohexene-1-carboxylate was added dropwise. After the dropping was completed, the temperature was gradually raised, and the temperature was raised to room temperature, followed by stirring for 3 hours. Next, the temperature was raised to 50 ° C., stirred for 2 hours, and cooled in an ice bath. Stirring was continued until crystals precipitated. After the crystals were precipitated, the four-necked flask was cooled in an ice bath, and 500 ml of toluene was added to precipitate pale yellow crystals. The crystals were filtered, washed with toluene, and dried under reduced pressure to obtain a compound having a structure in which hydrochloric acid was added to the target compound (formula (5)).
Next, 31 g of the above crystals were charged into an eggplant-shaped flask, dissolved in 150 ml of distilled water, and 20 g of sodium carbonate was added while being careful of foaming. A stirring bar was placed in the flask, a condenser tube was attached, and the mixture was stirred at 95 ° C. for 1 hour. The content was concentrated under reduced pressure, methanol was added to filter insoluble matters, and the steps of concentration, dissolution in methanol and filtration were repeated twice, and the filtrate was concentrated. Finally, recrystallization was performed with ethanol, and the obtained crystals were dried. The yield for all two reactions was 29%. It is confirmed by NMR spectrum that the mixture is a 7: 3 mixture of disodium salt of 2-acrylamido-4-carboxycyclohexanesulfonic acid represented by formula (5) and sodium salt of 2-acrylamido-4-methylcarboxycyclohexanesulfonic acid. did.
Figure 2009104470
(In formula (5), X represents Na or a methyl group)

(合成例3)
撹拌装置を装備した4つ口フラスコにアクリロニトリル130mlを仕込み、窒素雰囲気下、ドライアイスメタノール浴で−30℃以下に冷却した。フラスコ内を撹拌しながら97%クロロ硫酸24.5gを滴下した。次に4−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物32gを撹拌しながら少しずつ加えた後、室温まで徐々に昇温した。室温で18時間撹拌後、析出してきた結晶をろ過した。ろ別した結晶をトルエンで洗浄し目的化合物(式(6))に塩酸が付加した構造の化合物を得た。
次に上記の結晶33gをナス型フラスコに仕込み、蒸留水150mlを入れて溶解し、炭酸ナトリウム21gを発泡に注意しながら加えた。このフラスコ内に撹拌子を入れ冷却管を取り付けて、95℃で1時間撹拌した。この内容物を減圧濃縮し、メタノールを加えて不溶物をろ過回収した、次に得られた不溶物に蒸留水60mlを加え、加熱溶解した後メタノール濃縮とメタノールへの溶解、ろ過の工程を2回繰り返し、ろ液を濃縮した。最後にメタノールで再結晶を行い、得られた結晶を乾燥した。2回の反応全体での収率は37%であった。NMRにより式(6)で表される2−アクリルアミド−4,5−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸の3ナトリウム塩であることを確認した。

Figure 2009104470
(Synthesis Example 3)
A four-necked flask equipped with a stirrer was charged with 130 ml of acrylonitrile and cooled to −30 ° C. or lower in a dry ice methanol bath under a nitrogen atmosphere. While stirring the inside of the flask, 24.5 g of 97% chlorosulfuric acid was added dropwise. Next, 32 g of 4-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride was added little by little with stirring, and the temperature was gradually raised to room temperature. After stirring at room temperature for 18 hours, the precipitated crystals were filtered. The crystal separated by filtration was washed with toluene to obtain a compound having a structure in which hydrochloric acid was added to the target compound (formula (6)).
Next, 33 g of the above crystals were charged into an eggplant-shaped flask, dissolved in 150 ml of distilled water, and 21 g of sodium carbonate was added while being careful of foaming. A stirring bar was placed in the flask, a condenser tube was attached, and the mixture was stirred at 95 ° C. for 1 hour. The contents were concentrated under reduced pressure, methanol was added and the insoluble matter was collected by filtration. Next, 60 ml of distilled water was added to the obtained insoluble matter and dissolved by heating, followed by methanol concentration, dissolution in methanol, and filtration. The filtrate was concentrated repeatedly. Finally, recrystallization was performed with methanol, and the obtained crystals were dried. The yield for the entire two reactions was 37%. It was confirmed by NMR that it was a trisodium salt of 2-acrylamide-4,5-carboxycyclohexanesulfonic acid represented by formula (6).
Figure 2009104470

(合成例4)
攪拌装置を装備した4つ口フラスコにアクリロニトリル360mlを仕込み、ドライアイスメタノール浴で−30℃以下に冷却した。フラスコ内を攪拌しながら30%発煙硫酸57.0gと98%濃硫酸29.3gの混合液を滴下した。次に1−メチルシクロヘキセン76.9gとアクリロニトリル64gの混合液を滴下した。滴下が終了した後、徐々に温度を上げ、40℃で3時間撹拌を続けたところ結晶が析出した。4つ口フラスコを氷浴で冷却し、結晶をろ過した。ろ別した結晶をアセトニトリルで洗浄し目的化合物(式(7))を得た。収率は41%であった。NMRにより式(7)で表される2−アクリルアミド−2−メチルシクロヘキサンスルホン酸であることを確認した。

Figure 2009104470
(Synthesis Example 4)
A four-necked flask equipped with a stirrer was charged with 360 ml of acrylonitrile and cooled to −30 ° C. or lower in a dry ice methanol bath. While stirring the flask, a mixed solution of 57.0 g of 30% fuming sulfuric acid and 29.3 g of 98% concentrated sulfuric acid was added dropwise. Next, a mixed solution of 76.9 g of 1-methylcyclohexene and 64 g of acrylonitrile was dropped. After completion of the dropwise addition, the temperature was gradually raised and stirring was continued at 40 ° C. for 3 hours to precipitate crystals. The four-necked flask was cooled in an ice bath and the crystals were filtered. The filtered crystal was washed with acetonitrile to obtain the target compound (formula (7)). The yield was 41%. It was confirmed by NMR that it was 2-acrylamido-2-methylcyclohexanesulfonic acid represented by formula (7).
Figure 2009104470

(合成例5)
アセトニトリル200g、アクリル酸クロライド90gの混合液を4つ口フラスコに仕込み、氷浴で5℃以下に保ちながら撹拌した。ここへアセトニトリル400g、ピペラジン39.2gの混合物をフラスコ内の混合液を4℃以下に保ちながら少しずつ滴下した。滴下終了後氷浴をはずし室温のまま5時間撹拌した後。60℃に昇温して2時間撹拌し、反応液中に生じた沈殿をろ過して除去し、ろ液を濃縮すると結晶が析出した。これをろ過し、氷冷したアセトニトリルで洗浄した後に乾燥してN,N’−ビスアクリロイルピペラジンを得た。収率は21%であった。
(Synthesis Example 5)
A mixed solution of 200 g of acetonitrile and 90 g of acrylic acid chloride was charged into a four-necked flask and stirred while being kept at 5 ° C. or lower in an ice bath. A mixture of 400 g of acetonitrile and 39.2 g of piperazine was added dropwise thereto while keeping the mixture in the flask at 4 ° C. or lower. After completion of dropping, the ice bath was removed and the mixture was stirred at room temperature for 5 hours. The temperature was raised to 60 ° C. and the mixture was stirred for 2 hours. The precipitate formed in the reaction solution was removed by filtration, and the filtrate was concentrated to precipitate crystals. This was filtered, washed with ice-cooled acetonitrile and dried to obtain N, N′-bisacryloylpiperazine. The yield was 21%.

(比較合成例1)
撹拌装置を装備した4つ口フラスコにアクリロニトリル660mlを仕込み、ドライアイスメタノール浴で−30℃以下に冷却した。フラスコ内を撹拌しながら98%硫酸108gを滴下した。次に2,3−ジメチル−1−ブテン84mlを滴下した。滴下が終了した後、徐々に温度を上げ、40℃まで上げて結晶が析出するまで撹拌を続けた。結晶析出後、4つ口フラスコを氷浴で冷却し、結晶をろ過した。ろ別した結晶をアクリロニトリルで洗浄した後に50℃で減圧乾燥した。得られた結晶を乾燥したところ収率は12%であった。NMRスペクトルにより式(8)で表される2−アクリルアミド−2,3−ジメチルブタンスルホン酸であることを確認した。

Figure 2009104470
(Comparative Synthesis Example 1)
A four-necked flask equipped with a stirrer was charged with 660 ml of acrylonitrile and cooled to −30 ° C. or lower in a dry ice methanol bath. While stirring the flask, 108 g of 98% sulfuric acid was added dropwise. Next, 84 ml of 2,3-dimethyl-1-butene was added dropwise. After completion of the dropwise addition, the temperature was gradually raised, and the temperature was raised to 40 ° C. and stirring was continued until crystals were precipitated. After crystal precipitation, the four-necked flask was cooled in an ice bath and the crystals were filtered. The crystals separated by filtration were washed with acrylonitrile and dried at 50 ° C. under reduced pressure. When the obtained crystal was dried, the yield was 12%. It was confirmed by NMR spectrum that it was 2-acrylamide-2,3-dimethylbutanesulfonic acid represented by formula (8).
Figure 2009104470

(比較合成例2)
芳香族化合物の合成
撹拌装置を装備した4つ口フラスコに20%水酸化ナトリウム水溶液を44ml、ジメチルホルムアミド50mlと4−アミノベンゼンスルホン酸ナトリウム17.3gを仕込んで撹拌溶解し、食塩を添加した氷浴で4℃以下に冷却した。フラスコ内を撹拌しながらアクリル酸クロライド10gを滴下した。滴下が終了した後、そのまま2時間撹拌を続けた。反応液を濃縮した後に、メタノールを加えて塩化ナトリウムを析出させてろ過により除去した。これを更に濃縮してメタノールへ溶解し塩化ナトリウムを除去する工程を2回繰り返した後、得られたろ液を濃縮して析出した結晶を乾燥した。収率は64%であった。NMRスペクトルにより式(9)で表される4−アクリルアミドベンゼンスルホン酸ナトリウムであることを確認した。

Figure 2009104470
(Comparative Synthesis Example 2)
Synthesis of aromatic compound In a four-necked flask equipped with a stirrer, 44 ml of 20% aqueous sodium hydroxide solution, 50 ml of dimethylformamide and 17.3 g of sodium 4-aminobenzenesulfonate were dissolved with stirring, and ice added with sodium chloride was added. Cooled below 4 ° C. in a bath. While stirring the flask, 10 g of acrylic acid chloride was added dropwise. After completion of the dropping, stirring was continued for 2 hours. After the reaction solution was concentrated, methanol was added to precipitate sodium chloride, which was removed by filtration. This was further concentrated and dissolved in methanol to remove sodium chloride, and the obtained filtrate was concentrated to dry the crystals. The yield was 64%. It was confirmed by NMR spectrum that it was sodium 4-acrylamidobenzenesulfonate represented by formula (9).
Figure 2009104470

3.実施例および比較例に係る電解質膜の調製 3. Preparation of electrolyte membranes according to examples and comparative examples

(実施例1)
多孔性基材としてポリエチレン膜(厚さ30μm、空孔率40%)を用いた。合成例1で合成した2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸ナトリウム98.5質量部(比較例1とスルホン酸を有してイオン伝導性に係る単量体/架橋成分の比率を合わせて比較するため、スルホン酸を有する単量体はスルホン酸基をイオン交換して水素型にした場合の質量で90質量部になるように調整した)、架橋剤としてN,N’−エチレンビスアクリルアミド10質量部、ノニオン性界面活性剤0.5質量部、紫外線ラジカル重合開始剤2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン0.1質量部、水100質量部からなる単量体水溶液に、当該多孔性基材を浸漬させ、単量体水溶液が充分含浸され、膜が透明になったことを確認した後、溶液から膜を取り出し、すばやくPETフィルムで挟んだ。次いで、高圧水銀ランプにて紫外線を2分間照射して空孔内部の単量体を重合させてからPETフィルムを剥がしとってNa型の電解質膜を得た。次にこの膜を1N硫酸に1時間浸漬する工程を2回、次いで純水で洗浄した後、純水へ1時間浸漬する工程を2回行ってNa型からH型にイオン交換した。このようにして得られた膜の評価結果を表1に示す。
Example 1
A polyethylene film (thickness 30 μm, porosity 40%) was used as the porous substrate. 98.5 parts by mass of sodium 2-acrylamidocyclohexanesulfonate synthesized in Synthesis Example 1 (Comparative Example 1 was compared with the ratio of monomer / crosslinking component having sulfonic acid and ionic conductivity in comparison with Comparative Example 1). The acid-containing monomer was adjusted to 90 parts by mass when the sulfonic acid group was ion-exchanged to form a hydrogen type), and 10 parts by mass of N, N′-ethylenebisacrylamide as a crosslinking agent, nonion An aqueous monomer solution comprising 0.5 parts by weight of a surfactant, 0.1 parts by weight of an ultraviolet radical polymerization initiator 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, and 100 parts by weight of water. After immersing the porous substrate and confirming that the monomer aqueous solution was sufficiently impregnated and the membrane became transparent, the membrane was taken out from the solution and quickly sandwiched between PET films. Next, ultraviolet rays were irradiated for 2 minutes with a high-pressure mercury lamp to polymerize the monomers inside the pores, and then the PET film was peeled off to obtain an Na-type electrolyte membrane. Next, the step of immersing this membrane in 1N sulfuric acid for 1 hour was performed twice, then washed with pure water, and then the step of immersing in pure water for 1 hour was performed twice to perform ion exchange from Na type to H type. Table 1 shows the evaluation results of the film thus obtained.

(実施例2)
実施例1において2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸ナトリウムを76.6質量部(イオン交換して水素型にした場合70質量部になる)、N,N’−エチレンビスアクリルアミド30質量部にしたこと以外は、実施例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Example 2)
In Example 1, except that sodium 2-acrylamidocyclohexanesulfonate is 76.6 parts by mass (when it is ion-exchanged to be 70 parts by mass), N, N'-ethylenebisacrylamide is 30 parts by mass. In the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane was obtained. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(実施例3)
合成例2で合成した式(5)で表される化合物40.5質量部(イオン交換して水素型にした場合35質量部になる)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸35質量部、架橋剤としてN,N’−エチレンビスアクリルアミド30質量部、ノニオン性界面活性剤0.5質量部、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン0.1質量部、水200質量部からなる単量体水溶液に、実施例1で用いたものと同じ多孔性基材を浸漬させ、単量体水溶液が充分含浸され、膜が透明になったことを確認してから溶液から膜を取り出し、すばやくPETフィルムで挟んだ。次いで、高圧水銀ランプにて紫外線を3分間照射して空孔内部の単量体を重合させてからPETフィルムを剥がしとった。単量体水溶液への浸漬と紫外線照射の工程を更に2回繰り返してNa型の電解質膜を得た。本実施例においては式(5)で表される化合物を配合するとN,N’−エチレンビスアクリルアミドの水に対する溶解性が低下したため実施例1よりも水を多く使用し単量体濃度が下がっており、これを補うために充填から重合までの操作を3回繰り返した。次にこの膜を1N硫酸に1時間浸漬する工程を2回、次いで純水で洗浄した後、純水へ1時間浸漬する工程を2回行ってNa型からH型にイオン交換した。このようにして得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Example 3)
40.5 parts by mass of the compound represented by formula (5) synthesized in Synthesis Example 2 (35 parts by mass when ion-exchanged to form hydrogen), 35 parts by mass of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid , 30 parts by mass of N, N′-ethylenebisacrylamide as a crosslinking agent, 0.5 parts by mass of a nonionic surfactant, 0.1 parts by mass of 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, water The same porous substrate used in Example 1 was immersed in an aqueous monomer solution consisting of 200 parts by mass, and the solution was confirmed after the aqueous monomer solution was sufficiently impregnated and the membrane became transparent. The film was taken out of the film and quickly sandwiched between PET films. Subsequently, ultraviolet rays were irradiated for 3 minutes with a high-pressure mercury lamp to polymerize the monomers inside the pores, and then the PET film was peeled off. The process of immersion in the monomer aqueous solution and ultraviolet irradiation was repeated twice to obtain a Na type electrolyte membrane. In this example, when the compound represented by the formula (5) was added, the solubility of N, N′-ethylenebisacrylamide in water was lowered, so that more water was used than in Example 1 and the monomer concentration was lowered. In order to compensate for this, the procedure from filling to polymerization was repeated three times. Next, the step of immersing this membrane in 1N sulfuric acid for 1 hour was performed twice, then washed with pure water, and then the step of immersing in pure water for 1 hour was performed twice to perform ion exchange from Na type to H type. Table 1 shows the evaluation results of the film thus obtained.

(実施例4)
合成例3で合成した式(6)で表される化合物42.2質量部(イオン交換して水素型にした場合35質量部になる)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸35質量部、N,N’−エチレンビスアクリルアミド30質量部、ノニオン性界面活性剤0.5質量部、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン0.1質量部、水200質量部からなる単量体水溶液に、実施例1で用いたものと同じ多孔性基材を浸漬させ、単量体水溶液が充分含浸され、膜が透明になったことを確認してから溶液から膜を取り出し、すばやくPETフィルムで挟んだ。次いで、高圧水銀ランプにて紫外線を3分間照射して空孔内部の単量体を重合させてからPETフィルムを剥がしとった。単量体水溶液への浸漬と紫外線照射の工程を更に2回繰り返してNa型の電解質膜を得た。本実施例においては式(6)で表される化合物を配合するとN,N’−エチレンビスアクリルアミドの水に対する溶解性が低下したため実施例1よりも水を多く使用し単量体濃度が下がっており、これを補うために充填から重合までの操作を3回繰り返した。次にこの膜を1N硫酸に1時間浸漬する工程を2回、次いで純水で洗浄した後、純水へ1時間浸漬する工程を2回行ってNa型からH型にイオン交換した。このようにして得られた膜の評価結果を表1に示す。
Example 4
42.2 parts by mass of the compound represented by formula (6) synthesized in Synthesis Example 3 (35 parts by mass when ion-exchanged to form hydrogen), 35 parts by mass of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid N, N′-ethylenebisacrylamide 30 parts by mass, nonionic surfactant 0.5 parts by mass, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one 0.1 parts by mass, water 200 parts by mass The same porous substrate as used in Example 1 was immersed in the monomer aqueous solution, and the membrane was removed from the solution after confirming that the monomer aqueous solution was sufficiently impregnated and the membrane became transparent. It was taken out and quickly sandwiched between PET films. Subsequently, ultraviolet rays were irradiated for 3 minutes with a high-pressure mercury lamp to polymerize the monomers inside the pores, and then the PET film was peeled off. The process of immersion in the monomer aqueous solution and ultraviolet irradiation was repeated twice to obtain a Na type electrolyte membrane. In this example, when the compound represented by formula (6) was blended, the solubility of N, N′-ethylenebisacrylamide in water was lowered, so that more water was used than in Example 1 and the monomer concentration was lowered. In order to compensate for this, the procedure from filling to polymerization was repeated three times. Next, the step of immersing this membrane in 1N sulfuric acid for 1 hour was performed twice, then washed with pure water, and then the step of immersing in pure water for 1 hour was performed twice to perform ion exchange from Na type to H type. Table 1 shows the evaluation results of the film thus obtained.

(実施例5)
実施例1において架橋剤を合成例4で合成したN,N’−ビスアクリロイルピペラジン10質量部にしたこと以外は、実施例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Example 5)
An electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the crosslinking agent in Example 1 was changed to 10 parts by mass of N, N′-bisacryloylpiperazine synthesized in Synthesis Example 4. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(実施例6)
実施例2において架橋剤を合成例5で合成したN,N’−ビスアクリルアミドピペラジン30質量部にしたこと以外は、実施例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Example 6)
An electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the crosslinking agent in Example 2 was changed to 30 parts by mass of N, N′-bisacrylamide piperazine synthesized in Synthesis Example 5. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(実施例7)
多孔性基材としてポリエチレン膜(厚さ30μm、空孔率40%)を用いた。合成例1で合成した2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸ナトリウム76.6質量部(イオン交換して水素型にした場合70質量部になるようにした)、架橋剤としてN,N’−エチレンビスアクリルアミド25質量部、共重合単量体としてアクリル酸5質量部、ノニオン性界面活性剤0.5質量部、紫外線ラジカル重合開始剤2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン0.1質量部、水100質量部からなる単量体水溶液に、当該多孔性基材を浸漬させ、単量体水溶液が充分含浸され、膜が透明になったことを確認してから溶液から膜を取り出し、すばやくPETフィルムで挟んだ。次いで、高圧水銀ランプにて紫外線を2分間照射して空孔内部の単量体を重合させてからPETフィルムを剥がしとってNa型の電解質膜を得た。次にこの膜を1N硫酸に1時間浸漬する工程を2回、次いで純水で洗浄した後、純水へ1時間浸漬する工程を2回行ってNa型からH型にイオン交換した。このようにして得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Example 7)
A polyethylene film (thickness 30 μm, porosity 40%) was used as the porous substrate. 76.6 parts by mass of sodium 2-acrylamidocyclohexanesulfonate synthesized in Synthesis Example 1 (70 parts by mass when ion-exchanged to form hydrogen), and N, N′-ethylenebisacrylamide 25 as a crosslinking agent Part by weight, 5 parts by weight of acrylic acid as a comonomer, 0.5 part by weight of a nonionic surfactant, an ultraviolet radical polymerization initiator 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one 0.1 The porous substrate is immersed in a monomer aqueous solution consisting of 100 parts by mass of water and 100 parts by mass of water. After confirming that the monomer aqueous solution is sufficiently impregnated and the membrane is transparent, the membrane is removed from the solution. , Quickly sandwiched with PET film. Next, ultraviolet rays were irradiated for 2 minutes with a high-pressure mercury lamp to polymerize the monomers inside the pores, and then the PET film was peeled off to obtain an Na-type electrolyte membrane. Next, the step of immersing this membrane in 1N sulfuric acid for 1 hour was performed twice, then washed with pure water, and then the step of immersing in pure water for 1 hour was performed twice to perform ion exchange from Na type to H type. Table 1 shows the evaluation results of the film thus obtained.

(実施例8)
実施例7において架橋剤であるN,N’−エチレンビスアクリルアミドを20質量部、アクリル酸10質量部にしたこと以外は、実施例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Example 8)
An electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that 20 parts by mass of N, N′-ethylenebisacrylamide as a crosslinking agent and 10 parts by mass of acrylic acid were used in Example 7. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(実施例9)
実施例1において2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸ナトリウムの代わりに合成例4で得た2−アクリルアミド−2−メチルシクロヘキサンスルホン酸90質量部、N,N’−エチレンビスアクリルアミド10質量部にし、イオン置換操作を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
Example 9
In Example 1, instead of sodium 2-acrylamidocyclohexanesulfonate, 90 parts by mass of 2-acrylamido-2-methylcyclohexanesulfonic acid obtained in Synthesis Example 4 and 10 parts by mass of N, N′-ethylenebisacrylamide were used to perform ion substitution operation. An electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the step was not performed. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(比較例1)
2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸90質量部、架橋剤としてN,N’−エチレンビスアクリルアミド10質量部、ノニオン性界面活性剤0.5質量部、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン0.1質量部、水100質量部からなる単量体水溶液に、実施例1で用いた物と同じ多孔性基材を浸漬させ、単量体水溶液が充分含浸され、膜が透明になったことを確認してから溶液から膜を取り出し、すばやくPETフィルムで挟んだ。次いで、高圧水銀ランプにて紫外線を2分間照射して空孔内部の単量体を重合させてからPETフィルムを剥がしとって電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
90 parts by mass of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 10 parts by mass of N, N′-ethylenebisacrylamide as a crosslinking agent, 0.5 parts by mass of nonionic surfactant, 2-hydroxy-2-methyl-1- The same porous substrate as that used in Example 1 was immersed in a monomer aqueous solution consisting of 0.1 parts by mass of phenylpropan-1-one and 100 parts by mass of water, and the monomer aqueous solution was sufficiently impregnated. After confirming that the film became transparent, the film was taken out from the solution and quickly sandwiched between PET films. Subsequently, ultraviolet rays were irradiated for 2 minutes with a high-pressure mercury lamp to polymerize the monomers inside the pores, and then the PET film was peeled off to obtain an electrolyte membrane. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(比較例2)
比較例1において2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸を70質量部、架橋剤としてN,N’−エチレンビスアクリルアミドを30質量部としたこと以外は、比較例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that 70 parts by mass of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and 30 parts by mass of N, N′-ethylenebisacrylamide as a crosslinking agent were used in Comparative Example 1. Obtained. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(比較例3)
比較例1において2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の代わりに比較合成例1で合成した2−アクリルアミド−2,3−ジメチルブタンスルホン酸を用いる以外は、比較例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that 2-acrylamido-2,3-dimethylbutanesulfonic acid synthesized in Comparative Synthesis Example 1 was used instead of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid in Comparative Example 1. Got. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film.

(比較例4)
比較例1においてN,N’−エチレンビスアクリルアミドの代わりにN,N’−メチレンビスアクリルアミドを用いる以外は、比較例1と同様にして電解質膜を得た。得られた膜の評価結果を表1に示す。なおN,N’−メチレンビスアクリルアミドは水への溶解性が低く、30質量部添加することはできなかった。
(Comparative Example 4)
An electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that N, N′-methylenebisacrylamide was used instead of N, N′-ethylenebisacrylamide in Comparative Example 1. Table 1 shows the evaluation results of the obtained film. N, N′-methylenebisacrylamide has low solubility in water, and 30 parts by mass could not be added.

(比較例5)
比較例1の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の代わりに比較合成例2で合成した4−アクリルアミドベンゼンスルホン酸ナトリウムを98.7質量部(イオン交換して水素型にした場合90質量部になる)としたこと以外は、比較例1と同様にしてNa型の電解質膜を得た。次にこの膜を1N硫酸に1時間浸漬する工程を2回、次いで純水で洗浄した後、純水へ1時間浸漬する工程を2回行ってNa型からH型にイオン交換した。このようにして得られた膜の評価結果を表1に示す。
(Comparative Example 5)
98.7 parts by mass of sodium 4-acrylamidobenzenesulfonate synthesized in Comparative Synthesis Example 2 instead of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid in Comparative Example 1 (90 parts by mass when ion-exchanged to form a hydrogen form) Na-type electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that. Next, the step of immersing this membrane in 1N sulfuric acid for 1 hour was performed twice, then washed with pure water, and then the step of immersing in pure water for 1 hour was performed twice to perform ion exchange from Na type to H type. Table 1 shows the evaluation results of the film thus obtained.

(比較例6)
比較例5の4−アクリルアミドベンゼンスルホン酸ナトリウムを76.7質量部(イオン交換して水素型にした場合70質量部になる)としたこと以外は、比較例2と同様にしてNa型の電解質膜を得た。次にこの膜を1N硫酸に1時間浸漬する工程を2回、次いで純水で洗浄した後、純水へ1時間浸漬する工程を2回行ってNa型からH型にイオン交換した。このようにして得られた膜の評価結果を表1に示す。

Figure 2009104470
(Comparative Example 6)
Na-type electrolyte in the same manner as in Comparative Example 2 except that 76.7 parts by mass of sodium 4-acrylamidobenzenesulfonate of Comparative Example 5 was changed to 70 parts by mass when ion-exchanged to obtain a hydrogen type. A membrane was obtained. Next, the step of immersing this membrane in 1N sulfuric acid for 1 hour was performed twice, then washed with pure water, and then the step of immersing in pure water for 1 hour was performed twice to perform ion exchange from Na type to H type. Table 1 shows the evaluation results of the film thus obtained.
Figure 2009104470

表1においては、合成したモノマーがナトリウム塩である化合物も酸型とした質量部数に換算して表記している。さらに略称の右側に記載した化合物名はNa型をH型へイオン置換した場合の名称を用いた。
表1中の略称を下に示す。
ACS:2−アクリルアミドシクロヘキサンスルホン酸
ACCS:2−アクリルアミド−4−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸および2−アクリルアミド−4−メトキシカルボニルシクロヘキサンスルホン酸の7:3混合物
ACDCS:2−アクリルアミド−4,5−カルボキシシクロヘキサンスルホン酸
MACS:2−アクリルアミド−2−メチルシクロヘキサンスルホン酸
ATBS:2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸
ADMBS:2−アクリルアミド−2,3−ジメチルブタンスルホン酸
ABS:4−アクリルアミドベンゼンスルホン酸
AA:アクリル酸
EBAM:N,N’−エチレンビスアクリルアミド
BAP:N,N’−ビスアクリロイルピペラジン
MBAM:N,N’−メチレンビスアクリルアミド
表1から明らかなように、実施例と比較例を比較すると、本発明で用いる脂肪族環を有するスルホン酸単量体を用いた重合体を含む電解質膜は、脂肪族環構造を有していない脂肪族スルホン酸単量体や芳香族環を有するスルホン酸単量体を用いた場合に比べて、耐酸化性に優れている。
In Table 1, a compound in which the synthesized monomer is a sodium salt is also expressed in terms of parts by mass converted to the acid form. Furthermore, the compound name described on the right side of the abbreviation used the name when the Na type was ion-substituted to the H type.
Abbreviations in Table 1 are shown below.
ACS: 2-acrylamide cyclohexanesulfonic acid
ACCS: 7: 3 mixture of 2-acrylamido-4-carboxycyclohexanesulfonic acid and 2-acrylamido-4-methoxycarbonylcyclohexanesulfonic acid
ACDCS: 2-acrylamide-4,5-carboxycyclohexanesulfonic acid
MACS: 2-acrylamido-2-methylcyclohexanesulfonic acid
ATBS: 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid
ADMBS: 2-acrylamide-2,3-dimethylbutanesulfonic acid
ABS: 4-acrylamidobenzenesulfonic acid
AA: Acrylic acid
EBAM: N, N'-ethylenebisacrylamide
BAP: N, N'-bisacryloylpiperazine
MBAM: N, N′-methylenebisacrylamide As is clear from Table 1, when Examples and Comparative Examples are compared, an electrolyte membrane containing a polymer using a sulfonic acid monomer having an aliphatic ring used in the present invention Is superior in oxidation resistance as compared to the case of using an aliphatic sulfonic acid monomer having no aliphatic ring structure or a sulfonic acid monomer having an aromatic ring.

また、比較例4で用いたN,N’−メチレンビスアクリルアミドに比べてN,N’−エチレンビスアクリルアミドのほうが耐酸化性に優れている。さらに実施例5,6では、本発明で使用してもよい架橋剤の中でもビスアクリロイルピペラジンと式(1)または式(2)で示される脂肪族環を有するスルホン酸単量体とを併用した場合、著しく耐酸化性が向上することを示している。   In addition, N, N′-ethylenebisacrylamide is more excellent in oxidation resistance than N, N′-methylenebisacrylamide used in Comparative Example 4. Further, in Examples 5 and 6, bisacryloylpiperazine and a sulfonic acid monomer having an aliphatic ring represented by the formula (1) or (2) are used in combination among the crosslinking agents that may be used in the present invention. This shows that the oxidation resistance is remarkably improved.

また、架橋剤の種類が同一である場合は架橋剤が多いほど耐酸化性に優れる傾向があるが、実施例7,8は実施例1と架橋剤の種類が同じで量が少ないにもかかわらず、フェントン試験初期の質量減少が実施例1に比べて少ないことから、アクリル酸の共重合によって本発明の電解質膜の耐酸化性が著しく向上することが示される。   Further, when the type of the crosslinking agent is the same, the more the crosslinking agent, the better the oxidation resistance. However, although Examples 7 and 8 have the same type of crosslinking agent as Example 1 and the amount is small. Furthermore, since the mass loss at the initial stage of the Fenton test is smaller than that in Example 1, it is shown that the oxidation resistance of the electrolyte membrane of the present invention is remarkably improved by copolymerization of acrylic acid.

また、実施例で得られた電解質膜の電導度は、市販のフッ素系電解質膜と比べていずれも優れており、かつメタノール透過流束が小さくDMFC用途に適した性能を示した。   In addition, the conductivity of the electrolyte membranes obtained in the Examples was superior to that of commercially available fluorine-based electrolyte membranes, and the methanol permeation flux was small, indicating performance suitable for DMFC applications.

本発明の電解質膜は、燃料電池のみならず、各種センサー等の電気化学デバイス素子や、電気分解用の分離膜の用途にも適用できる。   The electrolyte membrane of the present invention can be applied not only to fuel cells, but also to electrochemical device elements such as various sensors and separation membranes for electrolysis.

Claims (12)

式(1)で示される単量体と分子内にエチレン性二重結合を2個以上有する化合物とを含む組成物を重合する工程を含むことを特徴とする
電解質膜の製造方法。
Figure 2009104470
(式(1)において、R1は水素原子またはメチル基を表し、Aは脂環炭化水素基であり、かつ前記脂環炭化水素基の脂肪族環上に、少なくとも1個以上の酸性基および/またはその塩が置換基として結合している基を表す。)
A method for producing an electrolyte membrane comprising polymerizing a composition comprising a monomer represented by formula (1) and a compound having two or more ethylenic double bonds in the molecule.
Figure 2009104470
(In Formula (1), R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, A is an alicyclic hydrocarbon group, and at least one acidic group on the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group and // represents a group to which a salt thereof is bonded as a substituent.)
前記組成物が、組成物の全量に対し、2〜50質量%のアクリル酸および/またはメタクリル酸を含む請求項1に記載の電解質膜の製造方法。   The manufacturing method of the electrolyte membrane of Claim 1 in which the said composition contains 2-50 mass% acrylic acid and / or methacrylic acid with respect to the whole quantity of a composition. 前記式(1)で示される単量体のうちの少なくとも1種が、式(2)で示される単量体である請求項1または2に記載の電解質膜の製造方法。
Figure 2009104470
(式(2)において、R1、R2、および、R3はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、Xは水素原子または金属原子を表し、YおよびZはそれぞれ独立に、カルボキシル基、スルホン酸基、および、これらの塩、並びに、エステル残基よりなる群から選択された基を表し、YとZとはいずれか一方またはその両方が存在しない場合もある。)
The method for producing an electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein at least one of the monomers represented by the formula (1) is a monomer represented by the formula (2).
Figure 2009104470
(In the formula (2), R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a methyl group, X represents a hydrogen atom or a metal atom, and Y and Z each independently represent a carboxyl group. , A sulfonic acid group, and a salt thereof, and a group selected from the group consisting of ester residues, and either Y or Z or both of them may not exist.)
前記分子内にエチレン性二重結合を2個以上有する単量体が、式(3)で示される化合物を含む請求項1〜3のいずれかに記載の電解質膜の製造方法。
Figure 2009104470
(式(3)において、R4およびR5はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、R6は炭素数2〜10のアルキレン基を表し、R7およびR8はそれぞれ独立に、水素原子またはR7とR8とが結合して2つの窒素原子を連結する炭素数2〜4のアルキレン基を表す。)
The manufacturing method of the electrolyte membrane in any one of Claims 1-3 in which the monomer which has two or more ethylenic double bonds in the said molecule | numerator contains the compound shown by Formula (3).
Figure 2009104470
(In Formula (3), R 4 and R 5 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, R 6 represents an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, and R 7 and R 8 each independently represent hydrogen. And represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms in which R 7 and R 8 are bonded to connect two nitrogen atoms.)
前記組成物の重合を多孔性膜の空孔内で行う請求項1〜4のいずれかに記載の電解質膜の製造方法。   The method for producing an electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the composition is polymerized in the pores of the porous membrane. 前記多孔性膜がポリエチレンを含有し、前記多孔性膜の空孔率が20〜80容積%であり、前記多孔性膜の厚さが5〜50μmである請求項5に記載の電解質膜の製造方法。   The electrolyte membrane according to claim 5, wherein the porous membrane contains polyethylene, the porosity of the porous membrane is 20 to 80% by volume, and the thickness of the porous membrane is 5 to 50 μm. Method. 式(1’)で示されるモノマー単位と架橋構造とを少なくとも有する樹脂を含むことを特徴とする 電解質膜。
Figure 2009104470
(式(1’)において、R1は水素原子またはメチル基を表し、Aは脂環炭化水素基であり、かつ前記脂環炭化水素基の脂肪族環上に、少なくとも1個以上の酸性基および/またはその塩が置換基として結合している基を表す。)
An electrolyte membrane comprising a resin having at least a monomer unit represented by the formula (1 ′) and a crosslinked structure.
Figure 2009104470
(In the formula (1 ′), R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, A is an alicyclic hydrocarbon group, and at least one acidic group on the aliphatic ring of the alicyclic hydrocarbon group. And / or a group to which a salt thereof is bonded as a substituent.)
前記樹脂が、前記樹脂の全モノマー単位に対し、2〜50質量%の式(4’)で示されるモノマー単位を含む請求項7に記載の電解質膜。
Figure 2009104470
(式(4’)において、R9は水素原子またはメチル基を表す。)
The electrolyte membrane according to claim 7, wherein the resin contains 2 to 50% by mass of a monomer unit represented by the formula (4 ′) with respect to all monomer units of the resin.
Figure 2009104470
(In the formula (4 ′), R 9 represents a hydrogen atom or a methyl group.)
前記式(1’)で示されるモノマー単位のうちの少なくとも1種が、式(2’)で示されるモノマー単位である請求項7または8に記載の電解質膜。
Figure 2009104470
(式(2’)において、R1、R2、および、R3はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、Xは水素原子または金属原子を表し、YおよびZはそれぞれ独立に、カルボキシル基、スルホン酸基、および、これらの塩、並びに、エステル残基よりなる群から選択された基を表し、YとZとはいずれか一方またはその両方が存在しない場合もある。)
The electrolyte membrane according to claim 7 or 8, wherein at least one of the monomer units represented by the formula (1 ') is a monomer unit represented by the formula (2').
Figure 2009104470
(In the formula (2 ′), R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a methyl group, X represents a hydrogen atom or a metal atom, and Y and Z each independently represent a carboxyl group. Represents a group selected from the group consisting of a group, a sulfonic acid group, a salt thereof, and an ester residue, and one or both of Y and Z may not be present.)
前記架橋構造が、式(3’)で示されるモノマー単位を含む請求項7〜9のいずれかに記載の電解質膜。
Figure 2009104470
(式(3’)において、R4およびR5はそれぞれ独立に、水素原子またはメチル基を表し、R6は炭素数2〜10のアルキレン基を表し、R7およびR8はそれぞれ独立に、水素原子またはR7とR8とが結合して2つの窒素原子を連結する炭素数2〜4のアルキレン基を表す。)
The electrolyte membrane according to any one of claims 7 to 9, wherein the crosslinked structure includes a monomer unit represented by the formula (3 ').
Figure 2009104470
(In Formula (3 ′), R 4 and R 5 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group, R 6 represents an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, and R 7 and R 8 each independently represent This represents a hydrogen atom or an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms in which R 7 and R 8 are bonded to connect two nitrogen atoms.
多孔性膜の空孔内に前記樹脂が充填されている請求項7〜10のいずれかに記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to any one of claims 7 to 10, wherein the resin is filled in pores of the porous membrane. 前記多孔性膜がポリエチレンを含有し、前記多孔性膜の空孔率が20〜80容積%であり、前記多孔性膜の厚さが5〜50μmである請求項11に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 11, wherein the porous membrane contains polyethylene, the porosity of the porous membrane is 20 to 80% by volume, and the thickness of the porous membrane is 5 to 50 μm.
JP2009554268A 2008-02-18 2009-02-03 Electrolyte membrane manufacturing method and electrolyte membrane Pending JPWO2009104470A1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008036240 2008-02-18
JP2008036240 2008-02-18
PCT/JP2009/051779 WO2009104470A1 (en) 2008-02-18 2009-02-03 Method for producing electrolyte membrane, and electrolyte membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2009104470A1 true JPWO2009104470A1 (en) 2011-06-23

Family

ID=40985356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009554268A Pending JPWO2009104470A1 (en) 2008-02-18 2009-02-03 Electrolyte membrane manufacturing method and electrolyte membrane

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JPWO2009104470A1 (en)
TW (1) TW200946571A (en)
WO (1) WO2009104470A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0921949D0 (en) 2009-12-16 2010-02-03 Fujifilm Mfg Europe Bv Curable compositions and membranes
CN103787926B (en) * 2012-10-30 2015-07-22 中国石油化工股份有限公司 Acrylamide monomer and acrylamide copolymer, method of preparation, application and oil displacement agent
WO2014136697A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-12 富士フイルム株式会社 Functional polymer membrane, manufacturing method therefor, ion exchange membrane and proton conducting membrane equipped with functional polymer membrane, and ion exchange device
JP2015047538A (en) * 2013-08-30 2015-03-16 富士フイルム株式会社 Method of producing ion-exchange membrane, and ion exchange membrane obtained by the method
TWI774748B (en) * 2017-04-04 2022-08-21 日商日本精化股份有限公司 (meth)acrylamide compound containing anionic hydrophilic group, and coating composition comprising the same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4284463B2 (en) * 2002-10-25 2009-06-24 東亞合成株式会社 Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane
JP4247571B2 (en) * 2003-04-30 2009-04-02 東亞合成株式会社 Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane
US7452487B2 (en) * 2004-02-24 2008-11-18 Uni-Chemical Co., Ltd. Phosphorus-acid-group-containing (meth) acrylamide, its polymer and use thereof, and their production methods
CN100499231C (en) * 2004-07-06 2009-06-10 东亚合成株式会社 Electrolyte membrane and fuel cell utilizing the electrolyte membrane
JP4561214B2 (en) * 2004-07-22 2010-10-13 東亞合成株式会社 Electrolyte membrane
JP4248551B2 (en) * 2006-02-09 2009-04-02 ユニケミカル株式会社 Phosphoric acid ester residue-containing (meth) acrylamide composition, polymer using the same, use thereof, and production method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009104470A1 (en) 2009-08-27
TW200946571A (en) 2009-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4656060B2 (en) Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane
JP4640503B2 (en) Method for producing functional membrane
JP5702093B2 (en) Polymer membrane composition for fuel cell, polymer membrane produced using the same, membrane-electrode assembly containing the same, and fuel cell
JP5004178B2 (en) High proton conductive polymer electrolyte membrane excellent in mechanical strength and method for producing the same
WO2006046620A1 (en) Electrolyte material, electrolyte membrane and membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP4953991B2 (en) ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
JP4284463B2 (en) Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane
JPWO2009104470A1 (en) Electrolyte membrane manufacturing method and electrolyte membrane
JP2007035599A (en) Polyelectrolyte for fuel cell, electrolyte membrane, and fuel cell
JP5089917B2 (en) Electrolyte membrane and polymer electrolyte fuel cell
JPWO2005076396A1 (en) Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane
JP4953113B2 (en) Fluoropolymer ion exchange membrane having excellent oxidation resistance and high ion exchange capacity and method for producing the same
JP4247571B2 (en) Electrolyte membrane and fuel cell using the electrolyte membrane
US20080020255A1 (en) Electrolyte Membrane and Fuel Cell
JP5158353B2 (en) Fuel cell electrolyte membrane and method for producing fuel cell electrolyte membrane / electrode assembly
JP2007329106A (en) Polymer electrolyte, manufacturing method thereof, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP4561214B2 (en) Electrolyte membrane
JP2004010744A (en) Fluorine-based macromolecular copolymer having large ion-exchanging capacity and oxidation resistance, and method for producing the same
JP2004253336A (en) Electrolyte film and fuel cell using it
JP2009093919A (en) Manufacturing method for aromatic polyether electrolyte membrane
JP2007048543A (en) Electrolyte film and direct liquid fuel type fuel cell
JP2009193725A (en) Composite membrane and method of manufacturing the same
JP4645794B2 (en) Solid polymer electrolyte membrane and fuel cell
JP2010047724A (en) Electrolyte polymer having improved humidity retention property, and method of manufacturing the same
JP2007109432A (en) Electrolyte membrane and polymer electrolyte fuel cell