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JP4316973B2 - Organic-inorganic hybrid proton conducting material and fuel cell - Google Patents

Organic-inorganic hybrid proton conducting material and fuel cell Download PDF

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JP4316973B2
JP4316973B2 JP2003336076A JP2003336076A JP4316973B2 JP 4316973 B2 JP4316973 B2 JP 4316973B2 JP 2003336076 A JP2003336076 A JP 2003336076A JP 2003336076 A JP2003336076 A JP 2003336076A JP 4316973 B2 JP4316973 B2 JP 4316973B2
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Description

本発明は、光学異方性材料として利用される有機−無機ハイブリッド材料、エネルギーデバイスや電気化学センサーに利用されるプロトン伝導材料及び燃料電池に関する。   The present invention relates to an organic-inorganic hybrid material used as an optically anisotropic material, a proton conductive material used in an energy device or an electrochemical sensor, and a fuel cell.

近年、燃料として水素の代わりにメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(DMFC)が提案され、リチウム2次電池に代わる携帯機器用高容量電池として期待され、活発に研究されている。   In recent years, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol instead of hydrogen as a fuel has been proposed, and it is expected and actively researched as a high-capacity battery for portable devices replacing a lithium secondary battery.

固体高分子型燃料電池用電解質膜(プロトン伝導膜)の重要な機能は、正極触媒電極に供給される燃料(水素、メタノール水溶液等)と負極に供給される酸化剤ガス(酸素等)を物理的に絶縁すること、正極と負極を電気的に絶縁すること、及び正極上で生じるプロトンを負極に伝達することである。これらの機能を満たすためには、ある程度の機械的強度と高いプロトン伝導性が要求される。   The important functions of the electrolyte membrane (proton conducting membrane) for polymer electrolyte fuel cells are the physical function of the fuel (hydrogen, methanol aqueous solution, etc.) supplied to the positive electrode and the oxidant gas (oxygen, etc.) supplied to the negative electrode. Electrically insulating, electrically insulating the positive electrode and the negative electrode, and transmitting protons generated on the positive electrode to the negative electrode. In order to satisfy these functions, a certain degree of mechanical strength and high proton conductivity are required.

固体高分子型燃料電池用電解質膜には、一般的にナフィオン(登録商標)に代表されるスルホン酸基含有パーフルオロカーボン重合体が用いられている。これらの電解質膜はイオン伝導度に優れ、機械的強度も比較的高いものであるが、以下の点においてさらなる改良が望まれる。すなわち、これらの電解質膜では膜に含まれる水とスルホン酸基により生成したクラスターチャンネルの中で水を介してプロトンが伝導するため、イオン伝導度が電池使用環境の湿度による膜含水率に大きく依存する。固体高分子燃料電池は、COによる触媒電極の被毒低減と触媒電極の高活性化の観点から、100〜150℃の温度領域で作動させるのが好ましいとされる。しかし、このような中温度領域では電解質膜の含水率の低下とともにイオン伝導度が低下するため、期待した電池特性が得られない。また、電解質膜の軟化点が120℃付近にあり、この温度域で作動させた場合には電解質膜の機械的強度が得られない。   As the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a sulfonic acid group-containing perfluorocarbon polymer typically represented by Nafion (registered trademark) is used. These electrolyte membranes have excellent ionic conductivity and relatively high mechanical strength, but further improvements are desired in the following respects. That is, in these electrolyte membranes, protons conduct through water in the cluster channels formed by the water and sulfonic acid groups contained in the membrane, so that the ionic conductivity depends greatly on the moisture content of the membrane due to the humidity of the battery usage environment. To do. The polymer electrolyte fuel cell is preferably operated in a temperature range of 100 to 150 ° C. from the viewpoint of reducing poisoning of the catalyst electrode by CO and increasing the activation of the catalyst electrode. However, in such an intermediate temperature range, the ionic conductivity decreases with a decrease in the water content of the electrolyte membrane, so that expected battery characteristics cannot be obtained. Also, the softening point of the electrolyte membrane is around 120 ° C., and the mechanical strength of the electrolyte membrane cannot be obtained when operated in this temperature range.

一方、これらの電解質膜をDMFCに用いた場合には以下のような現象がおこる。すなわち、本質的に含水し易いこれらの膜は、燃料のメタノールに対するバリヤ性が低いため、正極に供給したメタノールが電解質膜を透過し負極に到達してしまう。これが電池出力が低下する、メタノールクロスオーバー現象の原因となる。これは、DMFC実用化のための解決すべき重要な課題の一つである。   On the other hand, when these electrolyte membranes are used for DMFC, the following phenomenon occurs. That is, these membranes that are inherently water-containing have a low barrier property against methanol of fuel, so that methanol supplied to the positive electrode permeates the electrolyte membrane and reaches the negative electrode. This causes a methanol crossover phenomenon in which the battery output decreases. This is one of the important issues to be solved for the practical application of DMFC.

このような状況下、ナフィオンに代わるプロトン伝導膜を開発する機運が高まり、幾つかの有望な電解質材料が提案されている。例えば、無機プロトン伝導材料としてプロトン伝導性ガラスが知られている。これらは、テトラアルコキシシランを酸の存在下、ゾル−ゲル法により重合して得られるものであり、高温域での湿度依存性が小さいことが知られている。しかし、柔軟性が無く、極めて脆い材料であるため、大きな面積の膜を作製するのが困難であり、燃料電池用電解質としては適当でない。   Under such circumstances, the momentum for developing proton conductive membranes to replace Nafion has increased, and several promising electrolyte materials have been proposed. For example, proton conductive glass is known as an inorganic proton conductive material. These are obtained by polymerizing tetraalkoxysilane in the presence of an acid by a sol-gel method, and are known to have low humidity dependency at high temperatures. However, since the material is inflexible and extremely fragile, it is difficult to produce a film with a large area, and it is not suitable as an electrolyte for a fuel cell.

そこで、無機材料の特性を活かしながら製膜を容易にするため、一つには高分子材料と複合したナノコンポジッド材料が提案されている。例えば、スルホン酸基を側鎖に持つ高分子化合物、ケイ素酸化物及びプロトン酸との複合化によりプロトン伝導膜を作製する方法等が開示されている(例えば、特許文献1〜3参照)。他には有機ケイ素化合物を前駆体とし、プロトン酸存在下のゾル−ゲル反応により生成する有機−無機ナノハイブリッド型のプロトン伝導材料が提案されている(例えば、特許文献4参照)。   In order to facilitate film formation while taking advantage of the properties of inorganic materials, nanocomposite materials combined with polymer materials have been proposed. For example, a method for producing a proton conductive membrane by complexing with a polymer compound having a sulfonic acid group in the side chain, silicon oxide, and protonic acid is disclosed (for example, see Patent Documents 1 to 3). In addition, an organic-inorganic nano-hybrid type proton conductive material which has an organosilicon compound as a precursor and is generated by a sol-gel reaction in the presence of a protonic acid has been proposed (for example, see Patent Document 4).

これらの有機−無機コンポジッド及びハイブリッド型プロトン伝導材料は、ケイ酸とプロトン酸からなりプロトン伝導部位である無機成分と材料に柔軟性を付与する有機成分とにより構成されるが、膜のプロトン伝導度を高めるために無機成分を増やすと膜の機械的強度が低下し、膜の柔軟性を得るために有機成分を増やすとプロトン伝導度が低下するため、2つの特性を同時に満足する材料を得ることが困難である。また、DMFC用途として重要な特性であるメタノール透過性に関しては、十分な記載がない。   These organic-inorganic composite and hybrid proton conductive materials are composed of an inorganic component that is a proton conducting site and composed of silicic acid and protonic acid, and an organic component that imparts flexibility to the material, but the proton conductivity of the membrane. If the inorganic component is increased to increase the membrane strength, the mechanical strength of the membrane will decrease, and if the organic component is increased to increase the membrane flexibility, the proton conductivity will decrease. Is difficult. Moreover, there is no sufficient description regarding methanol permeability, which is an important characteristic for DMFC applications.

また、特許文献5および6には、加水分解性シリル基を有する炭素原子含有化合物が下記一般式で表されることプロトン伝導性膜が開示されている。   Patent Documents 5 and 6 disclose proton conductive membranes in which a carbon atom-containing compound having a hydrolyzable silyl group is represented by the following general formula.

Figure 0004316973
(式中、R3はCH3、C25またはC65から選ばれるいずれかの基、XはCl、OCH3、OC25またはOC65から選ばれるいずれかの基、mは3以下の自然数である。)
さらに、特許文献7には、界面活性剤を含有させた溶液中でテトラアルコキシシランやテトラクロロシラン等のシリカ(SO2二酸化ケイ素)前駆体を用いたゾル−ゲル反応により、膜面に配向したシリカメソ構造体を形成させる方法が記載されている。しかし、無機成分(シリカ)が集合するため柔軟な膜にすることが困難である。
Figure 0004316973
Wherein R 3 is any group selected from CH 3 , C 2 H 5 or C 6 H 5 , and X is any group selected from Cl, OCH 3 , OC 2 H 5 or OC 6 H 5 , M is a natural number of 3 or less.)
Further, Patent Document 7 discloses a silica meso that is oriented on the film surface by a sol-gel reaction using a silica (SO 2 silicon dioxide) precursor such as tetraalkoxysilane or tetrachlorosilane in a solution containing a surfactant. A method for forming a structure is described. However, since inorganic components (silica) are aggregated, it is difficult to form a flexible film.

さらに、非特許文献1には、主鎖に対してメソゲンユニットが側方から結合している液晶オルガノポリシロキサンが開示されている。
特開平10−69817号公報の第4−7頁 特開平11−203936号公報の第6−10頁 特開2001−307752号公報の第6−7頁 特許第3103888号公報の第4−7頁 特開2003−157863号公報 欧州特許出願公開第1223632号A2公報 特開2002−42550号公報 Liquid Crystals, 2002, 29, 9, 1247-1250
Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses a liquid crystal organopolysiloxane in which mesogenic units are bonded from the side to the main chain.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-69817, page 4-7 JP-A-11-203936, page 6-10 Page 6-7 of JP 2001-307752 A Japanese Patent No. 3103888, pages 4-7 JP 2003-157863 A European Patent Application No. 1223632 A2 JP 2002-42550 A Liquid Crystals, 2002, 29, 9, 1247-1250

本発明は上記課題を解決することを目的としたものである。すなわち、本発明の第一の目的は新規な有機−無機ハイブリッド材料を提供することにあり、第二の目的は、燃料電池用として好適な耐熱性の高いプロトン伝導膜を得ることであり、第三の目的は、DMFC用として好適な、高濃度のメタノールに対する耐性を持ち、メタノール透過性の低いプロトン伝導膜及びそれを用いた燃料電池を提供することにある。   The present invention aims to solve the above problems. That is, the first object of the present invention is to provide a novel organic-inorganic hybrid material, and the second object is to obtain a proton conductive membrane having high heat resistance suitable for a fuel cell. The third object is to provide a proton conductive membrane suitable for DMFC, having resistance to high concentration of methanol and having low methanol permeability, and a fuel cell using the same.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、下記手段により、上記課題を解決しうることを見出した。
(1)下記一般式(1−1)で表される化合物、下記(S−1−1)、(S−1−2)、(S−1−3)、(S−1−6)、(S−1−17)、(S−1−18)、(S−1−21)、(S−1−22)、(S−1−23)、(S−1−24)または(S−1−25)を前駆体とし、該前駆体に、下記一般式(1−3)で表される化合物を添加して重合させることによって形成されるSi−O−Siの3次元架橋構造を有する有機−無機ハイブリッド材料に、プロトン伝導性付与剤として、リン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種が保持されていることを特徴とする有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。

Figure 0004316973
(一般式(1−1)中、A1は下記一般式(1−2)で表されるメソゲン基と炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、R11はアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、X1はハロゲン原子又はOR14を表し、R14は水素原子、アルキル基、アリール基又はシリル基を表し、m11は0を表し、n11はを表す。X1はそれぞれ同一でも異なっていてもよい。)
Figure 0004316973
(一般式(1−2)中、Q11及びQ12はそれぞれ2価の連結基又は単結合を表し、Y11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
Figure 0004316973
(一般式(1−3)中、R12は置換又は無置換のアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、Z1はハロゲン原子又はOR15を表し、R15は水素原子、アルキル基、アリール基又はシリル基を表し、m13は0または1を表す。Z 1はそれぞれ同一でも異なっても良い。また、R12又はR12の置換基により互いに連結し、多量体を形成していてもよい。)
(2)前記一般式(1−3)で表される化合物が、テトラメトキシシランおよび/またはテトラエトキシシランである、(1)に記載の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
(3)下記一般式(2−1)で表される化合物、下記(S−2−15)、(S−2−16)、(S−2−17)、(S−2−18)、(S−2−19)、(S−2−20)、(S−2−21)、(S−2−22)、(S−2−28)、(S−2−29)または(S−2−30)を前駆体とし、前記前駆体のゾル−ゲル反応によって形成されるSi−O−Siの3次元架橋構造と、エポキシ基またはオキセタン基を有する基の重合反応によってエポキシ基またはオキセタン基を有する基を開環重合させることにより得られる主鎖構造とを有する有機−無機ハイブリッド材料に、プロトン伝導性付与剤として、リン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種が保持されていることを特徴とする有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(2−1)中、A2は下記一般式(1−2)で表されるメソゲン基を含む有機原子団を表し、R21はアルキル基を表し、R22はアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、R23はエポキシ基またはオキセタン基を有する基を表し、m21は0を表し、n21はを表し、n22はを表す。 21 は、それぞれ同一でも異なってもよい。)
Figure 0004316973
(一般式(1−2)中、Q11及びQ12はそれぞれ2価の連結基又は単結合を表し、Y11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
(4)下記一般式(3−1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物、(S−3−13)、(S−3−14)、(S−3−15)、(S−3−16)、(S−3−17)または(S−3−20)を前駆体として架橋重合してなることを特徴とする有機−無機ハイブリッド材料に、プロトン伝導性付与剤として、リン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種が保持されていることを特徴とする有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(3−1)中、A3は下記一般式(1−2)で表されるメソゲン基及びアルキレン基を含む有機原子団を表し、R31はアルキル基を表し、R32はアルキル基、アリール基、又はヘテロ環基を表し、E3はアルキレンオキシ基、アルキレン基、又はシロキシ基を表し、L3は連結基を表し、m31は0〜2の整数を表し、n31はを表し、n32は1〜5の整数を表す。m31が0または1のときR 31 はそれぞれ同一でも異なってもよく、又、m31が2のときR 32 はそれぞれ同一でも異なってもよい
Figure 0004316973
(一般式(1−2)中、Q11及びQ12はそれぞれ2価の連結基又は単結合を表し、Y11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。)
Figure 0004316973
(5)前記有機−無機ハイブリッド材料が、下記一般式(1−4)で表される化合物、下記一般式(1−5)で表される化合物、下記(K−1)、(K−2)、(K−3)、(K−4)、(K−18)または(K−19)を、前記前駆体のモル数に対し1〜50モル%添加してなることを特徴とする有機−無機ハイブリッド材料である、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(1−4)中、A14は、前記一般式(1−2)で表されるメソゲン基及び炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、Z14は水素原子、水酸基、カルボキシル基、スルホ基、スルフィノ基、ホスホノ基、またはビニル基を表し、n13はを表し、n14はを表し、Y14 はエポキシ基またはオキセタン基を有する基を表す
一般式(1−5)中、A15は、前記一般式(1−2)で表されるメソゲン及び炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、Z15は水素原子、水酸基、カルボキシル基、スルホ基、スルフィノ基、ホスホノ基、またはビニル基を表し、n15はを表し、n16は1〜5の整数を表し、L15は**−COO−、**−OCO−、**−(CH2nn3−、**−(CH2nn3O−、**−O(CH2nn3−、**−CON(R34’)−またはフェニレン基(**はE15と結合する位置を表し、R34’はアルキル基であり、nn3は1〜6の整数を表す)を表し、E15はアルキレンオキシ基、アルキレン基又はシロキシ基を表。n16が2以上の場合、それぞれの単位は同一でも異なっていてもよい。)
Figure 0004316973
(6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料を用いることを特徴とする燃料電池。
As a result of intensive studies in view of the above object, the present inventor has found that the above problems can be solved by the following means.
(1) A compound represented by the following general formula (1-1), the following (S-1-1), (S-1-2), (S-1-3), (S-1-6), (S-1-17), (S-1-18), (S-1-21), (S-1-22), (S-1-23), (S-1-24) or (S −1-25) as a precursor, and adding a compound represented by the following general formula (1-3 ) to the precursor and polymerizing the three-dimensional crosslinked structure of Si—O—Si. An organic-inorganic hybrid proton conductive material, wherein the organic-inorganic hybrid material has at least one of a phosphorus compound, an organic sulfonic acid, and a perfluorocarbon sulfonic acid polymer as a proton conductivity-imparting agent.
Figure 0004316973
(In the general formula (1-1), A 1 represents an organic atomic group containing a mesogenic group represented by the following general formula (1-2) and an alkylene group having 4 or more carbon atoms, and R 11 represents an alkyl group or an aryl group. represents a group or a heterocyclic group, X 1 represents a halogen atom or oR 14, R 14 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a silyl group, m11 represents 0, n11 represents 1 .X 1 May be the same or different.)
Figure 0004316973
(In General Formula (1-2), Q 11 and Q 12 each represent a divalent linking group or a single bond, and Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or from them The substituent of the condensed ring comprised is represented, m12 represents the integer of 1-3.)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
Figure 0004316973
(In General Formula (1-3), R 12 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, Z 1 represents a halogen atom or OR 15 , R 15 represents a hydrogen atom, an alkyl group, Represents an aryl group or a silyl group, and m13 represents 0 or 1. Z 1 may be the same or different from each other, and may be linked to each other by a substituent of R 12 or R 12 to form a multimer. Good.)
(2) The organic-inorganic hybrid proton conductive material according to (1), wherein the compound represented by the general formula (1-3) is tetramethoxysilane and / or tetraethoxysilane.
(3) A compound represented by the following general formula (2-1), the following (S-2-15), (S-2-16), (S-2-17), (S-2-18), (S-2-19), (S-2-20), (S-2-21), (S-2-22), (S-2-28), (S-2-29) or (S 2-30) as a precursor, and an epoxy group or oxetane by a polymerization reaction of a three-dimensional crosslinked structure of Si-O-Si formed by a sol-gel reaction of the precursor and a group having an epoxy group or an oxetane group An organic-inorganic hybrid material having a main chain structure obtained by ring-opening polymerization of a group having a group has at least one of a phosphorus compound, an organic sulfonic acid, and a perfluorocarbon sulfonic acid polymer as a proton conductivity imparting agent. Organic characterized by being Inorganic hybrid proton conducting material.
Figure 0004316973
(In the general formula (2-1), A 2 represents an organic atomic group containing a mesogenic group represented by the following general formula (1-2), R 21 represents an alkyl group, R 22 represents an alkyl group, aryl represents a group or a heterocyclic group, R 23 represents a group having an epoxy group or an oxetane group, m21 represents 0, n21 represents 1,. R 21 representing a 1 n22 are each Re their Re are identical May be different.)
Figure 0004316973
(In General Formula (1-2), Q 11 and Q 12 each represent a divalent linking group or a single bond, and Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or from them The substituent of the condensed ring comprised is represented, m12 represents the integer of 1-3.)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
(4) a polymer compound having a repeating unit represented by the following general formula (3-1) , (S-3-13), (S-3-14), (S-3-15), (S- 3-16) An organic-inorganic hybrid material obtained by crosslinking polymerization using (S-3-17) or (S-3-20) as a precursor, and a phosphorus compound as a proton conductivity-imparting agent An organic-inorganic hybrid proton conductive material, wherein at least one of organic sulfonic acids and perfluorocarbon sulfonic acid polymer is retained.
Figure 0004316973
(In General Formula (3-1), A 3 represents an organic atomic group containing a mesogenic group and an alkylene group represented by the following General Formula (1-2), R 31 represents an alkyl group, and R 32 represents an alkyl group. A group, an aryl group, or a heterocyclic group, E 3 represents an alkyleneoxy group, an alkylene group, or a siloxy group, L 3 represents a linking group, m31 represents an integer of 0 to 2, and n31 represents 1 . N32 represents an integer of 1 to 5. When m31 is 0 or 1, R 31 may be the same or different, and when m31 is 2, R 32 may be the same or different.
Figure 0004316973
(In General Formula (1-2), Q 11 and Q 12 each represent a divalent linking group or a single bond, and Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or from them The substituent of the condensed ring comprised is represented, m12 represents the integer of 1-3.)
Figure 0004316973
(5) The organic-inorganic hybrid material is a compound represented by the following general formula (1-4) , a compound represented by the following general formula (1-5), the following (K-1), (K-2) ), (K-3), (K-4), (K-18) or (K-19) is added in an amount of 1 to 50 mol% based on the number of moles of the precursor, The organic-inorganic hybrid proton conductive material according to any one of (1) to (4), which is an inorganic hybrid material.
Figure 0004316973
(In the general formula (1-4), A 14 represents an organic atomic group containing the formula (1-2) mesogenic groups and having 4 or more alkylene group having a carbon represented by, Z 14 is a hydrogen atom, a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfo group, a sulfino group, a phosphono group or a vinyl group,, n13 represents 1, n14 represents 1, Y 14 represents a group having a d epoxy group or an oxetane group.
In the general formula (1-5), A 15 represents an organic atomic group containing a mesogen represented by the general formula (1-2) and an alkylene group having 4 or more carbon atoms, Z 15 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group, represents a carboxyl group, a sulfo group, a sulfino group, a phosphono group or a vinyl group,, n15 represents 1, n16 represents an integer of 1 to 5, L 15 is ** - COO -, ** - OCO -, * * — (CH 2 ) nn3 —, ** — (CH 2 ) nn3 O—, ** — O (CH 2 ) nn3 —, ** — CON (R 34 ′) — or a phenylene group (** is E 15 represents the position which binds to, R 34 'is an alkyl group, NN3 represents represents) an integer from 1 to 6, E 15 is to Table alkyleneoxy group, an alkylene group or a siloxy group. When n16 is 2 or more, each unit may be the same or different. )
Figure 0004316973
(6) A fuel cell using the organic-inorganic hybrid proton conductive material described in any one of (1) to (5).

本発明の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料は、有機−無機ハイブリッド材料中にプロトン伝導性付与剤としてプロトン源が保持されることにより形成される。プロトン源はリン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種であるのが好ましい。また、かかる有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料は燃料電池の電解質膜として好適である。   The organic-inorganic hybrid proton conductive material of the present invention is formed by holding a proton source as a proton conductivity-imparting agent in the organic-inorganic hybrid material. The proton source is preferably at least one of a phosphorus compound, an organic sulfonic acid, and a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. Such an organic-inorganic hybrid proton conductive material is suitable as an electrolyte membrane for a fuel cell.

発明の実施の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

[1]有機ケイ素化合物前駆体
以下において、本発明の有機−無機ハイブリッド材料、有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料及び燃料電池について詳細に説明する。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本発明において「有機−無機ハイブリッド材料」とは、有機部分(原子団)と無機部分(原子団)を含む材料であって、その有機部分と無機部分が共有結合により結合している材料をいう。
[1] Organosilicon compound precursor Hereinafter, the organic-inorganic hybrid material, the organic-inorganic hybrid proton conductive material, and the fuel cell of the present invention will be described in detail. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value. In the present invention, the “organic-inorganic hybrid material” is a material containing an organic part (atomic group) and an inorganic part (atomic group), and the organic part and the inorganic part are bonded by a covalent bond. Say.

本発明の第1の有機−無機ハイブリッド材料は、メソゲン基を有する有機ケイ素化合物を3次元架橋してなり、有機及び無機の少なくとも一種のプトロン源を含む材料である。特に、前記プロトン伝導材料中の有機分子鎖の少なくとも一部が一方向に配向した集合体を形成した構造を有するものが好ましい。   The first organic-inorganic hybrid material of the present invention is a material which is obtained by three-dimensionally cross-linking an organosilicon compound having a mesogenic group and includes at least one organic and inorganic ptron source. In particular, those having a structure in which an aggregate in which at least a part of the organic molecular chain in the proton conducting material is oriented in one direction are formed are preferable.

より具体的には、上記において、前記有機−無機ハイブリッド材料が式(1−1)で表される有機ケイ素化合物を重合して得られることを特徴とする有機−無機ハイブリッド材料である。   More specifically, in the above, the organic-inorganic hybrid material is an organic-inorganic hybrid material obtained by polymerizing an organosilicon compound represented by the formula (1-1).

Figure 0004316973
一般式(1−1)において、R11は、アルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表す。アルキル基の好ましい例としては、直鎖、分岐鎖又は環状アルキル基(炭素数1〜20のアルキル基であり、例えばメチル基、エチル基、イソプロピル基、n−ブチル基、2−エチルヘキシル基、n−デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等)が挙げられ、アリール基の好ましい例としては、炭素数6〜20の置換又は無置換のフェニル基、炭素数10〜20の置換又は無置換のナフチル基等が挙げられる。ヘテロ環基の好ましい例としては、置換又は無置換のへテロ6員環(ピリジル基、モルホリノ基等)、置換又は無置換のヘテロ5員環(フリル基、チオフェン基等)等が挙げられる。
Figure 0004316973
In General Formula (1-1), R 11 represents an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group. Preferable examples of the alkyl group include linear, branched or cyclic alkyl groups (C1-C20 alkyl groups such as methyl, ethyl, isopropyl, n-butyl, 2-ethylhexyl, n -Decyl group, cyclopropyl group, cyclohexyl group, cyclododecyl group, etc.), and preferred examples of the aryl group include substituted or unsubstituted phenyl groups having 6 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted carbon atoms having 10 to 20 carbon atoms, and the like. An unsubstituted naphthyl group etc. are mentioned. Preferable examples of the heterocyclic group include a substituted or unsubstituted hetero 6-membered ring (pyridyl group, morpholino group, etc.), a substituted or unsubstituted hetero 5-membered ring (furyl group, thiophene group, etc.) and the like.

1はハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素等)又はOR14を表し、R14は水素原子、アルキル基、アリール基又はシリル基を表す。R14のアルキル基及びアリール基の好ましい例は、R11のアルキル基及びアリール基の好ましい例で挙げた基と同じである。シリル基の好ましい例としては、炭素数1〜10のアルキル基からなる群から選ばれた3つの基で置換されたシリル基(トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリイソプロピルシリル基等)、又はポリシロキサン基(−(Me2SiO)nH(n=10〜100)等)が挙げられる。m11は0〜2の整数を表し、n11は1〜10の整数を表す。m11又は3−m11が2以上のときR11又はX1はそれぞれ同一でも異なっていてもよい。 X 1 represents a halogen atom (chlorine, bromine, iodine or the like) or OR 14 , and R 14 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a silyl group. Preferred examples of the alkyl group and aryl group for R 14 are the same as those exemplified for the preferred examples of the alkyl group and aryl group for R 11 . Preferable examples of the silyl group include a silyl group (trimethylsilyl group, triethylsilyl group, triisopropylsilyl group, etc.) substituted with three groups selected from the group consisting of alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, or polysiloxane Group (— (Me 2 SiO) n H (n = 10 to 100) or the like). m11 represents an integer of 0 to 2, and n11 represents an integer of 1 to 10. When m11 or 3-m11 is 2 or more, R 11 or X 1 may be the same or different.

一般式(1−1)中、X1はアルコシキ基(OR14:R14はアルキル基)であるのが好ましく、m11は0であるのが好ましく、n11は1〜4の整数であるのが好ましい。また、A1は、メソゲンと炭素数4以上のアルキレン基を含むを含む有機原子団であり、メソゲン基の好ましい例としては、Dietrich Demus 及び Horst Zaschkeによる 「Flussige Kristalle in Tabellen II」, 1984年, p.7−18に記載されているものが挙げられる。中でも、下記一般式(1−2)好ましい。 In general formula (1-1), X 1 is preferably an alkoxy group (OR 14 : R 14 is an alkyl group), m11 is preferably 0, and n11 is an integer of 1 to 4. preferable. A 1 is an organic atomic group containing a mesogen and an alkylene group having 4 or more carbon atoms, and preferred examples of the mesogen group include “Frequency Kristall in Tablen II” by Dietrich Demus and Horst Zashke, 1984, What is described in p.7-18 is mentioned. Among these, the following general formula (1-2) is preferable.

Figure 0004316973
一般式(1−2)中、Q11及びQ12は2価の連結基又は単結合を表す。2価の連結基としては、−CH=CH−、−CH=N−、−N=N−、−N(O)=N−、−COO−、−COS−、−CONH−、−COCH2−、−CH2CH2−、−OCH2−、−CH2NH−、−CH2−、−CO−、−O−、−S−、−NH−、−(CH213−、−CH=CH−COO−、−CH=CH−CO−、−(C≡C)13−、又は、これらの組合せ等が好ましく、−CH2−、−CO−、−O−、−CH=CH−、−CH=N−、−N=N−、又は、これらの組合せ等がより好ましい。これらの2価の連結基は水素原子が他の置換基で置換された基であってもよい。Q11及びQ12は、−CO−、−O−、又は単結合及びそれらの組み合わせが好ましい。
Figure 0004316973
In the general formula (1-2), Q 11 and Q 12 represents a divalent linking group or a single bond. Examples of the divalent linking group include —CH═CH—, —CH═N—, —N═N—, —N (O) ═N—, —COO—, —COS—, —CONH—, —COCH 2. —, —CH 2 CH 2 —, —OCH 2 —, —CH 2 NH—, —CH 2 —, —CO—, —O—, —S—, —NH—, — (CH 2 ) 1 to 3 — , —CH═CH—COO—, —CH═CH—CO—, — (C≡C) 1 to 3 —, or combinations thereof are preferred, —CH 2 —, —CO—, —O—, -CH = CH-, -CH = N-, -N = N-, or a combination thereof is more preferred. These divalent linking groups may be groups in which a hydrogen atom is substituted with another substituent. Q 11 and Q 12 are preferably —CO—, —O—, or a single bond and a combination thereof.

11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。Y11は好ましくは6員環の芳香族基、4〜6員環の飽和又は不飽和脂肪族基、5又は6員環の複素環基、又はそれらの縮合環である。Y11の好ましい具体例としては、以下に示す(Y−1)〜(Y−28)で表される置換基、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの置換基の中でより好ましくは(Y−1)、(Y−2)、(Y−18)、(Y−19)、(Y−21)及び(Y−22)であり、さらに好ましくは(Y−1)、(Y−2)及び(Y−21)である。 Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or a condensed ring substituent composed thereof, and m12 represents an integer of 1 to 3. Y 11 is preferably a 6-membered aromatic group, a 4- to 6-membered saturated or unsaturated aliphatic group, a 5- or 6-membered heterocyclic group, or a condensed ring thereof. Preferable specific examples of Y 11 include substituents represented by (Y-1) to (Y-28) shown below, and combinations thereof. Among these substituents, (Y-1), (Y-2), (Y-18), (Y-19), (Y-21) and (Y-22) are more preferable, and more preferable. Are (Y-1), (Y-2) and (Y-21).

Figure 0004316973
Figure 0004316973

有機ケイ素化合物には、分子の配向性を高めるために、メソゲン基とともに炭素数5以上のアルキル基又はアルキレン基を含むのが好ましい。アルキル基又はアルキレン基の炭素数は5〜25が好ましく、6〜18がより好ましい。アルキル基又はアルキレン基は置換基を有していてもよい。好ましい置換基としては以下の基が挙げられる。   The organosilicon compound preferably contains an alkyl group or alkylene group having 5 or more carbon atoms together with a mesogenic group in order to enhance molecular orientation. 5-25 are preferable and, as for carbon number of an alkyl group or an alkylene group, 6-18 are more preferable. The alkyl group or alkylene group may have a substituent. Preferred groups include the following groups.

(1)アルキル基
アルキル基は置換基を有していてもよく、より好ましくは炭素数1〜24、さらに好ましくは炭素数1〜10のアルキル基であり、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、i−プロピル基、i−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、t−オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、2−ヘキシルデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、シクロヘキシルメチル基、オクチルシクロヘキシル基等である。
(2)アリール基
アリール基は置換基を有していても縮環していてもよく、より好ましくは炭素数6〜24のアリール基であり、例えばフェニル基、4−メチルフェニル基、3−シアノフェニル基、2−クロロフェニル基、2−ナフチル基等である。
(3)複素環基
複素環基は置換基を有していても縮環していてもよく、含窒素複素環基のときは環中の窒素が4級化していてもよい。より好ましくは炭素数2〜24の複素環基であり、例えば4−ピリジル基、2−ピリジル基、1−オクチルピリジニウム−4−イル基、2−ピリミジル基、2−イミダゾリル基、2−チアゾリル基等である。
(4)アルコキシ基
より好ましくは炭素数1〜24のアルコキシ基であり、例えばメトキシ基、エトキシ基、ブトキシ基、オクチルオキシ基、メトキシエトキシ基、メトキシペンタ(エチルオキシ)基、アクリロイルオキシエトキシ基、ペンタフルオロプロポキシ基等である。
(5)アシルオキシ基
より好ましくは炭素数1〜24のアシルオキシ基であり、例えばアセチルオキシ基、ベンゾイルオキシ基等である。
(6)アルコキシカルボニル基
より好ましくは炭素数2〜24のアルコキシカルボニル基であり、例えばメトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等である。
(7)シアノ基
(8)フルオロ基
(9)アルコキシカルボニル基
(10)重合性基
好ましくはビニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、スチリル基、桂皮酸残基が挙げられる。アルキル基またはアルキレン基は無置換であるか、重合性基を末端に有することが特に好ましい。シリル基(−Si(X13-m11(R11m11)は、有機原子団A1を構成するメソゲン基、アルキル基又はアルケニル基に直接結合するか、連結基を介して結合する。連結基は炭素数1〜15のアルキレン基であるか、メソゲン基の連結基Q11、Q12との組合せであるのが好ましい。シリル基はアルキレン基に結合しているのが好ましい。
(1) Alkyl group The alkyl group may have a substituent, more preferably an alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, and still more preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. It may be a shape. For example, methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, i-propyl group, i-butyl group, pentyl group, hexyl group, octyl group, 2-ethylhexyl group, t-octyl group, decyl group, dodecyl group, tetradecyl group 2-hexyldecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, cyclohexylmethyl group, octylcyclohexyl group and the like.
(2) Aryl group The aryl group may have a substituent or a condensed ring, and more preferably an aryl group having 6 to 24 carbon atoms, such as a phenyl group, a 4-methylphenyl group, a 3- A cyanophenyl group, a 2-chlorophenyl group, a 2-naphthyl group, and the like.
(3) Heterocyclic group The heterocyclic group may have a substituent or may be condensed, and in the case of a nitrogen-containing heterocyclic group, the nitrogen in the ring may be quaternized. More preferably, it is a C2-C24 heterocyclic group, for example, 4-pyridyl group, 2-pyridyl group, 1-octylpyridinium-4-yl group, 2-pyrimidyl group, 2-imidazolyl group, 2-thiazolyl group. Etc.
(4) Alkoxy group More preferably, it is an alkoxy group having 1 to 24 carbon atoms. For example, methoxy group, ethoxy group, butoxy group, octyloxy group, methoxyethoxy group, methoxypenta (ethyloxy) group, acryloyloxyethoxy group, penta And a fluoropropoxy group.
(5) Acyloxy group More preferably, it is an acyloxy group having 1 to 24 carbon atoms, such as an acetyloxy group and a benzoyloxy group.
(6) Alkoxycarbonyl group More preferably, it is a C2-C24 alkoxycarbonyl group, for example, a methoxycarbonyl group, an ethoxycarbonyl group, etc.
(7) Cyano group (8) Fluoro group (9) Alkoxycarbonyl group (10) Polymerizable group Preferably, a vinyl group, an acryloyl group, a methacryloyl group, a styryl group, and a cinnamic acid residue are exemplified. The alkyl group or alkylene group is particularly preferably unsubstituted or has a polymerizable group at the terminal. The silyl group (—Si (X 1 ) 3-m11 (R 11 ) m11 ) is directly bonded to the mesogenic group, alkyl group or alkenyl group constituting the organic atomic group A 1 or bonded through a linking group. The linking group is preferably an alkylene group having 1 to 15 carbon atoms or a combination with a mesogenic group linking group Q 11 or Q 12 . The silyl group is preferably bonded to the alkylene group.

一般式(1−1)において、X1がアルコキシ基(OR14:R14はアルキル基)、m11が0、及びnが1〜4の整数であるのが好ましい。以下(S−1−1)〜(S−1−29)に有機ケイ素化合物の具体例を挙げるがこれらに限定されるものではない。また、これらの化合物は、室温下、液体、液晶、結晶いずれにも限定されない。 In the general formula (1-1), X 1 is preferably an alkoxy group (OR 14 : R 14 is an alkyl group), m11 is 0, and n is an integer of 1 to 4. Specific examples of the organosilicon compound are shown below in (S-1-1) to (S-1-29), but are not limited thereto. In addition, these compounds are not limited to any liquid, liquid crystal, or crystal at room temperature.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

Figure 0004316973
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Figure 0004316973
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Figure 0004316973
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次に、本発明の第2の有機−無機ハイブリッド材料は、アルコキシシリル基、メソゲン基及び重合により炭素−炭素結合又は炭素−酸素結合を形成しうる置換基を有する有機ケイ素化合物を前駆体とし、前駆体を三次元架橋してなる。前駆体は好ましくは下記一般式(2−1)で表される化合物である。   Next, the second organic-inorganic hybrid material of the present invention uses as an precursor an organosilicon compound having an alkoxysilyl group, a mesogenic group and a substituent capable of forming a carbon-carbon bond or a carbon-oxygen bond by polymerization, The precursor is three-dimensionally crosslinked. The precursor is preferably a compound represented by the following general formula (2-1).

Figure 0004316973
一般式(2−1)において、R21はアルキル基を表し、R22はアルキル基、アリール基、ヘテロ環基を表す。R21及びR22で表されるアルキル基の好ましい例としては、直鎖、分岐鎖又は環状アルキル基(例えば炭素数1〜20のアルキル基であり、メチル基、エチル基、イソプロピル基、n−ブチル基、2−エチルヘキシル基、n−デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等)が挙げられ、アリール基の好ましい例としては、炭素数6〜20の置換又は無置換のフェニル基、炭素数10〜20の置換又は無置換のナフチル基等が挙げられ、ヘテロ環基の好ましい例としては、置換又は無置換のへテロ6員環(ピリジル基、モルホリノ基等)、置換又は無置換のヘテロ5員環(フリル基、チオフェン基等)等が挙げられる。A2は、上記一般式(1−1)における、A1と同義である。R23は、炭素−炭素結合又は炭素−酸素結合を新たに生成し、重合体を形成しうる置換基であり、好ましくはアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、エチニル基及びアルキレンオキシド基(エチレンオキシド、トリメチレンオキシド等)からなる群から選ばれる置換基である。中でもアクリロイル基、メタクリロイル基、エチレンオキシド基、及びトリメチレンオキシド基が好ましい。R23の存在は、プロトン伝導膜の強度を向上し、ゾル−ゲル法の後で重合することにより製膜が容易になる等の有利な効果を有する。
Figure 0004316973
In General Formula (2-1), R 21 represents an alkyl group, and R 22 represents an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group. Preferable examples of the alkyl group represented by R 21 and R 22 include a linear, branched or cyclic alkyl group (for example, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, n- Butyl group, 2-ethylhexyl group, n-decyl group, cyclopropyl group, cyclohexyl group, cyclododecyl group, etc.), and preferred examples of the aryl group include substituted or unsubstituted phenyl groups having 6 to 20 carbon atoms. A substituted or unsubstituted naphthyl group having 10 to 20 carbon atoms and the like. Preferred examples of the heterocyclic group include a substituted or unsubstituted hetero 6-membered ring (pyridyl group, morpholino group, etc.), substituted or unsubstituted. Substituted hetero 5-membered rings (furyl group, thiophene group, etc.) and the like can be mentioned. A 2 has the same meaning as A 1 in the general formula (1-1). R 23 is a substituent capable of newly forming a carbon-carbon bond or a carbon-oxygen bond to form a polymer, and preferably an acryloyl group, a methacryloyl group, a vinyl group, an ethynyl group, and an alkylene oxide group (ethylene oxide, A substituent selected from the group consisting of trimethylene oxide and the like. Of these, an acryloyl group, a methacryloyl group, an ethylene oxide group, and a trimethylene oxide group are preferable. The presence of R 23 has advantageous effects such as improving the strength of the proton conducting membrane and facilitating membrane formation by polymerization after the sol-gel method.

シリル基(−Si(OR213-m21(R22m21)は、上記一般式(1−1)におけるシリル基と同義である。また、当該有機ケイ素化合物には、上記本発明の第1の有機ケイ素化合物と同様に、分子の配向性を高めるために、メソゲン基とともに炭素数5以上のアルキル基又はアルキレン基を含むのが好ましい。 The silyl group (—Si (OR 21 ) 3-m21 (R 22 ) m21 ) has the same meaning as the silyl group in the general formula (1-1). In addition, like the first organosilicon compound of the present invention, the organosilicon compound preferably contains an alkyl group or alkylene group having 5 or more carbon atoms together with a mesogenic group in order to enhance molecular orientation. .

以下(S−2−1)〜(S−2−30)に本発明の第2の有機ケイ素化合物の具体例を挙げるがこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the second organosilicon compound of the present invention are shown below in (S-2-1) to (S-2-30), but are not limited thereto.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

Figure 0004316973
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Figure 0004316973
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Figure 0004316973
Figure 0004316973

さらに、本発明の第3の有機−無機ハイブリッド材料は、アルコキシシリル基、メソゲン基及びアルキレン基を含む原子団を側鎖に有する高分子化合物を前駆体として架橋重合してなる。前駆体は好ましくは下記一般式(3−1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物である。   Furthermore, the third organic-inorganic hybrid material of the present invention is formed by cross-linking polymerization using a polymer compound having an atomic group containing an alkoxysilyl group, a mesogenic group and an alkylene group in the side chain as a precursor. The precursor is preferably a polymer compound having a repeating unit represented by the following general formula (3-1).

Figure 0004316973
一般式(3−1)において、R31はアルキル基を表し、R32はアルキル基、アリール基、又はヘテロ環基を表す。R31及びR32で表されるアルキル基の好ましい例としては、直鎖、分岐鎖、又は環状アルキル基(例えば炭素数1〜20のアルキル基であり、メチル基、エチル基、イソプロピル基、n−ブチル基、2−エチルヘキシル基、n−デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等)が挙げられる。アリール基の好ましい例としては、炭素数6〜20の置換又は無置換のフェニル基、炭素数10〜20の置換又は無置換のナフチル基等が挙げられ、ヘテロ環基の好ましい例としては、置換又は無置換のへテロ6員環(ピリジル基、モルホリノ基等)、置換又は無置換のヘテロ5員環(フリル基、チオフェン基等)等が挙げられる。A3は、上記一般式(1−1)におけるA1と同義である。
Figure 0004316973
In General Formula (3-1), R 31 represents an alkyl group, and R 32 represents an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group. Preferable examples of the alkyl group represented by R 31 and R 32 include a linear, branched, or cyclic alkyl group (for example, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, n -Butyl group, 2-ethylhexyl group, n-decyl group, cyclopropyl group, cyclohexyl group, cyclododecyl group, etc.). Preferred examples of the aryl group include substituted or unsubstituted phenyl groups having 6 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted naphthyl groups having 10 to 20 carbon atoms, and preferred examples of the heterocyclic group include substituted Alternatively, an unsubstituted hetero 6-membered ring (pyridyl group, morpholino group, etc.), a substituted or unsubstituted hetero 5-membered ring (furyl group, thiophene group, etc.) and the like can be mentioned. A 3 is synonymous with A 1 in the general formula (1-1).

3はアルキレン基、アルキレンオキシ基又はシロキシ基を表す。E3がアルキレン基の場合、下記一般式(3−a)で表されるエチレン基が好ましく、アルキレンオキシ基の場合、下記一般式(3−b)で表されるエチレンオキシ基又は下記一般式(3−c)で表されるトリメチレンオキシ基が好ましく、シロキシ基の場合、下記一般式(3−d)で表される基が好ましい。一般式(3−a)〜(3−c)で表されるこれらの基はさらに置換されていてもよい。 E 3 represents an alkylene group, an alkyleneoxy group or a siloxy group. When E 3 is an alkylene group, an ethylene group represented by the following general formula (3-a) is preferable, and when it is an alkyleneoxy group, an ethyleneoxy group represented by the following general formula (3-b) or the following general formula A trimethyleneoxy group represented by (3-c) is preferred, and in the case of a siloxy group, a group represented by the following general formula (3-d) is preferred. These groups represented by the general formulas (3-a) to (3-c) may be further substituted.

Figure 0004316973
一般式(3−a)〜(3−d)中、R34はアルキル基(好ましくは炭素数1〜12のアルキル基であり、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、ドデシル基等)又は水素原子を表し、*は連結基L3と結合する位置を表し、R35はR34又は単結合(−*)を表す。
Figure 0004316973
In the general formulas (3-a) to (3-d), R 34 is an alkyl group (preferably an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a hexyl group, a dodecyl group, etc. ) Or a hydrogen atom, * represents a position bonded to the linking group L 3, and R 35 represents R 34 or a single bond (— *).

3は連結基であり、好ましい例としては、**−COO−、**−OCO−、**−(CH2nn3−、**−(CH2nn3O−、**−O(CH2nn3−、**−CON(R34')−、フェニレン基等(**はE3と結合する位置を表し、R34'はR34と同義であり、nn3は1〜6の整数を表す)の2価の連結基が挙げられる。L3はQ11又はQ12と同じ連結基でもよい。 L 3 is a linking group, and preferred examples include ** — COO— , ** — OCO— , ** — (CH 2 ) nn3 —, ** — (CH 2 ) nn3 O—, ** — O. (CH 2 ) nn3 —, ** — CON (R 34 ′) —, phenylene group, etc. (** represents the position bonded to E 3 , R 34 ′ is synonymous with R 34 , nn3 is 1-6 Divalent linking group). L 3 may be the same linking group as Q 11 or Q 12 .

3とL3の組合せは下記一般式(3−e)〜(3−h)で表される組合せが好ましい。 The combination of E 3 and L 3 is preferably a combination represented by the following general formulas (3-e) to (3-h).

Figure 0004316973
一般式(3−e)〜(3−h)中、***はA3と結合する位置を表す。中でもより好ましい組合せは、一般式(3−f)においてR34=Hとき、一般式(3−g)においてR35=H、CH3、又はCH2CH3のとき、及び一般式(3−h)である。
Figure 0004316973
In the general formulas (3-e) to (3-h), *** represents a position bonded to A 3 . Among these, a more preferable combination is when R 34 = H in the general formula (3-f), when R 35 = H, CH 3 , or CH 2 CH 3 in the general formula (3-g), and the general formula (3- h).

シリル基(−Si(OR313-m31(R32m31)は、上記一般式(1−1)におけるシリル基と同義である。 The silyl group (—Si (OR 31 ) 3-m31 (R 32 ) m31 ) has the same meaning as the silyl group in the general formula (1-1).

一般式(3−1)において、m31は0〜2の整数を表し、0であるのが好ましく、n31は1〜10の整数を表し、1〜3の整数であるのが好ましく、n32は1〜5の整数を表し、1又は2であるのが好ましい。本発明の第3の有機ケイ素高分子化合物の分子量は重合条件により異なり、任意であってよいが、数平均分子量で5,000〜500,000が好ましく、5,000〜50,000がより好ましい。また、当該有機ケイ素化合物には、上記本発明の第1の有機ケイ素化合物と同様に、分子の配向性を高めるために、メソゲン基とともに炭素数5以上のアルキル基又はアルキレン基を含むのが好ましい。   In General Formula (3-1), m31 represents an integer of 0 to 2, and is preferably 0, n31 represents an integer of 1 to 10, preferably an integer of 1 to 3, and n32 represents 1 Represents an integer of ˜5, preferably 1 or 2. The molecular weight of the third organosilicon polymer compound of the present invention varies depending on the polymerization conditions and may be arbitrary, but the number average molecular weight is preferably 5,000 to 500,000, more preferably 5,000 to 50,000. . In addition, like the first organosilicon compound of the present invention, the organosilicon compound preferably contains an alkyl group or alkylene group having 5 or more carbon atoms together with a mesogenic group in order to enhance molecular orientation. .

以下(S−3−1)〜(S−3−20)に前駆体である有機ケイ素高分子化合物の具体例を挙げるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the organosilicon polymer compound as a precursor are shown below in (S-3-1) to (S-3-20), but the present invention is not limited to these.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

Figure 0004316973
Figure 0004316973

Figure 0004316973
Figure 0004316973

[2] 有機−無機ハイブリッド材料
[2−1] 有機−無機ハイブリッド材料の作成方法
本発明では、有機ケイ素化合物を前駆体とし、一般にゾル−ゲル法と呼ばれる金属アルコキシドの加水分解、脱水縮合、重合、乾燥、(場合によっては焼成)等によって固体を得る方法を用いる(例えば、「Electrochimica Acta」参照)。または、得られた固体を、有機ケイ素化合物前駆体に導入されている重合性基(例えば、上記R23)の重合により、炭素−炭素結合又は炭素−酸素結合を新たに形成して重合体を得る。その際、加水分解及び重合を調節する触媒として酸やアルカリを用いる。アルカリとしては、NaOH、KOH等のアルカリ金属の水酸化物、アンモニア等を用いるのが一般的である。具体的には、以下の手法を採用することができる。
[2] Organic-inorganic hybrid material [2-1] Method for producing organic-inorganic hybrid material In the present invention, hydrolysis, dehydration condensation, and polymerization of metal alkoxide, generally referred to as sol-gel method, using an organosilicon compound as a precursor. A method of obtaining a solid by drying, (possibly firing) or the like is used (see, for example, “Electrochimica Acta”). Alternatively, the obtained solid is newly formed with a carbon-carbon bond or a carbon-oxygen bond by polymerization of a polymerizable group (for example, R 23 ) introduced into the organosilicon compound precursor to form a polymer. obtain. At that time, acid or alkali is used as a catalyst for controlling hydrolysis and polymerization. As the alkali, it is common to use hydroxides of alkali metals such as NaOH and KOH, ammonia and the like. Specifically, the following method can be employed.

ゾル−ゲル法の例としては、例えば、特開2000−272932号公報、特開2000−256007号公報、特開2000−357524号公報、特開2001−93543号公報、「Electrochimica Acta」, 1998年, 第43巻, 第10−11号, p.1301、特許第3103888号公報等に記載されている方法を用いることができる。ここでは、その一例として、典型的な方法を述べる。上記本発明の第1の有機ケイ素化合物を任意の溶媒に溶解し、そこに水と酸を添加することによりアルコキシシリル基の加水分解と縮重合反応(ゾル−ゲル反応)が進行する。その際、反応混合液(ゾル)の粘度が徐々に増し、溶媒を留去、乾燥すると固体(ゲル)が得られる。流動性がある段階でゾルを所望の容器に流し込むか、塗布した後、溶媒留去、乾燥すれば、板状、膜状等の所望の形状の固体を得ることができる。また、得られた固体を粉砕後、圧縮して板状に成型することも可能である。生成するシリカのネットワークをより緻密にするため、必要に応じ乾燥後さらに加熱することも可能である。   Examples of the sol-gel method include, for example, JP 2000-272932 A, JP 2000-256007 A, JP 2000-357524 A, JP 2001-93543 A, “Electrochimica Acta”, 1998. 43, No. 10-11, p.1301, Japanese Patent No. 3103888, and the like. Here, a typical method will be described as an example. By dissolving the first organosilicon compound of the present invention in an arbitrary solvent and adding water and acid thereto, hydrolysis of the alkoxysilyl group and polycondensation reaction (sol-gel reaction) proceed. At that time, the viscosity of the reaction mixture (sol) gradually increases, and the solvent is distilled off and dried to obtain a solid (gel). If the sol is poured into a desired container or applied at a stage where the fluidity exists, the solvent can be distilled off and dried to obtain a solid having a desired shape such as a plate or film. Further, the obtained solid can be pulverized and then compressed into a plate shape. In order to make the generated silica network more dense, it may be further heated after drying, if necessary.

ゾル−ゲル反応に用いる溶媒は、前駆体の有機ケイ素化合物を溶解するものであれば特に制限はないが、好ましくはカーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、水等を用いることができる。中でも、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル化合物、ジオキサン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類等が特に好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。   The solvent used in the sol-gel reaction is not particularly limited as long as it dissolves the precursor organosilicon compound, but is preferably a carbonate compound (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), a heterocyclic compound (3-methyl-2). -Oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), Alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol mono Alkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile) Etc.), esters (carboxylic acid esters, phosphoric acid esters, phosphonic acid esters, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorine-based A solvent (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), water or the like can be used. Of these, alcohols such as ethanol and isopropanol, nitrile compounds such as acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, and benzonitrile, and cyclic ethers such as dioxane and tetrahydrofuran are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

乾燥速度を制御する目的で、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジオキサン等の沸点が100℃以上の溶媒を上記溶媒に添加しても良い。全溶媒量は、前駆体化合物1gに対し好ましくは0.1〜100gであり、より好ましくは1〜10gである。   For the purpose of controlling the drying rate, a solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher, such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, sulfolane, dioxane, or the like may be added to the solvent. The total amount of the solvent is preferably 0.1 to 100 g, more preferably 1 to 10 g, with respect to 1 g of the precursor compound.

ゾル−ゲル反応の酸触媒としては、無機又は有機のプロトン酸が好ましい。無機プロトン酸としては、塩酸、硫酸、リン酸類(H3PO4、H3PO3、H427、H5310、メタリン酸、ヘキサフルオロリン酸等)、硼酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロ硼酸、ヘキサフルオロ砒素酸、臭化水素酸、固体酸(タングストリン酸、タングステンペルオキソ錯体等)等が挙げられる。有機プロトン酸としては、リン酸エステル類(例えば炭素数1〜30のリン酸エステル類であり、リン酸メチルエステル、リン酸プロピルエステル、リン酸ドデシルエステル、リン酸フェニルエステル、リン酸ジメチルエステル、リン酸ジドデシルエステル等)、亜リン酸エステル類(例えば炭素数1〜30の亜リン酸エステル類であり、亜リン酸メチルエステル、亜リン酸ドデシルエステル、亜リン酸ジエチルエステル、亜リン酸ジイソプロピル、亜リン酸ジドデシルエステル等)、スルホン酸類(例えば炭素数1〜15のスルホン酸類であり、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ヘキサフルオロベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等)、カルボン酸類(例えば炭素数1〜15のカルボン酸類であり、酢酸、トリフルオロ酢酸、安息香酸、置換安息香酸等)、イミド類(ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド酸、トリフルオロメタンスルホニルトリフルオロアセトアミド等)、ホスホン酸類(例えば炭素数1〜30のホスホン酸類であり、メチルホスホン酸、エチルホスホン酸、フェニルホスホン酸、ジフェニルホスホン酸、1,5−ナフタレンビスホスホン酸等)等の低分子化合物、又はナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート(特開2001−114834号公報)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(特開平6−93111号公報)、スルホン化ポリエーテルスルホン(特開平10−45913号公報)、スルホン化ポリスルホン(特開平9−245818号公報)等の耐熱芳香族高分子のスルホン化物等のプトロン酸部位を有する高分子化合物が挙げられる。これらを2種以上併用することも可能である。固体酸としては、α−Zr(HPO42・nH2O、γ−Zr(PO4)(H2PO4)・2H2O、α−Zrスルホフェニルリン酸塩、γ−Zrスルホフェニルリン酸塩等の層状化合物、SnO2・2H2O、Sb25・5.4H2O等の水和酸化物、H4SiW1240・nH2O、H3PW1240・nH2O等のヘテロポリ酸等が特に好ましい。 The acid catalyst for the sol-gel reaction is preferably an inorganic or organic proton acid. Examples of inorganic protonic acids include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acids (H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , H 4 P 2 O 7 , H 5 P 3 O 10 , metaphosphoric acid, hexafluorophosphoric acid, etc.), boric acid, nitric acid Perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluoroarsenic acid, hydrobromic acid, solid acids (tungstophosphoric acid, tungsten peroxo complex, etc.), and the like. Examples of organic protonic acids include phosphoric acid esters (for example, phosphoric acid esters having 1 to 30 carbon atoms, phosphoric acid methyl ester, phosphoric acid propyl ester, phosphoric acid dodecyl ester, phosphoric acid phenyl ester, phosphoric acid dimethyl ester, Phosphorous acid dododecyl ester, etc.), phosphorous acid esters (for example, phosphorous acid esters having 1 to 30 carbon atoms, phosphorous acid methyl ester, phosphorous acid dodecyl ester, phosphorous acid diethyl ester, phosphorous acid Diisopropyl, phosphorous acid dododecyl ester, etc.), sulfonic acids (for example, sulfonic acids having 1 to 15 carbon atoms, such as benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, hexafluorobenzenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, dodecylsulfonic acid, etc.) Carboxylic acids (for example, carboxylic acids having 1 to 15 carbon atoms) Acetic acid, trifluoroacetic acid, benzoic acid, substituted benzoic acid, etc.), imides (bis (trifluoromethanesulfonyl) imidic acid, trifluoromethanesulfonyl trifluoroacetamide, etc.), phosphonic acids (for example, phosphones having 1 to 30 carbon atoms) Low molecular weight compounds such as methylphosphonic acid, ethylphosphonic acid, phenylphosphonic acid, diphenylphosphonic acid, 1,5-naphthalene bisphosphonic acid, etc., or perfluorocarbon sulfonic acid polymers represented by Nafion, phosphorus in the side chain Poly (meth) acrylate having an acid group (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-114844), sulfonated polyether ether ketone (Japanese Patent Laid-Open No. 6-93111), sulfonated polyether sulfone (Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913), Sulfonated polysulfone Polymer having a Putoron acid sites, such as sulfonated heat resistant aromatic polymer of JP-A-9-245818 JP), and the like. Two or more of these may be used in combination. As solid acids, α-Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, γ-Zr (PO 4 ) (H 2 PO 4 ) · 2H 2 O, α-Zr sulfophenyl phosphate, γ-Zr sulfophenyl Layered compounds such as phosphates, hydrated oxides such as SnO 2 .2H 2 O, Sb 2 O 5 .5.4H 2 O, H 4 SiW 12 O 40 .nH 2 O, H 3 PW 12 O 40. Heteropolyacids such as nH 2 O are particularly preferred.

上記のプロトン酸はゾル−ゲル反応の触媒として作用すると同時に、反応後も生成した固体中に留まる。有機−無機ハイブリッド材料の場合、固体中のプロトン酸を洗い流し、液晶材料等として使用することも可能であるが、有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料の場合、プロトン酸はプロトン伝導性付与剤として機能するため固体中に多く保持されることが望ましい。そのため、プロトン源としてゾル−ゲル反応の触媒に用いるプロトン酸以外のプロトン源をさらに添加してもよい。プロトン源としてはシリケートのネットワーク中で化学結合(Si−O−P)を形成するリン化合物(好ましくはリン酸類、リン酸エステル類等)、水への溶解性が低い有機スルホン酸類、溶出しにくいプロトン酸部位を有する高分子化合物、又はシリカに物理的に相互作用し保持される固体酸を用いるのが好ましく、中でもH3PO4、H3PO3、リン酸エステル類、亜リン酸エステル類等のリン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを用いるのが特に好ましい。酸の量は、前駆体ケイ素化合物のSiに対し0.1〜10モル当量が好ましく、0.5〜5モル当量がより好ましい。 The above protonic acid acts as a catalyst for the sol-gel reaction, and at the same time remains in the solid produced after the reaction. In the case of an organic-inorganic hybrid material, it is possible to wash away the protonic acid in the solid and use it as a liquid crystal material, etc., but in the case of an organic-inorganic hybrid type proton conductive material, the proton acid functions as a proton conductivity-imparting agent. Therefore, it is desirable that a large amount be retained in the solid. Therefore, a proton source other than the proton acid used as a catalyst for the sol-gel reaction may be further added as a proton source. As proton sources, phosphorus compounds (preferably phosphoric acids, phosphate esters, etc.) that form chemical bonds (Si-OP) in the silicate network, organic sulfonic acids with low solubility in water, and difficult to elute It is preferable to use a polymer compound having a proton acid site, or a solid acid that physically interacts and is retained on silica, and among them, H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , phosphate esters, phosphites It is particularly preferable to use phosphorus compounds such as organic sulfonic acids and perfluorocarbon sulfonic acid polymers. The amount of the acid is preferably 0.1 to 10 molar equivalents, more preferably 0.5 to 5 molar equivalents relative to Si of the precursor silicon compound.

ゾル−ゲル反応の反応温度は反応速度に関連し、前駆体の反応性と酸の種類及び量に応じて選択することができる。好ましくは−20〜150℃であり、より好ましくは0〜80℃であり、さらに好ましくは20〜60℃である。   The reaction temperature of the sol-gel reaction is related to the reaction rate, and can be selected depending on the reactivity of the precursor and the kind and amount of the acid. Preferably it is -20-150 degreeC, More preferably, it is 0-80 degreeC, More preferably, it is 20-60 degreeC.

[2−2]可塑性化合物の添加
本発明のプロトン伝導膜では、下記一般式(1−4)及び/又は(1−5)で表される、ゾル−ゲル反応において変化しない化合物を可塑剤として添加することにより、膜に柔軟性を付与することができる。添加量は、前述の有機ケイ素化合物のモル数に対し、1モル%から50モル%であり、5モル%から20モル%が好ましい。
[2-2] Addition of plastic compound In the proton conducting membrane of the present invention, a compound represented by the following general formula (1-4) and / or (1-5) that does not change in the sol-gel reaction is used as a plasticizer. By adding, flexibility can be imparted to the film. The addition amount is from 1 mol% to 50 mol%, and preferably from 5 mol% to 20 mol%, based on the number of moles of the aforementioned organosilicon compound.

Figure 0004316973
一般式(1−4)及び(1−5)中、A14及びA15は、それぞれ、メソゲン及び炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、メソゲンは、前述のメソゲン含有有機ケイ素化合物中のA1とそれぞれ同義であり、本発明のプロトン伝導膜作成時に用いるメソゲン含有有機ケイ素化合物中のメゾゲンと同一のものが特に好ましい。
Figure 0004316973
In the general formulas (1-4) and (1-5), A 14 and A 15 each represent an organic atomic group containing a mesogen and an alkylene group having 4 or more carbon atoms, and the mesogen is the mesogen-containing organosilicon described above. Each of them is synonymous with A 1 in the compound, and is particularly preferably the same as the mesogen in the mesogen-containing organosilicon compound used for producing the proton conducting membrane of the present invention.

14及びZ15はゾル−ゲル反応において変化しない置換基または水素原子を表し、好ましい置換基の例としては、前述の式(1−1)中の置換基で説明した1.アルキル基、2.アリール基、3.複素環基、4.アルコキシ基、5.アシルオキシ基、6.アルコキシカルボニル基、7.シアノ基、8.フルオロ基、9.アルコキシカルボニル基の他に、水酸基、及びカルボキシル基、スルホ基、スルフィノ基、ホスホノ基などの酸残基、ビニル基などが挙げられ、これらの中で特に水素原子、水酸基、酸残基、ビニル基が好ましい。 Z 14 and Z 15 each represent a substituent or a hydrogen atom that does not change in the sol-gel reaction, and examples of preferred substituents include 1. alkyl group, 2 described above with respect to the substituent in formula (1-1), Aryl group, 3. Heterocyclic group, 4. Alkoxy group, 5. Acyloxy group, 6. Alkoxycarbonyl group, 7. Cyano group, 8. Fluoro group, 9. Alkoxycarbonyl group, hydroxyl group, and carboxyl group , Sulfo groups, sulfino groups, phosphono groups and other acid residues, vinyl groups and the like. Among these, hydrogen atoms, hydroxyl groups, acid residues and vinyl groups are particularly preferable.

n13及びn15は、それぞれ1〜8の整数を表し、1又は2が特に好ましい。n14は0〜4の整数を表し、1又は2が特に好ましい。n16は1〜5の整数を示し、1又は2が特に好ましい。n13又はn15が2以上の時、Z14又はZ15は同一でも異なってもよい。n16が2以上のとき、それぞれの単位内は同一でも異なっていてもよい。 n13 and n15 each represent an integer of 1 to 8, and 1 or 2 is particularly preferable. n14 represents an integer of 0 to 4, and 1 or 2 is particularly preferable. n16 represents an integer of 1 to 5, and 1 or 2 is particularly preferable. When n13 or n15 is 2 or more, Z 14 or Z 15 may be the same or different. When n16 is 2 or more, each unit may be the same or different.

14は重合により炭素−炭素結合又は炭素い−酸素結合を形成しうる重合性基を表し、前述の式(1−1)で表される有機ケイ素化合物中のY11と同義であり、特に、本発明のプロトン伝導膜作成時に用いるメソゲン含有有機ケイ素化合物のY11と同一のものが好ましい。n15が2以上のときZ15は同一でも異なってもよい。 Y 14 represents a polymerizable group capable of forming a carbon-carbon bond or a carbon-oxygen bond by polymerization, and is synonymous with Y 11 in the organosilicon compound represented by the above formula (1-1). The same as Y 11 of the mesogen-containing organosilicon compound used for producing the proton conducting membrane of the present invention is preferable. When n15 is 2 or more, Z 15 may be the same or different.

15及びL15は、上記一般式(3−1)におけるE3及びL3と同義である。式(3−e)〜(3−h)で表される構造を有する化合物の分子量は、重合条件により任意であり、数平均分子量5,000から500,000が好ましく、5,000から50,000が更に好ましい。 E 15 and L 15 are synonymous with E 3 and L 3 in the general formula (3-1). The molecular weight of the compound having the structure represented by the formulas (3-e) to (3-h) is arbitrary depending on the polymerization conditions, and the number average molecular weight is preferably 5,000 to 500,000, preferably 5,000 to 50, 000 is more preferable.

以下に式(1−4)及び(1−5)で表される化合物の具体例を挙げるがこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the compounds represented by the formulas (1-4) and (1-5) are shown below, but are not limited thereto.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

Figure 0004316973
Figure 0004316973


Figure 0004316973
Figure 0004316973

[2−3]他の有機ケイ素化合物の添加
材料の特性を向上させるため、必要に応じて、他の金属アルコキシドやケイ素化合物を添加しても良い。これらは、例えば架橋剤として機能し、酸を多く保持することができる。また前駆体の有機ケイ素化合物と複合化し、柔軟性と強度を付与することができる。好ましい金属アルコキシドとしては、Al、Ti、Zr等のアルコキシドが挙げられる。好ましいケイ素化合物の例としては、下記一般式(1−3)で表される有機ケイ素化合物、又はそれらをモノマーとするポリマーが挙げられる。
[2-3] Addition of other organosilicon compounds Other metal alkoxides or silicon compounds may be added as necessary to improve the properties of the material. These function as, for example, a crosslinking agent and can retain a large amount of acid. Further, it can be combined with a precursor organosilicon compound to impart flexibility and strength. Preferred metal alkoxides include alkoxides such as Al, Ti and Zr. As an example of a preferable silicon compound, the organosilicon compound represented by the following general formula (1-3), or a polymer using them as a monomer can be given.

Figure 0004316973
一般式(1−3)中、R12は置換又は無置換のアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、Z1はハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素等)又はOR15を表し、R15は水素原子、アルキル基、アリール基又はシリル基を表し、m13は0〜4の整数を表す。m13及び/又は4−m13が2以上のときR12及びZ1はそれぞれ同一でも異なっても良い。また、R12又はR12の置換基により互いに連結し、多量体を形成していてもよい。
Figure 0004316973
In the general formula (1-3), R 12 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, aryl group or heterocyclic group, Z 1 represents a halogen atom (chlorine, bromine, iodine, etc.) or OR 15 , and R 15 Represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a silyl group, and m13 represents an integer of 0 to 4. When m13 and / or 4-m13 is 2 or more, R 12 and Z 1 may be the same or different. Further, they may be linked to each other by a substituent of R 12 or R 12 to form a multimer.

一般式(1−3)のR12及びZ1はそれぞれ一般式(1−1)のR11及びX1と同義である。m13は0又は1が好ましく、Z1はOR15が好ましく、R15はアルキル基が好ましい。m13が0のときの好ましい化合物例としては、テトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエトキシシラン(TEOS)等が挙げられ、m13が1のときの好ましい化合物例としては以下の化合物が挙げられる。 R 12 and Z 1 in the general formula (1-3) have the same meanings as R 11 and X 1 in the general formula (1-1), respectively. m13 is preferably 0 or 1, Z 1 is preferably OR 15 , and R 15 is preferably an alkyl group. Examples of preferable compounds when m13 is 0 include tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS) and the like, and preferable examples of compounds when m13 is 1 include the following compounds.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

一般式(1−3)で表される化合物を併用する場合、前駆体の有機ケイ素化合物に対して1〜50モル%の範囲で用いるのが好ましく、10〜25モル%の範囲で用いるのがより好ましい。   When the compound represented by the general formula (1-3) is used in combination, it is preferably used in the range of 1 to 50 mol%, and more preferably in the range of 10 to 25 mol%, relative to the precursor organosilicon compound. More preferred.

[2−4] 製膜方法
本発明において、ゾル−ゲル反応混合物を塗布する際の支持体は特に限定されないが、好ましい例としてはガラス基板、金属基板、高分子フイルム、反射板等を挙げることができる。高分子フイルムとしては、TAC(トリアセチルセルロース)等のセルロース系高分子フイルム、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のエステル系高分子フイルム、PTFE(ポリトリフルオロエチレン)等のフッ素系高分子等が挙げられる。塗布方式は公知の方法でよく、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を用いることができる。
[2-4] Film-forming method In the present invention, the support for applying the sol-gel reaction mixture is not particularly limited. Preferred examples include a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, and a reflector. Can do. Polymer films include cellulose polymer films such as TAC (triacetyl cellulose), ester polymer films such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate), and fluorine such as PTFE (polytrifluoroethylene). Based polymers and the like. The coating method may be a known method, for example, curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. it can.

細孔を有する基材上にゾル−ゲル反応液を塗布して膜を形成してもよいし、基材をゾル−ゲル反応液に浸漬し、細孔内にプロトン伝導材料を満して膜を形成してもよい。細孔を有する基材の好ましい例としては、多孔性ポリプロピレン、多孔性ポリテトラフルオロエチレン、多孔性架橋型耐熱性ポリエチレン、多孔性ポリイミド膜等が挙げられる。   A film may be formed by applying a sol-gel reaction solution on a substrate having pores, or the substrate is immersed in the sol-gel reaction solution, and the pores are filled with a proton conductive material. May be formed. Preferable examples of the substrate having pores include porous polypropylene, porous polytetrafluoroethylene, porous cross-linked heat-resistant polyethylene, and porous polyimide film.

有機ケイ素化合物を前駆体として用いるゾル−ゲル反応は、ゾル−ゲル反応液を塗布した後、有機ケイ素化合物の有機部位が配向しながら進行する。ゾル−ゲル組成物の配向を促進させるために様々な手法を採用することができる。例えば、前述の支持体等に事前に配向処理を施すことができる。配向処理としては一般的な種々の方法を採用できるが、好ましくは各種ポリイミド系配向膜、ポリビニルアルコール系配向膜等の液晶配向層を支持体等の上に設け、ラビング等の配向処理行う方法、支持体上のゾル−ゲル組成物に磁場や電場等を印加する方法、加熱する方法等を用いることができる。   The sol-gel reaction using the organosilicon compound as a precursor proceeds while applying the sol-gel reaction solution while the organic sites of the organosilicon compound are oriented. Various techniques can be employed to promote the orientation of the sol-gel composition. For example, the above-described support or the like can be subjected to an orientation treatment in advance. Various general methods can be adopted as the alignment treatment, but preferably a method for performing alignment treatment such as rubbing by providing a liquid crystal alignment layer such as various polyimide alignment films and polyvinyl alcohol alignment films on a support, etc. A method of applying a magnetic field or an electric field to the sol-gel composition on the support, a method of heating, or the like can be used.

有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導膜の配向状態は、偏光顕微鏡により光学異方性を観察することにより確認することができる。観察方向は任意でよいが、クロスニコル下でサンプルを回転させ、明暗が切り替わる部分があれば異方性があるといえる。配向状態は異方性を示す状態であれば特に制限はない。液晶相と認識できるテクスチャーが観察される場合は相を特定することができる。この場合、リオトロピック液晶相でもサーモトロピック液晶相でも他の相でもよい。配向状態はリオトロピック液晶相の場合は、ヘキサゴナル相、キュービック相、ラメラ相、スポンジ相、ミセル相が好ましく、特に室温ではラメラ相もしくはスポンジ相を示すことが好ましい。サーモトロピック液晶相の場合は、ネマチック相、スメクチック相、クリスタル相、カラムナー相およびコレステリック相が好ましく、特に室温ではスメクチック相、クリスタル相を示すことが好ましい。また、これらの相における配向が固体状態で保持されている配向状態も好ましい。尚、本発明でいう異方性とは分子の方向ベクトルが等方的ではない状態をいう。   The orientation state of the organic-inorganic hybrid proton conductive membrane can be confirmed by observing optical anisotropy with a polarizing microscope. The observation direction may be arbitrary, but it can be said that there is anisotropy if there is a portion where the light and darkness are switched by rotating the sample under crossed Nicols. The orientation state is not particularly limited as long as it exhibits anisotropy. When a texture that can be recognized as a liquid crystal phase is observed, the phase can be specified. In this case, it may be a lyotropic liquid crystal phase, a thermotropic liquid crystal phase, or another phase. In the case of a lyotropic liquid crystal phase, the alignment state is preferably a hexagonal phase, a cubic phase, a lamellar phase, a sponge phase, or a micelle phase, and particularly preferably exhibits a lamellar phase or a sponge phase at room temperature. In the case of the thermotropic liquid crystal phase, a nematic phase, a smectic phase, a crystal phase, a columnar phase and a cholesteric phase are preferable, and a smectic phase and a crystal phase are particularly preferable at room temperature. An orientation state in which the orientation in these phases is maintained in a solid state is also preferable. The anisotropy referred to in the present invention means a state where the direction vector of the molecule is not isotropic.

本発明のプロトン伝導膜の厚さは、10〜500μmが好ましく、25〜100μmが特に好ましい。   The thickness of the proton conducting membrane of the present invention is preferably 10 to 500 μm, particularly preferably 25 to 100 μm.

[2−5] 無機フィラーの添加
本発明では、膜の特性(機械的強度、イオン伝導性等)を改良するため無機微粒子(無機フィラー)を添加してもよい。無機微粒子は、シリカ(酸化ケイ素)、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化チタン等の無機酸化物が好ましく、二種以上を混合して用いてもよい。無機微粒子の粒子サイズは、一次粒子の平均径が好ましくは500 nm以下、より好ましくは200nm以下、特に好ましくは、2〜200nmである。無機微粒子は、結晶であっても非晶質であってもよく、これらの混合物であってもよい。
[2-5] Addition of inorganic filler In the present invention, inorganic fine particles (inorganic filler) may be added in order to improve the film properties (mechanical strength, ion conductivity, etc.). The inorganic fine particles are preferably inorganic oxides such as silica (silicon oxide), aluminum oxide, zinc oxide, magnesium oxide, and titanium oxide, and two or more kinds may be mixed and used. As for the particle size of the inorganic fine particles, the average diameter of the primary particles is preferably 500 nm or less, more preferably 200 nm or less, and particularly preferably 2 to 200 nm. The inorganic fine particles may be crystalline or amorphous, or a mixture thereof.

無機微粒子として、ジメチルシリコーンオイル、シランカップリング剤等で表面処理したものを用いてもよい。例えばシリカの場合、粉末状の二酸化ケイ素を主成分とするアモルファスシリカ表面をメチル基、オクチルシリル基又はトリメチルシリル基で処理した疏水化アモルファスシリカ等を用いることができる。   As the inorganic fine particles, those treated with dimethyl silicone oil, a silane coupling agent or the like may be used. For example, in the case of silica, it is possible to use a hydrated amorphous silica obtained by treating an amorphous silica surface mainly composed of powdered silicon dioxide with a methyl group, an octylsilyl group, or a trimethylsilyl group.

[2−6]重合性基(例えば、上記R23の重合)
重合性基R23が、(メタ)アクリロイル基、ビニル基、エチニル基等の炭素−炭素不飽和結合である場合、大津隆行・木下雅悦共著「高分子合成の実験法」, 化学同人や大津隆行著「講座重合反応論1ラジカル重合(I)」, 化学同人に記載された一般的な高分子合成法であるラジカル重合法を用いることができる。ラジカル重合法は、熱重合開始剤を用いる熱重合法と光重合開始剤を用いる光重合法を使用することができる。熱重合開始剤の好ましい例としては、2,2'−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2'−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2'−アゾビス(2−メチルプロピオネート)等のアゾ系開始剤、ベンゾイルパーオキシド等の過酸化物系開始剤等が挙げられ、光重合開始剤の好ましい例としては、α−カルボニル化合物(米国特許2367661号及び同2367670号の各明細書)、アシロインエーテル、α−炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許2722512号明細書)、多核キノン化合物(米国特許3046127号及び同2951758号の各明細書)、トリアリールイミダゾールダイマーとp−アミノフェニルケトンとの組み合わせ、アクリジン及びフェナジン化合物(特開昭60−105667号公報及び米国特許4239850号明細書)及びオキサジアゾール化合物(米国特許4212970号明細書)が挙げられる。
[2-6] Polymerizable group (for example, polymerization of R 23 above)
When the polymerizable group R 23 is a carbon-carbon unsaturated bond such as a (meth) acryloyl group, a vinyl group, an ethynyl group, etc., Takayuki Otsu and Masaaki Kinoshita, “Experimental Methods for Polymer Synthesis”, Kagaku Dojin and Otsu The radical polymerization method, which is a general polymer synthesis method described in Takayuki's "Lecture Polymerization Reaction Theory 1 Radical Polymerization (I)", Chemistry Dojin, can be used. As the radical polymerization method, a thermal polymerization method using a thermal polymerization initiator and a photopolymerization method using a photopolymerization initiator can be used. Preferred examples of the thermal polymerization initiator include 2,2′-azobis (isobutyronitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2,2′-azobis (2-methyl). Azo initiators such as propionate) and peroxide initiators such as benzoyl peroxide. Preferred examples of the photopolymerization initiator include α-carbonyl compounds (US Pat. Nos. 2,367,661 and 2,367,670). ), Acyloin ether, α-hydrocarbon substituted aromatic acyloin compound (US Pat. No. 2,722,512), polynuclear quinone compound (US Pat. Nos. 3,046,127 and 2,951,758), triarylimidazole dimer And a combination of p-aminophenylketone, acridine and phenazine compounds (JP 60-105667 A) Publications and U.S. Patent 4239850 Pat) and oxadiazole compounds (U.S. Patent 4,212,970 No. herein).

重合開始剤は、ゾル−ゲル反応前に反応液に添加しても、当該反応液を塗布する直前に添加しても良い。重合開始剤の添加量はモノマー総量に対し好ましくは0.01〜20質量%であり、より好ましくは0.1〜10質量%である。   The polymerization initiator may be added to the reaction solution before the sol-gel reaction or may be added immediately before the reaction solution is applied. The addition amount of the polymerization initiator is preferably 0.01 to 20% by mass, more preferably 0.1 to 10% by mass, based on the total amount of monomers.

23がエチレンオキシド基やトリメチレンオキシド基のようなアルキレンオキシド基の場合、重合触媒としてはプロトン酸(上記(2−1)で挙げたもの)やルイス酸(好ましくは三フッ化ホウ素(エーテル錯体を含む)、塩化亜鉛、塩化アルミニウム等)を用いる。プロトン酸としてゾル−ゲル反応のプロトン酸を用いる場合にはR23の重合用にプロトン酸を特に添加しなくてもよいが、添加する場合には塗布する直前に反応液に添加するのが好ましい。重合は、通常塗布後に加熱又は光照射することにより膜中で進行する。これにより分子の配向状態が固定され、また膜の強度も向上する。 When R 23 is an alkylene oxide group such as an ethylene oxide group or a trimethylene oxide group, the polymerization catalyst is a protonic acid (as mentioned in (2-1) above) or a Lewis acid (preferably boron trifluoride (ether complex). Zinc chloride, aluminum chloride, etc.). In the case of using a sol-gel reaction proton acid as the proton acid, it is not particularly necessary to add a proton acid for the polymerization of R 23 , but when it is added, it is preferably added to the reaction solution immediately before coating. . Polymerization usually proceeds in the film by heating or light irradiation after coating. As a result, the molecular orientation is fixed and the strength of the film is improved.

[2−7] 高分子化合物の添加
本発明のプロトン伝導膜には、(1)膜の機械的強度を高める目的、及び(2)膜中の酸濃度を高める目的で種々の高分子化合物を含有させてもよい。
[2-7] Addition of polymer compound The proton conducting membrane of the present invention contains various polymer compounds for the purpose of (1) increasing the mechanical strength of the membrane and (2) increasing the acid concentration in the membrane. You may make it contain.

(1)機械的強度を高めるためには、好ましくは、分子量10,000〜1,000,000の本発明のプロトン伝導材料と相溶性のよい高分子化合物を添加するとよい。例えば、パーフッ素化ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレングリコール、ポリオキセタン、ポリ(メタ)アクリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンなど、及びこれらの共重合体があげられる。当該高分子化合物の含有量は1〜30質量%の範囲が好ましい。   (1) In order to increase the mechanical strength, it is preferable to add a polymer compound having a molecular weight of 10,000 to 1,000,000 and having good compatibility with the proton conducting material of the present invention. Examples thereof include perfluorinated polymers, polystyrene, polyethylene glycol, polyoxetane, poly (meth) acrylate, polyether ketone, polyether sulfone, and copolymers thereof. The content of the polymer compound is preferably in the range of 1 to 30% by mass.

(2)酸濃度を高めるためには、ナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱芳香族高分子のスルホン化物などのプトロン酸部位を有する高分子化合物などを用いることが好ましい。当該高分子化合物の含有量は1〜30質量%の範囲が好ましい。   (2) In order to increase the acid concentration, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion, poly (meth) acrylate having a phosphate group in the side chain, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone It is preferable to use a polymer compound having a ptronic acid moiety such as a sulfonated product of a heat-resistant aromatic polymer such as sulfonated polysulfone or sulfonated polybenzimidazole. The content of the polymer compound is preferably in the range of 1 to 30% by mass.

[2―8]プロトン伝導膜への触媒金属の添加
本発明のプロトン伝導膜には、アノード燃料及び/又はカソード燃料の酸化還元反応を促進させる活性金属触媒を添加してもよい。これにより、プロトン伝導膜中に浸透した燃料が他方極に到達すること無くプロトン伝導膜中で消費させることができ、クロスオーバーを防ぐことができる。用いる活性金属種は、電極触媒として機能するものであれば制限は無いが、白金または白金を基にした合金が好ましい。
[2-8] Addition of Catalytic Metal to Proton Conducting Membrane An active metal catalyst that promotes the redox reaction of the anode fuel and / or the cathode fuel may be added to the proton conducting membrane of the present invention. As a result, the fuel that has penetrated into the proton conducting membrane can be consumed in the proton conducting membrane without reaching the other electrode, and crossover can be prevented. The active metal species to be used is not limited as long as it functions as an electrode catalyst, but platinum or an alloy based on platinum is preferable.

[3]燃料電池
本発明の有機−無機ハイブリッド材料をプロトン伝導材料に用いた燃料電池について説明する。
[3] Fuel Cell A fuel cell using the organic-inorganic hybrid material of the present invention as a proton conductive material will be described.

[3−1]電池の構成
図1は燃料電池で使用する触媒電極接合体(以下「MEA」と呼ぶ)10を示す。MEA10はプロトン伝導膜11と、それを挟んで対向するカソード側電極12及びアノード側電極13を有する。
[3-1] Structure of Battery FIG. 1 shows a catalyst electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 10 used in a fuel cell. The MEA 10 includes a proton conducting membrane 11 and a cathode side electrode 12 and an anode side electrode 13 which are opposed to each other with the proton conducting membrane 11 interposed therebetween.

カソード側電極12とアノード側電極13は、多孔質導電材料(例えばカーボンペーパー)12a、13aと触媒層12b、13bとを有する。触媒層は、白金粒子等の触媒金属を担持したカーボン粒子(例えばケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等)をプロトン伝導材料(例えばナフィオン等)に分散させた分散物からなる。触媒層12b、13bをプロトン伝導膜11に密着させるために、多孔質導電材料12a、13aに触媒層12b、13bを塗設したものをプロトン伝導膜11にホットプレス法(好ましくは120〜130℃、2〜100 kg/cm2)で圧着するか、適当な支持体に触媒層12b、13bを塗設したものをプロトン伝導膜11に転写しながら圧着した後、多孔質導電材料12a、13aで挟み込む方法を一般に用いる。 The cathode side electrode 12 and the anode side electrode 13 have porous conductive materials (for example, carbon paper) 12a and 13a and catalyst layers 12b and 13b. The catalyst layer is made of a dispersion in which carbon particles (for example, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, etc.) carrying a catalyst metal such as platinum particles are dispersed in a proton conductive material (for example, Nafion). In order to bring the catalyst layers 12b and 13b into close contact with the proton conductive membrane 11, the porous conductive materials 12a and 13a coated with the catalyst layers 12b and 13b are applied to the proton conductive membrane 11 by a hot press method (preferably 120 to 130 ° C. , 2-100 kg / cm 2 ), or after pressure-bonding an appropriate support coated with the catalyst layers 12b, 13b while being transferred to the proton conductive membrane 11, the porous conductive materials 12a, 13a A sandwiching method is generally used.

図2は燃料電池単セルの一例を示す。燃料電池はMEA10と、MEA10を挟持する一対のセパレータ21、22と、セパレータ21、22に取り付けられたステンレスネットからなる集電体17及びパッキン14とを有する。カソード極側のセパレータ21にはカソード極側開口部15が設けられ、アノード極側のセパレータ22にはアノード極側開口部16が設けられている。カソード極側開口部15からは、水素、アルコール類(メタノール等)等のガス燃料又はアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、アノード極側開口部16からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。   FIG. 2 shows an example of a single fuel cell. The fuel cell includes an MEA 10, a pair of separators 21 and 22 that sandwich the MEA 10, and a current collector 17 and a packing 14 that are stainless steel nets attached to the separators 21 and 22. The cathode electrode side separator 15 is provided with a cathode electrode side opening 15, and the anode electrode side separator 22 is provided with an anode electrode side opening 16. A gas fuel such as hydrogen and alcohols (such as methanol) or a liquid fuel such as an aqueous alcohol solution is supplied from the cathode electrode side opening 15, and an oxidant gas such as oxygen gas and air is supplied from the anode electrode side opening 16. Is supplied.

[3−2]触媒材料
アノード電極及びカソード電極には、例えば、カーボン材料に白金などの活性金属粒子を担持した触媒を用いることができる。通常用いられる活性金属の粒子径は、好ましくは、2〜10nmの範囲である。粒子径を10nm以下とすると、単位質量当りの表面積が大きくなり、活性を高めることができる。一方、粒子径を、2nm以上とすることにより、凝集させずに分散させることが容易になる。
[3-2] Catalyst Material For the anode electrode and the cathode electrode, for example, a catalyst in which active metal particles such as platinum are supported on a carbon material can be used. The particle diameter of the normally used active metal is preferably in the range of 2 to 10 nm. When the particle diameter is 10 nm or less, the surface area per unit mass is increased, and the activity can be enhanced. On the other hand, when the particle diameter is 2 nm or more, it becomes easy to disperse without aggregation.

水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極(水素極)に比べ、カソード極(空気極)が大きい。これは、アノード極に比べ、カソード極の反応(酸素の還元)が遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Cu、Pt−Feなどのさまざまな白金基二元金属を用いることができる。アノード燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール燃料電池においては、メタノールの酸化過程で生じるCOによる触媒被毒を抑制することが重要である。この目的のために、Pt−Ru、Pt−Fe、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Moなどの白金基二元金属、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−W、Pt−Ru−Co、Pt−Ru−Fe、Pt−Ru−Ni、Pt−Ru−Cu、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Auなどの白金基三元金属を用いることができる。   The active polarization in the hydrogen-oxygen fuel cell is larger in the cathode electrode (air electrode) than in the anode electrode (hydrogen electrode). This is because the cathode electrode reaction (oxygen reduction) is slower than the anode electrode. For the purpose of improving the activity of the oxygen electrode, various platinum-based binary metals such as Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Cu, and Pt—Fe can be used. In a direct methanol fuel cell using an aqueous methanol solution as an anode fuel, it is important to suppress catalyst poisoning due to CO that occurs during the oxidation process of methanol. For this purpose, platinum-based binary metals such as Pt—Ru, Pt—Fe, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Mo, Pt—Ru—Mo, Pt—Ru—W, Pt—Ru—Co. Platinum-based ternary metals such as Pt—Ru—Fe, Pt—Ru—Ni, Pt—Ru—Cu, Pt—Ru—Sn, and Pt—Ru—Au can be used.

活性金属を担持させるカーボン材料としては、アセチレンブラック、Vulcan XC−72、ケチェンブラック、カーボンナノホーン(CNH)、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましく用いられる。   As the carbon material for supporting the active metal, acetylene black, Vulcan XC-72, ketjen black, carbon nanohorn (CNH), and carbon nanotube (CNT) are preferably used.

[3−3]触媒層の構成と材料
触媒層の機能は、(1)燃料を活性金属に輸送すること(2)燃料の酸化(アノード極)、還元(カソード極)反応の場を提供すること、(3)酸化還元により生じた電子を集電体に伝達すること、(4)反応により生じたプロトンをプロトン伝導膜に輸送すること、である。 (1)のために触媒層は、液体及び気体燃料が奥まで透過できる多孔質性であることが必要である。(2)は[3−2]で述べた活性金属触媒が、(3)は同じく[3−2]で述べたカーボン材料が担う。(4)の機能を果たすために、触媒層にプロトン伝導材料を混在させる。
[3-3] Structure and material of catalyst layer The function of the catalyst layer provides (1) transport of fuel to active metal (2) oxidation (anode) and reduction (cathode) reaction fields of fuel (3) transferring electrons generated by redox to the current collector, and (4) transporting protons generated by the reaction to the proton conducting membrane. For (1), the catalyst layer needs to be porous so that liquid and gaseous fuel can permeate deeply. (2) is the active metal catalyst described in [3-2], and (3) is the same as the carbon material described in [3-2]. In order to fulfill the function (4), a proton conductive material is mixed in the catalyst layer.

触媒層のプロトン伝導材料は、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、プロトン伝導膜に用いられる酸残基を有する高分子化合物(例えばナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸、側鎖リン酸基ポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱性芳香族高分子のスルホン化物など)、酸が固定された有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料(例えば、特開平10−69817号公報、特開平11−203936号公報、特開2001−307752号公報、特許第3103888号公報等に記載のプロトン伝導材料)などが好ましく用いられる。また、本発明のプロトン伝導膜に用いる前駆体をゾル−ゲル反応して得られるプロトン伝導材料を触媒層に用いることも可能である。この場合、プロトン伝導膜と同種の材料であるため、プロトン伝導膜と触媒層との密着性が高まり有利である。   The proton conductive material of the catalyst layer is not limited as long as it is a solid having a proton donating group, but a polymer compound having an acid residue used for the proton conductive membrane (for example, perfluorocarbon sulfonic acid represented by Nafion, side Sulfonated products of heat-resistant aromatic polymers such as chain phosphate group poly (meth) acrylate, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polybenzimidazole, etc.), organic-inorganic hybrid proton conducting material with fixed acid ( For example, proton conductive materials described in JP-A-10-69817, JP-A-11-203936, JP-A-2001-307752, JP-A-3103888 and the like are preferably used. Moreover, it is also possible to use the proton conductive material obtained by carrying out the sol-gel reaction of the precursor used for the proton conductive film of this invention for a catalyst layer. In this case, since the same material as the proton conducting membrane is used, the adhesion between the proton conducting membrane and the catalyst layer is advantageously increased.

活性金属の使用量は、0.03〜10mg/cm2の範囲が電池出力と経済性の観点から好ましい。活性金属を担持するカーボン材料の量は、活性金属の質量に対して、1〜10倍が好ましい。プロトン伝導材料の量は、活性金属担持カーボンの質量に対して、0.1〜0.7倍が好ましい。 The amount of active metal used is preferably in the range of 0.03 to 10 mg / cm 2 from the viewpoint of battery output and economy. The amount of the carbon material supporting the active metal is preferably 1 to 10 times the mass of the active metal. The amount of the proton conductive material is preferably 0.1 to 0.7 times the mass of the active metal-carrying carbon.

[3−4] 多孔質導電シート(電極基材)
多孔質導電シートは、電極基材、拡散層、あるいは裏打ち材とも呼ばれ、集電機能及び水がたまりガスの拡散が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用する。また、撥水化のためにPTFE処理を施したものを使用することもできる。
[3-4] Porous conductive sheet (electrode substrate)
The porous conductive sheet is also called an electrode base material, a diffusion layer, or a backing material, and plays a role of preventing current collection and water accumulation and gas diffusion from deteriorating. Usually, carbon paper or carbon cloth is used. Moreover, what gave PTFE process for water repellency can also be used.

[3−5] MEA(電極膜複合体)の作成
MEAの作製として、例えば以下の手法があげられる。
(1)プロトン伝導膜塗布法:活性金属担持カーボン、プトロン伝導材料、溶媒を基本要素とする触媒ペースト(インク)をプロトン伝導膜の両側に直接塗布し、多孔質導電シートを(熱)圧着して5層構成のMEAを作製する。
(2)多孔質導電シート塗布法:触媒ペーストを多孔質導電シート表面に塗布し、触媒層を形成させた後、プロトン伝導膜と圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(3)Decal法:触媒ペーストをPTFE上に塗布し、触媒層を形成させた後、プロトン伝導膜に触媒層のみを転写させ3層のMEAを形成させ、多孔質導電シートを圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(4)触媒後担持法:白金未担持カーボン材料をプロトン伝導材料とともに混合したインクをプロトン伝導膜、多孔質導電シートあるいはPTFE上に塗布・製膜した後、白金イオンを当該膜に含浸させ、白金粒子を膜中で還元析出させて触媒層を形成させる。触媒層を形成させた後は、上記(1)〜(3)の方法にてMEAを作製する。
[3-5] Preparation of MEA (Electrode Membrane Complex) Examples of the preparation of MEA include the following methods.
(1) Proton conductive membrane coating method: A catalyst paste (ink) based on active metal-carrying carbon, putron conductive material, and solvent is applied directly to both sides of the proton conductive membrane, and a porous conductive sheet is (thermally) pressed. A five-layer MEA is manufactured.
(2) Porous conductive sheet coating method: After a catalyst paste is coated on the surface of the porous conductive sheet to form a catalyst layer, it is pressure-bonded to a proton conductive membrane to produce a 5-layer MEA.
(3) Decal method: After applying a catalyst paste on PTFE to form a catalyst layer, only the catalyst layer is transferred to the proton conductive membrane to form a three-layer MEA, and a porous conductive sheet is pressure-bonded. A MEA having a layer structure is manufactured.
(4) Post-catalyst support method: After applying and forming an ink in which a platinum unsupported carbon material is mixed with a proton conductive material on a proton conductive membrane, a porous conductive sheet or PTFE, the membrane is impregnated with platinum ions, Platinum particles are reduced and deposited in the film to form a catalyst layer. After the formation of the catalyst layer, the MEA is produced by the methods (1) to (3) above.

[3−6] 燃料及び供給方法
固体高分子膜を用いる燃料電池の燃料として用いることのできるのは、アノード燃料としては、水素、アルコール類(メタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど)、エーテル類(ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど)、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられる。カソード燃料としては、酸素(大気中の酸素も含む)、過酸化水素などが挙げられる。
[3-6] Fuel and Supply Method As fuel for a fuel cell using a solid polymer membrane, as anode fuel, hydrogen, alcohols (methanol, isopropanol, ethylene glycol, etc.), ethers (dimethyl ether) can be used. , Dimethoxymethane, trimethoxymethane, etc.), formic acid, borohydride complexes, ascorbic acid and the like. Examples of the cathode fuel include oxygen (including oxygen in the atmosphere) and hydrogen peroxide.

直接メタノール型燃料電池では、アノード燃料として、メタノール濃度3〜64質量%のメタノール水溶液が使用される。アノード反応式(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e)により、1モルのメタノールに対し、1モルの水が必要であり、この時のメタノール濃度は64質量%に相当する。メタノール濃度が高い程、同エネルギー容量での燃料タンクを含めた電池の質量及び体積が小さくできる。一方、メタノール濃度が低い程、メタノールがプロトン伝導膜を透過しカソード側で酸素と反応し電圧を低下させる、いわゆるクロスオーバー現象を防ぐことができ、出力が低下を防止できる。すなわち、用いるプロトン伝導膜のメタノール透過性により、最適濃度が決められる。直接メタノール型燃料電池のカソード反応式は、(3/2O2+6H++6e→H2O)であり、燃料として酸素(例えば、空気中の酸素)が用いられる。 In the direct methanol fuel cell, a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 3 to 64% by mass is used as the anode fuel. According to the anode reaction formula (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e), 1 mol of water is required for 1 mol of methanol, and the methanol concentration at this time corresponds to 64% by mass. The higher the methanol concentration, the smaller the mass and volume of the battery including the fuel tank with the same energy capacity. On the other hand, the lower the methanol concentration, the more the so-called crossover phenomenon that methanol permeates through the proton conducting membrane and reacts with oxygen on the cathode side to lower the voltage, and the output can be prevented from lowering. That is, the optimum concentration is determined by the methanol permeability of the proton conducting membrane used. The cathode reaction formula of the direct methanol fuel cell is (3 / 2O 2 + 6H + + 6e → H 2 O), and oxygen (for example, oxygen in the air) is used as the fuel.

上記、アノード燃料及びカソード燃料を、それぞれの触媒層に供給する方法には、例えば、(1)ポンプ等の補機を用いて強制循環させる方法(アクティブ型)と、(2)補機を用いない方法(例えば、液体の場合には毛管現象や自然落下により、気体の場合には大気に触媒層を晒し供給するパッシブ型)の2通りがあげられる。上記(1)は、カソード燃料で生成する水を循環させることにより、燃料として高濃度のメタノールが使用可能となり、空気供給による高出力化が可能である。しかし、燃料供給系を備える事により小型化がし難い場合がある。一方、上記(2)は、小型化が可能なであるが、燃料供給が律速となり易く高い出力が出にくい場合がある。従って、好ましくは、アノード燃料及びカソード燃料に対し、上記(1)及び(2)の方法を組み合わせる方法を採用する。   For the method of supplying the anode fuel and the cathode fuel to the respective catalyst layers, for example, (1) a method of forced circulation using an auxiliary device such as a pump (active type) and (2) an auxiliary device are used. There are two types of methods (for example, a passive type in the case of liquid due to capillary action or natural fall, and in the case of gas, a passive type in which the catalyst layer is exposed and supplied to the atmosphere). In (1) above, by circulating the water produced by the cathode fuel, high-concentration methanol can be used as the fuel, and high output by air supply is possible. However, it may be difficult to reduce the size by providing the fuel supply system. On the other hand, the above (2) can be reduced in size, but the fuel supply is likely to be rate-determined and there is a case where high output is difficult to be output. Therefore, a method of combining the above methods (1) and (2) with respect to the anode fuel and the cathode fuel is preferably employed.

[3−7] セルのスタッキング
燃料電池の単セル電圧は、一般的に1V以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて単セルを直列スタッキングして用いるとよい。スタッキングの方法としては、例えば、(1)単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」や(2)単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレーターを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。平面スタッキングは、カソード極(空気極)が表面に出るため、空気を取り入れ易く、薄型にできることから小型燃料電池に、より適している。この他、MEMS技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も採用できる。
[3-7] Cell Stacking Since the single cell voltage of the fuel cell is generally 1 V or less, it is preferable to stack the single cells in series according to the required voltage of the load. Examples of stacking methods include (1) “planar stacking” in which single cells are arranged on a plane, and (2) “bipolar stacking” in which single cells are stacked via separators having fuel flow paths formed on both sides. Used. Planar stacking is more suitable for a small fuel cell because the cathode electrode (air electrode) comes out on the surface and air can be easily taken in and can be made thin. In addition, it is also possible to adopt a method of stacking by applying a fine processing on a silicon wafer by applying MEMS technology.

[4]燃料電池のアプリケーション
燃料電池は、自動車用、家庭用、携帯機器用、ポータブル機器用など様々な利用が考えられている。特に、直接メタノール型燃料電池は、小型化・軽量化が可能であること、充電が不要であることを活かした様々なエネルギー源としての利用が期待されている。例えば、携帯電話、モバイルノートパソコン、電子スチルカメラ、PDA、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、モバイルサーバー、ウエラブルパソコン、モバイルディスプレイ、ポータブル発電機、野外照明機器、懐中電灯、電動(アシスト)自転車などが挙げられる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された2次電池の充電用電源としても有用である。
[4] Applications of fuel cells Fuel cells are considered for various uses such as automobiles, homes, portable devices, and portable devices. In particular, direct methanol fuel cells are expected to be used as various energy sources by taking advantage of the fact that they can be reduced in size and weight and do not require charging. For example, mobile phones, mobile notebook computers, electronic still cameras, PDAs, video cameras, portable game machines, mobile servers, wearable personal computers, mobile displays, portable generators, outdoor lighting equipment, flashlights, electric (assist) bicycles, etc. Can be mentioned. Moreover, it can be preferably used as a power source for industrial or household robots or other toys. Furthermore, it is also useful as a power source for charging secondary batteries mounted on these devices.

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

[合成例1−1]
下記合成経路により前駆体(S−1−1)を合成した。
[Synthesis Example 1-1]
The precursor (S-1-1) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1)中間体(M−1−2)の合成
p−(trans−4−ペンチルシクロヘキシル)フェノール(M−1−1、関東化学(株)製)(24.6g、100mmol)をDMF100mlに溶解し、炭酸カリウム25gを加え、80℃に加熱攪拌しながら、11−ブロモ−1−ウンデセン(24.5g、105mmol)を10分間で滴下した。3時間加熱攪拌した後、反応混合物を300mlの水に注ぎ、結晶を捕集した。得られた粗結晶をメタノールで再結晶し、36.4gの中間体(M−1−2)を得た。
(1) Synthesis of Intermediate (M-1-2) p- (trans-4-pentylcyclohexyl) phenol (M-1-1, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) (24.6 g, 100 mmol) was dissolved in 100 ml of DMF. Then, 25 g of potassium carbonate was added, and 11-bromo-1-undecene (24.5 g, 105 mmol) was added dropwise over 10 minutes while heating and stirring at 80 ° C. After stirring with heating for 3 hours, the reaction mixture was poured into 300 ml of water to collect crystals. The obtained crude crystals were recrystallized from methanol to obtain 36.4 g of an intermediate (M-1-2).

(2)(S−1−1)の合成
(M−1−2)(3.99g、10mmol)とトリエトキシシラン(1.8g、11mmol)をトルエンに溶解し、反応容器内を窒素置換した。反応液を80℃に保ち、塩化白金酸(5mg)を加え、3時間加熱した。反応混合物を濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、1.1gの(S−1−1)を無色油状物として得た。
(2) Synthesis of (S-1-1) (M-1-2) (3.9 g, 10 mmol) and triethoxysilane (1.8 g, 11 mmol) were dissolved in toluene, and the inside of the reaction vessel was purged with nitrogen. . The reaction solution was kept at 80 ° C., chloroplatinic acid (5 mg) was added, and the mixture was heated for 3 hours. The reaction mixture was concentrated and purified by silica gel column chromatography to obtain 1.1 g of (S-1-1) as a colorless oil.

[合成例1−2]
下記合成経路により前駆体(S−1−4)を合成した。
[Synthesis Example 1-2]
The precursor (S-1-4) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1)中間体(M−1−7)の合成
1,1,1−トリス−ヒドロキシメチルエタン(M−1−4)(100g、833mmol)と2,2−ジメトキシプロパン(100g、917mmol)をクロロホルム750mlに溶解し、1gのp−トルエンスルホン酸水和物を加え、モレキュラーシーブス3Aを備えたソックスレイ抽出器を用いて7時間加熱還流した。反応混合物に炭酸カリウム4gを添加し、室温で20分攪拌した後、反応混合物をろ過し、濃縮して136gの(M−1−5)を無色油状物として得た。得られた(M−1−5)(135g、833mmol)をTHF400mlに溶解し、トリエチルアミン143ml、及びジメチルアミノピリジン5gを加え、室温で塩化パラトルエンスルホニル(178g、916mmol)を添加した。反応混合物を6時間加熱還流した後、反応液に水を加え、酢酸エチルで抽出し、濃縮後得られた残渣をノルマルヘキサンで結晶化し、225gの(M−1−6)を得た。得られた(M−1−6)(201g、639mmol)をアセトニトリル700mlに溶解し、ヨウ化ナトリウム(290g)を加え2時間加熱還流した。反応混合物をろ過し、無機物を除去した後水を加え、酢酸エチルで抽出した。抽出液を濃縮し、残渣を減圧蒸留し、0.5mmHg、75〜85℃の留分を捕集し、129gの(M−1−7)を得た。
(1) Synthesis of Intermediate (M-1-7) 1,1,1-Tris-hydroxymethylethane (M-1-4) (100 g, 833 mmol) and 2,2-dimethoxypropane (100 g, 917 mmol) It melt | dissolved in 750 ml of chloroform, 1 g of p-toluenesulfonic acid hydrate was added, and it heated and refluxed for 7 hours using the Soxhlet extractor equipped with the molecular sieve 3A. After adding 4 g of potassium carbonate to the reaction mixture and stirring at room temperature for 20 minutes, the reaction mixture was filtered and concentrated to obtain 136 g of (M-1-5) as a colorless oil. The obtained (M-1-5) (135 g, 833 mmol) was dissolved in 400 ml of THF, 143 ml of triethylamine and 5 g of dimethylaminopyridine were added, and paratoluenesulfonyl chloride (178 g, 916 mmol) was added at room temperature. The reaction mixture was heated to reflux for 6 hours, water was added to the reaction solution, extracted with ethyl acetate, and the residue obtained after concentration was crystallized with normal hexane to obtain 225 g of (M-1-6). The obtained (M-1-6) (201 g, 639 mmol) was dissolved in 700 ml of acetonitrile, sodium iodide (290 g) was added, and the mixture was heated to reflux for 2 hours. The reaction mixture was filtered to remove inorganic substances, water was added, and the mixture was extracted with ethyl acetate. The extract was concentrated, the residue was distilled under reduced pressure, and a fraction of 0.5 mmHg and 75 to 85 ° C. was collected to obtain 129 g of (M-1-7).

(2)中間体(M−1−8)の合成
p−(trans−4−ペンチルシクロヘキシル)フェノール(M−1−1、関東化学(株)製)(12.3g、50mmol)をDMF50mlに溶解し、炭酸カリウム10gを加え、80℃に加熱攪拌しながら、8−ブロモ−オクタノール(8.6g、52.5mmol)を5分間で滴下した。3時間加熱攪拌した後、反応混合物を100mlの水に注ぎ、結晶を捕集した。得られた粗結晶を冷メタノールで再結晶し、14.4gの(M−1−8)を得た。
(2) Synthesis of Intermediate (M-1-8) p- (trans-4-pentylcyclohexyl) phenol (M-1-1, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) (12.3 g, 50 mmol) was dissolved in 50 ml of DMF. Then, 10 g of potassium carbonate was added, and 8-bromo-octanol (8.6 g, 52.5 mmol) was added dropwise over 5 minutes while heating and stirring at 80 ° C. After stirring with heating for 3 hours, the reaction mixture was poured into 100 ml of water to collect crystals. The obtained crude crystals were recrystallized with cold methanol to obtain 14.4 g of (M-1-8).

(3)中間体(M−1−11)の合成
(M−1−8)(25g、66.7mmol)をDMSO 100mlに溶解し、水素化ナトリウム(流動パラフィン30%添加)(3.5g)を加え、室温で20分攪拌した後、(M−1−7)(19.8g、73.4mmol)を滴下した。滴下後60℃で4時間攪拌した後、反応液を氷水に注ぎ、酢酸エチルで抽出し、濃縮後の残渣をシリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、26.7gの(M−1−9)を得た。得られた(M−1−9) 26.7gをエタノール70mlと濃塩酸50mlの混合溶液に分散し、30分間加熱還流後、反応液を水500mlに注ぎ、析出した結晶を捕集し、乾燥して24gの(M−1−10)を得た。次に、(M−1−10)(20.4g、428mmol)をDMF100mlに溶解し、水素化ナトリウム(流動パラフィン30%添加)(5.16g、1284mmol)を添加し、室温でヨウ化アリル(21.4g、1284mmol)を滴下した。反応液を60℃で5時間加熱した後、氷水に注ぎ、酢酸エチルで抽出した。抽出液の濃縮残渣をシリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、20.3gの(M−1−11)を得た。
(3) Synthesis of intermediate (M-1-11) (M-1-8) (25 g, 66.7 mmol) was dissolved in 100 ml of DMSO, and sodium hydride (30% liquid paraffin added) (3.5 g) After stirring at room temperature for 20 minutes, (M-1-7) (19.8 g, 73.4 mmol) was added dropwise. After dropping, the mixture was stirred at 60 ° C. for 4 hours, and then the reaction solution was poured into ice water, extracted with ethyl acetate, and the concentrated residue was purified by silica gel column chromatography to obtain 26.7 g of (M-1-9). It was. 26.7 g of the obtained (M-1-9) was dispersed in a mixed solution of 70 ml of ethanol and 50 ml of concentrated hydrochloric acid, heated and refluxed for 30 minutes, poured into 500 ml of water, and the precipitated crystals were collected and dried. As a result, 24 g of (M-1-10) was obtained. Next, (M-1-10) (20.4 g, 428 mmol) was dissolved in 100 ml of DMF, sodium hydride (30% liquid paraffin added) (5.16 g, 1284 mmol) was added, and allyl iodide ( 21.4 g, 1284 mmol) was added dropwise. The reaction solution was heated at 60 ° C. for 5 hours, poured into ice water, and extracted with ethyl acetate. The concentrated residue of the extract was purified by silica gel column chromatography to obtain 20.3 g of (M-1-11).

(4)(S−1−4)の合成
得られた(M−1−11)(14.5g、26mmol)とトリエトキシシラン(12.8g、78mmol)をトルエンに溶解し、窒素雰囲気下、80℃で塩化白金酸10mgを加えた。85℃で3時間反応させた後、反応混合物を濃縮し、シリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、5.6gの(S−1−4)を無色油状物として得た。
(4) Synthesis of (S-1-4) The obtained (M-1-11) (14.5 g, 26 mmol) and triethoxysilane (12.8 g, 78 mmol) were dissolved in toluene. 10 mg of chloroplatinic acid was added at 80 ° C. After reacting at 85 ° C. for 3 hours, the reaction mixture was concentrated and purified by silica gel column chromatography to obtain 5.6 g of (S-1-4) as a colorless oil.

[合成例1−3]
下記合成経路により前駆体(S−1−12)を合成した。
[Synthesis Example 1-3]
A precursor (S-1-12) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1)(M−1−15)の合成
4,4'−ジヒドロキシ−ビフェニルモノアセチル体(M−1−13)(22.8g、100mmol)をDMF 100mlに溶解し、炭酸カリウム25gを加え、80℃で加熱攪拌したところに、ジクロリド体(M−1−18)(10.85g、50mmol)を10分間かけて滴下した。80℃で5時間攪拌した後、反応混合物を水200mlに注ぎ、析出した結晶をろ集した。アセトニトリル/酢酸エチルで再結晶後、58gの(M−1−14)を得た。(M−1−14)(31.4g、50mmol)をメタノール100ml、水50ml及び水酸化ナトリウム8gを含む溶液に分散し、2時間加熱還流した後、水100mlに注ぎ、塩酸で中和して析出した結晶をろ過、乾燥し、26gの(M−1−15)を得た。
(1) Synthesis of (M-1-15) 4,4′-dihydroxy-biphenyl monoacetyl (M-1-13) (22.8 g, 100 mmol) was dissolved in 100 ml of DMF, and 25 g of potassium carbonate was added. The dichloride body (M-1-18) (10.85 g, 50 mmol) was dripped over 10 minutes when heated and stirred at 80 degreeC. After stirring at 80 ° C. for 5 hours, the reaction mixture was poured into 200 ml of water, and the precipitated crystals were collected by filtration. After recrystallization from acetonitrile / ethyl acetate, 58 g of (M-1-14) was obtained. (M-1-14) (31.4 g, 50 mmol) was dispersed in a solution containing 100 ml of methanol, 50 ml of water and 8 g of sodium hydroxide, heated under reflux for 2 hours, poured into 100 ml of water and neutralized with hydrochloric acid. The precipitated crystals were filtered and dried to obtain 26 g of (M-1-15).

(2)(M−1−17)の合成 得られた(M−1−15)(13.3g、25mmol)をDMF40mlに溶解し、炭酸カリウム12gを加えた後、8−クロロ−1−オクタノール(8.23g、50mmol)を加え、80℃で6時間加熱攪拌した。反応液を水100mlに注ぎ、結晶をろ集し、メタノールで再結晶して15.7gの(M−1−16)を得た。(M−1−16)(10g、12.7mmol)をDMSO 30mlに溶解し、水素化ナトリウム(流動パラフィン30%添加)(1g)を添加し、室温で、ヨウ化アリル(4.7g、28mmol)を滴下し、50℃で3時間加熱攪拌した。反応液を水に注ぎ、酢酸エチルで抽出し、濃縮物をシリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、7gの(M−1−17)を得た。 (2) Synthesis of (M-1-17) The obtained (M-1-15) (13.3 g, 25 mmol) was dissolved in 40 ml of DMF, 12 g of potassium carbonate was added, and then 8-chloro-1-octanol was added. (8.23 g, 50 mmol) was added, and the mixture was heated with stirring at 80 ° C. for 6 hours. The reaction solution was poured into 100 ml of water, and the crystals were collected by filtration and recrystallized from methanol to obtain 15.7 g of (M-1-16). (M-1-16) (10 g, 12.7 mmol) was dissolved in 30 ml of DMSO, sodium hydride (liquid paraffin added 30%) (1 g) was added, and at room temperature, allyl iodide (4.7 g, 28 mmol) was added. ) Was added dropwise, and the mixture was heated and stirred at 50 ° C. for 3 hours. The reaction solution was poured into water and extracted with ethyl acetate, and the concentrate was purified by silica gel column chromatography to obtain 7 g of (M-1-17).

(3)(S−1−12)の合成
得られた(M−1−17)(5g、5.8mmol)とテトラエトキシシラン(2.3g、14mmol)をトルエンに溶解し、窒素雰囲気下、80℃に加熱したところに、塩化白金酸10mgを添加した。80〜90℃で4時間加熱攪拌した後、反応液を濃縮し、シリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、2.1gの(S−1−12)を得た。
(3) Synthesis of (S-1-12) The obtained (M-1-17) (5 g, 5.8 mmol) and tetraethoxysilane (2.3 g, 14 mmol) were dissolved in toluene. Under a nitrogen atmosphere, When heated to 80 ° C., 10 mg of chloroplatinic acid was added. After stirring with heating at 80 to 90 ° C. for 4 hours, the reaction solution was concentrated and purified by silica gel column chromatography to obtain 2.1 g of (S-1-12).

[合成例2−1]
下記合成経路により前駆体(S−2−1)を合成した。
[Synthesis Example 2-1]
A precursor (S-2-1) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1) 中間体(M−2−3)の合成
4,4'−ジヒドロキシ−ビフェニルモノアセチル体(M−2−1)(45.6g、200mmol)をDMF1000mlに溶解し、炭酸カリウム20gを添加し、そこに、11−ブロモ−1−ウンデセン(47.2g、200mmol)を滴下した。反応液を80℃で5時間加熱し、室温まで冷却した後、水に注ぎ、析出した結晶をろ集した。粗結晶を加熱したメタノールで洗浄、乾燥後、72gの(M−2−2)を得た。(M−2−2)(50.8g、133.5mmol)をメタノール100mlに分散し、水酸化カリウム水溶液(KOH12 g/水10ml)を加え、40℃で1時間、80℃で20分間加熱した後、反応液を水に注ぎ、析出した結晶をろ過し、加熱したメタノールで洗浄、乾燥後、44gの(M−2−3)を得た。
(1) Synthesis of Intermediate (M-2-3) 4,4′-Dihydroxy-biphenyl monoacetyl (M-2-1) (45.6 g, 200 mmol) was dissolved in 1000 ml of DMF, and 20 g of potassium carbonate was added. Then, 11-bromo-1-undecene (47.2 g, 200 mmol) was added dropwise thereto. The reaction solution was heated at 80 ° C. for 5 hours, cooled to room temperature, poured into water, and the precipitated crystals were collected by filtration. The crude crystal was washed with heated methanol and dried to obtain 72 g of (M-2-2). (M-2-2) (50.8 g, 133.5 mmol) was dispersed in 100 ml of methanol, an aqueous potassium hydroxide solution (12 g of KOH / 10 ml of water) was added, and the mixture was heated at 40 ° C. for 1 hour and at 80 ° C. for 20 minutes. Thereafter, the reaction solution was poured into water, and the precipitated crystals were filtered, washed with heated methanol, and dried to obtain 44 g of (M-2-3).

(2) 中間体(M−2−5)の合成
(M−2−3)(20.3g、60mmol)を塩化メチレン400mlに溶解し、0.5Mの炭酸水素ナトリウム水溶液120mlを添加し、攪拌しながら、m−クロロ過安息香酸(純度69%、16.5g、66mmol)を10分間で添加した。7時間攪拌した後、反応液に水と少量の亜硫酸水素ナトリウムを加え、水洗し、塩化メチレンを留去して粗結晶を得た。粗結晶を加熱したアセトニトリルで洗浄し、12gの(M−2−4)を得た。次に、(M−2−4)(11g、31mmol)をジメチルホルムアミド50mlに溶解し、10gの炭酸カリウムを加え、攪拌しながら、ヨウ化アリル(5.2g、31mmol)を滴下した。室温で2時間攪拌した後、50℃で1時間攪拌した。反応液を水に注ぎ、析出した結晶をメタノールで再結晶し、12.1gの(M−2−5)を得た。
(2) Synthesis of intermediate (M-2-5) (M-2-3) (20.3 g, 60 mmol) was dissolved in 400 ml of methylene chloride, 120 ml of 0.5 M aqueous sodium hydrogen carbonate solution was added and stirred. While adding m-chloroperbenzoic acid (purity 69%, 16.5 g, 66 mmol) over 10 minutes. After stirring for 7 hours, water and a small amount of sodium bisulfite were added to the reaction solution, washed with water, and methylene chloride was distilled off to obtain crude crystals. The crude crystals were washed with heated acetonitrile to obtain 12 g of (M-2-4). Next, (M-2-4) (11 g, 31 mmol) was dissolved in 50 ml of dimethylformamide, 10 g of potassium carbonate was added, and allyl iodide (5.2 g, 31 mmol) was added dropwise with stirring. After stirring at room temperature for 2 hours, the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 hour. The reaction solution was poured into water, and the precipitated crystals were recrystallized from methanol to obtain 12.1 g of (M-2-5).

(3) (S−2−1)の合成
(M−2−5)(5g、12.7mmol)とトリエトキシシラン(3.13g、19.05mmol)をトルエン50ml、イソプロパノール5mlに溶解し、80℃、窒素気流下で塩化白金酸10mgを添加した。反応液を80〜90℃に保ち1時間反応させた後、溶媒を留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、3.2gの(S−2−1)を得た。
(3) Synthesis of (S-2-1)
(M-2-5) (5 g, 12.7 mmol) and triethoxysilane (3.13 g, 19.05 mmol) were dissolved in 50 ml of toluene and 5 ml of isopropanol, and 10 mg of chloroplatinic acid was added at 80 ° C. under a nitrogen stream. did. The reaction solution was kept at 80 to 90 ° C. and reacted for 1 hour, then the solvent was distilled off, and the residue was purified by silica gel column chromatography to obtain 3.2 g of (S-2-1).

[合成例2−2]
下記合成経路により前駆体(S−2−4)を合成した。
[Synthesis Example 2-2]
A precursor (S-2-4) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1) 中間体(M−2−8)の合成
4,4'−ジヒドロキシビフェニル(M−2−6)(76.2g、410mmol)をジメチルアセトアミド400mlに溶解し、炭酸カリウム(42.2g)とヨウ化カリウム(24.1g)を加えたところに、8−クロロオクタノール(47.2g、287mmol)を添加した。反応液を110℃で5時間攪拌し、室温に戻した後、反応液を水に注ぎ、析出した結晶をろ過した。得られた粗結晶をアセトニトリルで再結晶し、63.8gの(M−2−7)を得た。得られた(M−2−7)(10g、31.8mmol)をジメチルアセトアミド40mlに溶解し、炭酸カリウム(3.3g)を添加し、50℃で攪拌しながら、エピクロロヒドリン(3.24g、35mmol)を滴下した。80℃で3時間、反応させた後、反応混合物を水に注ぎ、得られた粗結晶をアセトニトリルで2回再結晶し、8.2gの(M−2−8)を得た。
(1) Synthesis of Intermediate (M-2-8) 4,4′-Dihydroxybiphenyl (M-2-6) (76.2 g, 410 mmol) was dissolved in 400 ml of dimethylacetamide and potassium carbonate (42.2 g). And potassium iodide (24.1 g) were added, and 8-chlorooctanol (47.2 g, 287 mmol) was added. The reaction solution was stirred at 110 ° C. for 5 hours and returned to room temperature, and then the reaction solution was poured into water, and the precipitated crystals were filtered. The obtained crude crystals were recrystallized from acetonitrile to obtain 63.8 g of (M-2-7). The obtained (M-2-7) (10 g, 31.8 mmol) was dissolved in 40 ml of dimethylacetamide, potassium carbonate (3.3 g) was added, and epichlorohydrin (3. 24 g, 35 mmol) was added dropwise. After reacting at 80 ° C. for 3 hours, the reaction mixture was poured into water, and the resulting crude crystals were recrystallized twice with acetonitrile to obtain 8.2 g of (M-2-8).

(2) (S−2−4)の合成
(M−2−8)(10g、27mmol)とイソシアン酸−3−(トリエトキシシリル)プロピル(M−2−9)(6.7g、27mmol)を酢酸エチルに溶解し、ジラウリン酸ジブチルスズ(IV)(10mg)を添加し、4時間加熱還流した。反応混合物を濃縮し、シリカゲルカラムクロマトフィーにより精製し、6.4gの白色固体(S−2−4)を得た。
(2) Synthesis of (S-2-4) (M-2-8) (10 g, 27 mmol) and 3- (triethoxysilyl) propyl isocyanate (M-2-9) (6.7 g, 27 mmol) Was dissolved in ethyl acetate, dibutyltin (IV) dilaurate (10 mg) was added, and the mixture was heated to reflux for 4 hours. The reaction mixture was concentrated and purified by silica gel column chromatography to obtain 6.4 g of a white solid (S-2-4).

[合成例2−3]
下記合成経路により前駆体(S−2−23)を合成した。
[Synthesis Example 2-3]
A precursor (S-2-23) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1) 中間体M−2−17の合成
4、4’−ジヒドロキシナフタレンM−14(23,5g、143mmol)をジメチルアセトアミド8mlに溶解し、炭酸カリウム(11.1g、80mmol)とヨウ化カリウム(6.7g)を加えたところに、8−クロロオクタノール(71.8g、72mmol)を添加した。反応液を110℃で9時間攪拌し室温に戻した後、反応液を水に注ぎ析出した結晶をろ過した。得られた粗結晶をアセトニトリルで再結晶し、16.3gのM−2−15を得た。得られたM−2−15(10g、34.7mmol)をジメチルアセトアミド40mlに溶解し、炭酸カリウム(9.6g)を添加し、50℃で攪拌しながらヨウ化物M−2−16(9.4g、41.6mmol)を滴下した。100℃で4時間反応を行った後、反応混合物を水に注ぎ、得られた粗結晶をアセトニトリルで再結晶し、4.2gのM−2−17を得た。
(1) Synthesis of Intermediate M-2-17 4,4′-Dihydroxynaphthalene M-14 (23.5 g, 143 mmol) was dissolved in 8 ml of dimethylacetamide, and potassium carbonate (11.1 g, 80 mmol) and potassium iodide were dissolved. When (6.7 g) was added, 8-chlorooctanol (71.8 g, 72 mmol) was added. The reaction solution was stirred at 110 ° C. for 9 hours and returned to room temperature, and then the reaction solution was poured into water and the precipitated crystals were filtered. The obtained crude crystals were recrystallized from acetonitrile to obtain 16.3 g of M-2-15. The obtained M-2-15 (10 g, 34.7 mmol) was dissolved in 40 ml of dimethylacetamide, potassium carbonate (9.6 g) was added, and iodide M-2-16 (9. 4 g, 41.6 mmol) was added dropwise. After reacting at 100 ° C. for 4 hours, the reaction mixture was poured into water, and the resulting crude crystals were recrystallized from acetonitrile to obtain 4.2 g of M-2-17.

(2) 中間体M−2−18の合成
M−2−17(3.6g、9.4mmol)を脱水テトラヒドロフランに溶解し、60℃に加温し攪拌しながら水素化ナトリウム(60%in oil)(0.5g、12.2mmol)を少しずつ添加すると発泡した。発泡が収まった後、ヨウ化アリル(2.4g、14.1mmol)を滴下した。反応混合物を60℃で3時間攪拌した後、水に注ぎ、酢酸エチルで抽出し、カラムクロマトグラフィーにより精製したところ、2.1gのM−2−18を得た。
(2) Synthesis of Intermediate M-2-18 M-2-17 (3.6 g, 9.4 mmol) was dissolved in dehydrated tetrahydrofuran, heated to 60 ° C. and stirred with sodium hydride (60% in oil). ) (0.5 g, 12.2 mmol) was added little by little to foam. After foaming subsided, allyl iodide (2.4 g, 14.1 mmol) was added dropwise. The reaction mixture was stirred at 60 ° C. for 3 hours, poured into water, extracted with ethyl acetate, and purified by column chromatography to obtain 2.1 g of M-2-18.

(3) S−2−23の合成
M−2−18(1.5g、3.4mmol)とトリエトキシシラン(2.4g、14.3mmol)をトルエン10mlに溶解し、80℃、窒素気流中で塩化白金酸10mgをベンゾニトリル0.5mlに溶解した溶液を滴下した。反応液を80℃で1時間反応させた後、反応混合物を濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、0.76gのS−2−23を得た。
(3) Synthesis of S-2-23 M-2-18 (1.5 g, 3.4 mmol) and triethoxysilane (2.4 g, 14.3 mmol) were dissolved in 10 ml of toluene, and at 80 ° C. in a nitrogen stream. Then, a solution of 10 mg of chloroplatinic acid dissolved in 0.5 ml of benzonitrile was added dropwise. After the reaction solution was reacted at 80 ° C. for 1 hour, the reaction mixture was concentrated and purified by silica gel column chromatography to obtain 0.76 g of S-2-23.

[合成例2−4]
下記合成経路により前駆体(S−2−24)を合成した。
[Synthesis Example 2-4]
A precursor (S-2-24) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1) 中間体M−2−24の合成
テトラブチルアンモニウムブロミド(3.0g)を50%水酸化ナトリウム水溶液に溶解し、3−エチル−3−オキセタンメタノールM−2−19(19g、0.16mol)と1、8−ジブロモオクタンM−2−20(136g、0.5mol)を添加した。反応液を加熱還流下3.5時間攪拌した後、反応混合物を氷冷し、水600mlを加え、酢酸エチルで抽出した。減圧蒸留により、過剰のブロミドM−2−20を除去した後、カラムクロマトグラフィーにより精製し、36gのM−2−21を得た。得られたM−2−21(33g、0.107mol)をジメチルアセトアミド120mlに溶解し、4−ヒドロキシ安息香酸エチルM−2−22(17g、0.102mol)と炭酸カリウム(23g)を添加した。80℃で8時間攪拌した後、水に注ぎ、酢酸エチルで抽出し、カラムクロマトグラフィーで精製したところ、35gのM−2−23を得た。得られたM−2−23(35.4g、90.2mmol)をエタノール60mlに溶解し、水酸化ナトリウム(7.2g、180mmol)と水20mlを加え、60℃で3時間攪拌した。反応混合物に濃塩酸(15.4ml、85.8ml/mol)を加え中和した後、酢酸エチルで抽出し、カラムクロマトグラフィーで精製し、33gのM−2−24を得た。
(1) Synthesis of Intermediate M-2-24 Tetrabutylammonium bromide (3.0 g) was dissolved in 50% aqueous sodium hydroxide solution, and 3-ethyl-3-oxetanemethanol M-2-19 (19 g, 0.2 g) was dissolved. 16 mol) and 1,8-dibromooctane M-2-20 (136 g, 0.5 mol) were added. The reaction mixture was stirred for 3.5 hours under heating to reflux, then the reaction mixture was ice-cooled, 600 ml of water was added, and the mixture was extracted with ethyl acetate. Excess bromide M-2-20 was removed by distillation under reduced pressure, followed by purification by column chromatography to obtain 36 g of M-2-21. The obtained M-2-21 (33 g, 0.107 mol) was dissolved in 120 ml of dimethylacetamide, and ethyl 4-hydroxybenzoate M-2-22 (17 g, 0.102 mol) and potassium carbonate (23 g) were added. . After stirring at 80 ° C. for 8 hours, the mixture was poured into water, extracted with ethyl acetate, and purified by column chromatography to obtain 35 g of M-2-23. The obtained M-2-23 (35.4 g, 90.2 mmol) was dissolved in 60 ml of ethanol, sodium hydroxide (7.2 g, 180 mmol) and 20 ml of water were added, and the mixture was stirred at 60 ° C. for 3 hours. The reaction mixture was neutralized with concentrated hydrochloric acid (15.4 ml, 85.8 ml / mol), extracted with ethyl acetate, and purified by column chromatography to obtain 33 g of M-2-24.

(2) 中間体M−2−26の合成
ジヒドロキシビフェニルM−2−25(25g、134mmol)をアセトン100mlに溶解し、炭酸カリウム(20g、145mmol)加え、60℃で攪拌しながら、アリルブロミド(16.2g、134mmol)をアセトン100mlで溶解した溶液を滴下した。60℃で7時間攪拌した後、析出した塩をろ過により除去した。濾液に、水、希塩酸および塩化ナトリウムを加え酢酸エチルで抽出し、濃縮して得られた粗結晶をエタノールで再結晶し、6gのM−2−26を得た。
(2) Synthesis of Intermediate M-2-26 Dihydroxybiphenyl M-2-25 (25 g, 134 mmol) was dissolved in 100 ml of acetone, potassium carbonate (20 g, 145 mmol) was added, and allyl bromide ( A solution of 16.2 g, 134 mmol) dissolved in 100 ml of acetone was added dropwise. After stirring at 60 ° C. for 7 hours, the deposited salt was removed by filtration. Water, dilute hydrochloric acid and sodium chloride were added to the filtrate, and the mixture was extracted with ethyl acetate. The concentrated crude crystals were recrystallized from ethanol to obtain 6 g of M-2-26.

(3) 中間体M−2−27の合成
M−2−24(10.5g、31.2mmol)をクロロホルム100mlに溶解し、M−2−26(6.4g、28.4mmol)とジメチルアミノピリジン(5.2g、42.6mmol)を加えた。反応液を0℃に冷やした後、ジシクロヘキシルカルボジイミド(5.8g、45.4mmol)をクロロホルム20mlで溶解した溶液を滴下し、0℃で1時間攪拌した。析出した塩をろ過した後、濃縮し、カラムクロマトグラフィーにより精製し、11.9gのM−2−27を得た。
(3) Synthesis of Intermediate M-2-27 M-2-24 (10.5 g, 31.2 mmol) was dissolved in 100 ml of chloroform, M-2-26 (6.4 g, 28.4 mmol) and dimethylamino were dissolved. Pyridine (5.2 g, 42.6 mmol) was added. After cooling the reaction solution to 0 ° C., a solution of dicyclohexylcarbodiimide (5.8 g, 45.4 mmol) dissolved in 20 ml of chloroform was added dropwise, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 1 hour. The precipitated salt was filtered, concentrated, and purified by column chromatography to obtain 11.9 g of M-2-27.

(4) S−2−24の合成
M−2−27(5.7g、10mmol)とトリエトキシシラン(5.0g、30mmol)をトルエン25mlに溶解し、80℃、窒素気流中で塩化白金酸17mgをベンゾニトリル0.5mlに溶解した溶液を滴下した。反応液を80℃で1時間反応させた後、反応混合物を濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、3.2gのS−2−24を得た。
(4) Synthesis of S-2-24 M-2-27 (5.7 g, 10 mmol) and triethoxysilane (5.0 g, 30 mmol) were dissolved in 25 ml of toluene and chloroplatinic acid in a nitrogen stream at 80 ° C. A solution in which 17 mg was dissolved in 0.5 ml of benzonitrile was added dropwise. After reacting the reaction solution at 80 ° C. for 1 hour, the reaction mixture was concentrated and purified by silica gel column chromatography to obtain 3.2 g of S-2-24.

[合成例3−1]
下記合成経路により前駆体(S−3−1)を合成した。
[Synthesis Example 3-1]
A precursor (S-3-1) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1) 中間体(M−3−3)の合成
4,4'−ジヒドロキシ−ビフェニルモノアセチル体(M−3−1)(45.6g、200mmol)をDMF1000mlに溶解し、炭酸カリウム20gを添加した後、11−ブロモ−1−ウンデセン(47.2g、200mmol)を滴下した。この反応溶液を80℃で5時間加熱し、室温まで冷却した後、水に注ぎ、析出した結晶をろ集した。粗結晶を加熱したメタノールで洗浄し、乾燥して72gの(M−3−2)を得た。
(1) Synthesis of intermediate (M-3-3) 4,4′-dihydroxy-biphenyl monoacetyl (M-3-1) (45.6 g, 200 mmol) was dissolved in 1000 ml of DMF, and 20 g of potassium carbonate was added. After that, 11-bromo-1-undecene (47.2 g, 200 mmol) was added dropwise. The reaction solution was heated at 80 ° C. for 5 hours, cooled to room temperature, poured into water, and the precipitated crystals were collected by filtration. The crude crystals were washed with heated methanol and dried to obtain 72 g of (M-3-2).

(M−3−2)(50.8g、133.5mmol)をメタノール100mlに分散させ、水酸化カリウム水溶液(KOH 12g/水10ml)を加え、40℃で1時間、さらに80℃で20分間加熱した後、反応溶液を水に注ぎ、析出した結晶をろ過した。得られた結晶を加熱したメタノールで洗浄し、乾燥して44gの(M−3−3)を得た。   (M-3-2) (50.8 g, 133.5 mmol) was dispersed in 100 ml of methanol, an aqueous potassium hydroxide solution (KOH 12 g / water 10 ml) was added, and the mixture was heated at 40 ° C. for 1 hour and further at 80 ° C. for 20 minutes. After that, the reaction solution was poured into water, and the precipitated crystals were filtered. The obtained crystal was washed with heated methanol and dried to obtain 44 g of (M-3-3).

(2) 中間体(M−3−5)の合成
(M−3−3)(20.3g、60mmol)を塩化メチレン400mlに溶解し、0.5Mの炭酸水素ナトリウム水溶液120mlを添加し、攪拌しながら、m−クロロ過安息香酸(純度69%、16.5g、66mmol)を10分間で添加した。さらに7時間撹拌した後、反応溶液に水と少量の亜硫酸水素ナトリウムを加え、水洗し、塩化メチレンを留去して粗結晶を得た。この粗結晶を加熱したアセトニトリルで洗浄し、12gの(M−3−4)を得た。
(2) Synthesis of intermediate (M-3-5) (M-3-3) (20.3 g, 60 mmol) was dissolved in 400 ml of methylene chloride, 120 ml of 0.5 M aqueous sodium hydrogen carbonate solution was added and stirred. While adding m-chloroperbenzoic acid (purity 69%, 16.5 g, 66 mmol) over 10 minutes. After further stirring for 7 hours, water and a small amount of sodium bisulfite were added to the reaction solution, washed with water, and methylene chloride was distilled off to obtain crude crystals. This crude crystal was washed with heated acetonitrile to obtain 12 g of (M-3-4).

(M−3−4)(11g、31mmol)をジメチルホルムアミド50mlに溶解し、10gの炭酸カリウムを加え、攪拌しながら、ヨウ化アリル(5.2g、31mmol)を滴下した。室温で2時間攪拌した後、50℃で1時間攪拌した。反応溶液を水に注ぎ、析出した結晶をメタノールで再結晶し、12.1gの(M−3−5)を得た。   (M-3-4) (11 g, 31 mmol) was dissolved in 50 ml of dimethylformamide, 10 g of potassium carbonate was added, and allyl iodide (5.2 g, 31 mmol) was added dropwise with stirring. After stirring at room temperature for 2 hours, the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 hour. The reaction solution was poured into water, and the precipitated crystals were recrystallized from methanol to obtain 12.1 g of (M-3-5).

(3) 中間体(M−3−6)の合成
(M−3−5)(5g、12.7mmol)とトリエトキシシラン(3.13g、19.05mmol)をトルエン50ml及びイソプロパノール5mlの混合溶媒に溶解した後、80℃に加熱し、窒素気流下で塩化白金酸六水和物10mgを添加した。反応溶液を80〜90℃で1時間反応させた後、溶媒を留去し、シリカゲルを用いたカラムクロマトグラフィーにより残渣を精製し、3.2gの(M−3−6)を得た。
(3) Synthesis of intermediate (M-3-6) (M-3-5) (5 g, 12.7 mmol) and triethoxysilane (3.13 g, 19.05 mmol) in a mixed solvent of 50 ml of toluene and 5 ml of isopropanol Then, the mixture was heated to 80 ° C. and 10 mg of chloroplatinic acid hexahydrate was added under a nitrogen stream. After the reaction solution was reacted at 80 to 90 ° C. for 1 hour, the solvent was distilled off, and the residue was purified by column chromatography using silica gel to obtain 3.2 g of (M-3-6).

(4) (S−3−1)の合成
(M−3−6)(5g、8.94mmol)を塩化メチレン20mlに溶解し、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(0.02ml、1.63×10-2mmol)を添加し、窒素気流下、室温で24時間反応させた。得られた反応溶液をメタノール400mlに注ぎ、析出した固形物をろ過して3.8gのワックス状固体(S−3−1)を得た。
(4) Synthesis of (S-3-1) (M-3-6) (5 g, 8.94 mmol) was dissolved in 20 ml of methylene chloride, and boron trifluoride diethyl ether complex (0.02 ml, 1.63 ×). 10 −2 mmol) was added, and the mixture was allowed to react at room temperature for 24 hours under a nitrogen stream. The obtained reaction solution was poured into 400 ml of methanol, and the precipitated solid was filtered to obtain 3.8 g of a waxy solid (S-3-1).

[合成例3−2]
下記合成経路により前駆体(S−3−7)を合成した。
[Synthesis Example 3-2]
The precursor (S-3-7) was synthesized by the following synthesis route.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

(1) 中間体(M−3−9)の合成
3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン(50g、430mmol)と4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン2gとをテトラヒドロフラン200ml及びトリエチルアミン72mlの混合溶媒に溶解し、さらにp−トルエンスルホン酸(90.3g、473mmol)を添加した後、24時間加熱還流した。反応溶液を酢酸エチルで抽出し、濃縮後得られた残渣をアセトニトリル300mlに溶解し、さらにヨウ化ナトリウム100gを加え、5時間加熱還流した。反応溶液から有機物を抽出し、シリカゲルを用いたカラムクロマトグラフィーにより得られた有機物を精製し、38gの無色油状のヨウ化物(M−3−9)を得た。
(1) Synthesis of Intermediate (M-3-9) 3-Ethyl-3-hydroxymethyloxetane (50 g, 430 mmol) and 2-g of 4- (N, N-dimethylamino) pyridine were mixed with 200 ml of tetrahydrofuran and 72 ml of triethylamine. After dissolving in a solvent and further adding p-toluenesulfonic acid (90.3 g, 473 mmol), the mixture was heated to reflux for 24 hours. The reaction solution was extracted with ethyl acetate, the residue obtained after concentration was dissolved in 300 ml of acetonitrile, 100 g of sodium iodide was further added, and the mixture was heated to reflux for 5 hours. An organic substance was extracted from the reaction solution, and the obtained organic substance was purified by column chromatography using silica gel to obtain 38 g of a colorless oily iodide (M-3-9).

(2) 中間体(M−3−12)の合成
(M−3−10)(76.2g、410mmol)をジメチルアセトアミド400mlに溶解し、炭酸カリウム42.2gとヨウ化カリウム24.1gとを加え、さらに8−クロロオクタノール(47.2g、287mmol)を加えた。この反応溶液を110℃で5時間攪拌し、室温まで冷却した後、反応溶液を水に注ぎ、析出した結晶をろ過した。得られた粗結晶をアセトニトリルで再結晶し、63.8gの(M−3−11)を得た。
(2) Synthesis of Intermediate (M-3-12) (M-3-10) (76.2 g, 410 mmol) was dissolved in 400 ml of dimethylacetamide, and 42.2 g of potassium carbonate and 24.1 g of potassium iodide were dissolved. In addition, 8-chlorooctanol (47.2 g, 287 mmol) was added. The reaction solution was stirred at 110 ° C. for 5 hours, cooled to room temperature, poured into water, and the precipitated crystals were filtered. The obtained crude crystals were recrystallized from acetonitrile to obtain 63.8 g of (M-3-11).

(M−3−11)(10g、31.8mmol)をジメチルアセトアミド40mlに溶解し、炭酸カリウム3.3gを添加し、50℃で攪拌しながら、(M−3−9) (8g、35.4mmol)を滴下した。この反応溶液を85℃に加熱し、5時間反応させた後、反応混合物を水に注ぎ、得られた粗結晶をアセトニトリルで2回再結晶して10gの(M−3−12)を得た。   (M-3-11) (10 g, 31.8 mmol) was dissolved in 40 ml of dimethylacetamide, 3.3 g of potassium carbonate was added, and (M-3-9) (8 g, 35. 4 mmol) was added dropwise. The reaction solution was heated to 85 ° C. and reacted for 5 hours. The reaction mixture was poured into water, and the resulting crude crystals were recrystallized twice with acetonitrile to obtain 10 g of (M-3-12). .

(3) 中間体(M−3−14)の合成
(M−3−12)(5.71g、13.8mmol)を60℃に加熱したジメチルスルホキシド(50ml)に溶解し、水素化ナトリウム(30〜40%オイル含有、0.83g)を添加した。この反応溶液に臭化アリル(2.5g、20.7mmol)を滴下した後、70℃で5時間反応させた。得られた反応溶液を水に注ぎ、酢酸エチルで有機物を抽出した。抽出された溶液を濃縮した後、アセトニトリルで洗浄し、4.1gの白色固体(M−3−13)を得た。
(3) Synthesis of Intermediate (M-3-14) (M-3-12) (5.71 g, 13.8 mmol) was dissolved in dimethyl sulfoxide (50 ml) heated to 60 ° C., and sodium hydride (30 ˜40% oil content, 0.83 g) was added. Allyl bromide (2.5 g, 20.7 mmol) was added dropwise to the reaction solution, and the mixture was reacted at 70 ° C. for 5 hours. The obtained reaction solution was poured into water, and organic substances were extracted with ethyl acetate. The extracted solution was concentrated and then washed with acetonitrile to obtain 4.1 g of a white solid (M-3-13).

(M−3−13) (4.0g、8.84mmol)とトリエトキシシラン(1.74g、10.6mmol)とをトルエン20mlに溶解し、80℃に加熱して、窒素気流下、塩化白金酸六水和物10mgを添加した。反応溶液を80〜90℃に加熱し、2時間反応させた後、反応溶液をろ紙でろ過し、濃縮した。シリカゲルを用いたカラムクロマトグラフィーにより濃縮した反応混合物を精製し、2.1gの無色油状物(M−3−14)を得た。   (M-3-13) (4.0 g, 8.84 mmol) and triethoxysilane (1.74 g, 10.6 mmol) were dissolved in 20 ml of toluene, heated to 80 ° C., and subjected to platinum chloride under a nitrogen stream. 10 mg of acid hexahydrate was added. The reaction solution was heated to 80 to 90 ° C. and reacted for 2 hours, and then the reaction solution was filtered through a filter paper and concentrated. The concentrated reaction mixture was purified by column chromatography using silica gel to obtain 2.1 g of a colorless oil (M-3-14).

(4) (S−3−7)の合成
(M−3−14) (2g、3.24mmol)を塩化メチレン10mlに溶解し、さらに三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(0.01ml、8.13×10-3mmol)を添加し、窒素気流下、室温で24時間反応させた。反応溶液をメタノール200mlに注ぎ、析出した固体をろ過し、1.3gのワックス状固体(S−3−7)を得た。
(4) Synthesis of (S-3-7) (M-3-14) (2 g, 3.24 mmol) was dissolved in 10 ml of methylene chloride, and further boron trifluoride diethyl ether complex (0.01 ml, 8.13). × 10 −3 mmol) was added, and the mixture was allowed to react at room temperature for 24 hours under a nitrogen stream. The reaction solution was poured into 200 ml of methanol, and the precipitated solid was filtered to obtain 1.3 g of a waxy solid (S-3-7).

[実施例1−1]
(1)プロトン伝導膜(E−1−1)の作製
前駆体として(S−1−1)500mg及びテトラエトキシシラン(TEOS、185mg)をエタノール5mlに溶解し、25℃で1%塩酸水0.4mlを添加した。25℃で20分間攪拌した後、リン酸エタノール溶液(リン酸(H3PO4、174mg)/エタノール3ml)を滴下した。反応液をテフロン(登録商標)シート上に、アプリケータを用いて塗布し、室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに120℃で3時間加熱した。その後、テフロンシートから剥がして厚さ82μmの白色シート状固体(E−1−1)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、25〜160℃の温度範囲でスメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
[Example 1-1]
(1) Preparation of proton conducting membrane (E-1-1) As a precursor, 500 mg of (S-1-1) and tetraethoxysilane (TEOS, 185 mg) were dissolved in 5 ml of ethanol, and 1% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. .4 ml was added. After stirring at 25 ° C. for 20 minutes, a phosphoric acid ethanol solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 174 mg) / ethanol 3 ml) was added dropwise. The reaction solution was applied onto a Teflon (registered trademark) sheet using an applicator, allowed to stand at room temperature for 2 hours, heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 120 ° C. for 3 hours. Then, it peeled off from the Teflon sheet | seat and white sheet-like solid (E-1-1) with a thickness of 82 micrometers was obtained. When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed in the temperature range of 25 to 160 ° C.

(2) プロトン伝導膜(E−1−2)の作製
TEOS 185 mgをケイ素化合物(X−6) 250mgに代えた以外(1)と同様にして、厚さ88μmの白色シート状固体(E−1−2)を得た。
(2) Production of proton conducting membrane (E-1-2) A white sheet solid (E-) having a thickness of 88 μm was obtained in the same manner as (1) except that 185 mg of TEOS was replaced with 250 mg of silicon compound (X-6). 1-2) was obtained.

(3) プロトン伝導膜(E−1−3)の作製
TEOS 185 mgをケイ素化合物(X−11)250mgに代えた以外(1)と同様にして、厚さ75μmの白色シート状固体(E−1−3)を得た。
(3) Production of proton conducting membrane (E-1-3) A white sheet-like solid (E-75 μm) having a thickness of 75 μm was obtained in the same manner as (1) except that 185 mg of TEOS was replaced with 250 mg of silicon compound (X-11). 1-3) was obtained.

(4) プロトン伝導膜(E−1−4)の作製
前駆体として(S−1−4)880mgをイソプロパノールに溶解し、25℃で2%塩酸水36μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、192 mg)/イソプロパノール1ml)を加えると反応液が白濁した。トルエン2mlを加え反応液が透明になったところで、テフロンシートにアプリケータを用いて塗布した。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後テフロンシートから剥がし、厚さ50μmの白色シート状固体(E−1−4)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、25〜130℃の温度範囲でスメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
(4) Production of proton conducting membrane (E-1-4) 880 mg of (S-1-4) as a precursor was dissolved in isopropanol, and 36 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C., followed by stirring for 20 minutes. When an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 192 mg) / isopropanol 1 ml) was added to this solution, the reaction solution became cloudy. When 2 ml of toluene was added and the reaction liquid became transparent, it was applied to a Teflon sheet using an applicator. The mixture was allowed to stand at room temperature for 2 hours, then heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the Teflon sheet to obtain a white sheet-like solid (E-1-4) having a thickness of 50 μm. When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed in the temperature range of 25 to 130 ° C.

(5) プロトン伝導膜(E−1−5)の作製
前駆体として(S−1−4) 700mgとケイ素化合物(X−6)176mgをイソプロパノールに溶解し、25℃で2%塩酸水36μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、192mg)/イソプロパノール1ml)を加えると反応液が白濁した。トルエン2mlを加え反応液が透明になったところで、テフロンシートにアプリケータを用いて塗布した。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後テフロンシートから剥がし、厚さ58μmの白色シート状固体(E−1−5)を得た。
(5) Production of proton conducting membrane (E-1-5) As precursor, (S-1-4) 700 mg and silicon compound (X-6) 176 mg were dissolved in isopropanol, and 2% hydrochloric acid water 36 μl was added at 25 ° C. Added and stirred for 20 minutes. When an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 192 mg) / isopropanol 1 ml) was added to this solution, the reaction solution became cloudy. When 2 ml of toluene was added and the reaction liquid became transparent, it was applied to a Teflon sheet using an applicator. The mixture was allowed to stand at room temperature for 2 hours, then heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the Teflon sheet to obtain a white sheet-like solid (E-1-5) having a thickness of 58 μm.

(6) プロトン伝導膜(E−1−6)の作製
ケイ素化合物(X−6)をケイ素化合物(X−11)に代えた以外(5)と同様にして厚さ62μmの白色シート状固体(E−1−6)を得た。
(6) Preparation of proton conducting membrane (E-1-6) A white sheet-like solid having a thickness of 62 μm (similar to (5) except that the silicon compound (X-6) was replaced with the silicon compound (X-11)) E-1-6) was obtained.

(7) プロトン伝導膜(E−1−7)の作製
S−1−4(680mg)とK−10(200mg)をイソプロパノールに溶解し、25℃で2%塩酸水36μlを添加し5分間攪拌した。リン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、192mg)/イソプロパノール1ml)とキシレン3mlを加えポリイミド膜にキャストした。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後ポリイミド膜から剥がし、厚さ100μmの乳白色を示すシート状固体(E−1−7)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(7) Production of proton conducting membrane (E-1-7) S-1-4 (680 mg) and K-10 (200 mg) were dissolved in isopropanol, and 36 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. and stirred for 5 minutes. did. An isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 192 mg) / isopropanol 1 ml) and 3 ml of xylene were added to cast a polyimide film. The mixture was allowed to stand at room temperature for 2 hours, then heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the polyimide film to obtain a sheet-like solid (E-1-7) showing a milky white color having a thickness of 100 μm. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

(8) プロトン伝導膜(E−1−8)の作製
上記(7)のK−10をK−14に変えた他は同様の方法にて、厚さ110μmの半透明膜(E−1−8)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(8) Production of proton conductive membrane (E-1-8) A translucent membrane (E-1-) having a thickness of 110 μm was obtained in the same manner except that K-10 in (7) was changed to K-14. 8) was obtained. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

[実施例1−2]
(1) プロトン伝導膜(E−2−1)の作製
前駆体として(S−2−1)500mgをエタノール5mlに溶解し、25℃で1%塩酸水0.4mlを添加した。25℃で20分間攪拌した後、リン酸エタノール溶液(リン酸(H3PO4、85mg)/エタノール3ml)を滴下した。反応液をテフロンシャーレ上に流し、室温で2時間送風乾燥後、50℃で2時間加熱し、さらに120℃で3時間加熱した。その後テフロンシャーレから剥がし、厚さ111μmの白色シート状固体(E−2−1)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、スメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
[Example 1-2]
(1) Preparation of proton conductive membrane (E-2-1) 500 mg of (S-2-1) as a precursor was dissolved in 5 ml of ethanol, and 0.4 ml of 1% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. After stirring at 25 ° C. for 20 minutes, a phosphoric acid ethanol solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 85 mg) / ethanol 3 ml) was added dropwise. The reaction solution was poured onto a Teflon petri dish, blown and dried at room temperature for 2 hours, heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 120 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the Teflon petri dish to obtain a 111 μm thick white sheet solid (E-2-1). When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed.

(2) プロトン伝導膜(E−2−2)の作製
前駆体として(S−2−7)500mg及びテトラエトキシシラン(TEOS、185mg)をエタノール5mlに溶解し、25℃で1%塩酸水0.4mlを添加した。25℃で20分間攪拌した後、リン酸エタノール溶液(リン酸(H3PO4、174mg)/エタノール3ml)を滴下した。反応液をテフロンシャーレ上に流し込み、室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに120℃で6時間加熱した。その後テフロンシャーレから剥がし、厚さ124μmの白色シート状固体(E−2−2)を得た。
(2) Preparation of proton conducting membrane (E-2-2) 500 mg of (S-2-7) and tetraethoxysilane (TEOS, 185 mg) as a precursor were dissolved in 5 ml of ethanol, and 1% hydrochloric acid solution was added at 25 ° C. .4 ml was added. After stirring at 25 ° C. for 20 minutes, a phosphoric acid ethanol solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 174 mg) / ethanol 3 ml) was added dropwise. The reaction solution was poured onto a Teflon petri dish, allowed to stand at room temperature for 2 hours, heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 120 ° C. for 6 hours. Thereafter, it was peeled from the Teflon petri dish to obtain a white sheet-like solid (E-2-2) having a thickness of 124 μm.

(3) プロトン伝導膜(E−2−3)の作製
TEOS 185mgを(X−11)250mgに代えた以外(2)と同様にして、厚さ124μmの白色シート状固体(E−2−3)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、スメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
(3) Production of proton conducting membrane (E-2-3) A white sheet-like solid (E-2-3) having a thickness of 124 μm was obtained in the same manner as (2) except that 185 mg of TEOS was replaced with 250 mg of (X-11). ) When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed.

(4) プロトン伝導膜(E−2−4)の作製
(S−2−1)500mgを(S−2−4)500mgに代えた以外(1)と同様にして、厚さ108μmの白色シート状固体(E−2−4)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、スメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
(4) Production of proton conducting membrane (E-2-4) (S-2-1) A white sheet having a thickness of 108 μm in the same manner as (1) except that 500 mg was replaced with 500 mg of (S-2-4) A solid (E-2-4) was obtained. When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed.

(5) プロトン伝導膜(E−2−5)の作製
(S−2−7)500mgを(S−2−4)500mgに代えた以外(2)と同様にして、厚さ126μmの白色シート状固体(E−2−5)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、スメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
(5) Production of proton conducting membrane (E-2-5) (S-2-7) White sheet having a thickness of 126 μm in the same manner as (2) except that 500 mg was replaced with 500 mg of (S-2-4) A solid (E-2-5) was obtained. When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed.

(6) プロトン伝導膜(E−2−6)の作製
(S−2−7)500mgを(S−2−4)500mgに代えた以外(3)と同様にして、厚さ133μmの白色シート状固体(E−2−6)を得た。
(6) Production of proton conducting membrane (E-2-6) (S-2-7) White sheet with a thickness of 133 μm in the same manner as (3) except that 500 mg was replaced with 500 mg of (S-2-4) A solid (E-2-6) was obtained.

(7) プロトン伝導膜(E−2−7)の作製
S−2−7(880mg)をイソプロパノールに溶解し、25℃で2%塩酸水36μlを添加し、5分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、192mg)/イソプロパノール1ml)とキシレン3mlを加え、ポリイミド膜にキャストした。室温で8時間静置後、50℃で2時間加熱した。その後ポリイミド膜から剥がし、厚さ110μmの乳白色を示すシート状固体(E−2−7)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(7) Production of Proton Conducting Membrane (E-2-7) S-2-7 (880 mg) was dissolved in isopropanol, and 36 μl of 2% aqueous hydrochloric acid was added at 25 ° C. and stirred for 5 minutes. To this solution, an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 192 mg) / isopropanol 1 ml) and 3 ml of xylene were added and cast onto a polyimide film. The mixture was allowed to stand at room temperature for 8 hours and then heated at 50 ° C. for 2 hours. Thereafter, it was peeled off from the polyimide film to obtain a sheet-like solid (E-2-7) having a thickness of 110 μm and showing milky white. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

(8) プロトン伝導膜(E−2−8)の作製
S−2−7(680mg)とK−10(200mg)をイソプロパノールに溶解し、25℃で2%塩酸水36μlを添加し、5分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、192mg)/イソプロパノール1ml)とキシレン3mlを加え、ポリイミド膜にキャストした。室温で8時間静置後、50℃で2時間加熱した。その後ポリイミド膜から剥がし、厚さ115μm、半透明のシート状固体(E−2−8)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(8) Preparation of proton conducting membrane (E-2-8) S-2-7 (680 mg) and K-10 (200 mg) were dissolved in isopropanol, and 36 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. for 5 minutes. Stir. To this solution, an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 192 mg) / isopropanol 1 ml) and 3 ml of xylene were added and cast onto a polyimide film. The mixture was allowed to stand at room temperature for 8 hours and then heated at 50 ° C. for 2 hours. Thereafter, it was peeled off from the polyimide film to obtain a translucent sheet-like solid (E-2-8) having a thickness of 115 μm. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

(9) プロトン伝導膜(E−2−9)の作製
上記(7)のS−2−7をS−2−23に置き換えた他は同様の方法にて、厚さ105μm、乳白色のシート状固体(E−2−9)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(9) Production of proton conducting membrane (E-2-9) A thickness of 105 μm, milky white sheet, except that S-2-7 in (7) above was replaced with S-2-23 A solid (E-2-9) was obtained. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

(10) プロトン伝導膜(E−2−10)の作製
上記(8)のS−2−7をS−2−23に置き換えた他は同様の方法にて、厚さ105μm、乳白色のシート状固体(E−2−10)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(10) Production of proton conducting membrane (E-2-10) A thickness of 105 μm, milky white sheet, except that S-2-7 in (8) above was replaced with S-2-23 A solid (E-2-10) was obtained. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

[実施例1−3]
(1) プロトン伝導膜(E−3−1)の作製
前駆体として(S−3−1) (500mg)をイソプロパノール5ml及びトルエン5mlからなる混合溶媒に溶解し、25℃で1%塩酸水0.5mlを添加した。次いで25℃で20分間攪拌した後、リン酸エタノール溶液(リン酸(H3PO4、85mg)/エタノール3ml)を滴下した。反応溶液をテフロンシャーレ上に流し込み、室温で2時間送風乾燥した後、50℃で2時間加熱し、さらに120℃で5時間加熱した。その後、テフロンシャーレから剥がし、厚さ50μmの白色シート状固体(E−3−1)を得た。
[Example 1-3]
(1) Production of proton conducting membrane (E-3-1) (S-3-1) (500 mg) as a precursor was dissolved in a mixed solvent consisting of 5 ml of isopropanol and 5 ml of toluene, and 1% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. 0.5 ml was added. Next, after stirring at 25 ° C. for 20 minutes, a phosphoric acid ethanol solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 85 mg) / ethanol 3 ml) was added dropwise. The reaction solution was poured onto a Teflon petri dish, blown and dried at room temperature for 2 hours, heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 120 ° C. for 5 hours. Then, it peeled from the Teflon petri dish and obtained the white sheet-like solid (E-3-1) of thickness 50 micrometers.

(2) プロトン伝導膜(E−3−2)の作製
前駆体として(S−3−1)(500mg)及びテトラエトキシシラン(TEOS、185mg)をイソプロパノール5ml及びトルエン5mlからなる混合溶媒に溶解し、25℃で1%塩酸水0.5mlを添加した。次いで25℃で20分間攪拌した後、リン酸エタノール溶液(リン酸(H3PO4、174mg)/エタノール3ml)を滴下した。反応溶液をテフロンシャーレ上に流し込み、室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに120℃で6時間加熱した。その後テフロンシャーレから剥がし、厚さ78μmの白色シート状固体(E−3−2)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、スメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
(2) Production of proton conducting membrane (E-3-2) (S-3-1) (500 mg) and tetraethoxysilane (TEOS, 185 mg) as a precursor were dissolved in a mixed solvent consisting of 5 ml of isopropanol and 5 ml of toluene. Then, 0.5 ml of 1% aqueous hydrochloric acid was added at 25 ° C. Subsequently, after stirring at 25 ° C. for 20 minutes, a phosphoric acid ethanol solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 174 mg) / ethanol 3 ml) was added dropwise. The reaction solution was poured onto a Teflon petri dish, allowed to stand at room temperature for 2 hours, heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 120 ° C. for 6 hours. Thereafter, it was peeled from the Teflon petri dish to obtain a white sheet-like solid (E-3-2) having a thickness of 78 μm. When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed.

(3) プロトン伝導膜(E−3−3)の作製
TEOS(185mg)をケイ素化合物(X−11)(250mg)に代えた以外(2)と同じ方法で、厚さ98μmの白色シート状固体(E−3−3)を得た。
(3) Production of proton conducting membrane (E-3-3) White sheet-like solid having a thickness of 98 μm in the same manner as (2) except that TEOS (185 mg) was replaced with silicon compound (X-11) (250 mg) (E-3-3) was obtained.

(4) プロトン伝導膜(E−3−4)の作製
(S−3−1)(500mg)を(S−3−7)(500mg)に代えた以外(1)と同じ方法で、厚さ92μmの白色シート状固体(E−3−4)を得た。
(4) Production of proton conducting membrane (E-3-4) (S-3-1) (500 mg) was replaced by (S-3-7) (500 mg), and the thickness was determined in the same manner as (1). A 92 μm white sheet-like solid (E-3-4) was obtained.

(5) プロトン伝導膜(E−3−5)の作製
(S−3−1)(500mg)を(S−3−7)(500mg)に代えた以外(2)と同じ方法で、厚さ98μmの白色シート状固体(E−3−5)を得た。
(5) Preparation of proton conducting membrane (E-3-5) Thickness is the same as (2) except that (S-3-1) (500 mg) is replaced with (S-3-7) (500 mg). A white sheet-like solid (E-3-5) of 98 μm was obtained.

(6) プロトン伝導膜(E−3−6)の作製
(S−3−1)(500mg)を(S−3−7)(500mg)に代えた以外(3)と同じ方法で、厚さ101μmの白色シート状固体(E−3−6)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、スメクチックA相を示すテクスチャーが観察された。
(6) Fabrication of proton conducting membrane (E-3-6) (S-3-1) (500 mg) was replaced with (S-3-7) (500 mg) in the same manner as (3), with the same thickness. A white sheet-like solid (E-3-6) of 101 μm was obtained. When observed with a polarizing microscope, a texture showing a smectic A phase was observed.

(7) プロトン伝導膜(E−3−7)の作製
S−3−1(500mg)とK−10(50mg)をイソプロパノール5ml及びトルエン5mlからなる混合溶媒に溶解し、25℃で1%塩酸水0.5mlを添加した。次いで25℃で20分間攪拌した後、リン酸エタノール溶液(リン酸(H3PO4、85mg)/エタノール3ml)を滴下した。反応溶液をテフロンシャーレに流し込み、室温で2時間送風乾燥した後、50℃で2時間加熱し、さらに120℃で5時間加熱した。その後、テフロンシャーレから剥がし、厚さ70μmの乳白色を示すシート状固体(E−3−7)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(7) Production of proton conducting membrane (E-3-7) S-3-1 (500 mg) and K-10 (50 mg) were dissolved in a mixed solvent consisting of 5 ml of isopropanol and 5 ml of toluene, and 1% hydrochloric acid at 25 ° C. 0.5 ml of water was added. Next, after stirring at 25 ° C. for 20 minutes, a phosphoric acid ethanol solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 85 mg) / ethanol 3 ml) was added dropwise. The reaction solution was poured into a Teflon petri dish, blown and dried at room temperature for 2 hours, heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 120 ° C. for 5 hours. Then, it peeled from the Teflon petri dish and the sheet-like solid (E-3-7) which shows the milky white of thickness 70 micrometers was obtained. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

(8) プロトン伝導膜(E−3−8)の作製
上記(7)のK−10をK−14に変えた他は同様の方法にて、厚さ65μmの半透明膜(E−3−8)を得た。偏光顕微鏡で観察したところ、光学異方性を示すドメインの集合体が観察された。
(8) Production of proton conducting membrane (E-3-8) A semi-transparent membrane (E-3-8) having a thickness of 65 μm was obtained in the same manner except that K-10 in (7) was changed to K-14. 8) was obtained. When observed with a polarizing microscope, an aggregate of domains exhibiting optical anisotropy was observed.

[比較例1]
(1) プロトン伝導膜(R−1−1)の作製
前駆体としてケイ素化合物(X−6)1gをエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、500mg)/イソプロパノール1ml)を加え、25℃で30分間攪拌した後、テフロンシート上にアプリケータを用いて塗布した。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後テフロンシートから剥がし、厚さ95μmの透明シート状固体(R−1−1)を得た。
[Comparative Example 1]
(1) Production of proton conducting membrane (R-1-1) 1 g of silicon compound (X-6) as a precursor was dissolved in ethanol, 50 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C., and the mixture was stirred for 20 minutes. To this solution was added an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 500 mg) / isopropanol 1 ml), and the mixture was stirred at 25 ° C. for 30 minutes, and then applied onto a Teflon sheet using an applicator. The mixture was allowed to stand at room temperature for 2 hours, then heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the Teflon sheet to obtain a transparent sheet-like solid (R-1-1) having a thickness of 95 μm.

(2) プロトン伝導膜(R−1−2)の作製
前駆体としてケイ素化合物(X−6)800mgとTEOS 200mgを用いた以外(1)と同様にして厚さ92μmの透明シート状固体(R−1−2)を得た。
(2) Production of proton conducting membrane (R-1-2) Transparent sheet-like solid (R) having a thickness of 92 μm in the same manner as (1) except that 800 mg of silicon compound (X-6) and 200 mg of TEOS were used as precursors. -1-2) was obtained.

(3) プロトン伝導膜(R−1−3)の作製
前駆体としてケイ素化合物(X−11)800mgとTEOS 200mgを用いた以外(1)と同様にして厚さ95μmの透明シート状固体(R−1−3)を得た。
(3) Production of proton conducting membrane (R-1-3) Transparent sheet-like solid (R) having a thickness of 95 μm in the same manner as (1) except that 800 mg of silicon compound (X-11) and 200 mg of TEOS were used as precursors. 1-3) was obtained.

[比較例2]
(1)プロトン伝導膜(R−2−1)の作製
前駆体として(X−11)800mgとTEOS 200mgをエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、500mg)/イソプロパノール1ml)を添加し、25℃で30分間攪拌した後、テフロンシート上にアプリケータを用いて塗布した。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後、テフロンシートから剥がし、厚さ85μmの透明シート状固体(R−2−1)を得た。
[Comparative Example 2]
(1) Preparation of proton conducting membrane (R-2-1) As a precursor, 800 mg of (X-11) and 200 mg of TEOS were dissolved in ethanol, 50 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C., and the mixture was stirred for 20 minutes. To this solution, an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 500 mg) / isopropanol 1 ml) was added, stirred at 25 ° C. for 30 minutes, and then applied onto a Teflon sheet using an applicator. The mixture was allowed to stand at room temperature for 2 hours, then heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Then, it peeled from the Teflon sheet | seat and obtained the transparent sheet-like solid (R-2-1) of thickness 85micrometer.

[比較例3]
(1)プロトン伝導膜(R−3−1)の作製
前駆体としてケイ素化合物(X−11)(800mg)及びTEOS(200mg)をエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4、500mg)/イソプロパノール1ml)を添加し、25℃で30分間攪拌した後、テフロンシートにアプリケータを用いて塗布した。2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。次いでテフロンシートから剥がして、厚さ85μmの透明シート状固体(R−3−1)を得た。
[Comparative Example 3]
(1) Production of proton conducting membrane (R-3-1) Silicon compound (X-11) (800 mg) and TEOS (200 mg) were dissolved in ethanol as a precursor, and 50 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. For 20 minutes. To this solution, an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 500 mg) / isopropanol 1 ml) was added and stirred at 25 ° C. for 30 minutes, and then applied to a Teflon sheet using an applicator. After leaving still for 2 hours, it heated at 50 degreeC for 2 hours, and also heated at 80 degreeC for 3 hours. Subsequently, it peeled from the Teflon sheet | seat and obtained the transparent sheet-like solid (R-3-1) with a thickness of 85 micrometers.

[実施例2−1]
実施例1−1で得られた本発明のプロトン伝導膜(E−1−1)〜(E−1−8)、比較例1で得られた比較サンプル(R−1−1)〜(R−1−3)及びナフィオン117(デュポン社製)を直径13mmの円形に打ち抜き、2枚のステンレス板で挟み、交流インピーダンス法により25℃、相対湿度60%のときのイオン伝導度を測定した。結果を表1に示す。
[Example 2-1]
Proton conducting membranes (E-1-1) to (E-1-8) of the present invention obtained in Example 1-1 and comparative samples (R-1-1) to (R) obtained in Comparative Example 1 1-3) and Nafion 117 (manufactured by DuPont) were punched into a circle having a diameter of 13 mm, sandwiched between two stainless steel plates, and measured for ion conductivity at 25 ° C. and a relative humidity of 60% by the AC impedance method. The results are shown in Table 1.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

本発明のプロトン伝導膜は、ナフィオン117には及ばないものの、無配向の比較例のハイブリッド膜(R−1−1)〜(R−1−3)に比べ、高いイオン伝導度を示すことがわかった。また、膜に可塑性を付与する化合物K−10及びK−14を含有する膜(E−1−7)及び膜(E−1−8)では、高いイオン伝導度を示した。   Although the proton conducting membrane of the present invention does not reach Nafion 117, it exhibits higher ionic conductivity than the non-oriented comparative hybrid membranes (R-1-1) to (R-1-3). all right. In addition, the membrane (E-1-7) and the membrane (E-1-8) containing the compounds K-10 and K-14 that impart plasticity to the membrane showed high ionic conductivity.

[実施例2−2]
実施例2−1で得られた本発明のプロトン伝導体(E−2−1)〜(E−2−10)と比較例2で得られたサンプル(R−2−1)及びナフィオン117(デュポン社製)について、上記実施例1−2と同様に行い、イオン伝導度を測定した。結果を表2に示す。
[Example 2-2]
The proton conductors (E-2-1) to (E-2-10) of the present invention obtained in Example 2-1 and the sample (R-2-1) obtained in Comparative Example 2 and Nafion 117 ( For DuPont), the ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1-2 above. The results are shown in Table 2.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

本発明のプロトン伝導膜は、ナフィオン117には及ばないものの、液晶性を示さない比較例2−1のハイブリッド膜(R−2−1)に比べ、高いイオン伝導度を示すことがわかった。また、膜に対して可塑剤を付与する化合物K−10及びK−14を含有する膜(E−2−8)及び膜(E−2−10)は高いイオン伝導度を示した。   Although the proton conducting membrane of the present invention did not reach Nafion 117, it was found that the proton conducting membrane showed higher ionic conductivity than the hybrid membrane (R-2-1) of Comparative Example 2-1, which did not show liquid crystallinity. Moreover, the film | membrane (E-2-8) and the film | membrane (E-2-10) containing the compound K-10 and K-14 which provide a plasticizer with respect to a film | membrane showed high ionic conductivity.

[実施例2−3]
実施例1−3で得られたプロトン伝導体((E−3−1)〜(E−3−8))、比較例3で得られたサンプル(R−3−1)、及びナフィオン117(デュポン社製)を直径13mmの外形とし、2枚のステンレス板で挟み、25℃、相対湿度60%において、交流インピーダンス法により各サンプルのイオン伝導度を測定した。結果を表3に示す。
[Example 2-3]
The proton conductor ((E-3-1) to (E-3-8)) obtained in Example 1-3, the sample (R-3-1) obtained in Comparative Example 3, and Nafion 117 ( (Made by DuPont) was made into an outer shape with a diameter of 13 mm, sandwiched between two stainless steel plates, and the ionic conductivity of each sample was measured by an AC impedance method at 25 ° C. and a relative humidity of 60%. The results are shown in Table 3.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

本発明のプロトン伝導膜は、ナフィオン117には及ばないものの、液晶性を示さない比較例のハイブリッド膜(R−3−1)に比べて高いイオン伝導度を示すことがわかる。また、可塑剤を付与する化合物K−10及びK−14を添加した膜(E−7)及び(E−8)では、添加しない膜よりも高いイオン伝導度を示した。   Although the proton conducting membrane of the present invention does not reach Nafion 117, it can be seen that the proton conducting membrane exhibits higher ionic conductivity than the comparative hybrid membrane (R-3-1) that does not exhibit liquid crystallinity. Further, the membranes (E-7) and (E-8) to which the compounds K-10 and K-14 imparting a plasticizer were added showed higher ionic conductivity than the membrane to which no plasticizer was added.

[実施例3−1]
(1) 触媒膜の作製
白金担持カーボン(VulcanXC72に白金50質量%を担持)2gとナフィオン溶液(5%アルコール水溶液)15gを混合し、超音波分散器で30分間分散させた。分散物の平均粒子径は約500nmであった。得られた分散物をカーボンペーパー(厚さ350μm)上に塗設し、乾燥した後、直径9mmの円形に打ち抜いた。
[Example 3-1]
(1) Production of catalyst film 2 g of platinum-supporting carbon (supporting 50% by mass of platinum on Vulcan XC72) and 15 g of Nafion solution (5% alcohol aqueous solution) were mixed and dispersed with an ultrasonic disperser for 30 minutes. The average particle size of the dispersion was about 500 nm. The obtained dispersion was coated on carbon paper (thickness 350 μm), dried, and then punched into a circle having a diameter of 9 mm.

(2) MEAの作製
実施例1−1及び比較例1−1で作製したプロトン伝導膜の両面に、(1)で得られた触媒膜を塗布面がプロトン伝導膜に接するように貼り合わせ、120℃、50kg/cm2でホットプレスし、MEAを作製した。
(2) Production of MEA The catalyst membrane obtained in (1) was bonded to both sides of the proton conducting membrane produced in Example 1-1 and Comparative Example 1-1 so that the coated surface was in contact with the proton conducting membrane. Hot pressing was performed at 120 ° C. and 50 kg / cm 2 to prepare an MEA.

(3) 燃料電池特性
(2)で得られたMEAを図2に示す燃料電池にセットし、カソード側開口部15に10質量%のメタノール水溶液を注入した。この時アノード側開口部16は大気と接するようにした。カソード電極12とアノード電極13間に、ガルバノスタットで5mA/cm2の定電流を通電し、この時のセル電圧を測定した。結果を表4に示す。
(3) Fuel Cell Characteristics The MEA obtained in (2) was set in the fuel cell shown in FIG. 2, and a 10% by mass methanol aqueous solution was injected into the cathode side opening 15. At this time, the anode side opening portion 16 was in contact with the atmosphere. A constant current of 5 mA / cm 2 was passed between the cathode electrode 12 and the anode electrode 13 with a galvanostat, and the cell voltage at this time was measured. The results are shown in Table 4.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

ナフィオン膜を用いたMEA−1−12により作製した電池C−1−12の初期電圧は高いものの、経時的に電圧が低下した。この経時的な電圧低下は、カソード電極側供給された燃料のメタノールが、ナフィオン膜を通過してアノード電極側に漏れる、いわゆるメタノールクロスオーバー現象による。それに対し、有機−無機ハイブリッド膜を用いたMEA−1−1〜MEA−1−11により構成した電池C−1−1〜C−1−11は電圧が安定している。特に、MEA−1−1〜MEA−1−8により構成した本発明の電池C−1−1〜C−1−8ではより高い電圧を維持できることがわかった。   Although the initial voltage of the battery C-1-12 produced by MEA-1-12 using a Nafion membrane was high, the voltage decreased with time. This voltage drop with time is due to a so-called methanol crossover phenomenon in which methanol of fuel supplied on the cathode electrode side leaks to the anode electrode side through the Nafion membrane. On the other hand, the voltages of the batteries C-1-1 to C-1-1 configured by the MEA-1-1 to MEA-1-1 using the organic-inorganic hybrid film are stable. In particular, it was found that higher voltages could be maintained in the batteries C-1-1 to C-1-8 of the present invention constituted by MEA-1-1 to MEA-1-8.

[実施例3−2]
プロトン伝導膜を、実施例2−1及び比較例2で作製したプロトン伝導膜((E−2−1)、(E−2−3)、(E−2−6)、(E−2−7)、(E−2−8)、(E−2−9)、(E−2−10)、(R−2−1))に代えて、実施例3−1と同様に行い、セル電圧を測定した。結果を表5に示す。
[Example 3-2]
Proton conducting membranes produced in Example 2-1 and Comparative Example 2 ((E-2-1), (E-2-3), (E-2-6), (E-2-6)) 7), (E-2-8), (E-2-9), (E-2-10), (R-2-1)) The voltage was measured. The results are shown in Table 5.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

ナフィオン膜を用いたMEA−2−9により作製した電池C−2−9の初期電圧は高いものの、経時的に電圧が低下した。この経時的な電圧低下は、カソード電極側供給された燃料のメタノールが、ナフィオン膜を通過してアノード電極側に漏れる、いわゆるメタノールクロスオーバー現象による。それに対し、有機−無機ハイブリッド膜を用いたMEA−2−1〜MEA−2−8により作製した電池C−2−1〜C−2−8は電圧が安定している。特に、本発明のMEA−2−1〜MEA−2−7により作製した電池C−2−1〜C−2−7ではより高い電圧を維持できることがわかった。   Battery C-2-9 produced by MEA-2-9 using a Nafion membrane had a high initial voltage, but the voltage decreased over time. This voltage drop with time is due to a so-called methanol crossover phenomenon in which methanol of fuel supplied on the cathode electrode side leaks to the anode electrode side through the Nafion membrane. On the other hand, the voltages of the batteries C-2-1 to C-2-8 produced by the MEA-2-1 to MEA-2-8 using the organic-inorganic hybrid film are stable. In particular, it was found that batteries C-2-1 to C-2-7 produced by MEA-2-1 to MEA-2-7 of the present invention can maintain a higher voltage.

[実施例3−3]
プロトン伝導膜として、実施例3−1及び比較例3で作製したプロトン伝導膜((E−3−3)、(E−3−4)、(E−3−6)、及び(R−3−1))を用いた他は、実施例3−1と同様に行い、セル電圧を測定した。結果を表6に示す。
[Example 3-3]
Proton conducting membranes ((E-3-3), (E-3-4), (E-3-6), and (R-3) produced in Example 3-1 and Comparative Example 3 were used as proton conducting membranes. The cell voltage was measured in the same manner as in Example 3-1, except that -1)) was used. The results are shown in Table 6.

Figure 0004316973
Figure 0004316973

ナフィオン膜を用いたMEA−3−7により作製した電池C−3−7の初期電圧は高いものの、経時的に電圧が低下した。この経時的な電圧の低下は、カソード電極側に供給された燃料のメタノールが、ナフィオン膜を通過してアノード電極側に漏れる、いわゆるメタノールクロスオーバー現象によるものである。それに対し、有機−無機ハイブリッド膜を用いたMEA−3−1〜MEA−3−6により作製した電池C−3−1〜C−3−6は、電圧が安定している。特に、MEA−3−1〜MEA−3−5により作製した本発明の電池C−3−1〜C−3−5では、より高い電圧を維持できることがわかった。   Although the initial voltage of the battery C-3-7 produced by MEA-3-7 using a Nafion membrane was high, the voltage decreased with time. This decrease in voltage over time is due to a so-called methanol crossover phenomenon in which methanol of fuel supplied to the cathode electrode side leaks to the anode electrode side through the Nafion membrane. On the other hand, the voltages of the batteries C-3-1 to C-3-6 produced by MEA-3-1 to MEA-3-6 using the organic-inorganic hybrid film are stable. In particular, it was found that the batteries C-3-1 to C-3-5 of the present invention produced by MEA-3-1 to MEA-3-5 can maintain a higher voltage.

[実施例4−1]
上記実施例2−1で使用した、本発明のプロトン伝導膜(E−1−1)〜(E−1−8)、及び比較サンプル(R−1−1)−(R−1−3)を、50質量%のメタノール水溶液に浸漬し18時間放置し、膜形状の変化を観察した。本発明のプロトン伝導膜(E−1−1)〜(E−1−6)及び比較サンプル(R−1−1)−(R−1−3)は全てひび割れが生じたが、K−10及びK−14を添加した本発明の膜(E−1−7)及び(E−1−8)は、元の形状を保っていた。このことから化合物(K−10)及び(K−14)を添加することにより、膜のメタノール耐性が向上することがわかる。
[Example 4-1]
Proton conducting membranes (E-1-1) to (E-1-8) of the present invention used in Example 2-1 and comparative samples (R-1-1)-(R-1-3) Was immersed in a 50% by mass aqueous methanol solution and allowed to stand for 18 hours, and changes in the film shape were observed. The proton conducting membranes (E-1-1) to (E-1-6) and the comparative sample (R-1-1)-(R-1-3) of the present invention were all cracked, but K-10 And the film | membrane (E-1-7) and (E-1-8) of this invention which added K-14 kept the original shape. This shows that the methanol resistance of the membrane is improved by adding the compounds (K-10) and (K-14).

[実施例4−2]
上記実施例2−2で使用した、本発明のプロトン伝導膜(E−2−1)〜(E−2−10)、及び比較サンプル(R−2−1)を、50質量%のメタノール水溶液に浸漬し18時間放置し、膜形状の変化を観察した。本発明のプロトン伝導膜(E−2−1)〜(E−2−7)、(E−2−9)及び比較サンプル(R−2−1)は全てひび割れが生じたが、K−10及びK−14を添加した本発明の膜(E−2−8)及び(E−2−10)は、元の形状を保っていた。このことから化合物(K−10)及び(K−14)を添加することにより、膜のメタノール耐性が向上することがわかる。
[Example 4-2]
The proton conductive membranes (E-2-1) to (E-2-10) of the present invention and the comparative sample (R-2-1) used in Example 2-2 were mixed with a 50% by mass methanol aqueous solution. The film was immersed in and allowed to stand for 18 hours, and the change in the film shape was observed. The proton conducting membranes (E-2-1) to (E-2-7), (E-2-9) and the comparative sample (R-2-1) of the present invention all had cracks, but K-10 And the film | membrane (E-2-8) and (E-2-10) of this invention which added K-14 kept the original shape. This shows that the methanol resistance of the membrane is improved by adding the compounds (K-10) and (K-14).

[実施例4−3]
実施例2−3で使用した、本発明のプロトン伝導膜(E−3−1)〜(E−3−8)、及び比較サンプル(R−3−1)を、50質量%のメタノール水溶液に浸漬し18時間放置し、膜形状の変化を観察した。本発明のプロトン伝導膜(E−3−1)〜(E−3−6)、及び比較サンプル(R−3−1)は全てひび割れが生じたが、K−10及びK−14を添加した本発明の膜(E−7)及び(E−3−8)は、元の形状を保っていた。このことから化合物(K−10)及び(K−14)を添加することにより、膜のメタノール耐性が向上することがわかる。
[Example 4-3]
The proton conductive membranes (E-3-1) to (E-3-8) of the present invention and the comparative sample (R-3-1) used in Example 2-3 were placed in a 50% by mass methanol aqueous solution. Immersion was allowed to stand for 18 hours, and changes in the film shape were observed. The proton conducting membranes (E-3-1) to (E-3-6) and the comparative sample (R-3-1) of the present invention were all cracked, but K-10 and K-14 were added. The films (E-7) and (E-3-8) of the present invention maintained their original shapes. This shows that the methanol resistance of the membrane is improved by adding the compounds (K-10) and (K-14).

上記の通り、メゾゲン基を有する有機ケイ素化合物を前駆体とし、ゾル−ゲル反応により得られる本発明の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料は、室温でのイオン伝導度が高く、メタノールクロスオーバーを低減することができる。そのため、直接メタノール型燃料電池に用いた場合には、従来のプロトン伝導膜より高い出力を得ることが可能である。   As described above, the organic-inorganic hybrid proton conductive material of the present invention obtained by a sol-gel reaction using an organosilicon compound having a mesogen group as a precursor has high ionic conductivity at room temperature and reduces methanol crossover. can do. Therefore, when used in a direct methanol fuel cell, it is possible to obtain a higher output than a conventional proton conducting membrane.

本発明の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料を用いた触媒電極接合膜を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the catalyst electrode joining film | membrane using the organic-inorganic hybrid type proton conductive material of this invention. 本発明の燃料電池の構造の一例を示す分解断面図である。It is an exploded sectional view showing an example of the structure of the fuel cell of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 触媒電極接合体(MEA)
11 プロトン伝導膜
12 カソード側電極
13 アノード側電極
12a、13a 多孔質導電材料
12b、13b 触媒層
14 パッキン
15 カソード極側開口部
16 アノード極側開口部
17 集電体
21、22 セパレータ
10 Catalytic electrode assembly (MEA)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Proton conductive film 12 Cathode side electrode 13 Anode side electrode 12a, 13a Porous conductive material 12b, 13b Catalyst layer 14 Packing 15 Cathode pole side opening 16 Anode pole side opening 17 Current collector 21, 22 Separator

Claims (6)

下記一般式(1−1)で表される化合物、下記(S−1−1)、(S−1−2)、(S−1−3)、(S−1−6)、(S−1−17)、(S−1−18)、(S−1−21)、(S−1−22)、(S−1−23)、(S−1−24)または(S−1−25)を前駆体とし、該前駆体に、下記一般式(1−3)で表される化合物を添加して重合させることによって形成されるSi−O−Siの3次元架橋構造を有する有機−無機ハイブリッド材料に、プロトン伝導性付与剤として、リン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種が保持されていることを特徴とする有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(1−1)中、A1は下記一般式(1−2)で表されるメソゲン基と炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、R11はアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、X1はハロゲン原子又はOR14を表し、R14は水素原子、アルキル基、アリール基又はシリル基を表し、m11は0を表し、n11はを表す。X1はそれぞれ同一でも異なっていてもよい。)
Figure 0004316973
(一般式(1−2)中、Q11及びQ12はそれぞれ2価の連結基又は単結合を表し、Y11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
Figure 0004316973
(一般式(1−3)中、R12は置換又は無置換のアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、Z1はハロゲン原子又はOR15を表し、R15は水素原子、アルキル基、アリール基又はシリル基を表し、m13は0または1を表す。Z 1はそれぞれ同一でも異なっても良い。また、R12又はR12の置換基により互いに連結し、多量体を形成していてもよい。)
Compounds represented by the following general formula (1-1), the following (S-1-1), (S-1-2), (S-1-3), (S-1-6), (S- 1-17), (S-1-18), (S-1-21), (S-1-22), (S-1-23), (S-1-24) or (S-1- 25) as a precursor, and an organic compound having a three-dimensional crosslinked structure of Si—O—Si formed by adding a compound represented by the following general formula (1-3 ) to the precursor and polymerizing the compound: An organic-inorganic hybrid proton conductive material, wherein at least one of a phosphorus compound, an organic sulfonic acid, and a perfluorocarbon sulfonic acid polymer is retained in the inorganic hybrid material as a proton conductivity imparting agent.
Figure 0004316973
(In the general formula (1-1), A 1 represents an organic atomic group containing a mesogenic group represented by the following general formula (1-2) and an alkylene group having 4 or more carbon atoms, and R 11 is an alkyl group or aryl. represents a group or a heterocyclic group, X 1 represents a halogen atom or oR 14, R 14 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a silyl group, m11 represents 0, n11 represents 2 .X 1 May be the same or different.)
Figure 0004316973
(In General Formula (1-2), Q 11 and Q 12 each represent a divalent linking group or a single bond, and Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or from them The substituent of the condensed ring comprised is represented, m12 represents the integer of 1-3.)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
Figure 0004316973
(In General Formula (1-3), R 12 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, Z 1 represents a halogen atom or OR 15 , R 15 represents a hydrogen atom, an alkyl group, Represents an aryl group or a silyl group, and m13 represents 0 or 1. Z 1 may be the same or different from each other, and may be linked to each other by a substituent of R 12 or R 12 to form a multimer. Good.)
前記一般式(1−3)で表される化合物が、テトラメトキシシランおよび/またはテトラエトキシシランである、請求項1に記載の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。 The organic-inorganic hybrid proton conductive material according to claim 1, wherein the compound represented by the general formula (1-3) is tetramethoxysilane and / or tetraethoxysilane. 下記一般式(2−1)で表される化合物、下記(S−2−15)、(S−2−16)、(S−2−17)、(S−2−18)、(S−2−19)、(S−2−20)、(S−2−21)、(S−2−22)、(S−2−28)、(S−2−29)または(S−2−30)を前駆体とし、前記前駆体のゾル−ゲル反応によって形成されるSi−O−Siの3次元架橋構造と、エポキシ基またはオキセタン基を有する基の重合反応によってエポキシ基またはオキセタン基を有する基を開環重合させることにより得られる主鎖構造とを有する有機−無機ハイブリッド材料に、プロトン伝導性付与剤として、リン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種が保持されていることを特徴とする有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(2−1)中、A2は下記一般式(1−2)で表されるメソゲン基を含む有機原子団を表し、R21はアルキル基を表し、R22はアルキル基、アリール基又はヘテロ環基を表し、R23はエポキシ基またはオキセタン基を有する基を表し、m21は0を表し、n21はを表し、n22はを表す。 21 は、それぞれ同一でも異なってもよい。)
Figure 0004316973
(一般式(1−2)中、Q11及びQ12はそれぞれ2価の連結基又は単結合を表し、Y11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
Compounds represented by the following general formula (2-1), the following (S-2-15), (S-2-16), (S-2-17), (S-2-18), (S- 2-19), (S-2-20), (S-2-21), (S-2-22), (S-2-28), (S-2-29) or (S-2- 30) as a precursor, and having an epoxy group or an oxetane group by a polymerization reaction of a three-dimensional crosslinked structure of Si-O-Si formed by a sol-gel reaction of the precursor and a group having an epoxy group or an oxetane group An organic-inorganic hybrid material having a main chain structure obtained by ring-opening polymerization of a group retains at least one of a phosphorus compound, an organic sulfonic acid, and a perfluorocarbon sulfonic acid polymer as a proton conductivity imparting agent. Organic-inorganic Hybrid type proton conductive material.
Figure 0004316973
(In the general formula (2-1), A 2 represents an organic atomic group containing a mesogenic group represented by the following general formula (1-2), R 21 represents an alkyl group, R 22 represents an alkyl group, aryl represents a group or a heterocyclic group, R 23 represents a group having an epoxy group or an oxetane group, m21 represents 0, n21 represents 1,. R 21 representing a 1 n22 are each Re their Re are identical May be different.)
Figure 0004316973
(In General Formula (1-2), Q 11 and Q 12 each represent a divalent linking group or a single bond, and Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or from them The substituent of the condensed ring comprised is represented, m12 represents the integer of 1-3.)
Figure 0004316973
Figure 0004316973
下記一般式(3−1)で表される繰り返し単位を有する高分子化合物、(S−3−13)、(S−3−14)、(S−3−15)、(S−3−16)、(S−3−17)または(S−3−20)を前駆体として架橋重合してなることを特徴とする有機−無機ハイブリッド材料に、プロトン伝導性付与剤として、リン化合物、有機スルホン酸類及びパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの少なくとも一種が保持されていることを特徴とする有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(3−1)中、A3は下記一般式(1−2)で表されるメソゲン基及びアルキレン基を含む有機原子団を表し、R31はアルキル基を表し、R32はアルキル基、アリール基、又はヘテロ環基を表し、E3はアルキレンオキシ基、アルキレン基、又はシロキシ基を表し、L3は連結基を表し、m31は0〜2の整数を表し、n31はを表し、n32は1〜5の整数を表す。m31が0または1のときR 31 はそれぞれ同一でも異なってもよく、又、m31が2のときR 32 はそれぞれ同一でも異なってもよい
Figure 0004316973
(一般式(1−2)中、Q11及びQ12はそれぞれ2価の連結基又は単結合を表し、Y11は2価の4、5、6又は7員環の置換基、又はそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m12は1〜3の整数を表す。)
Figure 0004316973
Polymer compound having a repeating unit represented by the following general formula (3-1) , (S-3-13), (S-3-14), (S-3-15), (S-3-16) ), (S-3-17) or (S-3-20) as a precursor, and an organic-inorganic hybrid material characterized by comprising a phosphorus compound, an organic sulfone as a proton conductivity-imparting agent. An organic-inorganic hybrid proton conductive material, wherein at least one of acids and perfluorocarbon sulfonic acid polymer is retained.
Figure 0004316973
(In General Formula (3-1), A 3 represents an organic atomic group containing a mesogenic group and an alkylene group represented by the following General Formula (1-2), R 31 represents an alkyl group, and R 32 represents an alkyl group. A group, an aryl group, or a heterocyclic group, E 3 represents an alkyleneoxy group, an alkylene group, or a siloxy group, L 3 represents a linking group, m31 represents an integer of 0 to 2, and n31 represents 1 . N32 represents an integer of 1 to 5. When m31 is 0 or 1, R 31 may be the same or different, and when m31 is 2, R 32 may be the same or different.
Figure 0004316973
(In General Formula (1-2), Q 11 and Q 12 each represent a divalent linking group or a single bond, and Y 11 represents a divalent 4-, 5-, 6- or 7-membered ring substituent, or from them The substituent of the condensed ring comprised is represented, m12 represents the integer of 1-3.)
Figure 0004316973
前記有機−無機ハイブリッド材料が、下記一般式(1−4)で表される化合物、下記一般式(1−5)で表される化合物、下記(K−1)、(K−2)、(K−3)、(K−4)、(K−18)または(K−19)を、前記前駆体のモル数に対し1〜50モル%添加してなることを特徴とする有機−無機ハイブリッド材料である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料。
Figure 0004316973
(一般式(1−4)中、A14は、前記一般式(1−2)で表されるメソゲン基及び炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、Z14は水素原子、水酸基、カルボキシル基、スルホ基、スルフィノ基、ホスホノ基、またはビニル基を表し、n13はを表し、n14はを表し、Y14 はエポキシ基またはオキセタン基を有する基を表す
一般式(1−5)中、A15は、前記一般式(1−2)で表されるメソゲン及び炭素数4以上のアルキレン基を含む有機原子団を表し、Z15は水素原子、水酸基、カルボキシル基、スルホ基、スルフィノ基、ホスホノ基、またはビニル基を表し、n15はを表し、n16は1〜5の整数を表し、L15は**−COO−、**−OCO−、**−(CH2nn3−、**−(CH2nn3O−、**−O(CH2nn3−、**−CON(R34’)−またはフェニレン基(**はE15と結合する位置を表し、R34’はアルキル基であり、nn3は1〜6の整数を表す)を表し、E15はアルキレンオキシ基、アルキレン基又はシロキシ基を表。n16が2以上の場合、それぞれの単位は同一でも異なっていてもよい。)
Figure 0004316973
The organic-inorganic hybrid material is a compound represented by the following general formula (1-4) , a compound represented by the following general formula (1-5), the following (K-1), (K-2), ( An organic-inorganic hybrid comprising K-3), (K-4), (K-18) or (K-19) added in an amount of 1 to 50 mol% based on the number of moles of the precursor. The organic-inorganic hybrid proton conductive material according to any one of claims 1 to 4, which is a material.
Figure 0004316973
(In the general formula (1-4), A 14 represents an organic atomic group containing the formula (1-2) mesogenic groups and having 4 or more alkylene group having a carbon represented by, Z 14 is a hydrogen atom, a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfo group, a sulfino group, a phosphono group or a vinyl group,, n13 represents 1, n14 represents 1, Y 14 represents a group having a d epoxy group or an oxetane group.
In the general formula (1-5), A 15 represents an organic atomic group containing a mesogen represented by the general formula (1-2) and an alkylene group having 4 or more carbon atoms, Z 15 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group, represents a carboxyl group, a sulfo group, a sulfino group, a phosphono group or a vinyl group,, n15 represents 1, n16 represents an integer of 1 to 5, L 15 is ** - COO -, ** - OCO -, * * — (CH 2 ) nn3 —, ** — (CH 2 ) nn3 O—, ** — O (CH 2 ) nn3 —, ** — CON (R 34 ′) — or a phenylene group (** is E 15 represents the position which binds to, R 34 'is an alkyl group, NN3 represents represents) an integer from 1 to 6, E 15 is to Table alkyleneoxy group, an alkylene group or a siloxy group. When n16 is 2 or more, each unit may be the same or different. )
Figure 0004316973
請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導材料を用いることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell using the organic-inorganic hybrid proton conductive material according to any one of claims 1 to 5.
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