JP2004346305A - Aromatic polyether-based ion-conducting ultra-high-molecular-weight polymer, intermediate for the same, and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film of an aromatic polyether-based ion-conducting polymer, improved in mechanical strength. <P>SOLUTION: The aromatic polyether-based ion-conducting ultra-high-molecular-weight polymer has an ion exchange capacity of ≥0.1 meq/g, and further has such a structure that acid groups are introduced into the aromatic polyether-based ultra-high-molecular-weight polymer, wherein the aromatic polyether-based ultra-high-molecular-weight polymer has at least one kind of structural unit selected from formula (1) (Ar<SP>1</SP>is an aromatic divalent group, and pluralities of Ar<SP>1</SP>may be different from each other; and m is a number of repeating units, and is 10 or more) and formula (2) (Ar<SP>2</SP>is an aromatic divalent group, may be different from Ar<SP>1</SP>, and pluralities of Ar<SP>2</SP>may be different from each other; and n is a number of repeating units, and is 10 or more, and may be different from m) and a sum of (a) and (b) of 2 or more [(a) is a number of structural units of formula (1); and (b) is a number of structural units of formula (2)]. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子、その中間体、それらの製造方法及びその用途に関するものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to an aromatic polyether-based ion-conductive ultrapolymer, an intermediate thereof, a production method thereof, and a use thereof.

一次電池、二次電池、あるいは固体高分子型燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜として、イオン伝導性を有する高分子からなる高分子電解質が用いられている。例えば、ナフィオン(デュポン社の登録商標)をはじめとするパーフルオロスルホン酸系の材料が、燃料電池に用いた場合の特性に優れることから従来主に使用されてきている。しかしながらこの材料は非常に高価であること、耐熱性が低いこと、フィルム強度が低く何らかの補強をしないと実用的でないことなどの問題が指摘されている。   BACKGROUND ART A polymer electrolyte made of a polymer having ion conductivity is used as a diaphragm of an electrochemical device such as a primary battery, a secondary battery, and a polymer electrolyte fuel cell. For example, perfluorosulfonic acid-based materials such as Nafion (registered trademark of DuPont) have been conventionally mainly used because of their excellent properties when used in fuel cells. However, it has been pointed out that this material is very expensive, has low heat resistance, has a low film strength and is not practical without some kind of reinforcement.

こうした状況において、上記イオン伝導性高分子に替わり得る安価な高分子の開発が近年活発化してきている。なかでも耐熱性に優れフィルム強度の高い芳香族ポリエーテルにスルホン酸基等の酸基を導入した形の高分子、すなわち主鎖が芳香族系であって、この主鎖にスルホン酸基等の酸基が直接結合した芳香族系高分子が有望視されている。例えば、スルホン化ポリエーテルケトン系(特許文献1)、スルホン化ポリエーテルスルホン系(特許文献2,3)等の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性高分子が提案されている。   Under these circumstances, the development of inexpensive polymers that can replace the above-mentioned ion-conductive polymers has recently been active. Above all, a polymer in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into an aromatic polyether having excellent heat resistance and high film strength, that is, the main chain is an aromatic type, and the main chain has a sulfonic acid group or the like. Promising are aromatic polymers to which acid groups are directly bonded. For example, aromatic polyether-based ion conductive polymers such as sulfonated polyether ketones (Patent Document 1) and sulfonated polyether sulfones (Patent Documents 2 and 3) have been proposed.

特表平11−502249号公報Japanese Patent Publication No. 11-502249 特開平10−45913号公報JP-A-10-45913 特開平10−21943号公報JP-A-10-21943

しかしながら、上記のような芳香族ポリエーテル系イオン伝導性高分子のフィルム強度は、パーフルオロスルホン酸系の材料よりは向上するものの、燃料電池等の電解質膜として用いた場合、十分満足し得るものではなく、この点の改良がなされた電解質の開発が望まれていた。   However, the film strength of the aromatic polyether-based ion-conductive polymer as described above is higher than that of a perfluorosulfonic acid-based material, but can be sufficiently satisfied when used as an electrolyte membrane of a fuel cell or the like. Rather, it has been desired to develop an electrolyte in which this point is improved.

本発明者等は、機械的強度の改良された芳香族ポリエーテル系イオン伝導性の高分子を提供すべく鋭意検討を重ねた結果、高分子の末端基を利用する縮合反応すなわち末端基としてハロゲン等を有する芳香族ポリエーテル系高分子同士をカップリングすることにより更に高分子量化が図れ、超高分子量の芳香族ポリエーテルが得られることを見出すとともに、この芳香族ポリエーテル系超高分子にスルホン酸基等を導入した形のイオン伝導性超高分子が優れたフィルム強度を有する電解質膜となり得ることを見出し、さらに種々の検討を加え、本発明を完成した。   The present inventors have conducted intensive studies to provide an aromatic polyether-based ion-conductive polymer having improved mechanical strength. As a result, a condensation reaction using a terminal group of the polymer, that is, a halogen as a terminal group was carried out. By coupling aromatic polyether-based polymers with each other, it is possible to further increase the molecular weight and find that an ultra-high-molecular-weight aromatic polyether can be obtained. The present inventors have found that an ion-conductive ultrapolymer having a sulfonic acid group or the like introduced therein can be an electrolyte membrane having excellent film strength, and have made various studies to complete the present invention.

すなわち本発明は、
[1]イオン交換容量が0.1meq/g以上であって、芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基が導入された構造を有し、該芳香族ポリエーテル系超高分子が下式(1)、(2)

Figure 2004346305
(式中、Ar、Arは独立に芳香族の2価の基を表す。m、nは繰返し数を表し、m、nは独立に10以上の数値を表す。複数のAr、Ar、m、nはそれぞれ異なっていても良い。)
から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位の数aと式(2)の構造単位の数bの和は2以上であることを特徴とする芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子を提供するものである。
さらに本発明は、
[2]酸基がスルホン酸基であることを特徴とする上記[1]記載の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子を提供するものである。
また、本発明は、
[3]上記[1]記載の式(1)、(2)から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位数aと式(2)の構造単位数bの和は2以上である芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基を導入することを特徴とする上記[1]記載の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子の製造方法、
[4]酸基がスルホン酸基であることを特徴とする上記[3]記載の製造方法
を提供するものである。
また、本発明は、
[5]上記[1]記載の式(1)、(2)から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位の数aと式(2)の構造単位の数bの和は2以上であることを特徴とする芳香族ポリエーテル系超高分子を提供するものである。
また、本発明は、
[6]ゼロ価遷移金属錯体の共存下、下式(3)、(4)
Figure 2004346305
(式中、Ar、Ar、m、nは前記と同じ意味を表す。Xは、縮合反応時に脱離する基を表し、複数のXは異なる種類であっても良い。)
から選ばれる少なくとも1種の高分子を縮合反応により重合することを特徴とする上記[5]記載の芳香族ポリエーテル系超高分子の製造方法、
[7]Xが、クロロ、ブロモ、ヨード、p−トルエンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、またはトリフルオロメタンスルホニルオキシ基であることを特徴とする上記[6]に記載の芳香族ポリエーテル系超高分子量高分子の製造方法、
また、本発明は、
[8]上記[1]記載の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子を有効成分とする高分子電解質、
[9]上記[8]記載の高分子電解質からなる高分子電解質膜、
[10]上記[8]記載の高分子電解質を用いてなることを特徴とする触媒組成物、
[11]上記[9]記載の高分子電解質膜および/または上記[10]記載の触媒組成物を用いてなることを特徴とする燃料電池
を提供するものである。 That is, the present invention
[1] The ion exchange capacity is 0.1 meq / g or more, the aromatic polyether-based ultrapolymer has a structure in which an acid group is introduced, and the aromatic polyether-based ultrapolymer is represented by the following formula ( 1), (2)
Figure 2004346305
(Wherein, Ar 1 and Ar 2 independently represent an aromatic divalent group; m and n each represent a number of repetitions; m and n each independently represent a numerical value of 10 or more; a plurality of Ar 1 and Ar 2 , m and n may be different from each other.)
Wherein the sum of the number a of the structural units of the formula (1) and the number b of the structural units of the formula (2) is 2 or more, containing at least one structural unit selected from the group consisting of: The present invention provides a system-based ion conductive ultrapolymer.
Further, the present invention
[2] The present invention provides the aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer according to the above [1], wherein the acid group is a sulfonic acid group.
Also, the present invention
[3] It contains at least one type of structural unit selected from the formulas (1) and (2) according to the above [1], and has a number of structural units a of the formula (1) and a number of structural units b of the formula (2). The method for producing an aromatic polyether-based ion-conductive ultrapolymer according to the above [1], wherein an acid group is introduced into the aromatic polyether-based ultrapolymer having a sum of 2 or more;
[4] The method according to the above [3], wherein the acid group is a sulfonic acid group.
Also, the present invention
[5] It contains at least one structural unit selected from the formulas (1) and (2) described in the above [1], and the number a of the structural units of the formula (1) and the number of the structural units of the formula (2) The present invention provides an aromatic polyether-based ultrapolymer, wherein the sum of b is 2 or more.
Also, the present invention
[6] In the presence of a zero-valent transition metal complex, the following formulas (3) and (4)
Figure 2004346305
(In the formula, Ar 1 , Ar 2 , m, and n represent the same meaning as described above. X represents a group that is eliminated during the condensation reaction, and a plurality of Xs may be of different types.)
The method for producing an aromatic polyether-based ultrapolymer according to the above [5], wherein at least one polymer selected from the group consisting of:
[7] X is a chloro, bromo, iodo, p-toluenesulfonyloxy group, a methanesulfonyloxy group, or a trifluoromethanesulfonyloxy group, wherein the aromatic polyether-based polymer according to the above [6]. A method for producing a high molecular weight polymer,
Also, the present invention
[8] A polymer electrolyte containing the aromatic polyether ion conductive ultrapolymer according to the above [1] as an active ingredient,
[9] A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to the above [8],
[10] A catalyst composition comprising the polymer electrolyte according to the above [8],
[11] A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to the above [9] and / or the catalyst composition according to the above [10].

本発明によれば、高分子の末端基を利用する縮合反応すなわち末端基としてハロゲン等を有する芳香族ポリエーテル系高分子同士をカップリングすることにより更に高分子量化が図れ、超高分子量の芳香族ポリエーテルが容易に製造し得る。
またこの芳香族ポリエーテル系超高分子にスルホン酸基等の酸基を導入した形の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子は、優れた機械的強度を有する電解質膜となり得る。
According to the present invention, a higher molecular weight can be further achieved by a condensation reaction utilizing a terminal group of the polymer, that is, by coupling aromatic polyether-based polymers having a halogen or the like as a terminal group, thereby achieving an ultra-high molecular weight aromatic compound. Group polyethers can be easily prepared.
In addition, the aromatic polyether-based ion-conductive ultrapolymer in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into the aromatic polyether-based ultrapolymer can be an electrolyte membrane having excellent mechanical strength.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子におけるイオン交換容量は、0.1meq/g以上であるが、好ましくは0.1〜4meq/g程度、より好ましくは0.8〜2.5meq/g程度である。燃料電池用の高分子電解質として用いた場合、イオン交換容量が小さすぎるとプロトン伝導性が低くなり電解質としての機能が不十分となることがある。また大き過ぎると耐水性不良となることがあるので好ましくない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The ion exchange capacity of the aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer of the present invention is 0.1 meq / g or more, preferably about 0.1 to 4 meq / g, and more preferably 0.8 to 2.2 meq / g. It is about 5 meq / g. When used as a polymer electrolyte for a fuel cell, if the ion exchange capacity is too small, the proton conductivity may be low and the function as an electrolyte may be insufficient. On the other hand, if it is too large, water resistance may be poor, which is not preferable.

また本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子は、芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基が導入された構造を有し、該芳香族ポリエーテル系超高分子は上記式(1)、(2)から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位数aと式(2)の構造単位数bの和は2以上である。
ここで、式(1)、(2)におけるAr、Arは独立に芳香族の2価の基を表すが、かかる芳香族の2価の基の代表例としては、例えば、1,4−フェニレン、1,3−フェニレン、1,2−フェニレン、2−フェニル−1,4−フェニレン、2−フェノキシ−1,4−フェニレン、1,4−ナフチレン、2,3−ナフチレン、1,5−ナフチレン、2,6−ナフチレン、2,7−ナフチレン、ビフェニル−4,4'−ジイル、ビフェニル−3,3'−ジイル、ビフェニル−3,4'−ジイル、3,3'−ジフェニルビフェニル−4,4'−ジイル、3,3'−ジフェノキシビフェニル−4,4'−ジイル、2,2−ジフェニルプロパン−4',4''−ジイル、ジフェニルエーテル−4,4'−ジイル、ジフェニルスルホン−4,4'−ジイル、ベンゾフェノン−4,4'−ジイル、次に示すエーテル結合を有する2価の基などが挙げられる。
Further, the aromatic polyether ion conductive ultrapolymer of the present invention has a structure in which an acid group is introduced into the aromatic polyether ultrapolymer, and the aromatic polyether ultrapolymer has the above formula ( It contains at least one structural unit selected from 1) and (2), and the sum of the number a of structural units in Formula (1) and the number b of structural units in Formula (2) is 2 or more.
Here, Ar 1 and Ar 2 in the formulas (1) and (2) independently represent an aromatic divalent group, and typical examples of such an aromatic divalent group include, for example, 1,4 -Phenylene, 1,3-phenylene, 1,2-phenylene, 2-phenyl-1,4-phenylene, 2-phenoxy-1,4-phenylene, 1,4-naphthylene, 2,3-naphthylene, 1,5 -Naphthylene, 2,6-naphthylene, 2,7-naphthylene, biphenyl-4,4'-diyl, biphenyl-3,3'-diyl, biphenyl-3,4'-diyl, 3,3'-diphenylbiphenyl- 4,4′-diyl, 3,3′-diphenoxybiphenyl-4,4′-diyl, 2,2-diphenylpropane-4 ′, 4 ″ -diyl, diphenylether-4,4′-diyl, diphenylsulfone -4,4'-diyl, ben Phenone-4,4'-diyl, etc. divalent group having an ether bond shown below and the like.

Figure 2004346305
Figure 2004346305

これらの芳香族の2価の基は、置換基を有していても良く、その置換基としては、後述の縮合反応を阻害しないものが好ましく、例えば、炭素数1〜6のアルキル、炭素数1〜6のアルコキシ、フェニル、フェノキシなどが例示される。とりわけ、メチル、エチル、メトキシ、エトキシ、フェニル、フェノキシ等が好ましい。これら置換基の置換位置は特に限定されない。
また複数のAr、Arはそれぞれ異なっていても良い。
These aromatic divalent groups may have a substituent, and as the substituent, those which do not inhibit the condensation reaction described below are preferable, for example, alkyl having 1 to 6 carbon atoms, carbon number Examples include 1 to 6 alkoxy, phenyl, phenoxy and the like. Especially, methyl, ethyl, methoxy, ethoxy, phenyl, phenoxy and the like are preferable. The substitution positions of these substituents are not particularly limited.
The plurality of Ar 1 and Ar 2 may be different from each other.

繰返し数を表すm、nは、独立に10以上の数値を表すが、好ましくは20〜250程度、さらに好ましくは50〜200程度の数値である。複数のm、nはそれぞれ異なっていても良い。
また、式(1)の構造単位の数aと式(2)の構造単位の数bの和は2以上であるが、好ましくは3〜10程度である。
酸基としては、例えばカルボン酸基、スルホン酸基、スルホニルイミド基、ホスホン酸基などが例示される。燃料電池等の高分子電解質として用いる場合はスルホン酸基、スルホニルイミド基が好ましい。
これら酸基は、高分子の主鎖を構成している芳香族環に直接置換していても、また主鎖を構成している芳香族環上の置換基や側鎖に導入されていても、また、それらの組み合わせであっても良い。
ポリスチレン換算の数平均分子量は、式(1)及び式(2)の構造単位においてはそれぞれ通常2000〜100000程度、好ましくは5000〜80000程度であり、芳香族ポリエーテル系超高分子においては、通常100000程度以上、好ましくは150000以上、より好ましくは200000〜400000程度である。
M and n representing the number of repetitions independently represent a numerical value of 10 or more, preferably a numerical value of about 20 to 250, more preferably about 50 to 200. A plurality of m and n may be different from each other.
The sum of the number a of the structural units of the formula (1) and the number b of the structural units of the formula (2) is 2 or more, and preferably about 3 to 10.
Examples of the acid group include a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a sulfonylimide group, and a phosphonic acid group. When used as a polymer electrolyte for a fuel cell or the like, a sulfonic acid group and a sulfonylimide group are preferred.
These acid groups may be directly substituted on the aromatic ring constituting the main chain of the polymer, or may be introduced into a substituent or a side chain on the aromatic ring constituting the main chain. , Or a combination thereof.
The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually about 2000 to 100,000, preferably about 5000 to 80,000 in the structural units of the formulas (1) and (2), respectively. It is about 100,000 or more, preferably about 150,000 or more, more preferably about 200,000 to 400,000.

本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子は、上記のような芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基が導入された構造を有するものであれば良く、その製造方法は特に限定はないが、例えば、上記のような芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基を導入することにより製造し得る。
ここで酸基の導入方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば芳香環にスルホン酸基を導入する場合は、芳香族ポリエーテル系超高分子を濃硫酸に分散または溶解させ、必要に応じて加熱したり、発煙硫酸を加える等の方法を使用し得る(例えば、前記特許文献2、3など)。アルキレン基を介してスルホン酸基を導入する場合は、J.Amer.Chem.Soc.,76,5357〜5360(1954)に記載されているスルトンを用いた反応を使用し得る。また、アルキレンオキシ基を介してスルホン酸基を導入する場合は、ヒドロキシ基を持つモノマーおよびポリマーをアルカリ金属化合物及び/又は有機塩基化合物と反応させてアルカリ金属塩及び/又はアミン塩を生成した後、脱離基を有するアルキルスルホン酸類と反応させる等の方法を使用し得る。
また、カルボン酸基を導入する場合は、例えば公知の方法(例えば、特開2002−241493、Polymer, 1989, Vol.30, June, 1137-1142. など)を用いてブロモ化した後、Grignard反応を使って二酸化炭素の作用によりカルボン酸基を導入する方法や、Friedel-Crafts反応など公知の方法を用いてアシル基やアルキル基を導入した後、公知の酸化反応でこれをカルボン酸基に変換するなどの方法を使用し得る。
The aromatic polyether-based ion-conductive ultrapolymer of the present invention may have any structure in which an acid group is introduced into the aromatic polyether-based ultrapolymer as described above, and the production method is particularly limited. However, it can be produced, for example, by introducing an acid group into the aromatic polyether-based ultrapolymer as described above.
Here, a known method can be used as a method for introducing an acid group. For example, when a sulfonic acid group is introduced into an aromatic ring, a method of dispersing or dissolving an aromatic polyether-based ultrapolymer in concentrated sulfuric acid, heating if necessary, or adding fuming sulfuric acid may be used ( For example, Patent Documents 2 and 3 described above). When a sulfonic acid group is introduced via an alkylene group, J. Am. Amer. Chem. Soc. , 76, 5357-5360 (1954). When a sulfonic acid group is introduced via an alkyleneoxy group, a monomer or polymer having a hydroxy group is reacted with an alkali metal compound and / or an organic base compound to form an alkali metal salt and / or an amine salt. For example, a reaction with an alkylsulfonic acid having a leaving group.
When a carboxylic acid group is introduced, the carboxylic acid group is brominated using a known method (for example, JP-A-2002-241493, Polymer, 1989, Vol. 30, June, 1137-1142.), And then Grignard reaction is performed. After introducing an acyl group or an alkyl group using a known method such as a method of introducing a carboxylic acid group by the action of carbon dioxide using Friedel-Crafts reaction, and then converting it to a carboxylic acid group by a known oxidation reaction Such methods may be used.

スルホニルイミド基を導入する場合は、例えば前記の方法で導入したスルホン酸基を塩化チオニルなどを作用させてスルホニルクロリドなどのスルホニルハライド基とするか、芳香族ポリエーテル系超高分子を必要に応じ有機溶媒中、クロロ硫酸を作用させてスルホニルクロリド基を導入した後、メタンスルホニルアミドやベンゼンスルホニルアミドなどのスルホニルアミド化合物を、必要に応じ脱酸剤の共存下作用させ、スルホニルイミド基を導入するなどの方法を使用し得る。
また、ホスホン酸基を導入する場合は、例えば公知の方法に準じてブロモ基を導入した後、塩化ニッケルなどのニッケル化合物の共存下、亜リン酸トリアルキルを作用させてホスホン酸ジエステル基を導入し、これを公知の方法で加水分解する方法(例えば、Chem.Ber., 103, 2428-2436.(1970). など)、ルイス酸触媒の共存下、Friedel-Crafts反応で三塩化リンや五塩化リンなどを用いてC−P結合を形成させ、続いて必要に応じ酸化及び加水分解してホスホン酸基とする方法、高温でリン酸無水物を作用させる方法(例えば、J.Amer.Chem.Soc., 76, 1045-1051.(1954). など)などのホスホン酸基を導入する方法を使用し得る。
When a sulfonylimide group is introduced, for example, the sulfonic acid group introduced by the above-described method is reacted with thionyl chloride or the like to form a sulfonyl halide group such as a sulfonyl chloride, or an aromatic polyether-based ultrapolymer is used as necessary. In an organic solvent, chlorosulfuric acid is allowed to act to introduce a sulfonyl chloride group, and then a sulfonylamide compound such as methanesulfonylamide or benzenesulfonylamide is acted on in the co-presence of a deoxidizing agent, if necessary, to introduce a sulfonylimide group. Such methods may be used.
In the case of introducing a phosphonic acid group, for example, after introducing a bromo group according to a known method, a phosphonic acid diester group is introduced by reacting a trialkyl phosphite in the presence of a nickel compound such as nickel chloride. This is hydrolyzed by a known method (for example, Chem. Ber., 103, 2428-2436. (1970).), And in the presence of a Lewis acid catalyst, phosphorus trichloride or pentane is reacted by Friedel-Crafts reaction. A method of forming a CP bond using phosphorus chloride or the like, followed by oxidation and hydrolysis as necessary to form a phosphonic acid group, or a method of reacting phosphoric anhydride at a high temperature (for example, J. Amer. Chem. Soc., 76, 1045-1051. (1954). Etc.).

次に、芳香族ポリエーテル系超高分子の製造方法について説明する。
芳香族ポリエーテル系超高分子は、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、下式(3)、(4)

Figure 2004346305
(式中、Ar、Ar、m、nは前記と同じ意味を表す。Xは、縮合反応時に脱離する基を表し、複数のXは異なる種類であっても良い。)
から選ばれる少なくとも1種の高分子を縮合反応により重合することにより製造し得る。 Next, a method for producing an aromatic polyether-based ultrapolymer will be described.
The aromatic polyether-based superpolymer is obtained by the following formulas (3) and (4) in the presence of a zero-valent transition metal complex.
Figure 2004346305
(In the formula, Ar 1 , Ar 2 , m, and n represent the same meaning as described above. X represents a group that is eliminated during the condensation reaction, and a plurality of Xs may be of different types.)
Can be produced by polymerizing at least one polymer selected from

ここで、Xは縮合反応時に脱離する基を表すが、その具体例としては、クロル、ブロム、ヨウ素などのハロゲン、また、p−トルエンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、トリフルオロメタンスルホニルオキシ基などのスルホン酸エステル基などが挙げられる。   Here, X represents a group which is eliminated during the condensation reaction, and specific examples thereof include halogens such as chloro, bromo and iodine, and p-toluenesulfonyloxy, methanesulfonyloxy and trifluoromethanesulfonyloxy groups. And the like.

また高分子の縮合反応による重合は、ゼロ価遷移金属錯体の共存下に実施されるが、かかるゼロ価遷移金属錯体としては、例えばゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体等が挙げられる。なかでもゼロ価ニッケル錯体が好ましく使用される。
ゼロ価遷移金属錯体は、市販品や別途合成したものを重合反系に供しても良いし、重合反応系中において、還元剤の作用で、遷移金属化合物から発生させても良い。後者の場合においては、例えば、遷移金属化合物に亜鉛やマグネシウムなどを作用させる方法等が挙げられる。
いずれの場合でも、後述の配位子を添加することが、収率向上の観点から好ましい。
ここで、ゼロ価パラジウム錯体としては、例えばパラジウム(0)テトラキス(トリフェニルホスフィン)等があげられる。
The polymerization by condensation reaction of the polymer is carried out in the presence of a zero-valent transition metal complex. Examples of the zero-valent transition metal complex include a zero-valent nickel complex and a zero-valent palladium complex. Of these, a zero-valent nickel complex is preferably used.
As the zero-valent transition metal complex, a commercially available product or a separately synthesized product may be supplied to a polymerization reaction system, or may be generated from a transition metal compound by the action of a reducing agent in a polymerization reaction system. In the latter case, for example, a method in which zinc, magnesium, or the like is allowed to act on the transition metal compound, or the like, may be used.
In any case, it is preferable to add a ligand described below from the viewpoint of improving the yield.
Here, examples of the zero-valent palladium complex include palladium (0) tetrakis (triphenylphosphine) and the like.

またゼロ価ニッケル錯体としては、例えばニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)、ニッケル(0)(エチレン)ビス(トリフェニルホスフィン)、ニッケル(0)テトラキス(トリフェニルホスフィン)等が挙げられる。なかでもニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)が好ましく使用される。
また、遷移金属化合物に還元剤を作用させゼロ価遷移金属錯体を発生させる場合において、使用される遷移金属化合物としては、通常、2価の遷移金属化合物が用いられるがゼロ価のものも用いることもできる。なかでも2価ニッケル化合物、2価パラジウム化合物が好ましい。2価ニッケル化合物としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、酢酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトナート、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)などが挙げられ、2価パラジウム化合物としては塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウム、酢酸パラジウムなどが挙げられる。
Examples of the zero-valent nickel complex include nickel (0) bis (cyclooctadiene), nickel (0) (ethylene) bis (triphenylphosphine), and nickel (0) tetrakis (triphenylphosphine). Among them, nickel (0) bis (cyclooctadiene) is preferably used.
When a reducing agent is allowed to act on a transition metal compound to generate a zero-valent transition metal complex, a divalent transition metal compound is usually used as the transition metal compound to be used, but a zero-valent one may also be used. You can also. Among them, a divalent nickel compound and a divalent palladium compound are preferable. Examples of the divalent nickel compound include nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetate, nickel acetylacetonate, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide (triphenylphosphine), and nickel bis (iodide) ( Triphenylphosphine), and examples of the divalent palladium compound include palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, and palladium acetate.

還元剤としては、亜鉛、マグネシウム等の金属及びそれらの例えば銅との合金、水素化ナトリウム、ヒドラジンおよびその誘導体、リチウムアルミニウムヒドリドなどが挙げられる。必要に応じて、ヨウ化アンモニウム、ヨウ化トリメチルアンモニウム、ヨウ化トリエチルアンモニウム、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等を併用することもできる。
ゼロ価遷移金属錯体の使用量は、還元剤を使用しない場合、式(3)および式(4)で示される高分子の総量に対して、通常0.1〜5モル倍である。使用量が過少であると分子量が小さくなる傾向があるので、好ましくは1.5モル倍以上、より好ましくは1.8モル倍以上、一層好ましくは2.1モル倍以上である。使用量の上限は、使用量が多すぎると後処理が煩雑になる傾向があるために、5.0モル倍以下であることが望ましい。
また、還元剤を使用する場合、遷移金属化合物の使用量は、式(3)および式(4)で示される高分子の総量に対して、0.01〜1モル倍である。使用量が過少であると分子量が小さい傾向にあるので、好ましくは0.03モル倍以上である。使用量の上限は、使用量が多すぎると後処理が煩雑になる傾向があるために、1.0モル倍以下であることが望ましい。
Examples of the reducing agent include metals such as zinc and magnesium and alloys thereof with, for example, copper, sodium hydride, hydrazine and its derivatives, and lithium aluminum hydride. If necessary, ammonium iodide, trimethylammonium iodide, triethylammonium iodide, lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide and the like can be used in combination.
When no reducing agent is used, the amount of the zero-valent transition metal complex is usually 0.1 to 5 times the total amount of the polymers represented by the formulas (3) and (4). If the amount used is too small, the molecular weight tends to decrease, so it is preferably at least 1.5 mol times, more preferably at least 1.8 mol times, even more preferably at least 2.1 mol times. The upper limit of the amount used is desirably 5.0 mol times or less, since if the amount used is too large, post-processing tends to be complicated.
When a reducing agent is used, the amount of the transition metal compound used is 0.01 to 1 mole times the total amount of the polymers represented by the formulas (3) and (4). If the amount is too small, the molecular weight tends to be small, so it is preferably at least 0.03 mol times. The upper limit of the amount used is desirably not more than 1.0 mol times because if the amount used is too large, post-processing tends to be complicated.

また還元剤の使用量は、式(3)および式(4)で示される高分子の総量に対して、通常0.5〜10モル倍である。使用量が過少であると分子量が小さくなる傾向があるので、好ましくは1.0モル倍以上である。使用量の上限は、使用量が多すぎると後処理が煩雑になる傾向があるために、10モル倍以下であることが望ましい。   The amount of the reducing agent to be used is usually 0.5 to 10 times the total amount of the polymers represented by the formulas (3) and (4). If the amount used is too small, the molecular weight tends to be small, so it is preferably at least 1.0 mole times. The upper limit of the amount used is desirably 10 mol times or less, since an excessive amount tends to complicate post-processing.

前記の配位子としては、例えば2,2’−ビピリジル、1,10−フェナントロリン、メチレンビスオキサゾリン、N,N,N’N’−テトラメチルエチレンジアミン、トリフェニルホスフィン、トリトリルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリフェノキシホスフィン、1,2−ビスジフェニルホスフィノエタン、1,3−ビスジフェニルホスフィノプロパンなどが挙げられ、汎用性、安価、高反応性、高収率の点でトリフェニルホスフィン、2,2’−ビピリジルが好ましい。特に、2,2’−ビピリジルは、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)と組合せると重合体の収率が向上するので、この組合せが好ましく使用される。
また配位子を共存させる場合は、ゼロ価遷移金属錯体に対して、通常、金属原子基準で、0.2〜2モル比程度、好ましくは1〜1.5モル比程度使用される。
Examples of the ligand include 2,2′-bipyridyl, 1,10-phenanthroline, methylenebisoxazoline, N, N, N′N′-tetramethylethylenediamine, triphenylphosphine, tolylphosphine, tributylphosphine, Triphenoxyphosphine, 1,2-bisdiphenylphosphinoethane, 1,3-bisdiphenylphosphinopropane, and the like, and triphenylphosphine, 2,2 in terms of versatility, low cost, high reactivity, and high yield. '-Bipyridyl is preferred. In particular, 2,2′-bipyridyl is preferably used because the yield of the polymer is improved when combined with bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0).
When a ligand coexists, it is usually used in an amount of about 0.2 to 2 mol, preferably about 1 to 1.5 mol, based on the metal atom, based on the zero-valent transition metal complex.

縮合反応は、通常、溶媒存在下に実施される。かかる溶媒としては、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、n−ブチルベンゼン、メシチレン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素系溶媒:ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジフェニルエーテルなどのエーテル系溶媒:N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、ヘキサメチルホスホリックトリアミド、ジメチルスルホキシドなどのアミド系溶媒に代用される非プロトン性極性溶媒:テトラリン、デカリン等の脂肪族炭化水素系溶媒:テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン等のエーテル系溶媒:酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸メチルなどのエステル系溶媒:クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化アルキル系溶媒などが挙げられる。
生成する超高分子の分子量をより高くするためには、高分子および超高分子が十分に溶解していることが望ましいので、高分子および超高分子に対する良溶媒であるテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、N、N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、トルエン等が好ましい。これらは2種以上を混合して用いることもできる。なかでもトルエン、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、及びこれら2種以上の混合物が好ましく用いられる。
The condensation reaction is usually performed in the presence of a solvent. Examples of such a solvent include aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, xylene, n-butylbenzene, mesitylene, and naphthalene: ether solvents such as diisopropyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, and diphenyl ether; -Aprotic polar solvents substituted for amide solvents such as dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, hexamethylphosphoric triamide, dimethylsulfoxide: aliphatic hydrocarbons such as tetralin and decalin Solvent: Ether solvents such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dibutyl ether, tert-butyl methyl ether, dimethoxyethane and the like: Ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate and methyl benzoate: chloroform, And halogenated alkyl solvents chloroethane, and the like.
In order to further increase the molecular weight of the resulting ultrapolymer, it is desirable that the polymer and the ultrapolymer are sufficiently dissolved. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4- Dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, toluene and the like are preferred. These may be used in combination of two or more. Among them, toluene, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, and a mixture of two or more thereof are preferably used.

溶媒は、モノマーすなわち前記高分子に対して、通常5〜500重量倍、好ましくは20〜100倍程度使用される。
また縮合温度は、通常0〜250℃の範囲であり、好ましくは、10〜100℃程度であり、縮合時間は、通常0.5〜24時間程度である。中でも、生成する超高分子の分子量をより高くするためには、ゼロ価遷移金属錯体と式(3)および/または式(4)で示される高分子とを45℃以上の温度で作用させることが好ましい。好ましい作用温度は通常45℃〜200℃であり、とりわけ好ましくは50℃〜100℃程度である。
またゼロ価遷移金属錯体と式(3)および/または式(4)で示される高分子とを作用させる方法は、一方をもう一方に加える方法であっても、両者を反応容器に同時に加える方法であっても良い。加えるに当っては、一挙に加えても良いが、発熱を考慮して少量ずつ加えることが好ましいし、溶媒の共存下に加えることも好ましい。
ゼロ価遷移金属錯体と式(3)および/または式(4)で示される高分子とを作用させた後、通常45℃〜200℃程度、好ましくは50℃〜100℃程度で保温される。
The solvent is usually used in an amount of 5 to 500 times, preferably about 20 to 100 times the weight of the monomer, ie, the polymer.
The condensation temperature is usually in the range of 0 to 250 ° C, preferably about 10 to 100 ° C, and the condensation time is usually about 0.5 to 24 hours. Above all, in order to further increase the molecular weight of the resulting ultrapolymer, the zero-valent transition metal complex and the polymer represented by the formula (3) and / or (4) are allowed to act at a temperature of 45 ° C. or higher. Is preferred. The preferred working temperature is usually 45 ° C to 200 ° C, particularly preferably about 50 ° C to 100 ° C.
The method of reacting the zero-valent transition metal complex with the polymer represented by the formula (3) and / or the formula (4) is a method of adding one to the other, or a method of simultaneously adding both to the reaction vessel. It may be. When adding, it may be added all at once, but it is preferable to add it little by little in consideration of heat generation, and it is also preferable to add it in the presence of a solvent.
After allowing the zero-valent transition metal complex to react with the polymer represented by the formula (3) and / or the formula (4), the temperature is generally maintained at about 45 ° C to 200 ° C, preferably about 50 ° C to 100 ° C.

生成する芳香族ポリエーテル系超高分子としては、式(3)、(4)におけるAr、Arが同一の場合には、例えば式(3)で表されるポリマーの単純な再延長ポリマーが得られ、一方異なる場合には、式(3)で表されるポリマーと式(4)で表されるポリマーとのブロック共重合体が得られることになる。
通常、縮合系ブロック共重合体の製法においては、各ブロックの組成比を調節するためには、各ブロック前駆体ポリマーの分子量を制御し、反応性末端基の当量を正確に調整する必要があるが、本製造法によれば、仕込み重量比を制御するだけで好ましい組成のブロック共重合体を合成することができる。
When Ar 1 and Ar 2 in the formulas (3) and (4) are the same as the aromatic polyether-based ultrapolymer to be produced, for example, a simple re-extended polymer of the polymer represented by the formula (3) Is obtained, while if different, a block copolymer of the polymer represented by the formula (3) and the polymer represented by the formula (4) is obtained.
Normally, in the method of producing a condensation block copolymer, in order to adjust the composition ratio of each block, it is necessary to control the molecular weight of each block precursor polymer and accurately adjust the equivalent of the reactive terminal group. However, according to this production method, a block copolymer having a preferable composition can be synthesized only by controlling the weight ratio of the charged components.

縮合反応により生成した芳香族ポリエーテル系超高分子の反応混合物からの取り出しは、常法が適用できる。例えば、貧溶媒を加えるなどしてポリマーを析出させ、濾別などにより目的物を取り出すことができる。また必要に応じて、更に水洗や、良溶媒と貧溶媒を用いての再沈殿などの通常の精製方法により精製することもできる。
また、芳香族ポリエーテル系超高分子の重合度、ポリマーの構造の解析等は、GPC測定、NMR測定などの通常の手段で行うことができる。
An ordinary method can be used to take out the aromatic polyether-based ultrapolymer produced by the condensation reaction from the reaction mixture. For example, the polymer can be precipitated by adding a poor solvent or the like, and the target substance can be taken out by filtration or the like. Further, if necessary, it can be further purified by an ordinary purification method such as washing with water or reprecipitation using a good solvent and a poor solvent.
The analysis of the degree of polymerization of the aromatic polyether-based ultrapolymer and the structure of the polymer can be carried out by ordinary means such as GPC measurement and NMR measurement.

かくして芳香族ポリエーテル系超高分子が得られる。その重合度は(m×a+n×b)で表されるが、本発明によれば、従来の通常の方法では製造することができない極めて高い分子量を有する高分子、例えば重合度500以上のものを製造し得る。
ポリスチレン換算の数平均分子量は、通常100000程度以上、好ましくは150000以上、より好ましくは200000〜400000程度である。
Thus, an aromatic polyether-based ultrapolymer is obtained. The degree of polymerization is represented by (mxa + nb). According to the present invention, a polymer having an extremely high molecular weight that cannot be produced by a conventional ordinary method, for example, a polymer having a degree of polymerization of 500 or more is used. Can be manufactured.
The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually about 100,000 or more, preferably 150,000 or more, more preferably about 200,000 to 400,000.

次に、本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子を燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜として使用する場合について説明する。
この場合は、通常フィルムの形態で使用されるが、フィルムへ転化する方法に特に制限はなく、例えば溶液状態より製膜する方法(溶液キャスト法)が好ましく使用される。
具体的には、共重合体を適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の基盤上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜される。製膜に用いる溶媒は、共重合体を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、例えばN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒:ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒:メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類:エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル等が好適に用いられる。これらは、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等がポリマーの溶解性が高く好ましい。
Next, the case where the aromatic polyether-based ion conductive superpolymer of the present invention is used as a diaphragm of an electrochemical device such as a fuel cell will be described.
In this case, the film is usually used in the form of a film, but the method of converting the film is not particularly limited, and for example, a method of forming a film from a solution state (solution casting method) is preferably used.
Specifically, a film is formed by dissolving the copolymer in an appropriate solvent, casting and applying the solution on a substrate such as a glass plate, and removing the solvent. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the copolymer and can be removed thereafter. For example, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl- Aprotic polar solvents such as 2-pyrrolidone and dimethyl sulfoxide: chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene: alcohols such as methanol, ethanol and propanol: ethylene glycol monomethyl ether, ethylene Alkylene glycol monoalkyl ethers such as glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether are preferably used. These may be used as a mixture of two or more solvents as necessary. Among them, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like are preferable because of high solubility of the polymer.

フィルムの厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましく、15〜100μmがさらに好ましい。10μmより薄いフィルムでは実用的な強度が十分でない場合があり、300μmより厚いフィルムでは膜抵抗が大きくなり電気化学デバイスの特性が低下する傾向にある。膜厚は溶液の濃度および基板上への塗布厚により制御できる。   The thickness of the film is not particularly limited, but is preferably from 10 to 300 µm, more preferably from 15 to 100 µm. If the film is thinner than 10 μm, the practical strength may not be sufficient, and if the film is thicker than 300 μm, the film resistance tends to increase and the characteristics of the electrochemical device tend to decrease. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the thickness applied on the substrate.

またフィルムの各種物性改良を目的として、高分子の分野に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等を本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子に添加することができる。また、同一溶剤に混合共キャストするなどの方法により、他のポリマーを本発明の共重合体と複合アロイ化することも可能である。
燃料電池用途では他に水管理を容易にするために、無機あるいは有機の微粒子を保水剤として添加する事も知られている。これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。
For the purpose of improving various physical properties of the film, a plasticizer, a stabilizer, a release agent, and the like used in the field of polymers can be added to the aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer of the present invention. Further, it is also possible to form a composite alloy of another polymer with the copolymer of the present invention by a method such as mixing and co-casting in the same solvent.
In fuel cell applications, it is also known to add inorganic or organic fine particles as a water retention agent to facilitate water management. Any of these known methods can be used as long as the object of the present invention is not violated.

また、フィルムの機械的強度の向上などを目的として、電子線・放射線などを照射して架橋することもできる。さらには、多孔性のフィルムやシートに含浸複合化したり、ファイバーやパルプを混合してフィルムを補強する方法などが知られており、これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。   Further, for the purpose of improving the mechanical strength of the film, the film can be cross-linked by irradiation with an electron beam or radiation. Furthermore, a method of impregnating and compounding a porous film or sheet, or a method of reinforcing the film by mixing fibers or pulp is known, and any of these known methods is not contrary to the object of the present invention. Can be used.

次に本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子からなるフィルムの両面に、触媒および集電体としての導電性物質を接合することにより製造することができる。また、本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子を触媒層のイオン伝導成分として使用することも可能である。即ち、本発明の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子は、燃料電池に用いられる高分子電解質膜−電極接合体の電解質膜としても、触媒層のイオン伝導成分としても使用できる。両方に用いて高分子電解質膜−電極接合体を得ることもできる。
該触媒としては、水素または酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金または白金合金の微粒子を用いることが好ましい。白金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて用いられ、好ましく用いられる。
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
The fuel cell of the present invention can be manufactured by bonding a catalyst and a conductive material as a current collector to both surfaces of a film made of an aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer. Further, it is also possible to use the aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer of the present invention as an ion conductive component of a catalyst layer. That is, the aromatic polyether-based ionic superpolymer of the present invention can be used both as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane-electrode assembly used in a fuel cell and as an ion conductive component of a catalyst layer. A polymer electrolyte membrane-electrode assembly can be obtained by using both.
The catalyst is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction with hydrogen or oxygen, and known catalysts can be used, but it is preferable to use platinum or platinum alloy fine particles. Platinum fine particles are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon and graphite, and are preferably used.

集電体としての導電性物質に関しても公知の材料を用いることができるが、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布またはカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好ましい。
多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーに白金微粒子または白金微粒子を担持したカーボンを接合させる方法、およびそれを高分子電解質フィルムと接合させる方法については、例えば、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209 に記載されている方法等の公知の方法を用いることができる。
このようにして製造された本発明の燃料電池は、燃料として水素ガス、改質水素ガス、メタノールを用いる各種の形式で使用可能である。
Known materials can also be used for the conductive substance as the current collector, but porous carbon woven fabric, carbon nonwoven fabric, or carbon paper is preferable for efficiently transporting the raw material gas to the catalyst.
A method for bonding platinum fine particles or carbon carrying platinum fine particles to a porous carbon nonwoven fabric or carbon paper and a method for bonding the same to a polymer electrolyte film are described in, for example, J. Mol. Electrochem. Soc. : A known method such as the method described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.
The fuel cell of the present invention manufactured as described above can be used in various types using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, or methanol as a fuel.

以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
例中の分子量は、GPCで測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)である。
なお、フィルムの機械的特性は下記の方法により測定した。
芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子等をDMAcに溶解し、10wt%になるように調整した後、これをガラス基盤上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜し、次いでダンベル社製ダンベルカッターSDMK−1223にて試験片を打ち抜き、室温、50%相対湿度下、試験速度10mm/minでの破断延びを測定した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
The molecular weight in the examples is a number average molecular weight (Mn) and a weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene measured by GPC.
The mechanical properties of the film were measured by the following method.
After dissolving an aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer or the like in DMAc and adjusting it to 10 wt%, it is cast and applied on a glass substrate, and the solvent is removed to form a film. A test piece was punched out with a dumbbell cutter SDMK-1223 manufactured by Dumbbell Co., and the elongation at break was measured at room temperature and 50% relative humidity at a test speed of 10 mm / min.

実施例1
<芳香族ポリエーテル系超高分子a−1の製造>
アルゴン雰囲気下、下記ポリエーテルスルホン共重合体(ランダム共重合体の各繰返し単位における添え字の0.85、0.15はmol%を表す)

Figure 2004346305
(特開平10−21943号公報実施例3に記載の方法に準拠して製造。Mn=5.50×10)20gと、2,2'−ビピリリジル0.468g(3.00mmol)をDMAc800mLに溶解し、30分間アルゴンガスのバブリングを実施、Ni(COD) 0.824g(3.00mmol)を加えて80℃まで昇温し、同温度で8時間保温攪拌した後放冷した。次いで反応混合物を4N塩酸500mLに注ぎ、生じた白色沈殿をろ過、通常の方法で再沈精製を行い、下記芳香族ポリエーテル系超高分子a−1を得た。超高分子は定量的に回収された。得られた超高分子の分子量を測定したところ、Mn=2.20×10、Mw=3.93×10(GPC、ポリスチレン標準)であり、約4倍に延長された。
Figure 2004346305
Example 1
<Production of aromatic polyether superpolymer a-1>
Under an argon atmosphere, the following polyethersulfone copolymer (the subscripts 0.85 and 0.15 in each repeating unit of the random copolymer represent mol%)
Figure 2004346305
(Manufactured according to the method described in Example 3 of JP-A-10-21943. Mn = 5.50 × 10 4 ) 20 g and 2,2′-bipyridylyl 0.468 g (3.00 mmol) in 800 mL of DMAc. After dissolving, bubbling of argon gas was performed for 30 minutes, 0.824 g (3.00 mmol) of Ni (COD) 2 was added, the temperature was raised to 80 ° C., the mixture was stirred at the same temperature for 8 hours, and then allowed to cool. Next, the reaction mixture was poured into 500 mL of 4N hydrochloric acid, and the resulting white precipitate was filtered and reprecipitated and purified by a usual method to obtain the following aromatic polyether-based superpolymer a-1. The ultrapolymer was recovered quantitatively. When the molecular weight of the obtained ultrapolymer was measured, it was Mn = 2.20 × 10 5 and Mw = 3.93 × 10 5 (GPC, polystyrene standard), and was extended about four times.
Figure 2004346305

実施例2
<芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子b−1の製造>
10gの上記芳香族ポリエーテル系超高分子a−1を濃硫酸80gに溶解させ室温にて48時間スルホ化を行い、常法で精製し、下記に示す芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子b−1を得た。このもののイオン交換容量は、1.15meq/gであった。また破断延びは25%であった。

Figure 2004346305
Example 2
<Production of aromatic polyether-based ion-conductive superpolymer b-1>
10 g of the above-mentioned aromatic polyether-based superpolymer a-1 was dissolved in 80 g of concentrated sulfuric acid, sulfonated at room temperature for 48 hours, purified by a conventional method, and the aromatic polyether-based ionic conductive ultra-high polymer shown below was obtained. The molecule b-1 was obtained. Its ion exchange capacity was 1.15 meq / g. The elongation at break was 25%.
Figure 2004346305

比較例1
<芳香族ポリエーテル系イオン伝導性高分子b'−1の製造>
芳香族ポリエーテル系超高分子1の代りに、実施例1で用いたと同じポリエーテルスルホン共重合体5gを用いる以外は実施例2に準拠して、スルホン化、精製することにより、下記に示す芳香族ポリエーテル系イオン伝導性高分子b'−1を得た。このもののイオン交換容量は、1.10meq/gであった。また破断延びは7%であった。

Figure 2004346305
Comparative Example 1
<Production of aromatic polyether ion conductive polymer b′-1>
The same procedure as in Example 2 was followed, except that 5 g of the same polyethersulfone copolymer as used in Example 1 was used instead of the aromatic polyether-based superpolymer 1 to obtain the following. An aromatic polyether ion conductive polymer b′-1 was obtained. Its ion exchange capacity was 1.10 meq / g. The elongation at break was 7%.
Figure 2004346305

実施例3
<芳香族ポリエーテル系超高分子a−2の製造>
アルゴン雰囲気下、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 2004346305
(住友化学工業製スミカエクセルPES5200P、Mn=5.44×10、Mw=1.23×10:GPC、ポリスチレン標準)2.5g、下記ポリエーテルスルホン共重合体
Figure 2004346305
(特開2002−220469号公報の実施例1に記載の方法に準拠して製造した。Mn=3.16×10、Mw=8.68×10)2.50g、2,2'−ビピリリジル0.117g(0.75mmol)をDMAc200mLに溶解し、30分間アルゴンガスのバブリングを実施、Ni(COD) 0.206g(0.75mmol)を加えて80℃まで昇温し、同温度で6時間保温攪拌した後放冷した。次いで反応混合物を4規定塩酸500mLに注ぎ、生じた白色沈殿をろ過、常法により再沈精製を行い、下記芳香族ポリエーテル系超高分子a−2を得た。
Mn=1.89×10、Mw=2.17×10(GPC、ポリスチレン標準)であった。
Figure 2004346305
Example 3
<Production of aromatic polyether superpolymer a-2>
The following polyether sulfones, which are chloro-terminated, under an argon atmosphere
Figure 2004346305
(Sumitomo Chemical Industries Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.44 × 10 4 , Mw = 1.23 × 10 5 : GPC, polystyrene standard) 2.5 g, the following polyether sulfone copolymer
Figure 2004346305
(Manufactured according to the method described in Example 1 of JP-A-2002-220469. Mn = 3.16 × 10 4 , Mw = 8.68 × 10 4 ) 2.50 g, 2,2′- 0.117 g (0.75 mmol) of bipyridyl is dissolved in 200 mL of DMAc, bubbling of argon gas is performed for 30 minutes, 0.206 g (0.75 mmol) of Ni (COD) 2 is added, and the temperature is raised to 80 ° C. The mixture was stirred for 6 hours while keeping it to cool. Next, the reaction mixture was poured into 500 mL of 4 N hydrochloric acid, and the resulting white precipitate was filtered and purified by reprecipitation by a conventional method to obtain the following aromatic polyether-based superpolymer a-2.
Mn = 1.89 × 10 6 , Mw = 2.17 × 10 6 (GPC, polystyrene standard).
Figure 2004346305

実施例4
<芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子b−2の製造>
上記芳香族ポリエーテル系超高分子a−2を5g用いる以外は実施例2に準拠して、スルホン化、精製することにより、下記に示す芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子b−2を得た。このもののイオン交換容量は、1.77meq/gであった。

Figure 2004346305
Example 4
<Production of aromatic polyether-based ion-conductive superpolymer b-2>
Sulfonation and purification were carried out in accordance with Example 2 except that 5 g of the aromatic polyether-based superpolymer a-2 was used, thereby obtaining an aromatic polyether-based ion-conductive superpolymer b-2 shown below. Got. Its ion exchange capacity was 1.77 meq / g.
Figure 2004346305

実施例5
<芳香族ポリエーテル系超高分子a−3の製造>
アルゴン雰囲気下、末端クロロ型である実施例3で用いたと同じポリエーテルスルホン(住友化学工業製スミカエクセルPES5200P)5gと、2,2'−ビピリジル0.172g(1.10mmol)と、トルエン15mlをDMSO100mLに溶解し、バス温150℃でトルエンを加熱留去することで系内の水分を除去した。放冷後、Ni(COD) 0.382g(1.39mmol)を加えて加熱し、60℃で3時間、続いて80℃で4時間保温攪拌した後、放冷した。反応混合物を水に注ぎ析出物を10%塩酸、続いて水で洗浄した後、乾燥した。
得られた芳香族ポリエーテル系超高分子a−3の分子量を測定したところ、Mn=1.40×10、Mw=3.33×10(GPC、ポリスチレン標準)であり、約3倍に延長されていた。
Example 5
<Production of aromatic polyether superpolymer a-3>
Under an argon atmosphere, 5 g of the same polyether sulfone (SUMIKAEXCEL PES5200P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) used in Example 3, which was a terminal chloro type, 0.12 g (1.10 mmol) of 2,2′-bipyridyl, and 15 ml of toluene were added. After dissolving in 100 mL of DMSO and distilling off toluene by heating at a bath temperature of 150 ° C., water in the system was removed. After allowing to cool, 0.382 g (1.39 mmol) of Ni (COD) 2 was added and heated, followed by stirring at 60 ° C. for 3 hours and then at 80 ° C. for 4 hours, followed by cooling. The reaction mixture was poured into water, and the precipitate was washed with 10% hydrochloric acid and then with water, and then dried.
When the molecular weight of the obtained aromatic polyether-based superpolymer a-3 was measured, it was Mn = 1.40 × 10 5 , Mw = 3.33 × 10 5 (GPC, polystyrene standard), which was about 3 times. Had been extended.

実施例6
<芳香族ポリエーテル系超高分子 a−4の製造>
アルゴン雰囲気下、実施例1で用いたポリエーテルスルホン共重合体と同じ式で示される共重合体(Mn=5.50×10)5gと、2,2'−ビピリリジル0.117g(0.75mmol)をDMAc200mLに溶解し、30分間アルゴンガスのバブリングを実施した。次いで80℃まで昇温し、Ni(COD) 0.206g(0.75mmol)を加えて、同温度で8時間保温攪拌した後放冷した。反応混合物を4N塩酸500mLに注ぎ、生じた白色沈殿をろ過、通常の方法で再沈精製を行い、実施例1の生成物と同じ式で示される芳香族ポリエーテル系超高分子a−4を得た。超高分子は定量的に回収された。得られた超高分子の分子量を測定したところ、Mn=3.02×105、Mw=9.91×106(GPC、ポリスチレン標準)であり、約5.5倍に延長された。
Example 6
<Production of aromatic polyether-based superpolymer a-4>
Under an argon atmosphere, 5 g of a copolymer (Mn = 5.50 × 10 4 ) represented by the same formula as the polyethersulfone copolymer used in Example 1 and 0.117 g of 2,2′-bipyridyl (0.10 g) were used. 75 mmol) was dissolved in 200 mL of DMAc, and bubbling with argon gas was performed for 30 minutes. Next, the temperature was raised to 80 ° C., 0.206 g (0.75 mmol) of Ni (COD) 2 was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 8 hours, and then allowed to cool. The reaction mixture was poured into 500 mL of 4N hydrochloric acid, and the resulting white precipitate was filtered and purified by reprecipitation in a usual manner to obtain an aromatic polyether superpolymer a-4 represented by the same formula as the product of Example 1. Obtained. The ultrapolymer was recovered quantitatively. When the molecular weight of the obtained ultrapolymer was measured, it was Mn = 3.02 × 10 5 and Mw = 9.91 × 10 6 (GPC, polystyrene standard), which was extended to about 5.5 times.

実施例7
<芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子 b−3の製造>
5gの上記芳香族ポリエーテル系超高分子a−4を濃硫酸40gに溶解させ室温にて48時間スルホ化を行い、常法で精製することにより、実施例2の生成物と同じ式で示される芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子b−3を得た。このもののイオン交換容量は、1.18meq/gであった。また破断延びは60%であった。
Example 7
<Production of Aromatic Polyether-Based Ion-Conducting Ultrapolymer b-3>
5 g of the above aromatic polyether-based superpolymer a-4 was dissolved in 40 g of concentrated sulfuric acid, sulfonated at room temperature for 48 hours, and purified by a conventional method to give a product of the same formula as in Example 2. Thus, an aromatic polyether-based ion conductive ultrapolymer b-3 was obtained. Its ion exchange capacity was 1.18 meq / g. The elongation at break was 60%.

Claims (11)

イオン交換容量が0.1meq/g以上であって、芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基が導入された構造を有し、該芳香族ポリエーテル系超高分子が下式(1)、(2)
Figure 2004346305
(式中、Ar、Arは独立に芳香族の2価の基を表す。m、nは繰返し数を表し、m、nは独立に10以上の数値を表す。複数のAr、Ar、m、nはそれぞれ異なっていても良い。)
から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位の数aと式(2)の構造単位の数bの和は2以上であることを特徴とする芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子。
The ion exchange capacity is 0.1 meq / g or more, the aromatic polyether-based ultrapolymer has a structure in which an acid group is introduced, and the aromatic polyether-based ultrapolymer is represented by the following formula (1): (2)
Figure 2004346305
(Wherein, Ar 1 and Ar 2 independently represent an aromatic divalent group; m and n each represent a number of repetitions; m and n each independently represent a numerical value of 10 or more; a plurality of Ar 1 and Ar 2 , m and n may be different from each other.)
Wherein the sum of the number a of the structural units of the formula (1) and the number b of the structural units of the formula (2) is 2 or more, containing at least one structural unit selected from the group consisting of: -Based ion-conductive ultrapolymer
酸基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項1記載の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子。   2. The aromatic polyether ion conductive ultrapolymer according to claim 1, wherein the acid group is a sulfonic acid group. 請求項1記載の式(1)、(2)から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位数aと式(2)の構造単位数bの和は2以上である芳香族ポリエーテル系超高分子に酸基を導入することを特徴とする請求項1記載の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子の製造方法。   It contains at least one type of structural unit selected from the formulas (1) and (2) according to claim 1, and the sum of the number a of structural units in the formula (1) and the number b of structural units in the formula (2) is 2 or more. 2. The method according to claim 1, wherein an acid group is introduced into the aromatic polyether-based ultrapolymer. 酸基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項3記載の製造方法。   The method according to claim 3, wherein the acid group is a sulfonic acid group. 請求項1記載の式(1)、(2)から選ばれる少なくとも1種の構造単位を含有し、式(1)の構造単位の数aと式(2)の構造単位の数bの和は2以上であることを特徴とする芳香族ポリエーテル系超高分子。   It contains at least one type of structural unit selected from the formulas (1) and (2) according to claim 1, and the sum of the number a of the structural units of the formula (1) and the number b of the structural units of the formula (2) is 2. An aromatic polyether-based ultrapolymer, wherein the number is 2 or more. ゼロ価遷移金属錯体の共存下、下式(3)、(4)
Figure 2004346305
(式中、Ar、Ar、m、nは前記と同じ意味を表す。Xは、縮合反応時に脱離する基を表し、複数のXは異なる種類であっても良い。)
から選ばれる少なくとも1種の高分子を縮合反応により重合することを特徴とする請求項5記載の芳香族ポリエーテル系超高分子の製造方法。
In the presence of a zero-valent transition metal complex, the following formulas (3) and (4)
Figure 2004346305
(In the formula, Ar 1 , Ar 2 , m, and n represent the same meaning as described above. X represents a group that is eliminated during the condensation reaction, and a plurality of Xs may be of different types.)
6. The method for producing an aromatic polyether-based ultrapolymer according to claim 5, wherein at least one kind of polymer selected from the group consisting of: is polymerized by a condensation reaction.
Xが、クロロ、ブロモ、ヨード、p−トルエンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、またはトリフルオロメタンスルホニルオキシ基であることを特徴とする請求項6に記載の芳香族ポリエーテル系超高分子量高分子の製造方法。   X is a chloro, bromo, iodo, p-toluenesulfonyloxy group, a methanesulfonyloxy group, or a trifluoromethanesulfonyloxy group, The aromatic polyether-based ultrahigh molecular weight polymer according to claim 6, wherein Manufacturing method. 請求項1記載の芳香族ポリエーテル系イオン伝導性超高分子を有効成分とする高分子電解質。   A polymer electrolyte comprising the aromatic polyether ion conductive ultrapolymer according to claim 1 as an active ingredient. 請求項8記載の高分子電解質からなる高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 8. 請求項8記載の高分子電解質を用いてなることを特徴とする触媒組成物。   A catalyst composition comprising the polymer electrolyte according to claim 8. 請求項9記載の高分子電解質膜および/または請求項10記載の触媒組成物を用いてなることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 9 and / or the catalyst composition according to claim 10.
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