JP2005239849A - Sulfo-containing polymer, polymer composition, ion exchange resin, ion exchange membrane, membrane/electrode conjugate, fuel cell - Google Patents

Sulfo-containing polymer, polymer composition, ion exchange resin, ion exchange membrane, membrane/electrode conjugate, fuel cell Download PDF

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幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prepare an ion exchange membrane for use in a solid polymer-type fuel cell, suppressing fuel permeation and yielding high performance, to obtain a new sulfo-containing polymer usable for the ion exchange membrane, to obtain an ion exchange resin made from the polymer, and to provide a membrane/electrode conjugate and the fuel cell each using the ion exchange membrane. <P>SOLUTION: The sulfo-containing polymer is composed of recurring units with a structure represented by formula(1) or (2)[ wherein, W<SP>1</SP>and W<SP>2</SP>are each sulfur atom or oxygen atom; and Ar<SP>1</SP>is a group of formula(3)( wherein, R<SP>1</SP>and R<SP>2</SP>are each a group selected from H and a 1-4C alkyl; and n1 and n2 are each an integer of 0-2 ) ]. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、新規な構造のスルホン酸基含有ポリマーと該ポリマーの組成物、該ポリマーを用いたイオン交換樹脂、イオン交換膜、膜/電極接合体、燃料電池に関する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer having a novel structure, a composition of the polymer, an ion exchange resin, an ion exchange membrane, a membrane / electrode assembly, and a fuel cell using the polymer.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。固体高分子形燃料電池の中でも、燃料としてメタノールを直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池は、特に小型化が可能であるためパーソナルコンピューターや携帯機器の電源などの用途に向けた開発が進んでいる。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing. Among solid polymer fuel cells, a direct methanol fuel cell that directly supplies methanol as a fuel can be miniaturized, and is being developed for applications such as power supplies for personal computers and portable devices.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換樹脂を含む膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。   As the polymer solid electrolyte membrane, a membrane containing a proton conductive ion exchange resin is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA is known.

しかしながら、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜は水素やメタノールといった、燃料の透過性が比較的大きく、燃料電池としてより高い性能を得るためには燃料の透過を抑制することが必要である。   However, perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes have relatively high fuel permeability such as hydrogen and methanol, and it is necessary to suppress the permeation of fuel in order to obtain higher performance as a fuel cell.

中でもメタノール水溶液を燃料として用いるダイレクトメタノール形燃料電池では、メタノールが膜を透過して空気極に移行すると出力の低下を起こすため、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜では、高濃度のメタノール水溶液を用いるとメタノールの透過量が大きくなり、出力の低下が著しいという問題があった。そこで、メタノールの透過性が小さい非パーフルオロカーボンスルホン酸系のイオン交換膜が検討されている。(例えば特許文献1〜3参照)
特開2003−288916号公報 特開2003−331868号公報 米国特許出願公開第2002/0091225号明細書
In particular, in direct methanol fuel cells that use aqueous methanol as fuel, the output decreases when methanol passes through the membrane and moves to the air electrode. For perfluorocarbon sulfonic acid polymer membranes, methanol with a high concentration of aqueous methanol is used. There was a problem that the amount of permeated light was increased and the output was significantly reduced. Therefore, non-perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes having low methanol permeability have been studied. (For example, see Patent Documents 1 to 3)
JP 2003-288916 A JP 2003-331868 A US Patent Application Publication No. 2002/0091225

しかしながら、これらの炭化水素系イオン交換膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜よりもメタノール透過性は小さくなるものの、燃料電池としたときの性能は十分といえるものではなく、さらに優れたイオン交換膜が求められている。   However, although these hydrocarbon ion exchange membranes are less permeable to methanol than perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes, their performance when used as fuel cells is not sufficient, and even better ion exchange. There is a need for membranes.

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、固体高分子形燃料電池において燃料の透過を抑制し、優れた性能を得ることができるイオン交換膜及び、それに用いることができる新規スルホン酸基含有ポリマー、及びそれからなるイオン交換樹脂、並びに該イオ交換膜を用いた膜/電極接合体と燃料電池の提供を課題とするものである。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and an ion exchange membrane that can suppress the permeation of fuel in a polymer electrolyte fuel cell and obtain excellent performance, and a novel sulfonic acid that can be used therefor An object of the present invention is to provide a group-containing polymer, an ion exchange resin comprising the polymer, a membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane, and a fuel cell.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention

(1) 下記化学式(1)又は(2)で表される構造の繰り返し単位を含むことを特徴とするスルホン酸基含有ポリマー。 (1) A sulfonic acid group-containing polymer comprising a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (1) or (2).

Figure 2005239849
化学式(1)
Figure 2005239849
化学式(2)
[化学式(1)又は(2)において、W1及びW2はS原子あるいはO原子のいずれかを、Ar1は下記化学式(3)で表される基を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
Chemical formula (1)
Figure 2005239849
Chemical formula (2)
[In chemical formula (1) or (2), W1 and W2 represent either an S atom or an O atom, and Ar1 represents a group represented by the following chemical formula (3). ]

Figure 2005239849
化学式(3)
[化学式(3)において、R1、R2はそれぞれ独立して、H原子及び炭素数1〜4のアルキル基からなる群より選ばれる基を、n1、n2はそれぞれ独立して0〜2の整数を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
Chemical formula (3)
[In the chemical formula (3), R1 and R2 each independently represents a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and n1 and n2 each independently represents an integer of 0 to 2. , Respectively. ]

(2) 下記化学式(4)で表される構造の繰り返し単位を含むことを特徴とする(1)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。

Figure 2005239849
化学式(4)
[化学式(4)において、Y1及びY2はO又はS原子を、Z1は−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、AはH又は1価の陽イオンを、Ar2は2価の芳香族基を、それぞれ表す。] (2) The sulfonic acid group-containing polymer according to (1), comprising a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (4).
Figure 2005239849
Chemical formula (4)
[In the chemical formula (4), Y1 and Y2 are O or S atoms, Z1 is -S (= O) 2- group or -C (= O)-group, A is H or monovalent cation, Ar2 represents a divalent aromatic group. ]

(3) 化学式(4)で表される構造の繰り返し単位において、Ar2の一部又は全部が、化学式(5)〜(7)で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の2価の芳香族基である事を特徴とする(2)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 (3) In the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (4), part or all of Ar2 is one or more divalents selected from the group consisting of the structures represented by the chemical formulas (5) to (7). The sulfonic acid group-containing polymer according to (2), which is an aromatic group of

Figure 2005239849
化学式(5)
Figure 2005239849
化学式(6)
Figure 2005239849
化学式(7)
[化学式(5)〜(7)において、R3、R4はそれぞれ独立して、H原子及び炭素数1〜4のアルキル基からなる群より選ばれる基を、n3、n4はそれぞれ独立して0〜2の整数を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
Chemical formula (5)
Figure 2005239849
Chemical formula (6)
Figure 2005239849
Chemical formula (7)
[In the chemical formulas (5) to (7), R3 and R4 are each independently a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and n3 and n4 are each independently 0 to 0. Each represents an integer of 2. ]

(4) 化学式(1)又は化学式(2)で表される構造の繰り返し単位と、化学式(4)で表される構造からなる繰り返し単位とのモル比が、5/95から95/5の範囲にあることを特徴とする(2)又は(3)に記載のポリマー。 (4) The molar ratio of the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (1) or the chemical formula (2) and the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (4) is in the range of 5/95 to 95/5. The polymer as described in (2) or (3) above,

(5) (1)〜(4)に記載のポリマーを含むことを特徴とするポリマー組成物。 (5) A polymer composition comprising the polymer described in (1) to (4).

(6) (1)〜(4)に記載のポリマーを含むイオン交換樹脂。 (6) An ion exchange resin containing the polymer described in (1) to (4).

(7) (1)〜(4)に記載のポリマーを含むイオン交換膜。 (7) An ion exchange membrane comprising the polymer described in (1) to (4).

(8) (7)に記載のイオン交換膜を用いて得られる膜/電極接合体。 (8) A membrane / electrode assembly obtained using the ion exchange membrane according to (7).

(9) (1)〜(4)に記載のポリマー及び/又は(7)に記載のイオン交換膜を用いた燃料電池。
である。
(9) A fuel cell using the polymer according to (1) to (4) and / or the ion exchange membrane according to (7).
It is.

本発明による新規スルホン酸基含有ポリマー又は該組成物から得られるイオン交換膜は、従来のイオン交換膜に比べて、メタノールなどの燃料の透過抑制性に優れており、燃料電池として用いた場合に、エネルギーの利用効率をより高めることが可能になるという優れた効果を有している。   The ion exchange membrane obtained from the novel sulfonic acid group-containing polymer or the composition according to the present invention is superior in permeation suppression of fuel such as methanol as compared with conventional ion exchange membranes, and is used when used as a fuel cell. In addition, it has an excellent effect that it is possible to further increase the energy use efficiency.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の新規スルホン酸基含有ポリマーは、下記化学式(1)又は(2)で表される構造の繰り返し単位を含むことを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The novel sulfonic acid group-containing polymer of the present invention comprises a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (1) or (2).

Figure 2005239849
化学式(1)
Figure 2005239849
化学式(2)
[化学式(1)又は(2)において、W1及びW2はS原子あるいはO原子のいずれかを、Ar1は下記化学式(3)で表される基を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
Chemical formula (1)
Figure 2005239849
Chemical formula (2)
[In chemical formula (1) or (2), W1 and W2 represent either an S atom or an O atom, and Ar1 represents a group represented by the following chemical formula (3). ]

Figure 2005239849
化学式(3)
[化学式(3)において、R1、R2はそれぞれ独立して、H原子及び炭素数1〜4のアルキル基からなる群より選ばれる基を、n1、n2はそれぞれ独立して0〜2の整数を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
Chemical formula (3)
[In the chemical formula (3), R1 and R2 each independently represents a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and n1 and n2 each independently represents an integer of 0 to 2. , Respectively. ]

化学式(1)又は(2)において、W1、W2がS原子であると耐酸化性が改善される。また化学式(3)において、n1及びn2が大きくなるとポリマーの重合度を大きくすることが困難になるため小さいほうが好ましく、0が最も好ましい。R1及びR2の炭素数が大きくなるととポリマーの重合度を大きくすることが困難になるため小さいほうが好ましく、メチル基が好ましい。化学式(3)における結合位置はフェニル基の4位であることが好ましい。化学式(3)の好ましい例を化学式(8)に示す。   In the chemical formula (1) or (2), oxidation resistance is improved when W1 and W2 are S atoms. In the chemical formula (3), when n1 and n2 are large, it is difficult to increase the degree of polymerization of the polymer, so that the smaller one is preferable, and 0 is most preferable. When the number of carbon atoms of R1 and R2 is large, it is difficult to increase the degree of polymerization of the polymer, so that a smaller one is preferable, and a methyl group is preferable. The bonding position in the chemical formula (3) is preferably the 4-position of the phenyl group. A preferred example of chemical formula (3) is shown in chemical formula (8).

Figure 2005239849
化学式(8)
Figure 2005239849
化学式(9)
Figure 2005239849
Chemical formula (8)
Figure 2005239849
Chemical formula (9)

本発明の新規スルホン酸基含有ポリマーは、下記化学式(4)で表される構造の繰り返し単位を含んでいるとさらに好ましい。   The novel sulfonic acid group-containing polymer of the present invention further preferably contains a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (4).

Figure 2005239849
化学式(4)
[化学式(4)において、Y1及びY2はO又はS原子を、Z1は−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、AはH又は1価の陽イオンを、Ar2は2価の芳香族基を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
Chemical formula (4)
[In the chemical formula (4), Y1 and Y2 are O or S atoms, Z1 is -S (= O) 2- group or -C (= O)-group, A is H or monovalent cation, Ar2 represents a divalent aromatic group. ]

化学式(4)において、X及び/又はYがS原子であると耐酸化性が改善される。Zは−S(=O)2−基であることとが、ポリマーの耐久性の面から好ましい。燃料電池用イオン交換膜として用いる場合には実質上AがHであることが好ましく、スルホン酸基のうちの90%以上がHであると好ましい。また、Aが陽イオンであるとスルホン酸基の安定性が向上するので、ポリマーから膜を形成する過程においては、Aがカリウムやナトリウム、リチウムなどの陽イオンであることが好ましい。この場合、硫酸や塩酸などの強酸で処理することによってAを金属イオンからHに変換することができる。   In the chemical formula (4), the oxidation resistance is improved when X and / or Y is an S atom. Z is preferably a —S (═O) 2 — group from the viewpoint of durability of the polymer. When used as an ion exchange membrane for a fuel cell, it is preferable that A is substantially H, and 90% or more of the sulfonic acid groups are preferably H. Moreover, since stability of a sulfonic acid group improves when A is a cation, it is preferable that A is a cation such as potassium, sodium or lithium in the process of forming a film from a polymer. In this case, A can be converted from metal ions to H by treatment with a strong acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid.

化学式(1)又は(2)で表される構造の繰り返し単位と、化学式(4)で表される構造の繰り返し単位のモル比は、5/95から95/5の範囲にあることが好ましいが、より好ましくは30/70〜85/15の範囲であり、さらに好ましくは55/45〜75/25の範囲である。化学式(1)又は(2)で表される構造の繰り返し単位が多くなると、メタノールなどの燃料透過性を抑制することができ好ましい。化学式(4)で表される構造の繰り返し単位が多いとプロトン伝導性が大きくなる。燃料透過の抑制性とプロトン伝導性とは相反するため、目的に応じて適切な点を選ぶことができる。
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式(10)及び化学式(11)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。化学式(10)で表される化合物の具体例としては、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルケトン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。化学式(11)で表される化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。
The molar ratio of the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (1) or (2) and the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (4) is preferably in the range of 5/95 to 95/5. More preferably, it is the range of 30 / 70-85 / 15, More preferably, it is the range of 55 / 45-75 / 25. When the number of repeating units having the structure represented by the chemical formula (1) or (2) is increased, fuel permeability such as methanol can be suppressed, which is preferable. When there are many repeating units of the structure represented by the chemical formula (4), proton conductivity increases. Since suppression of fuel permeation and proton conductivity are contradictory, an appropriate point can be selected according to the purpose.
The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing the compounds represented by chemical formula (10) and chemical formula (11) as monomers. Specific examples of the compound represented by the chemical formula (10) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 Examples include '-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those whose sulfonic acid group is converted to a salt with a monovalent cationic species. It is done. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the chemical formula (11) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. .

Figure 2005239849
化学式(10)
Figure 2005239849
化学式(11)
Figure 2005239849
Chemical formula (10)
Figure 2005239849
Chemical formula (11)

ただし、Z2は−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、Aは1価のカチオン種、Xは塩素、フッ素、ヨウ素、臭素、ニトロ基のいずれかを示す。本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリル及び2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なイオン伝導性、耐熱性、加工性及び寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。   However, Z2 represents -S (= O) 2- group or -C (= O)-group, A represents a monovalent cation species, and X represents chlorine, fluorine, iodine, bromine or nitro group. In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used with good ion conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.

上述の芳香族求核置換反応において、化学式(10)、(11)で表される化合物とともに各種活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction described above, various activated dihalogen aromatic compounds and dinitroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the chemical formulas (10) and (11) as monomers. Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.

また、化学式(1)又は(2)におけるAr1の構造は、化学式(3)の構造を有するジオール又はジメルカプト化合物を、化学式(10)又は(11)で表される化合物などと芳香族求核置換反応させるモノマーとして用いることによって、導入することができる。
化学式(3)の構造を有するジオール又はジメルカプト化合物の好ましい例は、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−メルカプトフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−メルカプトシフェニル)フルオレンなどを挙げることができる。 また、化学式(3)の構造を有する以外のジオール又はジメルカプト化合物を併用することもでき、例えば、4,4'−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、4,4'−チオビスベンゼンチオール、4,4'−チオジフェノール、3−メチル−4,4'−ジヒドロキシ−p−ターフェニル、4,4'−ジヒドロキシ−p−ターフェニル等が挙げられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。併用する化合物の中の好ましい例として、4,4'−ビフェノール、3−メチル−4,4'−ジヒドロキシ−p−ターフェニル、4,4'−ジヒドロキシ−p−ターフェニルなどを挙げることができる。また、これら芳香族ジオール又はジメルカプト化合物は複数の芳香族ジオール又はジメルカプト化合物を混合して用いることも可能である。
In addition, the structure of Ar1 in the chemical formula (1) or (2) is obtained by replacing the diol or dimercapto compound having the structure of the chemical formula (3) with the compound represented by the chemical formula (10) or (11) or the like. It can introduce | transduce by using as a monomer made to react.
Preferred examples of the diol or dimercapto compound having the structure of the chemical formula (3) include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, -Bis (4-mercaptophenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-mercaptosiphenyl) fluorene and the like can be mentioned. Also, a diol or dimercapto compound other than having the structure of chemical formula (3) can be used in combination, for example, 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxy). Phenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) Pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane Bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 2,2- Bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-thiodiphenol, 3-methyl-4,4 '-Dihydroxy-p-terphenyl, 4,4'-dihydroxy-p-terphenyl and the like can be mentioned, but in addition, various kinds which can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction. Aromatic diols can also be used. Preferred examples among the compounds used in combination include 4,4′-biphenol, 3-methyl-4,4′-dihydroxy-p-terphenyl, 4,4′-dihydroxy-p-terphenyl, and the like. . These aromatic diols or dimercapto compounds can be used by mixing a plurality of aromatic diols or dimercapto compounds.

化学式(3)の構造を有するジオール又はジメルカプト化合物と、それ以外のジオール又はジメルカプト化合物とのモル比は100/0〜20/70の範囲にあることが好ましい。化学式(3)の構造を有するジオール又はジメルカプト化合物の割合が少なくなると、燃料透過の抑制性が小さくなるため好ましくない。   The molar ratio of the diol or dimercapto compound having the structure of the chemical formula (3) and the other diol or dimercapto compound is preferably in the range of 100/0 to 20/70. If the ratio of the diol or dimercapto compound having the structure of the chemical formula (3) is decreased, the fuel permeation suppression property is decreased, which is not preferable.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、化学式(11)及び/又は化学式(10)で表せる化合物と、化学式(3)の構造を有するジオール又はジメルカプト化合物と、場合によって、他の活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物や芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を加えて、塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, a compound represented by chemical formula (11) and / or chemical formula (10), a diol or dimercapto compound having a structure of chemical formula (3), In some cases, the polymer can be obtained by adding another activated dihalogen aromatic compound, dinitroaromatic compound, aromatic diol or aromatic dimercapto compound and reacting in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., which can convert aromatic diols and aromatic dimercapto compounds into an active phenoxide structure. If it is, it can be used without being limited to these. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、イオン交換膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。還元比粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、還元比粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   Further, the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane tends to become brittle when molded as an ion exchange membrane. The reduced specific viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, if the reduced specific viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーのイオン交換容量は、0.1meq/gであることが好ましいが、3.5meq/g以下であることがさらに好ましい。イオン交換容量が小さくなるとプロトン伝導性が低下するため好ましくない。イオン交換容量が大きくなると、プロトン伝導性は増大するが、同時に膜が膨潤したり、水に溶解してしまったりする問題がおきやすくなる。より好ましい範囲としては0.5〜3.5meq/g、さらに好ましい範囲としては、1.0〜2.5meq/gを挙げることができる。   The ion exchange capacity of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is preferably 0.1 meq / g, more preferably 3.5 meq / g or less. A small ion exchange capacity is not preferable because proton conductivity decreases. As the ion exchange capacity increases, proton conductivity increases, but at the same time, problems such as swelling of the membrane and dissolution in water easily occur. A more preferred range is 0.5 to 3.5 meq / g, and a further preferred range is 1.0 to 2.5 meq / g.

本発明におけるイオン交換膜は任意の厚みにすることができるが、20μm以下だと所定の特性を満たすことが困難になるので20μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましい。また、300μm以上になると製造が困難になるため、300μm以下であることが好ましい。   The ion exchange membrane in the present invention can have an arbitrary thickness, but if it is 20 μm or less, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, so that it is preferably 20 μm or more, and more preferably 50 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes 300 micrometers or more, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のルホン酸基含有ポリマーは、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のルホン酸基含有ポリマーの含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満の場合には、この樹脂組成物を含むイオン交換膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   The sulfonic acid group-containing polymer in the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Thermosetting of sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole and other aromatic polymers, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin, etc. There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. When used as these resin compositions, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is less than 50% by weight of the entire resin composition, the sulfonic acid group concentration of the ion exchange membrane containing this resin composition is lowered, and good ion conductivity is obtained. In addition, the unit containing a sulfonic acid group tends to be a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

本発明におけるルホン酸基含有ポリマー及びその樹脂組成物は、適当な溶媒に溶解して、溶液組成物とすることもできる。この溶媒としては、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、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1重量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50重量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。   The sulfonic acid group-containing polymer and the resin composition thereof in the present invention can be dissolved in an appropriate solvent to form a solution composition. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If the concentration of the compound in the solution is less than 0.1% by weight, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by weight, the workability tends to deteriorate.

本発明のイオン交換膜は、本発明のスルホン酸基含有イオン交換樹脂を含む組成物から、押し出し、圧延又はキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基はカチオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。   The ion exchange membrane of the present invention can be obtained from the composition containing the sulfonic acid group-containing ion exchange resin of the present invention by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it can be converted to a free sulfonic acid group by acid treatment as necessary. You can also.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマー及びその樹脂組成物からイオン交換膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン交換膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン交換膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下できるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン交換膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。イオン交換膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。   The most preferable method for forming an ion exchange membrane from a sulfonic acid group-containing polymer and a resin composition thereof in the present invention is casting from a solution, and the solvent is removed from the cast solution as described above to remove the ion exchange membrane. Can be obtained. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying from the viewpoint of the uniformity of the ion exchange membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion exchange membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. When used as an ion exchange membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating.

本発明の膜/電極接合体は、本発明のイオン交換膜を電極と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布しイオン交換膜と電極とを接着する方法又はイオン交換膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも本発明におけるスルホン酸基含有ポリマー及びその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。イオン交換膜と電極との接着性が向上し、また、イオン交換膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the ion exchange membrane of the present invention to an electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, an adhesive is applied to the electrode surface and the ion exchange membrane and the electrode are bonded, or the ion exchange membrane and the electrode are bonded. There is a method of heating and pressurizing. Among these, the method of applying and bonding an adhesive mainly composed of the sulfonic acid group-containing polymer and the resin composition thereof to the electrode surface is preferred. This is because the adhesion between the ion exchange membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the ion exchange membrane is less impaired.

本発明の燃料電池は、本発明のイオン交換膜又は膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明のイオン交換膜は、固体高分子形燃料電池に適しているが、中でもメタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池により適している。また、ジメチルエーテル、水素など他の物質を燃料として用いる燃料電池にも好適に用いることができ、電解膜、分離膜など、イオン交換膜として公知の任意の用途に用いることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the ion exchange membrane or the membrane / electrode assembly of the present invention. The ion exchange membrane of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, but is particularly suitable for a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel. Moreover, it can be used suitably also for the fuel cell which uses other substances, such as dimethyl ether and hydrogen, as a fuel, and can be used for arbitrary uses known as ion exchange membranes, such as an electrolytic membrane and a separation membrane.

以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

溶液粘度:ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/c)で評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。 Solution viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / Evaluation was made in c) (ta is the number of seconds that the sample solution was dropped, tb was the number of seconds that the solvent was dropped, and c was the polymer concentration).

導電率:自作測定用プローブ(テフロン(R)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度95%の恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
Conductivity: Constant temperature / humidity oven (80 ° C, 95% relative humidity) with a platinum wire (diameter: 0.2 mm) pressed against the surface of a strip-shaped film sample on a self-made measurement probe (manufactured by Teflon (R)) The sample was held in Nagano Scientific Machinery Co., Ltd., LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

メタノール透過速度:イオン交換膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬したイオン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm2)。 Methanol permeation rate: The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as the permeation rate of methanol by the following method. An ion exchange membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, 100 ml of 5 M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water ( 18 MΩ · cm) was injected, and the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion exchange membrane was measured using a gas chromatograph while stirring the cells on both sides at 25 ° C. (ion) The area of the exchange membrane is 2.0 cm 2).

発電評価:Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cm2になるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cm2となるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノード及びカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度酸素ガス(80ml/min)と、5mol/Lのメタノール水溶液(1.5ml/min)とを供給しながら行った。電流密度が0.05A/cm2における出力電圧を評価した。 Power generation evaluation: After adding and dampening a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC61E54), a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) The Pt / Ru catalyst-supported carbon and Nafion were added so that the weight ratio was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. This catalyst paste was applied and dried by screen printing on Toray carbon paper TGPH-060, which is a gas diffusion layer, so that the amount of platinum deposited was 2 mg / cm 2, thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for anode. Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC10V40E) and moistening it, a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) is added to the Pt catalyst-supporting carbon. A cathode catalyst paste was prepared by adding carbon and Nafion at a weight ratio of 2.5: 1 and stirring. This catalyst paste was applied to and dried on a Toray carbon paper TGPH-060 that had been subjected to water repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2, thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for cathode. By sandwiching the membrane sample between the two types of carbon paper with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, by pressurizing and heating at 130 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). Power generation was performed at a cell temperature of 40 ° C. while supplying high purity oxygen gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and a 5 mol / L aqueous methanol solution (1.5 ml / min) to the anode and cathode, respectively. . The output voltage at a current density of 0.05 A / cm 2 was evaluated.

イオン交換容量:100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。 Ion exchange capacity: A sample dried for 1 hour at 100 ° C. and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.

実施例1
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)80.37g(0.1636mol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)42.21g(0.2454mol)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン(略号:BPF)154.78g(0.409mol)、炭酸カリウム62.18g(0.45mol)、モレキュラーシーブ45gを2000ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。1000mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、150℃で30分撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約12時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は0.78dL/gを示した。重水素化ジメチルスルホキシド中室温で測定した1H−NMRスペクトルを図1に示した。図1において、NMP及びDMSOと記したシグナルはポリマーではなく溶媒に由来するものである。ポリマー部分の拡大図を図2に示した。ポリマー15gをNMP45mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約1000μm厚にキャストして150℃で4時間乾燥してフィルムを得た。得られたフィルムは室温の純水に1時間浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について評価を行った。
Example 1
80,37 g (0.1636 mol) of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS), 42.21 g of 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) ( 0.2454 mol), 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene (abbreviation: BPF) 154.78 g (0.409 mol), potassium carbonate 62.18 g (0.45 mol), molecular sieve 45 g in 2000 ml four-necked The flask was weighed and flushed with nitrogen. After adding 1000 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) and stirring at 150 ° C. for 30 minutes, the reaction temperature is increased to 195-200 ° C. Continued (about 12 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 0.78 dL / g. The 1H-NMR spectrum measured at room temperature in deuterated dimethyl sulfoxide is shown in FIG. In FIG. 1, the signals marked NMP and DMSO are derived from the solvent, not the polymer. An enlarged view of the polymer portion is shown in FIG. 15 g of the polymer was dissolved in 45 ml of NMP, cast to a thickness of about 1000 μm on a glass plate on a hot plate, and dried at 150 ° C. for 4 hours to obtain a film. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 hour, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane. The obtained ion exchange membrane was evaluated.

実施例2〜3
S−DCDPSとDCBNのモル比を変更した他は、実施例1と同様にして各種イオン交換膜を作製し評価を行った。
Examples 2-3
Various ion exchange membranes were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of S-DCDPS and DCBN was changed.

実施例4
S−DCDPS 60.27g(0.123mol)、DCBN 49.24g(0.286mol)、BPF 77.39g(0.205mol)、4,4'−ビフェノール(略号:BP)38.08g(0.205mol)を用いた他は実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
Example 4
S-DCDPS 60.27 g (0.123 mol), DCBN 49.24 g (0.286 mol), BPF 77.39 g (0.205 mol), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 38.08 g (0.205 mol) The ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the above was used.

比較例1〜3
BPFの代わりにBPを用い、モノマーの仕込比を変更し、実施例1と同様にして各種イオン交換膜を作製し評価を行った。
Comparative Examples 1-3
BP was used in place of BPF, the monomer charge ratio was changed, and various ion exchange membranes were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1.

比較例4
DCBNの代わりに4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:DCDPS)を
用いモノマーの仕込み比を変更し、実施例1と同様にして公知のポリマー構造のイオン交換膜を作製し評価を行った。
Comparative Example 4
A monomer charge ratio was changed using 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: DCDPS) instead of DCBN, and an ion exchange membrane having a known polymer structure was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1.

比較例5
市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)117について各種評価を行った。
Comparative Example 5
Various evaluations were performed on Nafion (trade name) 117 which is a commercially available ion exchange membrane.

実施例及び比較例のイオン交換膜の評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of the ion exchange membranes of Examples and Comparative Examples.

Figure 2005239849
Figure 2005239849

表1からわかるように実施例のイオン交換膜は、同程度のイオン交換容量を有する比較例1〜4のイオン交換膜に対して、同等以上のプロトン伝導性と出力電圧を有しつつ、メタノール透過速度は小さく、高い出力及びプロトン伝導性と、メタノールの透過阻止性を両立できる優れた膜であることがわかる。また、市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)117に比べても同等の出力電圧を示し、メタノール透過の阻止性が大きく改善されていることがわかる。これらのことから、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、燃料電池用イオン交換膜に用いることによってその特性を大きく改善することができ、産業界に寄与すること大である。   As can be seen from Table 1, the ion exchange membranes of the examples had methanol conductivity and output voltage equal to or higher than those of Comparative Examples 1 to 4 having comparable ion exchange capacities, and methanol. The permeation rate is low, and it can be seen that this is an excellent membrane that can achieve both high output and proton conductivity and methanol permeation blocking properties. Moreover, even if it compares with Nafion (brand name) 117 which is a commercially available ion exchange membrane, it shows an equivalent output voltage, and it can be seen that the methanol permeation-preventing property is greatly improved. From these facts, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can greatly improve its characteristics when used in an ion exchange membrane for fuel cells, and contributes greatly to the industry.

本発明における実施例1で合成したポリマーを重水素化ジメチルスルホキシド中室温で測定した1H−NMRスペクトルである。It is the 1H-NMR spectrum which measured the polymer synthesize | combined in Example 1 in this invention at room temperature in deuterated dimethyl sulfoxide.

本発明における実施例1で合成したポリマーを重水素化ジメチルスルホキシド中室温で測定した1H−NMRスペクトルのポリマー部分の拡大図である。It is an enlarged view of the polymer part of the 1H-NMR spectrum which measured the polymer synthesize | combined in Example 1 in this invention at room temperature in deuterated dimethyl sulfoxide.

符号の説明Explanation of symbols

NMP:ポリマー重合溶媒のN−メチル−2−ピロリドンに由来するシグナル
DMSO:NMR測定溶媒のジメチルスルホキシドに由来するシグナル
NMP: signal derived from N-methyl-2-pyrrolidone as a polymer polymerization solvent DMSO: signal derived from dimethyl sulfoxide as an NMR measurement solvent

Claims (9)

下記化学式(1)又は(2)で表される構造の繰り返し単位を含むことを特徴とするスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2005239849
化学式(1)
Figure 2005239849
化学式(2)
[化学式(1)又は(2)において、W1及びW2はS原子あるいはO原子のいずれかを、Ar1は下記化学式(3)で表される基を、それぞれ表す。]
Figure 2005239849
化学式(3)
[化学式(3)において、R1、R2はそれぞれ独立して、H原子及び炭素数1〜4のアルキル基からなる群より選ばれる基を、n1、n2はそれぞれ独立して0〜2の整数を、それぞれ表す。]
A sulfonic acid group-containing polymer comprising a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (1) or (2):
Figure 2005239849
Chemical formula (1)
Figure 2005239849
Chemical formula (2)
[In chemical formula (1) or (2), W1 and W2 represent either an S atom or an O atom, and Ar1 represents a group represented by the following chemical formula (3). ]
Figure 2005239849
Chemical formula (3)
[In the chemical formula (3), R1 and R2 each independently represents a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and n1 and n2 each independently represents an integer of 0 to 2. , Respectively. ]
下記化学式(4)で表される構造の繰り返し単位を含むことを特徴とする請求項1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2005239849
化学式(4)
[化学式(4)において、Y1及びY2はO又はS原子を、Z1は−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、AはH又は1価の陽イオンを、Ar2は2価の芳香族基を、それぞれ表す。]
The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, comprising a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (4).
Figure 2005239849
Chemical formula (4)
[In the chemical formula (4), Y1 and Y2 are O or S atoms, Z1 is -S (= O) 2- group or -C (= O)-group, A is H or monovalent cation, Ar2 represents a divalent aromatic group. ]
化学式(4)で表される構造の繰り返し単位において、Ar2の一部又は全部が、化学式(5)〜(7)で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の2価の芳香族基である事を特徴とする請求項2に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2005239849
化学式(5)
Figure 2005239849
化学式(6)
Figure 2005239849
化学式(7)
[化学式(5)〜(7)において、R3、R4はそれぞれ独立して、H原子及び炭素数1〜4のアルキル基からなる群より選ばれる基を、n3、n4はそれぞれ独立して0〜2の整数を、それぞれ表す。]
In the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (4), one or more divalent aromatics in which part or all of Ar2 is selected from the group consisting of the structures represented by the chemical formulas (5) to (7) The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 2, wherein the polymer is a group.
Figure 2005239849
Chemical formula (5)
Figure 2005239849
Chemical formula (6)
Figure 2005239849
Chemical formula (7)
[In the chemical formulas (5) to (7), R3 and R4 are each independently a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and n3 and n4 are each independently 0 to 0. Each represents an integer of 2. ]
化学式(1)又は化学式(2)で表される構造の繰り返し単位と、化学式(4)で表される構造からなる繰り返し単位とのモル比が、5/95から95/5の範囲にあることを特徴とする請求項2又は3に記載のポリマー。   The molar ratio of the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (1) or the chemical formula (2) and the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (4) is in the range of 5/95 to 95/5. The polymer according to claim 2 or 3, wherein: 請求項1〜4に記載のポリマーを含むことを特徴とするポリマー組成物。   A polymer composition comprising the polymer according to claim 1. 請求項1〜4に記載のポリマーを含むイオン交換樹脂。   An ion exchange resin comprising the polymer according to claim 1. 請求項1〜4に記載のポリマーを含むイオン交換膜。   An ion exchange membrane comprising the polymer according to claim 1. 請求項7に記載のイオン交換膜を用いて得られる膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly obtained using the ion exchange membrane according to claim 7. 請求項1〜4に記載のポリマー及び/又は請求項7に記載のイオン交換膜を用いた燃料電池。   A fuel cell using the polymer according to claim 1 and / or the ion exchange membrane according to claim 7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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