JP2005320523A - Polyarylene polymer and its use - Google Patents

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貴司 山田
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徹 小野寺
Shigeru Sasaki
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyarylene polyelectrolyte that exhibits superior performance in many characteristics such as film-forming properties, chemical stability, film mechanical strength, water resistance and proton conductivity, in particular in proton conductivity, etc., as a proton conductive film for a solid polymer fuel cell, and exhibits high power generation characteristics. <P>SOLUTION: This polyarylene polymer is characterized by having a repeating structure represented by general formula (1), wherein X represents any one of a direct bonding, -O-, -S-, -SO-, -SO<SB>2</SB>- and -CO-, Y represents each a direct bonding, a divalent or a trivalent aromatic group, R<SP>1</SP>and R<SP>2</SP>represent each independently a hydrogen atom or a fluorine atom, R<SP>3</SP>represents each independently a sulfonic acid group, a 1-10C alkyl group or a 6-18C aryl group that may be substituted, i represents a number of 0-3, k represents a number of 1-12, and l represents one when Y is the direct bonding or the divalent aromatic group and represents two when Y is the trivalent aromatic group. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ポリアリーレン系高分子に関し、高分子電解質、なかでも燃料電池用として好適に用いられるポリアリーレン系高分子及びその用途に関するものである。   The present invention relates to a polyarylene polymer, and more particularly to a polyarylene polymer suitably used as a polymer electrolyte, particularly a fuel cell, and its use.

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、プロトン伝導性を有する高分子すなわち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)をはじめとする側鎖に超強酸としてのパーフルオロアルキルスルホン酸を有し、主鎖がパーフルオロアルカンである脂肪族系高分子を有効成分とする高分子電解質が、燃料電池用の膜材料、イオン交換成分として用いた場合に発電特性が優れることから従来主に使用されてきている。しかしながらこの種の材料は非常に高価であること、耐熱性が低いこと、膜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。   Polymers having proton conductivity, that is, polymer electrolytes, are used as diaphragms for electrochemical devices such as primary batteries, secondary batteries, and solid polymer fuel cells. For example, Nafion (registered trademark of DuPont) and other polymers that contain perfluoroalkylsulfonic acid as a super strong acid in the side chain and an aliphatic polymer whose main chain is perfluoroalkane as an active ingredient Conventionally, electrolytes have been mainly used because of their excellent power generation characteristics when used as membrane materials for fuel cells and ion exchange components. However, it has been pointed out that this type of material is very expensive, has low heat resistance, has low film strength, and is not practical without some reinforcement.

こうした状況において、上記高分子電解質に替わり得る安価で特性の優れた高分子電解質の開発が近年活発化し、ポリフェニレンを主鎖構造に有するポリアリーレン系高分子電解質の検討がなされている。
例えば、繰返し構造として、置換基を持ったフェニレン単位を有し、該置換基が、スルホフェノキシベンゾイル基などの様な末端にスルホン酸基を有する芳香族系基であるポリアリーレン系高分子電解質(特許文献1)、繰返し単位として、上記と同様の置換基を持ったフェニレン単位とベンゾフェノン単位等とを有するポリアリーレン系高分子電解質(特許文献2)等が提案されている。
Under these circumstances, development of inexpensive and excellent polymer electrolytes that can replace the above polymer electrolytes has recently been activated, and polyarylene polymer electrolytes having polyphenylene in the main chain structure have been studied.
For example, as a repeating structure, a polyarylene polymer electrolyte having a phenylene unit having a substituent, and the substituent is an aromatic group having a sulfonic acid group at the terminal, such as a sulfophenoxybenzoyl group ( Patent Document 1), as a repeating unit, a polyarylene polymer electrolyte (Patent Document 2) having a phenylene unit having a substituent similar to the above and a benzophenone unit has been proposed.

米国特許5403675号US Pat. No. 5,403,675 特開2001−342241号公報JP 2001-342241 A

しかしながら、前記のようなポリアリーレン系高分子電解質を固体高分子形燃料電池用に用いた場合、発電特性の温度依存性や湿度依存性、耐水性や耐溶剤性などの物性、膜形状における引張り特性、可撓性、弾性などの機械的特性、さらには膜−電極接合体作製工程の加工性などの点で、十分に満足できるレベルではないなどの問題から、さらなる改良が期待されていた。   However, when the polyarylene polymer electrolyte as described above is used for a polymer electrolyte fuel cell, the temperature dependency of the power generation characteristics, the humidity dependency, the physical properties such as the water resistance and the solvent resistance, and the tensile strength in the membrane shape. Further improvements were expected from problems such as characteristics, flexibility, mechanical properties such as elasticity, and processability of the membrane-electrode assembly manufacturing process, which are not sufficiently satisfactory.

本発明者等は、燃料電池用などの高分子電解質として、より優れた性能を示す高分子を見出すべく鋭意検討を重ねた結果、繰返し構造としての置換基を持つフェニレン単位における置換基として、末端にスルホン酸基を有する芳香族系基の代わりに、末端にスルホン酸基を有する脂肪族系基を持つというポリアリーレン系高分子が、高分子電解質、とりわけ固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜として、成膜性、耐酸化性や耐ラジカル性や耐加水分解性などの化学的安定性、膜の機械的強度、耐水性、及びプロトン伝導度や発電特性などの諸特性、特にプロトン伝導度等の特性において、優れた性能を示すことを見出すとともに更に種々の検討を加え、本発明を完成した。   As a result of intensive investigations to find a polymer exhibiting superior performance as a polymer electrolyte for fuel cells and the like, the present inventors have obtained a terminal as a substituent in a phenylene unit having a substituent as a repeating structure. A polyarylene polymer having an aliphatic group having a sulfonic acid group at its end instead of an aromatic group having a sulfonic acid group is used as a polymer electrolyte, particularly a proton conducting membrane of a solid polymer fuel cell. As film forming properties, chemical stability such as oxidation resistance, radical resistance and hydrolysis resistance, mechanical strength of the film, water resistance, and various properties such as proton conductivity and power generation characteristics, especially proton conductivity As a result, the present invention was completed.

すなわち本発明は、[1] 下記一般式(1)

(式中、Xは、直接結合、−O−、−S−、−SO−、−SO2−、−CO−のいずれかを表し、Yは直接結合、2価若しくは3価の芳香族基を表し、R1、R2は、互いに独立に水素原子又はフッ素原子を表し、R3は互いに独立に、スルホン酸基、炭素数が1〜10であるアルキル基又は炭素数が6〜18である置換されていても良いアリール基を表し、iは、0〜3の数を表し、kは1〜12の数を表し、lは、Yが直接結合または2価の場合は1、Yが3価の芳香族基の場合は2を表す。)
で示される繰り返し構造を有することを特徴とするポリアリーレン系高分子を提供するものである。
また本発明は、[2]一般式(1)で表される繰返し構造の90%以上がp−連結である、すなわちパラ位で結合していることを特徴とする上記[1]の高分子を提供するものである。
That is, the present invention provides [1] the following general formula (1)

(In the formula, X represents a direct bond, —O—, —S—, —SO—, —SO 2 — or —CO—, and Y represents a direct bond, a divalent or trivalent aromatic group. R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom or a fluorine atom, and R 3 each independently represent a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a carbon number of 6 to 18 Represents an optionally substituted aryl group, i represents a number from 0 to 3, k represents a number from 1 to 12, l represents 1 when Y is a direct bond or divalent, and Y represents In the case of a trivalent aromatic group, it represents 2.)
It provides a polyarylene polymer characterized by having a repeating structure represented by the following formula.
[2] The polymer according to [1], wherein 90% or more of the repeating structure represented by the general formula (1) is p-linked, that is, bonded at the para position. Is to provide.

くわえて、本発明は、[3] さらに下記一般式(2)及び(3)

(式中、Ar1、Ar2は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここで2価の芳香族基は炭素数が1〜10であるアルキル基、炭素数が6〜18であるアリール基又はスルホン酸基で置換されていても良く、Zは、−O−、−SO2−、−CO−のいずれかを表し、mは1以上の数を、nは0以上の数を表し、R4は、互いに独立にスルホン酸基、炭素数が1〜10であるアルキル基、炭素数が6〜18である置換されていても良いアリール基又は炭素数2〜20のアシル基を表し、pは0〜4の数を表す。)で示される繰り返し構造の少なくとも1つを有することを特徴とする上記[1]または[2]の高分子を提供するものである。
In addition, the present invention provides [3] and the following general formulas (2) and (3)

(In the formula, Ar 1 and Ar 2 each independently represent a divalent aromatic group, where the divalent aromatic group is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and 6 to 18 carbon atoms. It may be substituted with an aryl group or a sulfonic acid group, Z represents any of —O—, —SO 2 —, and —CO—, m represents a number of 1 or more, and n represents a number of 0 or more. R 4 represents a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, independently of each other. And p represents a number of 0 to 4.) The polymer according to [1] or [2] is provided having at least one repeating structure represented by the following formula:

さらに本発明は、[4]主鎖中の一般式(3)で表される繰返し構造の90%以上が、p−連結である、すなわちパラ位で結合していることを特徴とする上記[3]の高分子、
[5]Yが、直接結合であることを特徴とする上記[1]〜[4]の高分子、
[6]iが0である[1]〜[5]のいずれか記載の高分子、
[7]イオン交換容量が、0.5eq/g〜4meq/gであることを特徴とする上記[1]〜[6]の高分子、
[8]ランダム共重合体又はブロック共重合体であることを特徴とする上記[1]〜[7]の高分子、
Further, the present invention is [4] above, wherein 90% or more of the repeating structure represented by the general formula (3) in the main chain is p-linked, that is, bonded at the para position. 3],
[5] The polymer of [1] to [4] above, wherein Y is a direct bond,
[6] The polymer according to any one of [1] to [5], wherein i is 0,
[7] The polymer according to [1] to [6], wherein the ion exchange capacity is 0.5 eq / g to 4 meq / g,
[8] The polymer of [1] to [7] above, which is a random copolymer or a block copolymer,

[9]上記[1]〜[8]の高分子を有効成分とする高分子電解質、
[10]上記[9]の高分子電解質を用いてなることを特徴とする高分子電解質膜、
[11]上記[9]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、
[12]上記[9]の高分子電解質、上記[10]の高分子電解質膜、上記[11]の触媒組成物から選ばれる少なくとも1種を用いてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池等を提供するものである。
[9] A polymer electrolyte comprising the polymer of [1] to [8] as an active ingredient,
[10] A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte of [9] above,
[11] A catalyst composition comprising the polymer electrolyte of [9] above,
[12] A polymer electrolyte fuel comprising at least one selected from the polymer electrolyte of [9], the polymer electrolyte membrane of [10], and the catalyst composition of [11] A battery or the like is provided.

本発明のポリアリーレン系高分子は、高分子電解質、とりわけ固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜として、成膜性、耐酸化性や耐ラジカル性や耐加水分解性などの化学的安定性、膜の機械的強度、耐水性、及びプロトン伝導度などの諸特性、特にプロトン伝導度等の特性において、優れた性能を示す。そのうえ固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜として用いた場合、高い発電特性を示すので、本発明のポリアリーレン系高分子は高分子電解質として工業的に有利である。   The polyarylene polymer of the present invention is used as a polymer electrolyte, particularly as a proton conductive membrane of a solid polymer fuel cell, as a film stability, chemical stability such as oxidation resistance, radical resistance and hydrolysis resistance, It exhibits excellent performance in various properties such as mechanical strength, water resistance, and proton conductivity of the membrane, particularly in properties such as proton conductivity. In addition, when used as a proton conductive membrane of a polymer electrolyte fuel cell, it exhibits high power generation characteristics, so that the polyarylene polymer of the present invention is industrially advantageous as a polymer electrolyte.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のポリアリーレン系高分子は、遊離酸の形が、前記一般式(1)で示される繰り返し構造を有することを特徴とする。
ここで、式(1)における−X−は、直接結合、−O−、−S−、−SO−、−SO2−、−CO−のいずれかを表すが、中でも直接結合、−O−、−SO2−、−CO−が好ましい。
またYは、直接結合又は2価若しくは3価の芳香族基を表し、その総炭素数は、通常6〜18程度であり、置換基を有することもある芳香族環から誘導される。かかる置換基を有することもある芳香族環としては、例えばベンゼン、ナフタレン、これらの基にフッ素原子、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ビフェニリル、フェノキシ、ナフチルオキシ基等が置換したもの等が挙げられる。スルホン酸基の数lが1の場合は2価の、lが2の場合は3価の芳香族基となることは言うまでもない。好ましい例としては、スルホン酸基を含めて表すと以下の基が挙げられるが、直接結合であることが特に好ましい。
(式中、lは前述と同じ意味を表す。)
1、R2は、互いに独立に水素原子又はフッ素原子を表わすが、好ましくは、ともに水素又はともにフッ素原子である場合である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The polyarylene polymer of the present invention is characterized in that the form of the free acid has a repeating structure represented by the general formula (1).
Here, —X— in the formula (1) represents any of a direct bond, —O—, —S—, —SO—, —SO 2 —, and —CO—, and among them, a direct bond, —O— , —SO 2 — and —CO— are preferable.
Y represents a direct bond or a divalent or trivalent aromatic group, and the total number of carbon atoms is usually about 6 to 18, and is derived from an aromatic ring that may have a substituent. Examples of the aromatic ring which may have such a substituent include benzene, naphthalene, and those in which these groups are substituted with a fluorine atom, methoxy, ethoxy, isopropyloxy, biphenylyl, phenoxy, naphthyloxy group or the like. Needless to say, when the number 1 of the sulfonic acid groups is 1, it is divalent, and when 1 is 2, it becomes a trivalent aromatic group. Preferable examples include the following groups when including a sulfonic acid group, and a direct bond is particularly preferable.
(In the formula, l represents the same meaning as described above.)
R 1 and R 2 each independently represents a hydrogen atom or a fluorine atom, and preferably both are hydrogen or a fluorine atom.

またR3は高分子主鎖中のフェニレン上の基換基を表わし、スルホン酸基、炭素数が1〜10程度であるアルキル基又は炭素数が6〜18程度である置換されていても良いアリール基を表す。
炭素数が1〜10程度であるアルキル基としては、例えばメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、イソブチル、n−ペンチル、2,2−ジメチルプロピル、シクロペンチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、2−メチルペンチル、2−エチルヘキシル、ノニル、等が挙げられ、炭素数が6〜18程度である置換されていても良いアリール基としては、例えばフェニル、ナフチル、これらの基にフッ素原子、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ビフェニリル、フェノキシ、ナフチルオキシ、スルホン酸基等が置換したもの等が挙げられる。
R 3 represents a substituent on phenylene in the polymer main chain, and may be a sulfonic acid group, an alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms, or a substituted group having about 6 to 18 carbon atoms. Represents an aryl group.
Examples of the alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, isobutyl, n-pentyl, 2,2-dimethylpropyl, cyclopentyl, n- Hexyl, cyclohexyl, 2-methylpentyl, 2-ethylhexyl, nonyl, etc. may be mentioned. Examples of the aryl group having about 6 to 18 carbon atoms which may be substituted include phenyl, naphthyl and fluorine in these groups. Examples include those substituted with an atom, methoxy, ethoxy, isopropyloxy, biphenylyl, phenoxy, naphthyloxy, sulfonic acid group and the like.

iは基換しているR3の数であり0〜3の数を表わし、iは0であるかまたは、R3はメチル、エチルであることが好ましい。kは1〜12の数を表すが、2〜6であることが好ましい。lは、Yが直接結合または2価の場合は1、Yが3価の芳香族基の場合は2を表す。
また主鎖を構成することになるフェニレンは、o-、m-、p−、これら2種以上の混合物であっても良いが、繰返し構造の90%以上がp−連結であることが好ましい。すなわち、高分子主鎖中のフェニレンは、他の繰り返し単位とオルト位、メタ位、パラ位で結合し、全て同じ結合位置である必要はないが、繰返し単位の90%以上が両隣の繰り返し単位とパラ位で結合していることが好ましい。
i is the number of substituted R 3 and represents a number of 0 to 3, and i is preferably 0, or R 3 is preferably methyl or ethyl. k represents a number of 1 to 12, and preferably 2 to 6. l represents 1 when Y is a direct bond or divalent, and 2 when Y is a trivalent aromatic group.
The phenylene constituting the main chain may be o-, m-, p-, or a mixture of two or more of these, but 90% or more of the repeating structure is preferably p-linked. That is, phenylene in the polymer main chain is bonded to other repeating units at the ortho position, meta position, and para position and does not have to be all at the same bonding position, but 90% or more of the repeating units are adjacent to both repeating units. Are preferably bonded at the para position.

一般式(1)で示される繰り返し構造の代表例としては、以下のものが挙げられる。
Typical examples of the repeating structure represented by the general formula (1) include the following.

本発明のポリアリーレン高分子は、上記のような、前記一般式(1)で示される繰り返し単位を有することを特徴とする。本発明のポリアリーレン高分子は、スルホン酸基の一部または全部が塩の形のものも含まれる。そのような塩の形としては、例えばリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩等のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩が挙げられる。なお、固体高分子型燃料電池用の材料として用いる場合は、ポリアリーレン高分子における実質的に全てのスルホン酸基が遊離酸の形である場合が好ましい。   The polyarylene polymer of the present invention has the repeating unit represented by the general formula (1) as described above. The polyarylene polymer of the present invention includes those in which some or all of the sulfonic acid groups are in the form of a salt. Examples of such salt forms include alkali metal salts or alkaline earth metal salts such as lithium salts, sodium salts, potassium salts, and calcium salts. When used as a material for a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that substantially all sulfonic acid groups in the polyarylene polymer are in the form of a free acid.

また本発明のポリアリーレン系高分子は、上記のような、一般式(1)で示される繰り返し構造の他にこれとは異なる繰返し構造を有していても良い。
例えば、さらに前記一般式(2)、一般式(3)等で示される繰返し構造単位を有することが好ましい。
ここで、一般式(2)におけるAr1、Ar2は互いに独立に2価の芳香族基を表し、2価の芳香族基としては、芳香族環から誘導される2価の基、2個の芳香族環が直接または連結員を介して連結された2価の基であることが好ましい。
そのような2価の芳香族基としては、例えば以下のような2価の基が例示される。
The polyarylene polymer of the present invention may have a different repeating structure in addition to the repeating structure represented by the general formula (1) as described above.
For example, it is preferable to further have a repeating structural unit represented by the general formula (2), the general formula (3) or the like.
Here, Ar 1 and Ar 2 in the general formula (2) each independently represent a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group includes two divalent groups derived from an aromatic ring, The aromatic ring is preferably a divalent group connected directly or via a connecting member.
Examples of such a divalent aromatic group include the following divalent groups.

これらを含む2価の基Ar1、Ar2は、その芳香環が、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、tert−ブチル、イソブチル、n−ペンチル、2,2−ジメチルプロピル、シクロペンチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、2−メチルペンチル、2−エチルヘキシル、ノニル、デシル等の炭素数が1〜10程度であるのアルキル基、フェニル、ナフチル、これらの基にフッ素原子、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ビフェニリル、フェノキシ、ナフチルオキシが置換したもの等の総炭素数が6〜18程度であるアリール基、スルホン酸基等で置換されていても良いが、無置換またはスルホン酸置換であることが好ましい。 The divalent groups Ar 1 and Ar 2 containing these have an aromatic ring of methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, tert-butyl, isobutyl, n-pentyl, 2,2 -An alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms such as dimethylpropyl, cyclopentyl, n-hexyl, cyclohexyl, 2-methylpentyl, 2-ethylhexyl, nonyl, decyl, phenyl, naphthyl, fluorine atom in these groups, Methyl, ethoxy, isopropyloxy, biphenylyl, phenoxy, naphthyloxy and the like may be substituted with an aryl group having a total carbon number of about 6-18, a sulfonic acid group, etc., but unsubstituted or sulfonic acid Substitution is preferred.

またZは、−O−、−SO2−、−CO−のいずれかを表すが、複数あるZは互いに異なっていても良い。mは1以上の数を、nは0以上の数を表し、m+nは、1〜1000の数であることが好ましい。
一般式(2)で表される繰り返し構造の代表例としては、例えば以下のものが挙げられる。m、nは上記と同じ意味を表す。
Z represents any of —O—, —SO 2 —, and —CO—, and a plurality of Z may be different from each other. m represents a number of 1 or more, n represents a number of 0 or more, and m + n is preferably a number of 1 to 1000.
Typical examples of the repeating structure represented by the general formula (2) include the following. m and n represent the same meaning as described above.

また一般式(3)におけるR4はベンゼン環上の基換基を表わし、互いに独立に、スルホン酸基、炭素数が1〜10程度であるアルキル基、炭素数が6〜18程度であるアリール基又炭素数2〜20程度であるアシル基を表す。
ここで、炭素数が1〜10程度であるアルキル基、炭素数が6〜18程度であるアリール基としては、例えば前記と同様のアルキル基、アリール基が挙げられる。また、炭素数2〜20程度であるアシル基としては、例えばアセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、ベンゾイル、1−ナフトイル、2−ナフトイル、これらの基にフッ素原子、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ビフェニリル、フェノキシ、ナフチルオキシ、スルホン酸基などが置換したアシル基が挙げられる。
なかでもR4は、ベンゾイル、フェノキシベンゾイルであることが好ましい。pは置換しているR4の数であり、0〜4の数を表わす。pは0であることが好ましい。
また一般式(3)中のフェニレンは、オルト位、メタ位、パラ位で結合し、全て同じ結合位置である必要はないが、繰返し単位の90%以上が両隣の繰り返し単位とパラ位で結合していることが好ましい。
R 4 in the general formula (3) represents a substituent on the benzene ring, and independently of each other, a sulfonic acid group, an alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms, and an aryl having about 6 to 18 carbon atoms. The group also represents an acyl group having about 2 to 20 carbon atoms.
Here, examples of the alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms and the aryl group having about 6 to 18 carbon atoms include the same alkyl groups and aryl groups as described above. Examples of the acyl group having about 2 to 20 carbon atoms include acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, benzoyl, 1-naphthoyl, 2-naphthoyl, fluorine atom, methoxy, ethoxy, isopropyloxy, biphenylyl, Examples include acyl groups substituted with phenoxy, naphthyloxy, sulfonic acid groups, and the like.
Of these, R 4 is preferably benzoyl or phenoxybenzoyl. p is the number of R 4 substituted, and represents a number of 0 to 4. p is preferably 0.
Further, phenylene in the general formula (3) is bonded at the ortho position, the meta position, and the para position and does not need to be all at the same bonding position, but 90% or more of the repeating units are bonded to the adjacent repeating units at the para position. It is preferable.

一般式(3)で表される繰り返し構造の代表例としては、例えば以下のものが挙げられる。

Typical examples of the repeating structure represented by the general formula (3) include the following.

本発明のポリアリーレン系高分子は、上記のような、一般式(1)で示される繰り返し構造の他に、上記のような一般式(2)及び/又は一般式(3)等で示される繰返し構造単位を有していても良いが、それらの組成比は、ポリアリーレン高分子としての酸基の導入率が、イオン交換容量で表して、0.5meq/g〜4meq/gとなるような組成比が好ましい。 イオン交換容量が0.5を下回る場合、プロトン伝導性が低くなり、燃料電池用の高分子電解質としての機能が不十分になることがある。イオン交換容量の下限としては1.0以上である場合が好ましく、とりわけ、1.5以上である場合が好ましい。
またイオン交換容量が4を上回る場合、耐水性が低下することがあるので好ましくない。イオン交換容量の上限としては3.8以下であることが好ましく、とりわけ、3.5以下であることが好ましい。
The polyarylene polymer of the present invention is represented by the general formula (2) and / or the general formula (3) as described above in addition to the repeating structure represented by the general formula (1) as described above. The composition ratio may be such that the introduction ratio of acid groups as the polyarylene polymer is 0.5 meq / g to 4 meq / g in terms of ion exchange capacity. A preferable composition ratio is preferable. When the ion exchange capacity is less than 0.5, proton conductivity is lowered, and the function as a polymer electrolyte for a fuel cell may be insufficient. The lower limit of the ion exchange capacity is preferably 1.0 or more, and particularly preferably 1.5 or more.
On the other hand, if the ion exchange capacity exceeds 4, the water resistance may decrease, which is not preferable. The upper limit of the ion exchange capacity is preferably 3.8 or less, and particularly preferably 3.5 or less.

また例えば上記のような一般式(2)及び/又は一般式(3)等で示される繰返し構造単位を有する場合、それらの連結の様式、即ち共重合様式がランダムであるランダム共重合体であっても、ブロック的に繰り返されるブロック共重合体であっても、またはそれらの組み合わせであっても良い。
ランダム共重合体である場合、一般式(2)としては、(m+n)が1または2の場合が好適である。 またブロック共重合体である場合、一般式(1)と、一般式(2)及び/又は(3)がそれぞれ単独で繰り返されるブロックを有するが、その繰返し回数としては、一般式(1)の場合には10〜100回が好ましく、一般式(2)の場合には(m+n)が、10〜100が好ましく、一般式(3)の場合には10〜200回が好ましい。
Further, for example, when it has a repeating structural unit represented by the general formula (2) and / or the general formula (3) as described above, it is a random copolymer having a random coupling mode, that is, a copolymerization mode. Alternatively, it may be a block copolymer repeated in a block manner, or a combination thereof.
When it is a random copolymer, the case where (m + n) is 1 or 2 is suitable as the general formula (2). Moreover, when it is a block copolymer, although it has a block in which General formula (1) and General formula (2) and / or (3) are each independently repeated, As the frequency | count of repetition, General formula (1) In the case, 10 to 100 times are preferable, in the case of the general formula (2), (m + n) is preferably 10 to 100, and in the case of the general formula (3), 10 to 200 times are preferable.

本発明のポリアリーレン系高分子は、分子量が、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して、5000〜1000000であることが好ましく、中でも15000〜であることが特に好ましい。   The molecular weight of the polyarylene polymer of the present invention is preferably from 5,000 to 1,000,000, particularly preferably from 15,000 to 1,000, expressed as a number average molecular weight in terms of polystyrene.

一般式(2)、(3)等で示される繰返し構造単位を有する場合の代表例としては、例えば以下のものが例示される。ここで、各繰返し構造の繰返し回数は省略してあるが、上記で説明したようなイオン交換容量、組成比、ブロック長、分子量等を満足するような繰返し回数が好ましい。

As typical examples in the case of having a repeating structural unit represented by the general formulas (2), (3), etc., the following can be exemplified. Here, the number of repetitions of each repeating structure is omitted, but the number of repetitions satisfying the ion exchange capacity, composition ratio, block length, molecular weight and the like as described above is preferable.

次に、本発明のポリアリーレン系高分子の製造方法について説明する。
本発明のポリアリーレン系高分子は、例えば、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、下式(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる下式(5)、(6)で示されるモノマーを、縮合反応により重合することにより製造し得る。

(式中、Ar1、Ar2、R1〜R4、X、Y、i、k、m、n、l、pは前記と同じ意味を有す。Qは、縮合反応時に脱離する基を表し、複数のQは異なる種類であっても良い。)
Next, the method for producing the polyarylene polymer of the present invention will be described.
The polyarylene polymer of the present invention is represented by, for example, a monomer represented by the following formula (4) in the coexistence of a zero-valent transition metal complex, and the following formulas (5) and (6) used as necessary. Monomers can be produced by polymerizing by a condensation reaction.

(In the formula, Ar 1 , Ar 2 , R 1 to R 4 , X, Y, i, k, m, n, l, and p have the same meaning as described above. Q is a group that is eliminated during the condensation reaction. And the plurality of Qs may be of different types.)

ここで、Q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、例えばクロロ、ブロモ、ヨードなどのハロゲノ基、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, Q represents a group leaving during the condensation reaction. Specific examples thereof include halogeno groups such as chloro, bromo and iodo, p-toluenesulfonyloxy group, methanesulfonyloxy group, trifluoromethane, and the like. And sulfonic acid ester groups such as a sulfonyloxy group.

また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、遷移金属化合物に還元剤として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。
Polymerization by condensation reaction is carried out in the presence of a zero-valent transition metal complex. Examples of such a zero-valent transition metal complex include a zero-valent nickel complex and a zero-valent palladium complex. Of these, a zerovalent nickel complex is preferably used.
As the zero-valent transition metal complex, a commercially available product or a separately synthesized one may be used for the polymerization reaction system, or may be generated from the transition metal compound by the action of a reducing agent in the 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 as a reducing agent.
In any case, it is preferable to add a ligand described later from the viewpoint of improving the yield.

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。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。
Here, examples of the zero-valent palladium complex include palladium (0) tetrakis (triphenylphosphine). Examples of the zero-valent nickel complex include nickel (0) bis (cyclooctadiene), nickel (0) (ethylene) bis (triphenylphosphine), nickel (0) tetrakis (triphenylphosphine), and the like. Of these, nickel (0) bis (cyclooctadiene) is preferably used.
In addition, when a reducing agent is allowed to act on a transition metal compound to generate a zero-valent transition metal complex, the transition metal compound used is usually a divalent transition metal compound, but a zero-valent one should also be used. You can also. Of these, divalent nickel compounds and divalent palladium compounds are preferred. Examples of divalent nickel compounds include nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetate, nickel acetylacetonate, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis ( Triphenylphosphine) and the like, and examples of the divalent palladium compound include palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, palladium acetate and the like.

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(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる式(5)、式(6)で示されるモノマーの総量に対して、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(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる式(5)、式(6)で示されるモノマーの総量に対して、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 such as copper, sodium hydride, hydrazine and derivatives thereof, 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 the reducing agent is not used, the amount of the zero-valent transition metal complex used is the total amount of the monomer represented by the formula (4) and the monomers represented by the formulas (5) and (6) used as necessary. Usually, it is 0.1 to 5 mole times. If the amount used is too small, the molecular weight tends to be small, so it is preferably 1.5 mole times or more, more preferably 1.8 mole times or more, and even more preferably 2.1 mole times or more. The upper limit of the amount used is preferably 5.0 moles or less because the amount of use is too large and post-treatment tends to become complicated.
Moreover, when using a reducing agent, the usage-amount of a transition metal compound is with respect to the monomer shown by Formula (4), and the total amount of the monomer shown by Formula (5) and Formula (6) used as needed. And 0.01 to 1 mole times. If the amount used is too small, the molecular weight tends to be small, so the amount is preferably 0.03 mol times or more. The upper limit of the amount used is preferably 1.0 mole or less because the amount of use is too large and post-treatment tends to be complicated.

また還元剤の使用量は、式(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる式(5)、式(6)で示されるモノマーの総量に対して、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 used is usually 0.5 to 10 mol based on the monomer represented by formula (4) and the total amount of monomers represented by formula (5) and formula (6) used as necessary. Is double. If the amount used is too small, the molecular weight tends to be small, so the amount is preferably 1.0 mole or more. The upper limit of the amount used is desirably 10 moles or less because if the amount used is too large, post-treatment tends to become complicated.

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、0.2〜10モル倍程度、好ましくは1〜5モル倍程度使用される。
Examples of the ligand include 2,2′-bipyridyl, 1,10-phenanthroline, methylenebisoxazoline, N, N, N′N′-tetramethylethylenediamine, triphenylphosphine, tolylphosphine, tributylphosphine, Examples include triphenoxyphosphine, 1,2-bisdiphenylphosphinoethane, 1,3-bisdiphenylphosphinopropane, and triphenylphosphine 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).
Moreover, when making a ligand coexist, it is about 0.2-10 mol times normally based on a metal atom basis with respect to a zerovalent transition metal complex, Preferably it is used about 1-5 mol times.

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、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタンなどのエーテル系溶媒:N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、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(DMSO)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: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。
生成する高分子の分子量をより高くするためには、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、DMF、DMAc、DMSO、NMP、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DMF、DMAc、DMSO、NMP、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 carried out in the presence of a solvent. Examples of such solvents include aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, xylene, n-butylbenzene, mesitylene, and naphthalene: diisopropyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, diphenyl ether, dibutyl ether, tert-butyl methyl ether. , Ether solvents such as dimethoxyethane: N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), hexamethylphosphoric triamide, dimethyl sulfoxide ( Aprotic polar solvents substituted for amide solvents such as DMSO): aliphatic hydrocarbon solvents such as tetralin and decalin: ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate and methyl benzoate: chloroform, dichloro And halogenated alkyl solvents Tan, and the like.
In order to increase the molecular weight of the polymer to be generated, it is desirable that the polymer is sufficiently dissolved. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, DMF, DMAc, DMSO, NMP, which are good solvents for the polymer, are used. , Toluene and the like are preferable. These may be used in combination of two or more. Among these, DMF, DMAc, DMSO, NMP, and a mixture of two or more of these are preferably used.

溶媒は、モノマーに対して、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(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる式(5)、式(6)で示されるモノマーとを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(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる式(5)、式(6)で示されるモノマー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(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる式(5)、式(6)で示されるモノマーとを作用させた後、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 by weight, preferably about 20 to 100 times the monomer.
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. Among them, in order to further increase the molecular weight of the polymer to be produced, the zero-valent transition metal complex, the monomer represented by the formula (4), and the formulas (5) and (6) used as necessary are used. The monomer is preferably allowed to act at a temperature of 45 ° C. or higher. The preferred working temperature is usually 45 ° C to 200 ° C, particularly preferably about 50 ° C to 100 ° C.
In addition, a method in which a zero-valent transition metal complex, a monomer represented by the formula (4), and a monomer represented by the formula (5) or the formula (6) used as required is a method of adding one to the other Alternatively, a method of adding both to the reaction vessel at the same time may be used. When adding, it may be added all at once, but it is preferable to add little by little in consideration of heat generation, and it is also preferable to add in the presence of a solvent.
After allowing the zero-valent transition metal complex to react with the monomer represented by the formula (4) and the monomer represented by the formula (5) or the formula (6) used as necessary, usually about 45 ° C to 200 ° C, Preferably, the temperature is kept at about 50 ° C to 100 ° C.

縮合反応により生成した芳香族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。   A conventional method can be applied to take out the aromatic polymer produced by the condensation reaction from the reaction mixture. For example, the polymer can be precipitated by adding a poor solvent, and the target product can be taken out by filtration. Moreover, it can also refine | purify by normal purification methods, such as washing with water and reprecipitation using a good solvent and a poor solvent, as needed.

かくして本発明のポリアリーレン系高分子が得られ、高分子電解質として用いることができる。得られた高分子は、IR、NMR、液体クロストグラフィー等により同定、定量でき、また高分子鎖中の各繰り返し単位の数はNMR等により求めることができる。また分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより求めることができる。
また、その原料である式(4)で示されるモノマーは、公知の方法を用いて製造し得る。例えば、アルキル基を介してスルホン酸基を導入する方法には、特に制限はないが、具体的な方法として例えば、J.Amer.Chem.Soc.,76,5357〜5360(1954)に記載されているようなスルトンを用いて芳香族環にアルキル基を介したスルホン酸基を導入する方法がある。また、例えば、アルコキシ基を介してスルホン酸基を導入する方法には、特に制限はないが、具体的な方法として例えば、ヒドロキシ基を持つ化合物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、プロパンスルトンやブロモエタンスルホン酸ナトリウムなどのスルホン化剤と反応することにより、効率的に製造することができる。
Thus, the polyarylene polymer of the present invention can be obtained and used as a polymer electrolyte. The obtained polymer can be identified and quantified by IR, NMR, liquid crossgraphy, etc., and the number of each repeating unit in the polymer chain can be determined by NMR. The molecular weight can be determined by gel permeation chromatography.
Moreover, the monomer shown by Formula (4) which is the raw material can be manufactured using a well-known method. For example, the method for introducing a sulfonic acid group via an alkyl group is not particularly limited, but a specific method is described in, for example, J.A. Amer. Chem. Soc. , 76, 5357 to 5360 (1954), a method of introducing a sulfonic acid group via an alkyl group into an aromatic ring using sultone. Further, for example, a method for introducing a sulfonic acid group via an alkoxy group is not particularly limited. As a specific method, for example, a compound having a hydroxy group is reacted with an alkali metal compound and / or an organic base compound. Then, after producing an alkali metal salt and / or an amine salt, it can be efficiently produced by reacting with a sulfonating agent such as propane sultone or sodium bromoethanesulfonate.

次に、本発明のポリアリーレン系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、本発明のポリアリーレン系高分子は、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、ポリアリーレン系高分子を適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、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、ポリアリーレン系高分子が溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、DMF、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、DMSO等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、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が好適に用いられる。これらは単独で用いることもできるが、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、DMSO、DMF、DMAc、NMP等がポリマーの溶解性が高く好ましい。
Next, the case where the polyarylene polymer 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 polyarylene polymer of the present invention is usually used in the form of a film, but there is no particular limitation on the method of converting to a film, and for example, a method of forming a film from a solution state (solution casting method) is preferable. used.
Specifically, the polyarylene polymer is dissolved in an appropriate solvent, the solution is cast on a glass plate, and the solvent is removed to form a film. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the polyarylene polymer and can be removed thereafter. DMF, N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2 -Aprotic polar solvents such as pyrrolidone (NMP) and DMSO, or chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ethylene glycol monomethyl ether An alkylene glycol monoalkyl ether such as ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, or propylene glycol monoethyl ether is preferably used. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary. Among these, DMSO, DMF, DMAc, NMP, and the like are preferable because of high polymer solubility.

フィルムの厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましく、20〜100μmが特に好ましい。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。   Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a film, 10-300 micrometers is preferable and 20-100 micrometers is especially preferable. When the film is thinner than 10 μm, the practical strength may not be sufficient, and when the film is thicker than 300 μm, the film resistance tends to increase and the characteristics of the electrochemical device tend to deteriorate. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.

またフィルムの各種物性改良を目的として、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等を本発明のブロック共重合体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使用できる。
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使用できる。このようにして得られたフィルムは、高分子電解質として好適に用いることができる。
For the purpose of improving various physical properties of the film, plasticizers, stabilizers, mold release agents and the like used for ordinary polymers can be added to the block copolymer of the present invention. Also, other polymers can be combined with the copolymer of the present invention by a method such as co-casting in the same solvent.
In addition, in fuel cell applications, it is also known to add inorganic or organic fine particles as a water retention agent in order to facilitate water management. Any of these known methods can be used.
Further, for the purpose of improving the mechanical strength of the film, it can be crosslinked by irradiating with an electron beam or radiation. Furthermore, there are known methods of impregnating a porous film or sheet into a composite and reinforcing a film by mixing fibers or pulp, and any of these known methods can be used. The film thus obtained can be suitably used as a polymer electrolyte.

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、ポリアリーレン系高分子フィルムの両面に、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。
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。
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。
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
The fuel cell of the present invention can be produced by joining a catalyst and a conductive material as a current collector to both surfaces of a polyarylene polymer film.
The catalyst is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction with hydrogen or oxygen, and a known catalyst can be used, but platinum fine particles are preferably used. The fine particles of platinum are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.
A known material can be used for the conductive material as the current collector, but porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric, or carbon paper is preferable in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst.

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。
また、本発明のポリアリーレン系高分子は、固体高分子形燃料電池の触媒層を構成する触媒組成物の一成分であるプロトン伝導材料としても使用可能である。
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、メタノール等を用いる各種の形式で使用可能である。
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
For a method of bonding platinum fine particles or carbon carrying platinum fine particles to a porous carbon nonwoven fabric or carbon paper, and a method of bonding it to a polymer electrolyte film, see, for example, J. Org. Electrochem. Soc. : Known methods such as those described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.
The polyarylene polymer of the present invention can also be used as a proton conducting material that is a component of a catalyst composition constituting a catalyst layer of a solid polymer fuel cell.
The fuel cell of the present invention thus produced can be used in various forms using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, methanol, or the like as fuel.
While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and further includes meanings equivalent to the description of the claims and all modifications within the scope.

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。
実施例中に記載した分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、下記条件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。
GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
カラム 実施例1−4:Shodex社製 KD−80M+KD−803を接続
実施例5:Shodex社製 AT−80Mを2本接続
カラム温度 40℃
移動相溶媒 DMAc(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.5mL/min
また、プロトン伝導度の測定は各実施例記載の溶媒を用いて溶液キャスト法により得られた膜を用い、温度80℃、相対湿度90%の条件下、交流法で測定した。イオン交換容量(IEC)は滴定法により求めた。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
The molecular weights described in the examples are number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by TOSOH
Column Example 1-4: Connected with KD-80M + KD-803 manufactured by Shodex
Example 5: Two AT-80Ms manufactured by Shodex, connected column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent DMAc (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5mL / min
The proton conductivity was measured by an alternating current method under the conditions of a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 90% using a membrane obtained by a solution cast method using the solvents described in each example. The ion exchange capacity (IEC) was determined by a titration method.

膜電極接合体の作成
Nafion溶液(5wt%、Aldrich社製)6mLに、白金を30wt%担持した白金担持カーボン(E-tec社製)603mgとエタノール13.2mLを加え、よく攪拌して触媒層溶液を調製した。この触媒層溶液をガス拡散層(カーボンクロス)にスクリーン印刷で白金担持密度が0.6mg/cm2になるように塗布し、溶媒を除去して膜電極接合体とした。
Preparation of Membrane / Electrode Assembly To 6 mL of Nafion solution (5 wt%, manufactured by Aldrich), 603 mg of platinum-supporting carbon (E-tec) supporting 30 wt% of platinum and 13.2 mL of ethanol were added, and the catalyst layer was stirred well. A solution was prepared. This catalyst layer solution was applied to a gas diffusion layer (carbon cloth) by screen printing so that the platinum carrying density was 0.6 mg / cm 2 , and the solvent was removed to obtain a membrane electrode assembly.

燃料電池セルの作成
市販のElectroChem社セルを用いた。膜電極接合体の両外側にガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータと、エンドプレートを配置し、ボルトで締め付けることによって、有効膜面積5cm2の燃料電池セルを組み立てた。
Preparation of fuel cell A commercially available ElectroChem cell was used. A fuel cell having an effective membrane area of 5 cm 2 was assembled by disposing a carbon separator in which gas passage grooves were cut on both outer sides of the membrane electrode assembly and an end plate and fastening them with bolts.

燃料電池セルの発電性能評価
燃料電池セルを80℃に保ち、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気を、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGになるように供給した。加湿はバブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は90℃、空気用バブラーの水温は80℃とした。水素のガス流量は300mL/min、空気のガス流量は1000mL/minとした。
Evaluation of power generation performance of fuel cell The fuel cell was kept at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode, and humidified air was supplied to the cathode so that the back pressure at the gas outlet of the cell was 0.1 MPaG. Humidification was performed by passing a gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 90 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 80 ° C. The hydrogen gas flow rate was 300 mL / min, and the air gas flow rate was 1000 mL / min.

合成例1
(3−(2,5−ジクロロフェノキシ)プロパンスルホン酸ナトリウムの合成)
アルゴン雰囲気下、フラスコにDMAc150ml、トルエン75ml、2,5−ジクロロフェノール24.15g(148.2mmol)、炭酸ナトリウム47.10g(444.4mmol)を入れ、加熱撹拌してトルエンと水の共沸条件下にて脱水後、トルエンを蒸留除去した。室温に放冷後、3−ブロモプロパンスルホン酸ナトリウム50.00g(222.2mmol)を加え、100℃に昇温し、同温度で10時間撹拌した。放冷後、吸引濾過により固体を除き、得られた濾液に大量のクロロホルムを加え、析出した白色固体を濾別した。さらに再結晶法により3−(2,5−ジクロロフェノキシ)プロパンスルホン酸ナトリウム35.2g(77%収率)を得た。
Synthesis example 1
(Synthesis of 3- (2,5-dichlorophenoxy) propanesulfonic acid sodium salt)
Under an argon atmosphere, DMAc 150 ml, toluene 75 ml, 2,5-dichlorophenol 24.15 g (148.2 mmol), sodium carbonate 47.10 g (444.4 mmol) were placed in a flask, and heated and stirred to azeotrope conditions of toluene and water. After dehydration below, toluene was distilled off. After allowing to cool to room temperature, 50.00 g (222.2 mmol) of sodium 3-bromopropanesulfonate was added, the temperature was raised to 100 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 10 hours. After allowing to cool, the solid was removed by suction filtration, a large amount of chloroform was added to the obtained filtrate, and the precipitated white solid was separated by filtration. Further, 35.2 g (77% yield) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) propanesulfonate was obtained by a recrystallization method.

実施例1
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO70ml、合成例1で得られた3−(2,5−ジクロロフェノキシ)プロパンスルホン酸ナトリウム2.50g(8.14mmol)、2,5−ジクロロベンゾフェノン5.11g(20.35 mmol)、2,2’−ビピリジル13.63g(87.30mmol)を入れて攪拌し、60℃に昇温した。次いで、これにニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)21.83g(79.36mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で9時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の4N塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ、濾別し、濾液が中性になるまで水洗を行なった後、減圧乾燥することにより、目的とするポリフェニレンスルホン酸類5.38gを得た。
Mn=20000、Mw=300000
IEC=1.45 meq/g (a/(a+b)=0.28と算出される。)
プロトン伝導度 1.75×10-2 S/cm(キャスト製膜はDMSOを用いた。)
Example 1
Under an argon atmosphere, the flask was charged with 70 ml of DMSO, 2.50 g (8.14 mmol) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) propanesulfonate obtained in Synthesis Example 1, 5.11 g of 2,5-dichlorobenzophenone (20 .35 mmol) and 2,2′-bipyridyl (13.63 g, 87.30 mmol) were added and stirred, and the temperature was raised to 60 ° C. Next, 21.83 g (79.36 mmol) of nickel (0) bis (cyclooctadiene) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 9 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of 4N hydrochloric acid to precipitate a polymer, filtered, washed with water until the filtrate is neutral, and then dried under reduced pressure to obtain the desired polyphenylene sulfonic acids 5 .38 g was obtained.
Mn = 20000, Mw = 300000
IEC = 1.45 meq / g (calculated as a / (a + b) = 0.28)
Proton conductivity 1.75 × 10 −2 S / cm (DMSO was used for casting)

実施例2
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO85ml、合成例1で得られた3−(2,5−ジクロロフェノキシ)プロパンスルホン酸ナトリウム5.00g(16.28mmol)、末端クロロ型である下記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、Mn=5.44×104、Mw=1.23×105)2.03g、2,2’−ビピリジル9.83g(62.96mmol)を入れて攪拌し、60℃に昇温した。次いで、これにニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)15.74g(57.23mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で20時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の4N塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ、濾別し、濾液が中性になるまで水洗を行なった後、減圧乾燥することにより目的とするポリフェニレンスルホン酸類4.32gを得た。
Mn=180000、Mw=400000
IEC=2.32 meq/g (a/(a+((n+1)×b))=0.51と算出される。)
プロトン伝導度 2.04×10-1 S/cm(キャスト製膜はDMSOを用いた。)
燃料電池発電性能評価結果
電流密度が0.50 A/cm2の時のセル電圧0.70 V
電流密度が1.00 A/cm2の時のセル電圧0.54 V
Example 2
Under an argon atmosphere, 85 ml of DMSO, 5.00 g (16.28 mmol) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) propanesulfonate obtained in Synthesis Example 1 and the following polyethersulfone which is a terminal chloro type were placed in a flask.
(Sumitomo Chemical Industries Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.44 × 10 4 , Mw = 1.23 × 10 5 ) 2.03 g, 2,2′-bipyridyl 9.83 g (62.96 mmol) was added and stirred. The temperature was raised to 60 ° C. Next, 15.74 g (57.23 mmol) of nickel (0) bis (cyclooctadiene) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 20 hours. After allowing to cool, the polymer is precipitated by pouring the reaction solution into a large amount of 4N hydrochloric acid, filtered, washed with water until the filtrate becomes neutral, and then dried under reduced pressure to obtain the desired polyphenylene sulfonic acids. 32 g were obtained.
Mn = 18000, Mw = 400000
IEC = 2.32 meq / g (calculated as a / (a + ((n + 1) × b)) = 0.51)
Proton conductivity 2.04 × 10 −1 S / cm (DMSO was used for casting)
Fuel cell power generation performance evaluation results
Cell voltage 0.70 V when current density is 0.50 A / cm 2
Cell voltage 0.54 V when current density is 1.00 A / cm 2

実施例3
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO70ml、合成例1で得られた3−(2,5−ジクロロフェノキシ)プロパンスルホン酸ナトリウム5.50g(17.92mmol)、4,4‘−ジクロロベンゾフェノン0.50g(1.99 mmol)、2,2’−ビピリジル10.09g(64.61mmol)を入れて攪拌し、60℃に昇温した。次いで、これにニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)16.16g(58.74mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で6時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の4N塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ、濾別し、濾液が中性になるまで水洗を行い、アセトン洗浄を行なった後、減圧乾燥することにより目的とするポリフェニレンスルホン酸類4.22gを得た。
Mn=30000、Mw=580000、
IEC=3.95 meq/g (a/(a+b)=0.82と算出される。)
プロトン伝導度 4.64×10-1 S/cm(キャスト製膜はDMSOを用いた。)
Example 3
Under an argon atmosphere, the flask was charged with 70 ml of DMSO, 5.50 g (17.92 mmol) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) propanesulfonate obtained in Synthesis Example 1, and 0.50 g of 4,4′-dichlorobenzophenone ( 1.99 mmol) and 2,2′-bipyridyl (0.009 g, 64.61 mmol) were added and stirred, and the temperature was raised to 60 ° C. Next, 16.16 g (58.74 mmol) of nickel (0) bis (cyclooctadiene) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 6 hours. After cooling, the polymer is precipitated by pouring the reaction solution into a large amount of 4N hydrochloric acid, filtered, washed with water until the filtrate is neutral, washed with acetone, and then dried under reduced pressure. 4.22 g of polyphenylene sulfonic acids were obtained.
Mn = 30000, Mw = 5800000,
IEC = 3.95 meq / g (calculated as a / (a + b) = 0.82)
Proton conductivity 4.64 × 10 −1 S / cm (DMSO was used for casting)

合成例2
(3−(2,5−ジクロロフェノキシ)エタンスルホン酸ナトリウムの合成)
アルゴン雰囲気下、フラスコにDMAc150ml、トルエン75ml、2,5−ジクロロフェノール11.84g(72.6mmol)、炭酸ナトリウム23.10g(217.9mmol)を入れ、加熱撹拌してトルエンと水の共沸条件下にて脱水後、トルエンを蒸留除去した。室温に放冷後、3−ブロモエタンスルホン酸ナトリウム23.00g(109.0mmol)を加え、100℃に昇温し、同温度で10時間撹拌した。放冷後、吸引濾過により固体を除き、得られた濾液に大量のクロロホルムを加え、析出した白色固体を濾別した。さらに再結晶法により3−(2,5−ジクロロフェノキシ)エタンスルホン酸ナトリウム14.3g(67%収率)を得た。
Synthesis example 2
(Synthesis of 3- (2,5-dichlorophenoxy) ethanesulfonic acid sodium salt)
Under an argon atmosphere, DMAc 150 ml, toluene 75 ml, 2,5-dichlorophenol 11.84 g (72.6 mmol), sodium carbonate 23.10 g (217.9 mmol) were placed in a flask, heated and stirred, and azeotrope conditions of toluene and water After dehydration below, toluene was distilled off. After allowing to cool to room temperature, 23.00 g (109.0 mmol) of sodium 3-bromoethanesulfonate was added, the temperature was raised to 100 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 10 hours. After allowing to cool, the solid was removed by suction filtration, a large amount of chloroform was added to the obtained filtrate, and the precipitated white solid was separated by filtration. Further, 14.3 g (67% yield) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) ethanesulfonate was obtained by a recrystallization method.

実施例4
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO86ml、合成例2で得られた3−(2,5−ジクロロフェノキシ)エタンスルホン酸ナトリウム5.00g(17.06mmol)、末端クロロ型である下記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、Mn=5.44×104、Mw=1.23×105)2.27g、2,2’−ビピリジル10.31g(65.99mmol)を入れて攪拌し、60℃に昇温した。次いで、これにニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)16.50g(59.99mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で17時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の4N塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ、濾別し、濾液が中性になるまで水洗を行なった後、減圧乾燥することにより目的とするポリフェニレンスルホン酸類4.73gを得た。
Mn=93000、Mw=186000
IEC=2.35 meq/g (a/(a+((n+1)×b))=0.47と算出される。)
プロトン伝導度 1.44×10-1 S/cm(キャスト製膜はDMSOを用いた。)
Example 4
Under argon atmosphere, in a flask, 86 ml of DMSO, 5.00 g (17.06 mmol) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) ethanesulfonate obtained in Synthesis Example 2, and the following polyethersulfone which is terminal chloro type
(Sumitomo Chemical Co., Ltd. Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.44 × 10 4 , Mw = 1.23 × 10 5 ) 2.27 g, 10.31 g (65.999 mmol) of 2,2′-bipyridyl were added and stirred. The temperature was raised to 60 ° C. Next, 16.50 g (59.99 mmol) of nickel (0) bis (cyclooctadiene) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 17 hours. After allowing to cool, the polymer is precipitated by pouring the reaction solution into a large amount of 4N hydrochloric acid, filtered, washed with water until the filtrate is neutral, and then dried under reduced pressure to obtain the desired polyphenylene sulfonic acids. 73 g was obtained.
Mn = 93000, Mw = 186000
IEC = 2.35 meq / g (calculated as a / (a + ((n + 1) × b)) = 0.47)
Proton conductivity 1.44 × 10 −1 S / cm (DMSO was used for casting film formation)

合成例3
(3−(2,5−ジクロロフェノキシ)ブタンスルホン酸ナトリウムの合成)
アルゴン雰囲気下、フラスコにDMAc150ml、トルエン75ml、2,5−ジクロロフェノール20.00g(122.7mmol)、炭酸ナトリウム39.01g(368.1mmol)を入れ、加熱撹拌してトルエンと水の共沸条件下にて脱水後、トルエンを蒸留除去した。室温に放冷後、ブタンスルトン25.06g(184.1mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で10時間撹拌した。放冷後、吸引濾過により固体を除き、得られた濾液に大量のクロロホルムを加え、析出した白色固体を濾別した。さらに再結晶法により3−(2,5−ジクロロフェノキシ)ブタンスルホン酸ナトリウム38.7g(98%収率)を得た。
Synthesis example 3
(Synthesis of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) butanesulfonate)
Under an argon atmosphere, DMAc 150 ml, toluene 75 ml, 2,5-dichlorophenol 20.00 g (122.7 mmol), sodium carbonate 39.01 g (368.1 mmol) were placed in a flask, and the mixture was heated and stirred to azeotrope conditions of toluene and water. After dehydration below, toluene was distilled off. After allowing to cool to room temperature, 25.06 g (184.1 mmol) of butane sultone was added, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 10 hours. After allowing to cool, the solid was removed by suction filtration, a large amount of chloroform was added to the obtained filtrate, and the precipitated white solid was separated by filtration. Further, 38.7 g (98% yield) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) butanesulfonate was obtained by a recrystallization method.

実施例5
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO85ml、合成例3で得られた3−(2,5−ジクロロフェノキシ)ブタンスルホン酸ナトリウム5.00g(15.57mmol)、末端クロロ型である下記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、Mn=5.44×104、Mw=1.23×105)1.73g、2,2’−ビピリジル8.06g(51.62mmol)を入れて攪拌し、60℃に昇温した。次いで、これにニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)12.91g(46.92mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で4時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の4N塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ、濾別し、濾液が中性になるまで水洗を行なった後、減圧乾燥することにより目的とするポリフェニレンスルホン酸類5.21gを得た。
Mn=130000、Mw=250000
IEC=2.67 meq/g (a/(a+((n+1)×b))=0.61と算出される。)
プロトン伝導度 2.98×10-1 S/cm(キャスト製膜はDMSOを用いた。)
Example 5
Under an argon atmosphere, the flask was charged with 85 ml of DMSO, 5.00 g (15.57 mmol) of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) butanesulfonate obtained in Synthesis Example 3, and the following polyether sulfone having a terminal chloro type.
(Sumitomo Chemical Co., Ltd. SUMIKAEXCEL PES5200P, Mn = 5.44 × 10 4 , Mw = 1.23 × 10 5 ) 1.73 g, 2,2′-bipyridyl 8.06 g (51.62 mmol) was added and stirred. The temperature was raised to 60 ° C. Next, 12.91 g (46.92 mmol) of nickel (0) bis (cyclooctadiene) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 4 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of 4N hydrochloric acid to precipitate a polymer, filtered, washed with water until the filtrate is neutral, and then dried under reduced pressure to obtain the desired polyphenylene sulfonic acids. 21 g was obtained.
Mn = 130,000, Mw = 250,000
IEC = 2.67 meq / g (calculated as a / (a + ((n + 1) × b)) = 0.61)
Proton conductivity 2.98 × 10 −1 S / cm (DMSO was used for casting film formation)

Claims (12)

下記一般式(1)

(式中、Xは、直接結合、−O−、−S−、−SO−、−SO2−、−CO−のいずれかを表し、Yは直接結合、2価若しくは3価の芳香族基を表し、R1、R2は、互いに独立に水素原子又はフッ素原子を表し、R3は互いに独立に、スルホン酸基、炭素数が1〜10であるアルキル基又は炭素数が6〜18である置換されていても良いアリール基を表し、iは、0〜3の数を表し、kは1〜12の数を表し、lは、Yが直接結合または2価の場合は1、Yが3価の芳香族基の場合は2を表す。)
で示される繰り返し構造を有することを特徴とするポリアリーレン系高分子。
The following general formula (1)

(In the formula, X represents a direct bond, —O—, —S—, —SO—, —SO 2 — or —CO—, and Y represents a direct bond, a divalent or trivalent aromatic group. R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom or a fluorine atom, and R 3 each independently represent a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a carbon number of 6 to 18 Represents an optionally substituted aryl group, i represents a number from 0 to 3, k represents a number from 1 to 12, l represents 1 when Y is a direct bond or divalent, and Y represents In the case of a trivalent aromatic group, it represents 2.)
A polyarylene polymer having a repeating structure represented by:
一般式(1)で表される繰返し構造の90%以上がパラ位で結合していることを特徴とする請求項1記載の高分子。   The polymer according to claim 1, wherein 90% or more of the repeating structure represented by the general formula (1) is bonded at the para position. さらに下記一般式(2)及び(3)
(式中、Ar1、Ar2は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここで2価の芳香族基は炭素数が1〜10であるアルキル基、炭素数が6〜18であるアリール基又はスルホン酸基で置換されていても良く、Zは、−O−、−SO2−、−CO−のいずれかを表し、mは1以上の数を、nは0以上の数を表し、R4は、互いに独立にスルホン酸基、炭素数が1〜10であるアルキル基、炭素数が6〜18である置換されていても良いアリール基又は炭素数2〜20のアシル基を表し、pは0〜4の数を表す。)
で示される繰り返し構造の少なくとも1つを有することを特徴とする請求項1又は2記載の高分子。
Furthermore, the following general formulas (2) and (3)
(In the formula, Ar 1 and Ar 2 each independently represent a divalent aromatic group, where the divalent aromatic group is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and 6 to 18 carbon atoms. It may be substituted with an aryl group or a sulfonic acid group, Z represents any of —O—, —SO 2 —, and —CO—, m represents a number of 1 or more, and n represents a number of 0 or more. R 4 represents a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, independently of each other. And p represents a number from 0 to 4.)
The polymer according to claim 1, wherein the polymer has at least one repeating structure represented by:
主鎖中の一般式(3)で表される繰返し構造の90%以上が、パラ位で結合していることを特徴とする請求項3記載の高分子。   The polymer according to claim 3, wherein 90% or more of the repeating structure represented by the general formula (3) in the main chain is bonded at the para position. Yが、直接結合であることを特徴とする請求1〜4のいずれかに記載の高分子。   The polymer according to any one of claims 1 to 4, wherein Y is a direct bond. iが0である請求項1〜5のいずれか記載の高分子。   i is 0, The polymer in any one of Claims 1-5. イオン交換容量が、0.5meq/g〜4meq/gであることを特徴とする請求項1〜6いずれかに記載の高分子。   The polymer according to any one of claims 1 to 6, wherein the ion exchange capacity is 0.5 meq / g to 4 meq / g. ランダム共重合体又はブロック共重合体であることを特徴とする請求項1〜7いずれかに記載の高分子。   The polymer according to any one of claims 1 to 7, which is a random copolymer or a block copolymer. 請求項1〜8いずれかに記載の高分子を有効成分とする高分子電解質。   A polymer electrolyte comprising the polymer according to claim 1 as an active ingredient. 請求項9記載の高分子電解質を用いてなることを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 9. 請求項9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 9. 請求項9記載の高分子電解質、請求項10記載の高分子電解質膜、請求項11記載の触媒組成物から選ばれる少なくとも1種を用いてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。

A polymer electrolyte fuel cell comprising at least one selected from the polymer electrolyte according to claim 9, the polymer electrolyte membrane according to claim 10, and the catalyst composition according to claim 11.

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