JP2006206809A - Sulfonic group-containing polymer, polymer composition comprising said polymer, ion exchange resin and ion exchange membrane obtained using said polymer, and membrane/electrode assembly obtained using said ion exchange membrane, and fuel cell - Google Patents

Sulfonic group-containing polymer, polymer composition comprising said polymer, ion exchange resin and ion exchange membrane obtained using said polymer, and membrane/electrode assembly obtained using said ion exchange membrane, and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel sulfonic group-containing polymer applicable to an ion exchange membrane, an ion exchange resin comprising the polymer, a membrane/electrode assembly obtained using the ion exchange membrane, and a fuel cell. <P>SOLUTION: The sulfonic group-containing polymer comprises a recurring unit having a structure represented by chemical formula (1). In chemical formula (1), X is an -S(=O)<SB>2</SB>- group or a -C(=O)- group; Y is H or a monovalent cation; and Ar<SP>1</SP>is a structure represented by chemical formula (2) (wherein R<SP>1</SP>and R<SP>2</SP>are each independently a group selected from the group consisting of a hydrogen atom and 1-4C alkyl groups; and n1 and n2 are each independently an integer of 0-2). <P>COPYRIGHT: (C)2006,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として、炭化水素系イオン交換膜が種々検討されている。(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 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。
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, various hydrocarbon ion exchange membranes have been studied as non-perfluorocarbon sulfonic acid type having low methanol permeability. (For example, see Patent Documents 1 to 3)
JP 2003-288916 A JP 2003-331868 A However, although these hydrocarbon-based ion exchange membranes are less permeable to methanol than perfluorocarbon sulfonic acid-based ion exchange membranes, their performance as fuel cells is sufficient. There is a need for a better ion exchange membrane.

本発明は上記の課題を解決し、固体高分子形燃料電池において、メタノールなどの燃料の透過を抑制し、優れた燃料電池性能を得ることができるイオン交換膜および該イオン交換膜に用いることができる新規スルホン酸基含有ポリマー、および該スルホン酸基含有ポリマーからなるイオン交換樹脂、ならびに該イオン交換膜を用いた膜/電極接合体と燃料電池の提供を目的とする。   The present invention solves the above problems, and in a polymer electrolyte fuel cell, an ion exchange membrane capable of suppressing permeation of fuel such as methanol and obtaining excellent fuel cell performance, and to be used for the ion exchange membrane It is an object of the present invention to provide a novel sulfonic acid group-containing polymer that can be produced, an ion exchange resin comprising the sulfonic acid group-containing polymer, a membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane, and a fuel cell.

本発明は、下記化学式(1)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に関する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer comprising a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (1).

Figure 2006206809
Figure 2006206809

[化学式(1)において、Xは−S(=O)2−基またはC(=O)−基を、YはHまたは1価の陽イオンを、Ar1は下記化学式(2)で表される構造を、それぞれ表す。] [In the chemical formula (1), X represents a —S (═O) 2 — group or C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Ar 1 represents the following chemical formula (2). Each structure is represented. ]

Figure 2006206809
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[化学式(2)において、R1、R2はそれぞれ独立して、H原子および炭素数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。]
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、下記化学式(3)で表される構造の繰り返し単位を含むことが好ましい。
[In the chemical formula (2), R 1 and R 2 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 n 1 and n 2 are each independently 0 to 2 Each represents an integer. ]
The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention preferably contains a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (3).

Figure 2006206809
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[化学式(3)において、Ar2は下記化学式(4)〜(7)で表される構造のいずれかを、Ar3は化学式(2)で表される構造を、それぞれ表す。] [In the chemical formula (3), Ar 2 represents one of the structures represented by the following chemical formulas (4) to (7), and Ar 3 represents the structure represented by the chemical formula (2). ]

Figure 2006206809
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本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいては、Xが−S(=O)2−基であり、Ar1およびAr2が下記化学式(8)で表される構造であり、Ar3が化学式(6)または化学式(7)で表される構造であることが好ましい。 In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, X is a —S (═O) 2 — group, Ar 1 and Ar 2 are structures represented by the following chemical formula (8), and Ar 3 is a chemical formula (6 Or a structure represented by the chemical formula (7).

Figure 2006206809
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本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいては、化学式(1)で表される構造からなる繰り返し単位のモル数(o)と化学式(3)で表される構造からなる繰り返し単位のモル数(p)とのモル比o/pが、5/95から95/5の範囲にあることが好ましい。   In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, the number of moles (o) of the repeating unit comprising the structure represented by the chemical formula (1) and the number of moles (p) of the repeating unit comprising the structure represented by the chemical formula (3). Is preferably in the range of 5/95 to 95/5.

本発明は上記のスルホン酸基含有ポリマーを含むポリマー組成物に関する。   The present invention relates to a polymer composition comprising the above sulfonic acid group-containing polymer.

本発明は上記のスルホン酸基含有ポリマーを含むイオン交換樹脂に関する。   The present invention relates to an ion exchange resin comprising the above sulfonic acid group-containing polymer.

本発明は上記のスルホン酸基含有ポリマーを含むイオン交換膜に関する。   The present invention relates to an ion exchange membrane comprising the above sulfonic acid group-containing polymer.

本発明は上記のスルホン酸基含有ポリマーまたはイオン交換膜を用いた膜/電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane / electrode assembly using the above sulfonic acid group-containing polymer or ion exchange membrane.

本発明はまた上記のスルホン酸基含有ポリマーまたはイオン交換膜を用いた燃料電池に関する。   The present invention also relates to a fuel cell using the above sulfonic acid group-containing polymer or ion exchange membrane.

なお本発明においては、特に記載がない限り上記化学式(1)における上記−SO3Y基を「スルホン酸基」と呼称する。また本発明において化学式により表される構造の化合物は、それぞれ、立体障害による結合軸の自由回転の阻害などによって合成時に生成する立体異性体をも包含するものとする。 In the present invention, the —SO 3 Y group in the chemical formula (1) is referred to as “sulfonic acid group” unless otherwise specified. In the present invention, the compound having a structure represented by the chemical formula also includes stereoisomers produced during synthesis due to inhibition of free rotation of the bond axis due to steric hindrance.

本発明の新規スルホン酸基含有ポリマーまたは該スルホン酸基含有ポリマーから得られるイオン交換膜においては、ターフェニル構造を有する特定の構造がスルホン酸基含有ポリマー中に含有されることにより、従来のイオン交換膜と同等以上のイオン交換容量およびプロトン伝導性を維持しつつ、メタノールなどの燃料の透過抑制性を向上させることが可能である。これにより、該イオン交換膜を燃料電池として用いた場合には、エネルギーの利用効率をより高めることが可能になる。   In the novel sulfonic acid group-containing polymer of the present invention or the ion exchange membrane obtained from the sulfonic acid group-containing polymer, a specific structure having a terphenyl structure is contained in the sulfonic acid group-containing polymer, so that While maintaining an ion exchange capacity and proton conductivity equal to or higher than those of the exchange membrane, it is possible to improve permeation suppression of fuel such as methanol. As a result, when the ion exchange membrane is used as a fuel cell, it is possible to further increase the energy utilization efficiency.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明は、下記化学式(1)で表される構造の繰り返し単位を含むスルホン酸基含有ポリマーに関する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer containing a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (1).

Figure 2006206809
Figure 2006206809

[化学式(1)において、Xは−S(=O)2−基またはC(=O)−基を、YはHまたは1価の陽イオンを、Ar1は下記化学式(2)で表される構造を、それぞれ表す。] [In the chemical formula (1), X represents a —S (═O) 2 — group or C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Ar 1 represents the following chemical formula (2). Each structure is represented. ]

Figure 2006206809
Figure 2006206809

[化学式(2)において、R1、R2はそれぞれ独立して、H原子および炭素数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。]
化学式(1)において、Xは−S(=O)2−基であるとポリマーやモノマーの溶媒に対する溶解性が高まるため、重合や加工がしやすく好ましい。
[In the chemical formula (2), R 1 and R 2 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 n 1 and n 2 are each independently 0 to 2 Each represents an integer. ]
In the chemical formula (1), it is preferable that X is a —S (═O) 2 — group because the solubility of the polymer or monomer in the solvent is increased, so that polymerization and processing are easy.

化学式(1)において、YがH(プロトン)であると、プロトン交換樹脂やプロトン交換膜として適している。YはHまたは1価の陽イオンを表すが、1価の陽イオンとしては、例えばNa、K、Liなどのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、第四アンモニウムイオンなどが挙げられる。1価の陽イオンがNa、K、Liなどのアルカリ金属イオンであると、スルホン酸基の熱安定性が高まり、製膜、溶解、成形などの加工プロセスにおいて高温で処理することができ、ポリマーの加工性を高めることができる。アルカリ金属塩となっているスルホン酸基は、硫酸、塩酸、過塩素酸などの強酸またはその水溶液でポリマーを処理することによって、遊離のスルホン酸基(−SO3H)に変換することができる。スルホン酸基を有するポリマーは高いプロトン伝導性を示し、プロトン交換樹脂や、プロトン交換膜として用いることができる。中でもプロトン交換膜は、固体高分子形燃料電池の電解質として用いることができ、本発明のポリマーを用いると優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。 In the chemical formula (1), when Y is H (proton), it is suitable as a proton exchange resin or a proton exchange membrane. Y represents H or a monovalent cation. Examples of the monovalent cation include alkali metal ions such as Na, K, and Li, ammonium ions, and quaternary ammonium ions. When the monovalent cation is an alkali metal ion such as Na, K, or Li, the thermal stability of the sulfonic acid group is enhanced, and the polymer can be processed at a high temperature in processing processes such as film formation, dissolution, and molding. Can improve the workability. The sulfonic acid group in the form of an alkali metal salt can be converted to a free sulfonic acid group (—SO 3 H) by treating the polymer with a strong acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid or an aqueous solution thereof. . A polymer having a sulfonic acid group exhibits high proton conductivity, and can be used as a proton exchange resin or a proton exchange membrane. Among them, the proton exchange membrane can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell having excellent performance can be obtained by using the polymer of the present invention.

化学式(1)におけるAr1は、上記化学式(2)で表される構造の基である。化学式(2)においてR1、R2はそれぞれ独立して、H原子および炭素数1〜4のアルキル基からなる群より選ばれる基であるが、炭素数が多くなると、高分子量のポリマーが得られにくくなり、かつ、水やメタノールによる膨潤性が大きくなってしまうため、炭素数はできるだけ小さいことが好ましい。炭素数1〜4のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ターシャリーブチル基、シクロブチル基などを例として挙げることができるが、中でもメチル基が好ましい。n1、n2は、それぞれ独立して0〜2の整数を表すが、R1、R2が炭素数1〜4のアルキル基の場合、n1、n2が大きくなると、高分子量のポリマーが得られにくくなり、かつ、水やメタノールによる膨潤性が大きくなってしまうため、できるだけ小さいことが好ましく、0または1が好ましい。n1およびn2がいずれも0であると、原料のモノマーの溶解性が低下して、高分子量のポリマーが得られにくくなるため、n1、n2はいずれか一方が1で、残りの一方は0であることが好ましい。最も好ましい例としては、R1、R2のいずれか一方がメチル基で、残りの一方がH原子であり、n1、n2はいずれか一方が1で、残りの一方は0である構造を挙げることができる。 Ar 1 in the chemical formula (1) is a group having a structure represented by the chemical formula (2). In the chemical formula (2), R 1 and R 2 are each independently a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. When the number of carbon atoms increases, a high molecular weight polymer is obtained. The carbon number is preferably as small as possible because it is difficult to be formed and the swelling property with water or methanol increases. Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an isobutyl group, a tertiary butyl group, and a cyclobutyl group. preferable. n1, n2 is an integer of independently 0-2, when R 1, R 2 is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n1, the n2 increases, difficult to obtain high molecular weight polymer In addition, since the swellability due to water or methanol increases, it is preferably as small as possible, and 0 or 1 is preferable. If both n1 and n2 are 0, the solubility of the raw material monomer is lowered and it becomes difficult to obtain a high molecular weight polymer. Therefore, one of n1 and n2 is 1 and the other is 0. Preferably there is. The most preferred example is a structure in which one of R 1 and R 2 is a methyl group, the other one is an H atom, one of n1 and n2 is 1, and the other is 0. be able to.

化学式(2)において3つのフェニル基は任意の位置で共有結合で連結されていてよい。化学式(2)の具体例を以下の化学式(2−A)〜化学式(2−AR)に示すが、これらに限定されるわけではない。   In chemical formula (2), the three phenyl groups may be covalently linked at any position. Specific examples of the chemical formula (2) are shown in the following chemical formulas (2-A) to (2-AR), but are not limited thereto.

Figure 2006206809
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Figure 2006206809
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化学式(2)において、3つのフェニル基は全てパラ位で連結していることが耐膨潤性の点から好ましい。化学式(2)のより好ましい構造としては、化学式(2−A)、化学式(2−C)〜化学式(2−K)に示す構造が挙げられ、中でも化学式(2−A)に示す構造が最も好ましい。   In the chemical formula (2), it is preferable from the viewpoint of swelling resistance that all three phenyl groups are linked at the para position. As a more preferable structure of the chemical formula (2), the structures shown in the chemical formula (2-A) and the chemical formula (2-C) to the chemical formula (2-K) are mentioned, and among them, the structure shown in the chemical formula (2-A) is the most. preferable.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、上記化学式(1)で表される繰り返し構造は、ポリマー全体の5〜95モル%の範囲で含まれていればよく、より好ましくは10〜80モル%の範囲であり、さらに好ましくは30〜60モル%の範囲である。本発明において、ポリマーにおける繰り返し単位とは、ポリマーを合成するために用いられるモノマーが反応した最小の単位構造を表す。すなわち、モノマーがたとえば芳香族ジハロゲン化合物とビス(チオ)フェノール化合物である場合、繰り返し単位とは、芳香族ジハロゲン化合物とビス(チオ)フェノール化合物とが1分子ずつ反応した単位構造をいう。また、モノマーがたとえば分子中に芳香族ハロゲン基と(チオ)フェノール基とをそれぞれ1個ずつ有するような化合物であれば、該化合物同士で反応してポリマーを形成することが可能であるので、繰り返し単位とは、該化合物1分子由来の単位構造をいう。さらに、低分子化合物からなるモノマーではなく、別途合成した高分子化合物をマクロモノマーとして用いる場合には、マクロモノマーを合成するためのモノマーの最小反応単位の構造を繰り返し単位としても良い。化学式(1)で表される繰り返し構造が多くなるほど、プロトン伝導性やイオン伝導性は高まるが、吸水性や膨潤性も大きくなってしまうので、用途、目的に応じて、最適な導入量を用いることで、本発明のポリマーの優れた性能を最大限に発揮させることができる。例えば、燃料電池用のプロトン交換膜として用いる場合、水素を燃料とする燃料電池の場合には45〜80モル%の範囲が、メタノール水溶液などの液体燃料を直接用いる燃料電池の場合には10〜45モルの範囲が、それぞれ適している。   In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, the repeating structure represented by the chemical formula (1) may be contained in a range of 5 to 95 mol% of the whole polymer, and more preferably 10 to 80 mol%. It is a range, More preferably, it is the range of 30-60 mol%. In the present invention, the repeating unit in the polymer represents the minimum unit structure reacted with the monomer used to synthesize the polymer. That is, when the monomer is, for example, an aromatic dihalogen compound and a bis (thio) phenol compound, the repeating unit refers to a unit structure in which an aromatic dihalogen compound and a bis (thio) phenol compound are reacted one molecule at a time. If the monomer is a compound having, for example, one aromatic halogen group and one (thio) phenol group in the molecule, it is possible to react with each other to form a polymer. The repeating unit refers to a unit structure derived from one molecule of the compound. Further, when a polymer compound synthesized separately instead of a monomer composed of a low molecular compound is used as the macromonomer, the structure of the minimum reaction unit of the monomer for synthesizing the macromonomer may be used as the repeating unit. As the repeating structure represented by the chemical formula (1) increases, proton conductivity and ionic conductivity increase, but water absorption and swelling properties also increase. Therefore, an optimum introduction amount is used according to the application and purpose. Thus, the excellent performance of the polymer of the present invention can be maximized. For example, when used as a proton exchange membrane for a fuel cell, the range is 45 to 80 mol% in the case of a fuel cell using hydrogen as a fuel, and 10 to 10 in the case of a fuel cell directly using a liquid fuel such as an aqueous methanol solution. A range of 45 moles is suitable respectively.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、上記化学式(1)で表される繰り返し構造以外の部分は、スルホン酸基を含まない構造であることが好ましい。この場合、本発明のスルホン酸基含有ポリマーの吸水性や膨潤性の著しい増大を防止するとともに、該ポリマーに物理的強度を付与することができる。好ましい例として下記化学式(3)で表される構造を挙げることができる。   In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, the portion other than the repeating structure represented by the chemical formula (1) preferably has a structure not containing a sulfonic acid group. In this case, it is possible to prevent a significant increase in water absorption and swelling properties of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention and to impart physical strength to the polymer. A preferred example includes a structure represented by the following chemical formula (3).

Figure 2006206809
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[化学式(3)において、Ar2は下記化学式(4)〜(7)で表される構造のいずれかを、Ar3は化学式(2)で表される構造を、それぞれ表す。]
化学式(3)で表される構造を含む場合、スルホン酸基含有ポリマーの吸水性や膨潤性の著しい増大が防止され燃料透過抑止性が付与されるとともに物理的強度も良好となる。また、化学式(3)においてAr2が化学式(4)〜(7)で表されるように電子吸引性基を有するため、スルホン酸基含有ポリマーに耐酸化性が付与される。
[In the chemical formula (3), Ar 2 represents one of the structures represented by the following chemical formulas (4) to (7), and Ar 3 represents the structure represented by the chemical formula (2). ]
When the structure represented by the chemical formula (3) is included, the water absorption and swelling properties of the sulfonic acid group-containing polymer are prevented from being significantly increased, fuel permeation deterrence is imparted, and physical strength is also improved. Moreover, since Ar < 2 > has an electron withdrawing group as represented by chemical formula (4)-(7) in Chemical formula (3), oxidation resistance is provided to a sulfonic acid group containing polymer.

Figure 2006206809
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化学式(3)において、Ar2は化学式(4)、(6)、(7)で表される構造であることが好ましく、化学式(6)または(7)で表される構造であることがより好ましい。 In chemical formula (3), Ar 2 is preferably a structure represented by chemical formula (4), (6), (7), and more preferably a structure represented by chemical formula (6) or (7). preferable.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、上記化学式(1)で表される構造の繰り返し単位や、上記化学式(3)で表される構造のような上記化学式(1)で表される構造以外の繰り返し単位の配列の順序は、交互、ブロック、ランダムのいずれであってもよい。ブロック共重合体であれば、プロトン伝導性や吸水性が高くなる傾向を示す。   In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, other than the structure represented by the chemical formula (1) such as the repeating unit of the structure represented by the chemical formula (1) or the structure represented by the chemical formula (3). The order of arrangement of repeating units may be alternating, block, or random. If it is a block copolymer, it will show the tendency for proton conductivity and water absorption to become high.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーの好ましい構造の具体例として、化学式(9−A)〜化学式(9−AU)を以下に示すが、本発明の範囲は、以下に限定されるものではない。   As specific examples of preferred structures of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention, chemical formula (9-A) to chemical formula (9-AU) are shown below, but the scope of the present invention is not limited to the following.

Figure 2006206809
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Figure 2006206809
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化学式(9−A)〜化学式(9−AU)の中でも、化学式(9−A)〜化学式(9−H)が、プロトン伝導性と耐膨潤性に優れるため好ましく、化学式(9−A)または化学式(9−B)がより好ましい。上記化学式(9−A)〜化学式(9−AU)におけるoおよびpは、スルホン酸基含有ポリマー中の化学式(1)で表される繰り返し単位のモル数oおよび化学式(3)で表される繰り返し単位のモル数pのみを示すものであり、化学式(1)および化学式(3)の繰り返し単位の配列を限定するものではない。化学式(1)および化学式(3)でそれぞれ表される構造の配列は、化学式(9−A)〜化学式(9−AU)で表されるようなブロックの配列の他、交互、ランダムいずれの配列であっても良い。ここでoとpとのモル比o/pは5/95〜95/5の範囲を満たせばよいが、より好ましくはo/pが10/90〜90/10の範囲であり、さらに好ましいのはo/pが30/70〜70/30の範囲である。   Among the chemical formulas (9-A) to (9-AU), the chemical formulas (9-A) to (9-H) are preferable because they are excellent in proton conductivity and swelling resistance. The chemical formula (9-B) is more preferable. In the chemical formula (9-A) to chemical formula (9-AU), o and p are represented by the number of moles o of the repeating unit represented by the chemical formula (1) in the sulfonic acid group-containing polymer and the chemical formula (3). Only the number of moles p of the repeating unit is shown, and the arrangement of the repeating units of Chemical Formula (1) and Chemical Formula (3) is not limited. The arrangement of the structures represented by the chemical formula (1) and the chemical formula (3) may be either a block arrangement as represented by the chemical formula (9-A) to the chemical formula (9-AU), or an alternating or random arrangement. It may be. Here, the molar ratio o / p of o / p may satisfy the range of 5/95 to 95/5, more preferably o / p is in the range of 10/90 to 90/10, and still more preferably. O / p is in the range of 30/70 to 70/30.

一方、上記化学式(9−AO)〜化学式(9−AU)におけるqはoの1/2以下であることが好ましく、0であることがより好ましい。oの割合が大きくなるほど、プロトン伝導性やイオン伝導性は高まるが、吸水性や膨潤性も大きくなってしまうので、用途、目的に応じて、最適な導入量を用いることで、本発明のポリマーの優れた性能を最大限に発揮させることができる。例えば、燃料電池用のプロトン交換膜として用いる場合、水素を燃料とする燃料電池の場合にはo/pが45/55〜80/20の範囲が、メタノール水溶液などの液体燃料を直接用いる燃料電池の場合には10/90〜45/55の範囲が、それぞれ適している。また、rはpの1/2以下であることが好ましく、0であることがより好ましい。qおよびrは、上記化学式中のそれぞれの繰り返し単位のモル数のみを示すものであり、繰り返し単位の配列を限定するものではなく、上記化学式中のそれぞれの繰り返し単位はブロックの配列の他、交互、ランダムいずれの配列であっても良い。   On the other hand, q in the chemical formulas (9-AO) to (9-AU) is preferably 1/2 or less of o, and more preferably 0. As the proportion of o increases, the proton conductivity and ionic conductivity increase, but the water absorption and swelling properties also increase. Therefore, the polymer of the present invention can be obtained by using the optimum introduction amount according to the application and purpose. The best performance can be demonstrated to the maximum. For example, when used as a proton exchange membrane for a fuel cell, in the case of a fuel cell using hydrogen as a fuel, a range of o / p of 45/55 to 80/20 is a fuel cell that directly uses a liquid fuel such as an aqueous methanol solution. In this case, the range of 10/90 to 45/55 is suitable. R is preferably ½ or less of p, more preferably 0. q and r represent only the number of moles of each repeating unit in the above chemical formula, and do not limit the arrangement of the repeating units. Each repeating unit in the above chemical formula is alternately arranged in addition to the block arrangement. Any arrangement may be used.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式(10)および化学式(11)で表される化合物を必須成分として含むモノマーの混合物から芳香族求核置換反応により重合することができる。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction from a mixture of monomers containing the compounds represented by chemical formula (10) and chemical formula (11) as essential components.

Figure 2006206809
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[化学式(10)において、AはH原子または1価陽イオンを、X1はハロゲン原子を、Z2は−S(=O)2−基またはC(=O)−基を、それぞれ表す。] [In the chemical formula (10), A represents an H atom or a monovalent cation, X 1 represents a halogen atom, and Z 2 represents an —S (═O) 2 — group or a C (═O) — group. ]

Figure 2006206809
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[化学式(11)において、R3、R4はそれぞれ独立して、H原子および炭素数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。]
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、およびそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、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わけではない。化学式(10)で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。
[In the chemical formula (11), R 3 and R 4 are each independently a group selected from the group consisting of an H atom and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n3 and n4 are each independently 0 to 2 Each represents an integer. ]
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 '-Disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those in which their sulfonic acid group is converted to a salt with a monovalent cationic species Can be mentioned. 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 (10) in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′- Sodium disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3, , 3′-sodium disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-difluorodiphenyl sulfone , Potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4 ′ Difluoro diphenyl sulfone, etc. 3,3'-disulfonic acid potassium 4,4'-difluoro diphenyl ketone and the like.

化学式(11)で表される化合物としては、以下の化学式(11−A)〜化学式(11−E)のような化合物を例示することができるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the compound represented by the chemical formula (11) include compounds represented by the following chemical formulas (11-A) to (11-E), but are not limited thereto.

Figure 2006206809
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これらの中でも、化学式(11−A)の化合物が好ましい。   Among these, the compound of chemical formula (11-A) is preferable.

上述の芳香族求核置換反応において、化学式(10)、化学式(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、ビス(チオ)フェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction described above, various activated dihalogen aromatic compounds, dinitroaromatic compounds, and bis (thio) phenol compounds are used as monomers together with the compounds represented by chemical formula (10) and chemical formula (11). You can also.

活性化ジハロゲン芳香族化合物の例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−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−ジフルオロベンゾニトリル、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。   Examples of activated dihalogen aromatic compounds include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenyl. Examples include sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. Other active aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like can also be used.

ビス(チオ)フェノール化合物の例としては、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、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’−チオジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオビスベンゼンチオール、1,3−ベンゼンチオール、1,4−ベンゼンチオール、4,4'−ビフェニルジチオー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(チオ)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または各種芳香族ジチオールを使用することもでき、上記の化合物に限定されるものではない。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、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンを挙げることができる。   Examples of bis (thio) phenol compounds include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 4,4′-biphenol, bis ( 4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) 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′-thiodiphenol, 4,4 ′ -Oxydiphenol, 4,4'-thiobisbenzenethiol, 1,3-benzenethiol, 1,4-benzenethiol, 4,4'-biphenyldithiol, etc. Various aromatic diols or various aromatic dithiols that can be used for the polymerization of polyarylene (thio) ether compounds by a substitution reaction can also be used, and are not limited to the above compounds. Preferred examples of the compound used in combination include 4,4'-biphenol and 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene.

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(10)および化学式(11)で表される構造の化合物と、必要に応じ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または芳香族ジチオール類を加えて、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。モノマー中の、反応性のハロゲン基またはニトロ基と、反応性のヒドロキシ基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、好ましくは0.8〜1.2であり、より好ましくは0.9〜1.1であり、0.95〜1.05であるとさらに好ましく、1であると最も高重合度のポリマーを得ることができる。   When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, a compound having a structure represented by the chemical formula (10) and the chemical formula (11) and, if necessary, another activated dihalogen aromatic compound Or a dinitro aromatic compound, aromatic diols or aromatic dithiols, and a reaction in the presence of a basic compound to obtain a polymer. The degree of polymerization of the resulting polymer can be adjusted by adjusting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group to the reactive hydroxy group in the monomer to an arbitrary molar ratio. It is 8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, still more preferably 0.95 to 1.05, and a polymer having the highest degree of polymerization can be obtained when it is 1.

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。   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.

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やフェニルチオラート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。塩基性化合物は、ビスフェノール化合物に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくはビスフェノール化合物に対して105〜125モル%の範囲である。ビスフェノール化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., but aromatic diols and aromatic dimercapto compounds can be converted into active phenoxide structures or phenylthiolates. Any structure can be used as long as it can be structured. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more based on the bisphenol compound, and is preferably in the range of 105 to 125 mol% based on the bisphenol compound. An excessive amount of bisphenol compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

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質量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%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質量%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。   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 mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and 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0.1dL/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/g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。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dL/g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。   In addition, 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 dL / g or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as an ion exchange membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5 dL / g, 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以上であることが好ましく、また3.5meq/g以下であることが好ましい。イオン交換容量が0.1meq/gよりも小さい場合、プロトン伝導性が低くなる傾向がある。一方、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、3.5meq/gより大きい場合には、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傾向がある。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 or more, and preferably 3.5 meq / g or less. When the ion exchange capacity is smaller than 0.1 meq / g, proton conductivity tends to be low. On the other hand, when the ion exchange capacity is increased, proton conductivity is increased. However, when the ion exchange capacity is greater than 3.5 meq / g, there is a tendency that a problem that the membrane swells or dissolves in water tends to 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、10μmより小さい場合、燃料透過抑止性や物理的強度などの所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、30μm以上であることがより好ましい。また、300μmより大きく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 any thickness, but if it is smaller than 10 μm, it is difficult to satisfy predetermined characteristics such as fuel permeation deterrence and physical strength. More preferably, it is 30 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes larger than 300 micrometers, 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ポリマー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、ポリマー寸法安定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、本発明のス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。本発明のス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質量%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 polymer 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 Heat curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin 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 dimensional stability. When these sulfonic acid groups are 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 mass of the whole 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.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよ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。溶液中の溶質濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の溶質濃度が0.1質量%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質量%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 solute concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the solute concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, 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ポリマーを含むイオン交換樹脂から、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも、該イオン交換樹脂を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。溶液からイオン交換膜の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、減圧乾燥の他、イオン交換樹脂を溶解する溶媒と混和することができかつイオン交換樹脂を溶解しない非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去しイオン交換膜の成形体を得ることができる。溶媒が有機溶媒の場合には、加熱また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、必要に応じてイオン交換膜を他の化合物と複合された形で成形することもできる。本発明のイオン交換樹脂と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陽イ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遊離のスルホン酸基(−SO3H)に変換することもできる。 The ion exchange membrane of the present invention can be obtained from the ion exchange resin containing the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution in which the ion exchange resin is dissolved in a suitable solvent. A method for obtaining a molded article of an ion exchange membrane from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, in addition to heating and drying under reduced pressure, the molded product of an ion exchange membrane can be obtained by removing the solvent by immersion in a non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the ion exchange resin and does not dissolve the ion exchange resin. Can do. 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, the ion exchange membrane can be molded in a form combined with another compound. When combined with a compound having a dissolution behavior similar to that of the ion exchange resin of the present invention, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded product thus obtained may contain a salt with a cationic species, but if necessary, a free sulfonic acid group (-SO 3 H).

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよ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、ポリマー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ポリマー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陽イオン種との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遊離のスルホン酸基(−SO3H)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 polymer 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. Further, when immersed in a non-solvent such as water, the solidification rate of the polymer 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 with a cationic species, but free sulfonic acid groups (—SO 3 H) can be obtained by 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また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およ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 to bond the ion exchange membrane and the electrode, or an ion exchange membrane and the electrode. 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または膜/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.

[実施例]
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。
[Example]
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.

対数粘度: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)。   Logarithmic viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and 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).

プロトン伝導性:自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)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、25℃の水中に試料を保持し、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]
メタノール透過性: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)。得られたメタノール透過速度とサンプルの膜厚から、メタノール透過係数を求めた。
Proton conductivity: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample on a self-made measurement probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and the sample is held in water at 25 ° C. The impedance between them 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]
Methanol permeability: The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as the methanol permeation rate 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 ). A methanol permeability coefficient was determined from the obtained methanol permeation rate and the film thickness of the sample.

出力電圧の評価:Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC61E54)に少量の超純水およ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質量%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が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)に少量の超純水およ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質量%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質量比が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、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度空気ガス(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0.01A/cm2における出力電圧を評価した。 Evaluation of output voltage: After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supporting carbon (TEC61E54) and moistening it, a 20 mass% Nafion (registered trademark) solution manufactured by DuPont (product number) : SE-20192) was added so that the mass ratio of Pt / Ru catalyst-carrying carbon to Nafion 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 to be a gas diffusion layer so that the adhesion amount of platinum 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 20% by mass Nafion solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont Co. A cathode catalyst paste was prepared by adding the mass of supported carbon to Nafion so that the mass ratio was 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, 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 air gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and a 5 mol / L aqueous methanol solution (1.5 ml / min) to the anode and the cathode, respectively. . The output voltage at a current density of 0.01 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質量をはかり、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: The weight of a sample dried at 100 ° C. for 1 hour 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’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)1.595g(3.248mmol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)0.911g(5.299mol)、2−メチル−4,4’−ジヒドロキシ−p−ターフェニル(略号:MDHTP)2.362g(8.546mmol)、炭酸カリウム1.299g(9.401mmol)、乾燥したモレキュラーシーブ3−A 1gを50ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。20ml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18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0.72dL/gを示した。重水素化ジメチルスルホキシド中室温で、得られたスルホン酸基含有ポリマーの1H−NMR測定を行なった。図1は、実施例1で合成されたスルホン酸基含有ポリマーの1H−NMRスペクトルと該スペクトルから帰属される化学構造とを示す図である。1H−NMRスペクトル中のNMPおよび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り、NMPと記したシグナルは、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と記したシグナルは、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である。また、H2Oと記したシグナルは、ポリマーに吸着していた水に由来するシグナル、アセトンと記したシグナルは、NMR管洗浄に用いた溶媒の残渣に由来するシグナル、a〜mと記したシグナルは、化学式中のa〜mのプロトンに由来するシグナルである。
<Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 1.595 g (3.248 mmol), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 0.911 g (5 .299 mol), 2-methyl-4,4′-dihydroxy-p-terphenyl (abbreviation: MDHTP) 2.362 g (8.546 mmol), potassium carbonate 1.299 g (9.401 mmol), dried molecular sieve 3- 1 g of A was weighed into a 50 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding 20 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 18 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 0.72 dL / g. The obtained sulfonic acid group-containing polymer was subjected to 1 H-NMR measurement in deuterated dimethyl sulfoxide at room temperature. FIG. 1 is a diagram showing a 1 H-NMR spectrum of a sulfonic acid group-containing polymer synthesized in Example 1 and a chemical structure attributed from the spectrum. The signals denoted as NMP and DMSO in the 1 H-NMR spectrum are derived from the solvent, not the polymer, and the signal denoted as NMP is a signal derived from the polymer polymerization solvent N-methyl-2-pyrrolidone, The signal indicated as DMSO is a signal derived from dimethyl sulfoxide as a solvent for NMR measurement. In addition, the signal indicated as H 2 O is a signal derived from water adsorbed on the polymer, the signal indicated as acetone is a signal derived from the residue of the solvent used for washing the NMR tube, and indicated as a to m. The signal is a signal derived from a to m protons in the chemical formula.

ポリマー1.5gをNMP6mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約400μm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、イオン交換容量、メタノール透過係数、プロトン伝導性、出力電圧の評価を行った。   1.5 g of polymer was dissolved in 6 ml of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 400 μm, 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 for ion exchange capacity, methanol permeability coefficient, proton conductivity, and output voltage.

<実施例2>
S−DCDPSの量を2.973g(6.052mmol)、DCBNの量を0.756g(4.382mmol)、MDHTPの量を2.930g(10.434mmol)、炭酸カリウムの量を1.658g(12mmol)に変更した他は、実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製して評価を行った。図2は、実施例2で合成されたスルホン酸基含有ポリマーの1H−NMRスペクトルと該スペクトルから帰属される化学構造とを示す図である。1H−NMRスペクトル中の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り、DMSOと記したシグナルは、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である。また、H2Oと記したシグナルは、ポリマーに吸着していた水に由来するシグナル、a〜mと記したシグナルは、化学式中のa〜mのプロトンに由来するシグナルである。
<Example 2>
The amount of S-DCDPS is 2.973 g (6.052 mmol), the amount of DCBN is 0.756 g (4.382 mmol), the amount of MDHTP is 2.930 g (10.434 mmol), and the amount of potassium carbonate is 1.658 g ( Except for the change to 12 mmol), an ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. FIG. 2 is a diagram showing a 1 H-NMR spectrum of a sulfonic acid group-containing polymer synthesized in Example 2 and a chemical structure attributed from the spectrum. The signal indicated as DMSO in the 1 H-NMR spectrum is derived from a solvent, not a polymer, and the signal indicated as DMSO is a signal derived from dimethyl sulfoxide as an NMR measurement solvent. Further, the signal that describes the H 2 O, the signal that describes the signal, and a~m derived from water adsorbed on the polymer is a signal derived from the protons a~m in formula.

<比較例1>
下記化学式(12)で表される公知の構造を有するスルホン酸基含有ポリマー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。
<Comparative Example 1>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a sulfonic acid group-containing polymer having a known structure represented by the following chemical formula (12) was used.

Figure 2006206809
Figure 2006206809

<比較例2>
下記化学式(13)で表される公知の構造を有するスルホン酸基含有ポリマー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。
<Comparative example 2>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a sulfonic acid group-containing polymer having a known structure represented by the following chemical formula (13) was used.

Figure 2006206809
Figure 2006206809

<比較例3>
下記化学式(14)で表される公知の構造を有するスルホン酸基含有ポリマー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。
<Comparative Example 3>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a sulfonic acid group-containing polymer having a known structure represented by the following chemical formula (14) was used.

Figure 2006206809
Figure 2006206809

<比較例4>
市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)112について実施例1と同様の評価を行った。
<Comparative example 4>
Evaluation similar to Example 1 was performed about Nafion (brand name) 112 which is a commercially available ion exchange membrane.

<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について実施例1と同様の評価を行った。
<Comparative Example 5>
Evaluation similar to Example 1 was performed about Nafion (brand name) 117 which is a commercially available ion exchange membrane.

実施例およ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 2006206809
Figure 2006206809

表1に示す結果において、たとえば実施例1と比較例1との比較、および実施例2と比較例2との比較から分かるように、各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公知構造のポリマーからなるイオン交換膜に対して、同等かそれ以上のプロトン伝導性および出力電圧を有しつつ、メタノール透過係数が小さく抑えられている。よって本発明に係るイオン交換膜が、高い出力およびプロトン伝導性と、良好なメタノール透過抑止性とを両立でき、優れた性能を有する膜であることが分かる。また、市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)112やナフィオン(商品名)117に比べて、実施例のイオン交換膜は優れた出力電圧を示し、またメタノールの透過係数が大きく改善されていることが分かる。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ることが分かる。   In the results shown in Table 1, as can be seen from the comparison between Example 1 and Comparative Example 1 and the comparison between Example 2 and Comparative Example 2, for example, the ion exchange membranes of the Examples have the same ion exchange capacity. As compared with an ion exchange membrane made of a polymer having a known structure with a proton conductivity and output voltage equal to or higher than that, the methanol permeability coefficient is kept small. Therefore, it can be seen that the ion exchange membrane according to the present invention is a membrane having both excellent output and proton conductivity and good methanol permeation inhibiting properties and excellent performance. In addition, compared with Nafion (trade name) 112 and Nafion (trade name) 117, which are commercially available ion exchange membranes, the ion exchange membranes of the examples show superior output voltage, and the methanol permeability coefficient is greatly improved. I understand that. From these results, it can be seen that the characteristics of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be greatly improved by using it in an ion exchange membrane for a fuel cell.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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た場合に、出力電圧とプロトン伝導性を大きく低下させることなく燃料透過抑止性を向上させることができる。したがって本発明によれば、燃料の利用効率に優れるとともに高い出力を有する燃料電池の提供が可能となる。   When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is used in an ion exchange membrane for a fuel cell, the fuel permeation inhibiting property can be improved without greatly reducing the output voltage and proton conductivity. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell having excellent fuel utilization efficiency and high output.

実施例1で合成されたスルホン酸基含有ポリマーの1H−NMRスペクトルと該スペクトルから帰属される化学構造とを示す図である。1 is a diagram showing a 1 H-NMR spectrum of a sulfonic acid group-containing polymer synthesized in Example 1 and a chemical structure assigned from the spectrum. FIG. 実施例2で合成されたスルホン酸基含有ポリマーの1H−NMRスペクトルと該スペクトルから帰属される化学構造とを示す図である。It is a figure which shows the < 1 > H-NMR spectrum of the sulfonic acid group containing polymer synthesize | combined in Example 2, and the chemical structure assigned from this spectrum.

Claims (11)

下記化学式(1)で表される構造の繰り返し単位を含むスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2006206809
[化学式(1)において、Xは−S(=O)2−基またはC(=O)−基を、YはHまたは1価の陽イオンを、Ar1は下記化学式(2)で表される構造を、それぞれ表す。]
Figure 2006206809
[化学式(2)において、R1、R2はそれぞれ独立して、H原子および炭素数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 containing a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (1).
Figure 2006206809
[In the chemical formula (1), X represents a —S (═O) 2 — group or C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Ar 1 represents the following chemical formula (2). Each structure is represented. ]
Figure 2006206809
[In the chemical formula (2), R 1 and R 2 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 n 1 and n 2 are each independently 0 to 2 Each represents an integer. ]
下記化学式(3)で表される構造の繰り返し単位を含む請求項1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2006206809
[化学式(3)において、Ar2は下記化学式(4)〜(7)で表される構造のいずれかを、Ar3は化学式(2)で表される構造を、それぞれ表す。]
Figure 2006206809
The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, comprising a repeating unit having a structure represented by the following chemical formula (3).
Figure 2006206809
[In the chemical formula (3), Ar 2 represents one of the structures represented by the following chemical formulas (4) to (7), and Ar 3 represents the structure represented by the chemical formula (2). ]
Figure 2006206809
Xが−S(=O)2−基であり、Ar1およびAr2が下記化学式(8)で表される構造であり、Ar3が化学式(6)または化学式(7)で表される構造である請求項2に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2006206809
X is a —S (═O) 2 — group, Ar 1 and Ar 2 are structures represented by the following chemical formula (8), and Ar 3 is a structure represented by the chemical formula (6) or the chemical formula (7). The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 2.
Figure 2006206809
化学式(1)で表される構造からなる繰り返し単位のモル数(o)と化学式(3)で表される構造からなる繰り返し単位のモル数(p)とのモル比o/pが、5/95から95/5の範囲にある請求項2または3に記載のスルホン酸基含有ポリマー。   The molar ratio o / p between the number of moles (o) of the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (1) and the number of moles (p) of the repeating unit having the structure represented by the chemical formula (3) is 5 / The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 2 or 3, which is in the range of 95 to 95/5. 請求項1〜4に記載のスルホン酸基含有ポリマーを含むポリマー組成物。   A polymer composition comprising the sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1. 請求項1〜4に記載のスルホン酸基含有ポリマーを含むイオン交換樹脂。   An ion exchange resin comprising the sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1. 請求項1〜4に記載のスルホン酸基含有ポリマーを含むイオン交換膜。   An ion exchange membrane comprising the sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1. 請求項1〜4に記載のスルホン酸基含有ポリマーを用いた膜/電極接合体。   5. A membrane / electrode assembly using the sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1. 請求項7に記載のイオン交換膜を用いた膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane according to claim 7. 請求項1〜4の記載のスルホン酸基含有ポリマーを用いた燃料電池。   A fuel cell using the sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1. 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 ion exchange membrane according to claim 7.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008038702A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Sulfonic acid group-containing polymer, method for producing the same, polymer electrolyte membrane using sulfonic acid group-containing polymer, membrane electrode assembly, and fuel cell
WO2011016444A1 (en) * 2009-08-03 2011-02-10 東洋紡績株式会社 Novel sulfonic acid group-containing segmented block copolymer and use thereof
EP2289973A4 (en) * 2008-05-08 2011-07-06 Toyo Boseki Novel sulfonic acid group-containing segmentalized block copolymer, use thereof, and method for producing novel block copolymer
US8445141B2 (en) 2005-06-09 2013-05-21 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Sulfonic acid group-containing polymer, method for producing the same, resin composition containing such sulfonic acid group-containing polymer, polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte membrane/electrode assembly, and fuel cell

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8445141B2 (en) 2005-06-09 2013-05-21 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Sulfonic acid group-containing polymer, method for producing the same, resin composition containing such sulfonic acid group-containing polymer, polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte membrane/electrode assembly, and fuel cell
WO2008038702A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Sulfonic acid group-containing polymer, method for producing the same, polymer electrolyte membrane using sulfonic acid group-containing polymer, membrane electrode assembly, and fuel cell
EP2289973A4 (en) * 2008-05-08 2011-07-06 Toyo Boseki Novel sulfonic acid group-containing segmentalized block copolymer, use thereof, and method for producing novel block copolymer
WO2011016444A1 (en) * 2009-08-03 2011-02-10 東洋紡績株式会社 Novel sulfonic acid group-containing segmented block copolymer and use thereof

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