JP2007149653A - Electrolyte for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell using same - Google Patents

Electrolyte for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell using same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte which, while maintaining a high proton conductivity, has an excellent methanol block, and a polymer electrolyte membrane using the above polymer electrolyte, and a direct methanol fuel cell provided with the above polymer electrolyte membrane. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte for the direct methanol fuel cell is composed of a repeating structural unit as shown in a general formula (1). In the formula, X stands for either of a direct linking of -O-, -S-, -SO-, -SO<SB>2</SB>- or -CO-, Y for a direct linking or a bivalent or trivalent aromatic group, R<SP>1</SP>, R<SP>2</SP>for each independent hydrogen atom or fluorine atom, i for a number of 0 to 3, k stands for a number of 1 to 12, and l for 1 or 2. R<SP>3</SP>stands for a sulfonic acid group, an alkyl group having a carbon number of 1 to 10, or an aryl group having a carbon number of 6 to 18 which may be substituted. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、直接メタノール型燃料電池に好適に用いられる直接メタノール型燃料電池用高分子電解質に関する。さらには、該直接メタノール型燃料電池用高分子電解質を用いて成る直接メタノール型燃料電池用高分子電解質膜及び、その該高分子電解質膜を使用した直接メタノール型燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell that is suitably used for a direct methanol fuel cell. Furthermore, the present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell, and a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane.

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を構成する材料として、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イオン交換ポリマーを有効成分とする高分子電解質膜が、燃料電池用のプロトン伝導膜として用いた場合に発電特性が優れることから、従来主として使用されていた。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。また、この材料は直接メタノール型燃料電池に代表される液体燃料型燃料電池のプロトン伝導膜材料として用いた場合、液体燃料であるメタノールの遮断性が悪く(メタノールバリア性が低く)、カソードにおける過電圧が大きくなってしまうという問題点が指摘されている。 Polymers having proton conductivity, that is, polymer electrolytes, are used as materials constituting diaphragms of electrochemical devices such as primary batteries, secondary batteries, and solid polymer fuel cells. For example, a polymer electrolyte membrane having an active ingredient an ion exchange polymer having perfluoroalkylsulfonic acid as a super strong acid in the side chain such as Nafion (registered trademark of DuPont) and having a main chain of perfluoroalkane. However, since it has excellent power generation characteristics when used as a proton conductive membrane for fuel cells, it has been mainly used in the past. 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. In addition, when this material is used as a proton conductive membrane material for a liquid fuel type fuel cell typified by a direct methanol type fuel cell, the liquid fuel methanol has a poor barrier property (low methanol barrier property) and an overvoltage at the cathode. Has been pointed out.

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な高分子電解質の開発が近
年活発化してきている。なかでも耐熱性に優れフィルム強度の高い芳香族ポリエーテルに
スルホン酸基を導入した高分子、すなわち高分子主鎖に、酸素元素及び/ 又は硫黄元素と芳香環とを有し、イオン交換基が、主鎖を構成する芳香環の一部又は全部に直接結合している高分子電解質が知られており、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン(例えば、特許文献1参照)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(例えば、特許文献2参照)、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン(例えば、非特許文献1参照)、スルホン化ポリエーテルスルホン(例えば、特許文献3参照)等が提案されている。
Under such circumstances, development of inexpensive polymer electrolytes that can replace the polymer electrolytes has recently been activated. Among them, a polymer obtained by introducing a sulfonic acid group into an aromatic polyether having excellent heat resistance and high film strength, that is, a polymer main chain having an oxygen element and / or a sulfur element and an aromatic ring, and having an ion exchange group. Polyelectrolytes that are directly bonded to part or all of the aromatic rings constituting the main chain are known, such as sulfonated polyetherketone (see, for example, Patent Document 1), sulfonated polyetheretherketone (For example, refer patent document 2), sulfonated polyether ether sulfone (for example, refer nonpatent literature 1), sulfonated polyether sulfone (for example, refer patent document 3), etc. are proposed.

これらの高分子電解質の中では、特許文献3に記載されたスルホン化ポリエーテルスルホン系高分子電解質が、直接メタノール形燃料電池用プロトン伝導性高分子電解質として有用であることも知られている。
また高分子主鎖に、酸素元素及び/又は硫黄元素と芳香環とを有し、主鎖を構成する芳香環の一部又は全部に、イオン交換基がアルキレン基を介して結合している高分子電解質(例えば、特許文献4参照)、主鎖を構成する芳香環が、単環性式芳香環と縮合多環式芳香環からなるスルホン化ポリエーテルエーテルスルホン系の芳香族系高分子電解質も提案されている(例えば、特許文献5参照)。
Among these polymer electrolytes, it is also known that the sulfonated polyethersulfone polymer electrolyte described in Patent Document 3 is useful as a proton conductive polymer electrolyte for direct methanol fuel cells.
The polymer main chain has an oxygen element and / or sulfur element and an aromatic ring, and an ion exchange group is bonded to part or all of the aromatic ring constituting the main chain via an alkylene group. Molecular electrolytes (for example, see Patent Document 4), sulfonated polyether ether sulfone aromatic polymer electrolytes in which the aromatic ring constituting the main chain is composed of a monocyclic aromatic ring and a condensed polycyclic aromatic ring It has been proposed (see, for example, Patent Document 5).

特表平11−502249号公報(特許請求の範囲)Japanese National Patent Publication No. 11-502249 (Claims) 特表2002−524631号公報(特許請求の範囲、例8〜例10)JP-T-2002-524631 (Claims, Examples 8 to 10) 特開2003−323904号公報(特許請求の範囲)JP 2003-323904 A (Claims) 特開2003−100317号公報(実施例1〜4)JP 2003-100317 A (Examples 1 to 4) 特開2005−206807号公報(特許請求の範囲、実施例1〜4)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-206807 (Claims, Examples 1 to 4) Journal of Membrane Science,83,211(1993)Journal of Membrane Science, 83, 211 (1993)

しかしながら、前記のような芳香族系高分子電解質を直接メタノール型燃料電池用に用いた場合、メタノール遮断性が十分に満足できるレベルにないといった問題から、さらなる改良が期待されていた。
本発明の目的は、液体燃料型燃料電池用、特に直接メタノール型燃料電池用に使用した場合、高いプロトン伝導度を保持しつつ、従来の高分子電解質膜よりも、メタノール遮断性に優れた特性を有する高分子電解質、及び当該高分子電解質を用いてなる高分子電解質膜を提供し、さらに当該高分子電解質膜を用いてなる直接メタノール型燃料電池を提供する。
However, when the aromatic polymer electrolyte as described above is used directly for a methanol fuel cell, further improvement has been expected due to the problem that the methanol barrier property is not at a sufficiently satisfactory level.
The object of the present invention is to provide a property that is superior to conventional polymer electrolyte membranes in terms of methanol barrier while maintaining high proton conductivity when used for liquid fuel type fuel cells, particularly direct methanol type fuel cells. And a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte, and a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane.

本発明者等は、前記課題を解決し得る高分子電解質を見出すべく鋭意検討を重ねた結果、プロトン伝導に係るスルホン酸基の連結様態を特定の基として有するポリアリーレン系高分子電解質が、直接メタノール型燃料電池のプロトン伝導膜として、メタノール遮断性とプロトン伝導度を高水準で満足する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 studies to find a polymer electrolyte that can solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a polyarylene polymer electrolyte having a sulfonic acid group coupling mode related to proton conduction as a specific group is directly As a proton conductive membrane of a methanol fuel cell, the present inventors have found that the methanol barrier property and proton conductivity are satisfied at a high level, and further various studies have been made to complete the present invention.

すなわち本発明は、[1]下記一般式(1)で示される繰り返し構造を有することを特徴とする直接メタノール型燃料電池用高分子電解質を提供するものである。

Figure 2007149653
(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、iは、0〜3の数を表し、kは1〜12の数を表し、lは、Yが直接結合又は2価の芳香族基の場合は1、Yが3価の芳香族基の場合は2を表す。R3は、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よいアリール基を表し、R3が複数ある場合は、それらは同一でも異なっていてもよい。) That is, the present invention provides [1] a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell, which has a repeating structure represented by the following general formula (1).
Figure 2007149653
(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, i represents a number of 0 to 3, k represents a number of 1 to 12, and l represents that Y is a direct bond or 1 represents a divalent aromatic group, and 2 represents a trivalent aromatic group, and R 3 represents a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or 6 to 6 carbon atoms. 18 represents an optionally substituted aryl group, and when there are a plurality of R 3 , they may be the same or different.)

また本発明は、[2]一般式(1)で表される繰返し構造単位の90%以上がパラ位で結合し、主鎖を構成していることを特徴とする上記[1]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質を提供するものである。 [2] The direct methanol according to [1] above, wherein 90% or more of the repeating structural units represented by the general formula (1) are bonded at the para position to constitute a main chain. A polymer electrolyte for a fuel cell is provided.

加えて、本発明は、[3] さらに下記一般式(2)及び/又は(3)で示される繰り返し構造単位を有することを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。

Figure 2007149653
(式中、Ar1、Ar2は互いに独立に芳香環を有する2価の基を表し、ここで該2価の基にある芳香環は炭素数が1〜10であるアルキル基又は炭素数が6〜18であるアリール基で置換されていてもよく、Zは、−O−、−SO2−、−CO−のいずれかを表し、Zが複数ある場合、それらは同一でも異なっていてもよい。mは1以上の整数を、nは0以上の整数を表し、R4は、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、R4が複数ある場合は、それらは同一でも異なっていてもよい。pは0〜4の数を表す。) In addition, the present invention provides [3] a direct methanol type as described in [1] or [2] above, further comprising a repeating structural unit represented by the following general formula (2) and / or (3): Polymer electrolyte for fuel cells.
Figure 2007149653
(In the formula, Ar 1 and Ar 2 independently represent a divalent group having an aromatic ring, and the aromatic ring in the divalent group is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a carbon number. 6 to 18 may be substituted with an aryl group, Z represents any of —O—, —SO 2 —, and —CO—, and when there are a plurality of Z, they may be the same or different. M is an integer of 1 or more, n is an integer of 0 or more, and R 4 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms. Or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and when there are a plurality of R 4 s , they may be the same or different, and p represents a number of 0 to 4. )

さらに本発明は、[4]主鎖中に一般式(1)で示される繰り返し構造単位と、一般式(3)で示される繰り返し構造単位を有し、且つ一般式(3)で表される繰り返し構造単位の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]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質、
[5]Yが、直接結合であることを特徴とする上記[1]〜[4]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質、
[6]iが0である[1]〜[5]のいずれか記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質、
[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]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質、
[8]一般式(1)で表される繰り返し構造単位からなるブロックと、一般式(2)で表される繰り返し構造単位及び一般式(3)で表される繰り返し構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位からなるブロックとを有する、ブロック共重合体であることを特徴とする上記[1]〜[7]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質、
Furthermore, the present invention has [4] a repeating structural unit represented by the general formula (1) in the main chain and a repeating structural unit represented by the general formula (3), and is represented by the general formula (3). 90% or more of the repeating structural units are p-linked, that is, bonded at the para position, the polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to the above [3],
[5] The polymer electrolyte for direct methanol fuel cells according to the above [1] to [4], wherein Y is a direct bond,
[6] The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to any one of [1] to [5], wherein i is 0,
[7] The polymer electrolyte for direct methanol fuel cell according to the above [1] to [6], wherein the ion exchange capacity is 0.5 eq / g to 4 meq / g,
[8] At least one selected from a block composed of a repeating structural unit represented by the general formula (1), a repeating structural unit represented by the general formula (2), and a repeating structural unit represented by the general formula (3). A polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to the above [1] to [7], wherein the polymer electrolyte is a block copolymer having a block composed of various structural units;

[9]上記[1]〜[8]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質を用いてなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池用高分子電解質膜、
[10]上記[9]の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質膜を使用した直接メタノール型燃料電池を提供するものである。
[9] A polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized by using the polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to [1] to [8] above,
[10] A direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to the above [9] is provided.

本発明のポリアリーレン系高分子電解質(以下、ポリアリーレン系高分子と呼ぶこともある)は、固体高分子型燃料電池用、特に直接メタノール型燃料電池用に使用した場合、高いプロトン伝導度を保持しつつ、メタノール遮断性に優れた特性を示し、直接メタノール型燃料電池用電解質膜として優れた特性を有しており、メタノール水溶液を燃料として用いた場合においても好適に使用することができる。また、メタノール以外の液体燃料型燃料電池、または水素ガスを燃料ガスとする燃料電池にも好適に用いることができる。 The polyarylene polymer electrolyte of the present invention (hereinafter sometimes referred to as a polyarylene polymer) has a high proton conductivity when used for a solid polymer fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell. While retaining, it exhibits excellent methanol barrier properties and has excellent characteristics as an electrolyte membrane for direct methanol fuel cells, and can be suitably used even when a methanol aqueous solution is used as fuel. Further, it can be suitably used for a liquid fuel type fuel cell other than methanol, or a fuel cell using hydrogen gas as a fuel gas.

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環としては、例えばベンゼン環、ナフタレン環、これらの環にフッ素原子、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、ビフェニリル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基が置換した芳香環等が挙げられ、これらの芳香環から水素原子を2個又は3個取り去って得られる基が挙げられる。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−Y−(SO3H)lの例としては、スルホン酸基を含めて表わすと以下の基が挙げられる。

Figure 2007149653
(式中、lは前記と同義である。)
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、R1、R2がともに水素原子である場合又はR1、R2がともにフッ素原子である場合が好ましい。 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 Formula (1) represents any one 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 that may have such a substituent include, for example, a benzene ring, a naphthalene ring, an aromatic group in which a fluorine atom, a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a biphenylyl group, a phenoxy group, and a naphthyloxy group are substituted. And a group obtained by removing two or three hydrogen atoms from these aromatic rings. 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. Preferred examples of —Y— (SO 3 H) 1 include the following groups when including sulfonic acid groups.
Figure 2007149653
(In the formula, l is as defined above.)
R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom or a fluorine atom, and it is preferable that R 1 and R 2 are both hydrogen atoms or R 1 and R 2 are both fluorine atoms.

またR3は、一般式(1)で表される繰り返し構造単位において、高分子主鎖を構成するフェニレン基上の置換基を表わし、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、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−メチルペンチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基等が挙げられ、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、例えばフェニル基、ナフチル基等が挙げられ、さらに、これらのアリール基にフッ素原子、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、ビフェニリル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、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 the phenylene group constituting the polymer main chain in the repeating structural unit represented by the general formula (1), and is a sulfonic acid group or an alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms. Alternatively, it represents an optionally substituted aryl group having about 6 to 18 carbon atoms.
Examples of the alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms include methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, n-pentyl group, 2,2 -Dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, 2-ethylhexyl group, nonyl group and the like, and optionally substituted aryl having about 6 to 18 carbon atoms Examples of the group include a phenyl group and a naphthyl group. Further, these aryl groups include a fluorine atom, a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a biphenylyl group, a phenoxy group, a naphthyloxy group, and a sulfonic acid group. Substituted ones are listed.

iは置換しているR3の数であり0〜3の数を表わし、iは0、すなわち置換基を有さないか、またはR3としてメチル基又はエチル基が置換していることが好ましい。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価の芳香族基の場合は1、Yが3価の芳香族基の場合は2を表す。
また、一般式(1)で表される繰り返し構造単位において、主鎖を構成するフェニレン基の置換位は、o-、m-、p−、これら2種以上の混合物であっても良いが、繰り返し構造単位の90%以上がp−連結であることが好ましい。すなわち、高分子主鎖を構成するフェニレン基は、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、繰返し構造単位の90%以上が両隣の繰り返し構造単位とパラ位で結合している、すなわち、一般式(1)で表される繰り返し構造の90%以上が、下記一般式(1A)で表される繰り返し構造単位であることが好ましい。

Figure 2007149653
(式中、R1、R2、R3、X、Y、i、k、lは前記と同義である。) i is the number of substituted R 3 and represents a number of 0 to 3, i is preferably 0, ie, has no substituent, or is preferably substituted with a methyl group or an ethyl group as R 3. . k represents a number of 1 to 12, and preferably 2 to 6. l represents 1 when Y is a direct bond or a divalent aromatic group, and represents 2 when Y is a trivalent aromatic group.
In the repeating structural unit represented by the general formula (1), the substitution position of the phenylene group constituting the main chain may be o-, m-, p-, or a mixture of two or more thereof. It is preferred that 90% or more of the repeating structural units are p-linked. That is, the phenylene group constituting the polymer main chain is bonded to other repeating units at the ortho, meta, and para positions, and does not have to be all at the same bonding position, but 90% or more of the repeating structural units are adjacent to each other. It is preferable that 90% or more of the repeating structure represented by the general formula (1) is a repeating structural unit represented by the following general formula (1A). .
Figure 2007149653
(In the formula, R 1 , R 2 , R 3 , X, Y, i, k, and l are as defined above.)

一般式(1)で示される繰り返し構造単位の代表例としては、以下のものが挙げられる。

Figure 2007149653
Typical examples of the repeating structural unit represented by the general formula (1) include the following.
Figure 2007149653

本発明のポリアリーレン系高分子は、上記のように、一般式(1)で示される繰り返し構造単位を有し、スルホン酸基の一部または全部が塩の形態のものも含まれる。そのような塩の形態としては、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の形態またはアルカリ土類金属塩の形態が挙げられる。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、実質的に全てのスルホン酸基が遊離酸の形態であることが好ましい。 As described above, the polyarylene polymer of the present invention includes a polymer having a repeating structural unit represented by the general formula (1) and a part or all of the sulfonic acid group in the form of a salt. Examples of such salt forms include alkali metal salt forms such as lithium salts, sodium salts, potassium salts, and calcium salts, and alkaline earth metal salts. When used as a material for a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that substantially all sulfonic acid groups are in the form of 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単位の他に、これとは異なる繰り返し構造単位を有していても良い。
例えば、さらに前記の一般式(2)で示される繰返し構造単位及び/又は一般式(3)で示される繰返し構造単位等を有することが好ましい。
ここで、一般式(2)におけるAr1、Ar2は互いに独立に芳香環を有する2価の基を表し、この2価の基としては、芳香環から誘導される2価の基、2個の芳香環が直接または連結基を介して連結された2価の基であることを意味する。
そのような2価の基としては、例えば以下のような基が例示される。
Moreover, the polyarylene polymer of the present invention may have a different repeating structural unit in addition to the repeating structural unit 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) and / or a repeating structural unit represented by the general formula (3).
Here, Ar 1 and Ar 2 in the general formula (2) each independently represent a divalent group having an aromatic ring. The divalent group includes two divalent groups derived from the aromatic ring, Is a divalent group linked directly or via a linking group.
Examples of such a divalent group include the following groups.

Figure 2007149653
さらに、Ar1、Ar2は、その芳香環の水素原子の一部または全部が、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−メチルペンチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基等の炭素数が1〜10程度であるのアルキル基;フェニル基、ナフチル基、これらの基にフッ素原子、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、ビフェニリル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基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等で置換されていてもよいが、無置換である基が好ましい。
Figure 2007149653
In addition, Ar 1 and Ar 2 are a part of or all of the hydrogen atoms of the aromatic ring, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, tert-butyl group. , Isobutyl group, n-pentyl group, 2,2-dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, 2-ethylhexyl group, nonyl group, decyl group, etc. An alkyl group of about 10 to 10; a total number of carbon atoms such as phenyl group, naphthyl group, those groups substituted by fluorine atom, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, biphenylyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc. May be substituted with an aryl group or the like of about 6 to 18, but an unsubstituted group 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よい。mは1以上の整数を、nは0以上の整数を表す。
一般式(2)で表される繰り返し構造単位の代表例としては、例えば以下のものが挙げられる。

Figure 2007149653
Z represents any of —O—, —SO 2 —, and —CO—, and a plurality of Z may be different from each other. m represents an integer of 1 or more, and n represents an integer of 0 or more.
Typical examples of the repeating structural unit represented by the general formula (2) include the following.
Figure 2007149653

一般式(3)におけるR4はベンゼン環上の基換基を表わし、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であるアルキル基、炭素数が6〜18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であるアシル基としては、例えばアセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ベンゾイル基、1−ナフトイル基、2−ナフトイル基、または、これらの基にフッ素原子、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、ビフェニリル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、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はフェニレン基に結合しているR4の数であり、0〜4の整数を表わし、pは0又は1であることが好ましい。
また、一般式(3)中の、主鎖を構成するフェニレン基は、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、繰り返し構造単位の90%以上が両隣の繰り返し構造単位とパラ位で結合していることが好ましく、すなわち、一般式(3)で表される繰り返し構造の90%以上が、下記一般式(3A)で表される繰り返し構造単位であると好ましい。

Figure 2007149653
(式中、R4、pは前記と同義である。) R 4 in the general formula (3) represents a substituent on the benzene ring, and is a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or 2 to 20 carbon atoms. Represents an acyl group that is about.
Here, examples of the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and the aryl group having 6 to 18 carbon atoms include the same alkyl groups and aryl groups as described above. Examples of the acyl group having 2 to 20 carbon atoms include an acetyl group, a propionyl group, a butyryl group, an isobutyryl group, a benzoyl group, a 1-naphthoyl group, a 2-naphthoyl group, or a fluorine atom or a methoxy group. And an acyl group substituted with a group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a biphenylyl group, a phenoxy group, a naphthyloxy group, a sulfonic acid group, and the like.
Of these, R 4 is preferably benzoyl or phenoxybenzoyl. p is the number of R 4 bonded to the phenylene group, represents an integer of 0 to 4, and p is preferably 0 or 1.
In the general formula (3), the phenylene groups constituting the main chain are bonded at the ortho position, the meta position, and the para position, and need not be all at the same bonding position, but 90% or more of the repeating structural units are present. It is preferable that both adjacent repeating structural units are bonded at the para position, that is, 90% or more of the repeating structure represented by the general formula (3) is a repeating structural unit represented by the following general formula (3A). Preferably there is.
Figure 2007149653
(Wherein R 4 and p are as defined above.)

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

Figure 2007149653
Typical examples of the repeating structural unit represented by the general formula (3) include the following.

Figure 2007149653

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単位の他に、上記のような一般式(2)で示される繰返し構造単位及び/又は一般式(3)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、ポリアリーレン系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0.5meq/g以上であると、イオン伝導性がより高くなり、燃料電池用の高分子電解質としての機能がより優れるので好ましい。イオン交換容量の下限としては1.0meq/g以上である場合が好ましく、とりわけ、1.5meq/g以上である場合が好ましい。
また、イオン交換容量が4meq/g以下であると、耐水性がより良好となるので好ましい。イオン交換容量の上限としては3.8meq/g以下であることが好ましく、とりわけ、3.5meq/g以下であることが好ましい。
The polyarylene polymer of the present invention is not limited to the repeating structural unit represented by the general formula (1) as described above, and the repeating structural unit represented by the general formula (2) and / or the general formula. Although the repeating structural unit represented by (3) may be present, the composition ratio thereof is 0.5 meq / g when the introduction rate of the acid group as the polyarylene polymer is expressed by ion exchange capacity. A composition ratio of ˜4 meq / g is preferred. When the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, the ion conductivity becomes higher and the function as a polymer electrolyte for a fuel cell is more excellent, which is preferable. The lower limit of the ion exchange capacity is preferably 1.0 meq / g or more, and particularly preferably 1.5 meq / g or more.
In addition, an ion exchange capacity of 4 meq / g or less is preferable because water resistance becomes better. The upper limit of the ion exchange capacity is preferably 3.8 meq / g or less, and particularly preferably 3.5 meq / g 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)等で表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(共重合様式)が、一般式(1)で示される繰返し構造単位との配列において、ランダムであるランダム共重合体であっても、前者の繰返し構造単位からなるブロックと後者の繰返し構造単位からなるブロックとを有するブロック共重合体であっても、またはそれらの組合せであってもよい。
ここで、ブロック共重合体である場合、一般式(1)で表される繰り返し構造単位からなるブロックと、一般式(2)及び/又は一般式(3)で表される繰り返し構造単位からなるブロックを有するものであり、その重合度としては、一般式(1)で表される繰返し構造単位からなるブロックの場合には10〜100が好ましく、一般式(2)で表される繰り返し構造単位からなるブロックの場合は、10〜100が好ましい。また、一般式(3)で表される繰返し構造単位からなるブロックの場合には、該繰返し構造単位数が、10〜200が好ましい。また、一般式(1)で表される繰り返し構造単位からなるブロックと一般式(2)及び/又は一般式(3)等で表される繰返し構造単位からなるブロックを有する場合、ブロック同士が直接結合していてもよく、2価の基を連結基として介して結合している形態でもよい。
Further, for example, in the case of having a repeating structural unit represented by the general formula (2) and / or the general formula (3) as described above, the connection mode (copolymerization mode) thereof is represented by the general formula (1). Even in a random copolymer that is random in the arrangement with the repeating structural unit, a block copolymer having a block consisting of the former repeating structural unit and a block consisting of the latter repeating structural unit, Or they may be a combination thereof.
Here, in the case of a block copolymer, the block consists of a repeating structural unit represented by the general formula (1), and a repeating structural unit represented by the general formula (2) and / or the general formula (3). In the case of a block comprising a repeating structural unit represented by the general formula (1), the degree of polymerization is preferably 10 to 100, and the repeating structural unit represented by the general formula (2) In the case of the block which consists of 10, 10-100 are preferable. Moreover, in the case of the block which consists of a repeating structural unit represented by General formula (3), 10-200 are preferable for this repeating structural unit number. Moreover, when it has a block consisting of the repeating structural unit represented by the general formula (1) and a repeating structural unit represented by the general formula (2) and / or the general formula (3), the blocks are directly It may be bonded, or may be bonded via a divalent group as a linking group.

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15000〜400000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 5,000 to 1,000,000, and particularly preferably 15,000 to 400,000, in terms of polystyrene-equivalent number average molecular weight.

一般式(2)で示される繰返し構造単位、一般式(3)で示される繰返し構造単位を有する場合の、ポリアリーレン系高分子の代表例としては、例えば以下のものが例示され、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(ブロックを形成している場合の、該ブロックの重合度)、分子量等を満足するような繰り返し構造単位数が好ましい。なお、x、yは各繰返し構造単位の平均重合度を表し、「ran」はランダム共重合体であることを表し、「block」はブロック共重合体であることを表す。

Figure 2007149653
As typical examples of the polyarylene polymer in the case of having the repeating structural unit represented by the general formula (2) and the repeating structural unit represented by the general formula (3), for example, the following can be exemplified and described above. The number of repeating structural units satisfying such an ion exchange capacity, composition ratio, block length (polymerization degree of the block when a block is formed), molecular weight and the like are preferable. In addition, x and y represent the average degree of polymerization of each repeating structural unit, “ran” represents a random copolymer, and “block” represents a block copolymer.
Figure 2007149653

Figure 2007149653
Figure 2007149653

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、下記一般式(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる下記一般式(5)並びに一般式(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。

Figure 2007149653
(式中、Ar1、Ar2、R1〜R4、X、Y、i、k、m、l、pは前記と同義である。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よい。) Next, the method for producing the polyarylene polymer of the present invention will be described.
For example, the polyarylene polymer of the present invention comprises a condensation reaction between a monomer represented by the following general formula (4) and a monomer represented by the following general formula (5) and general formula (6) used as necessary. Can be produced by polymerization.
Figure 2007149653
(In the formula, Ar 1 , Ar 2 , R 1 to R 4 , X, Y, i, k, m, l, and p are as defined above. Q represents a group that is eliminated during the condensation reaction, Q may be of different types.)

ここで、Q同士が縮合反応を生じて芳香環同士が直接結合で連結する反応の場合は、ゼロ価遷移金属錯体を触媒として実施することができる。なお、縮合反応時に脱離する基Qの具体例としては、例えば塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、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等が挙げられる。 Here, in the case of a reaction in which Qs cause a condensation reaction and aromatic rings are linked by a direct bond, a zero-valent transition metal complex can be used as a catalyst. Specific examples of the group Q which is eliminated during the condensation reaction include, for example, halogen atoms such as chlorine atom, bromine atom and iodine atom, and p-toluenesulfonyloxy group, methanesulfonyloxy group, trifluoromethanesulfonyloxy group and the like. And sulfonic acid ester groups.

ゼロ価遷移金属錯体を用いての縮合反応について説明する。
前記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応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。
The condensation reaction using a zero-valent transition metal complex will be described.
Examples of the 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価の遷移金属を有する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価ニッケルを有する化合物、2価パラジウムを有する化合物が好ましい。2価ニッケルを有する化合物としては、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価パラジウムを有する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、酢酸パラジウム等が挙げられる。
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, as the transition metal compound used, a compound having a divalent transition metal is usually used. Can also be used. Of these, compounds having divalent nickel and compounds having divalent palladium are preferred. Compounds having divalent nickel include nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetate, nickel acetylacetonate, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide Examples thereof include bis (triphenylphosphine), and examples of the compound having divalent palladium include palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, and palladium acetate.

還元剤としては、亜鉛、マグネシウム等の金属及びそれらの合金(例えば、銅との合金を挙げることができる)、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、一般式(4)で示されるモノマー、及び必要に応じて用いられる一般式(5)、一般式(6)で示されるモノマー(以下、反応モノマーと呼ぶ)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、反応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 (for example, alloys with 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 monomer represented by the general formula (4), the monomer represented by the general formula (5) and the general formula (6) used as necessary ( Hereinafter, it is 0.1 to 5 mol times with respect to the total amount of the reaction monomer). 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 0.01-1 mol times with respect to the total amount of a reaction monomer. 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、反応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。 Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.5-10 mol times normally with respect to the total amount of a reaction monomer. 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表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。
生成するポリアリーレン系高分子の分子量をより高くするためには、当該ポリアリーレン系高分子が十分に溶解していることが望ましいので、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 typified by 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 polyarylene polymer to be produced, it is desirable that the polyarylene polymer is sufficiently dissolved. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, DMF, DMAc, which are good solvents, are desirable. DMSO, NMP, 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、反応モノマーの総重量に対して、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、生成するポリアリーレン系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反応モノマーとを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反応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、反応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 about 5 to 500 times, preferably about 20 to 100 times the total weight of the reaction 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 these, in order to increase the molecular weight of the polyarylene polymer to be generated, it is preferable to cause the zero-valent transition metal complex and the reaction monomer 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.
Further, the method of causing the zero-valent transition metal complex and the reaction monomer to act may be a method of adding one to the other or a method of adding both to the reaction vessel at the same time. 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 and the reaction monomer to act, the temperature is usually kept at about 45 ° C to 200 ° C, preferably about 50 ° C to 100 ° C.

また、ポリアリーレン系高分子の共重合様式をブロック共重合とするためには、モノマーの仕込順序を操作することで実施することができる。例えば、一般式(4)で示されるモノマーと一般式(6)で示されるモノマーのブロック共重合体を得るためには、どちらかのモノマーを予め、ゼロ価遷移金属錯体を触媒として重合して両末端にQを有するプレポリマーを得、かかるプレポリマーに対して他方のモノマーを、さらに重合させる方法や、一般式(4)で示されるモノマーと、一般式(6)で示されるモノマーとからそれぞれ、ゼロ価遷移金属錯体を触媒として重合を行い、2種のプレポリマーを得、この2種のプレポリマー同士を結合させてブロック共重合体を得ることができる。 Moreover, in order to change the copolymerization mode of the polyarylene polymer to block copolymerization, it can be carried out by manipulating the order of charging the monomers. For example, in order to obtain a block copolymer of the monomer represented by the general formula (4) and the monomer represented by the general formula (6), either monomer is polymerized in advance using a zero-valent transition metal complex as a catalyst. From a method of obtaining a prepolymer having Q at both ends and further polymerizing the other monomer with respect to such a prepolymer, a monomer represented by the general formula (4), and a monomer represented by the general formula (6) In each case, polymerization is performed using a zero-valent transition metal complex as a catalyst to obtain two kinds of prepolymers, and these two kinds of prepolymers are bonded to each other to obtain a block copolymer.

一般式(4)で示されるモノマーと一般式(5)で示されるモノマーとのブロック共重合体を得るのも同等にして実施することができる A block copolymer of the monomer represented by the general formula (4) and the monomer represented by the general formula (5) can be obtained in the same manner.

前記いずれかの方法により生成したポリアリーレン系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アリーレン系高分子を析出させ、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 polyarylene polymer produced by any of the above methods from the reaction mixture. For example, the polyarylene polymer can be precipitated by adding a poor solvent, and the target product can be taken out by filtration or the like. 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る。得られたポリアリーレン系高分子は、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構造単位の数は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、その原料である一般式(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、フェノール性水酸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(例えば、アミン化合物)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 is obtained. The obtained polyarylene polymer can be identified and quantified by IR, NMR, liquid crossgraphy, etc., and the number of each repeating structural unit in the polymer chain can be determined by NMR or the like. The molecular weight can be determined by gel permeation chromatography.
Moreover, the monomer shown by General 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, but as a specific method, for example, a compound having a phenolic hydroxyl group is converted to an alkali metal compound and / or an organic base compound (for example, And an amine compound) to produce an alkali metal salt and / or an amine salt, and then reacting with a sulfonating agent such as propane sultone or sodium bromoethane sulfonate, it can be efficiently produced.

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プロトン伝導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いが、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、本発明の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 proton conductive membrane 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, but 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 of the present invention and can be removed thereafter. DMF, N, N-dimethylacetamide (DMAc), N- Aprotic polar solvents such as methyl-2-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 An alkylene glycol monoalkyl ether such as glycol monomethyl ether, 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 them, DMSO, DMF, DMAc, and NMP 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ポリアリーレン系高分子に添加することができる。また、他のポリマーを、本発明のポリアリーレン系高分子と共に、同一溶剤に混合し、キャストするなどの方法により、アロイ化することも可能である。
さらに、燃料電池用途では、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おり、これらの公知の方法を、本発明のポリアリーレン系高分子に適用することも可能である。
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適用できる。このようにして得られたフィルムは、燃料電池のプロトン伝導膜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 polyarylene polymers of the present invention. In addition, other polymers can be alloyed together with the polyarylene polymer of the present invention by mixing in the same solvent and casting.
Furthermore, 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, and these known methods are applied to the polyarylene polymer of the present invention. It is also possible to apply.
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 and compounding porous films and sheets, reinforcing fibers by mixing fibers and pulp, etc., and any of these known methods can be applied. The film thus obtained can be suitably used as a proton conductive membrane for a fuel cell.

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、高分子電解質フィルムの両面に、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、アノード側に燃料としての水素、またはメタノール、またはジメチルエーテルとの酸化反応を活性化でき、アノード側に、酸素との還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金または白金系合金の微粒子を用いることが好ましい。白金または白金系合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、燃料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 bonding a catalyst and a conductive material as a current collector to both surfaces of a polymer electrolyte film.
The catalyst is not particularly limited as long as it can activate an oxidation reaction with hydrogen, methanol, or dimethyl ether as a fuel on the anode side, and can activate a reduction reaction with oxygen on the anode side. However, it is preferable to use fine particles of platinum or a platinum-based alloy. The fine particles of platinum or a platinum-based alloy 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 fuel 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または白金系合金微粒子または白金または白金系合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電解質は、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り、特にメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池に用いた場合、優れた性能を示す。
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 or platinum-based alloy fine particles or carbon carrying platinum or platinum-based alloy 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 electrolyte 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 polymer electrolyte fuel cell.
The fuel cell of the present invention thus produced can be used in various forms using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, methanol, etc. as the fuel, particularly when used in a direct methanol fuel cell using methanol. Show excellent performance.
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。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[測定]
(1)分子量の測定
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1−2:Shodex社製 KD−80M+KD−803を接続
実施例3: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
(2)イオン交換容量(IEC)の測定
ポリアリーレン系高分子を、ジメチルスルホキシドに溶解して高分子電解質溶液を調整した。これをガラス板上に塗り広げ、これを80℃で常圧乾燥することにより、高分子電解質膜を得た。この膜を、2Nの塩酸で2時間処理し、その後イオン交換水で洗浄することで、イオン交換基を遊離酸型(プロトン型)に変換した膜を得た。その後、ハロゲン水分率計で105℃でさらに乾燥させ、絶乾重量を求めた。この膜を、0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定し、中和点を求めた。絶乾重量と中和点に要する0.1mol/L塩酸の量から、イオン交換容量を求めた。
(3)プロトン伝導度の測定
まず、1cm2の開口部を有するシリコンゴム(厚さ200μm)の片面にカーボン電極を貼った測定用セルを2つ準備し、これらをカーボン電極同士が対向するように配置し、前記2つのセルに直接インピーダンス測定装置の端子を接続した。
次いで、この2つの測定用セルの間に、上記方法で得られたイオン交換基をプロトン型に変換した高分子電解質膜をセットして、測定温度23℃で、2つの測定用セル間の抵抗値を測定した。
その後、高分子電解質膜を除いて再度抵抗値を測定した。そして、高分子電解質膜を有する状態と有しない状態とで得られた2つの抵抗値の差に基づいて、高分子電解質膜の膜厚方向の膜抵抗を算出した。得られた膜抵抗の値と膜厚から、高分子電解質膜の膜厚方向のプロトン伝導度を算出した。なお、高分子電解質膜の両側に接触させる溶液としては、1mol/Lの希硫酸を用いた。
(4)メタノール透過係数の測定
上記IECの測定の方法と同様に、イオン交換基を遊離酸型(プロトン型)に変換した高分子電解質膜を、10wt%濃度のメタノール水溶液に2時間浸漬した後、セルAとセルBからなるH 字型隔膜セルの中央に、高分子電解質膜を挟持させ、セルA に10wt% 濃度のメタノール水溶液を、セルBに純水を入れ、23℃において、一定時間t(sec)後での、セルB中のメタノール濃度を分析し、メタノール透過係数D( cm2/sec)を下式により求めた。
D={(V×l)/(A×t)}×ln{(C1−Cm)/(C2−C n)}
ここで、
V :セルB 中の液の容量(cm3)、
l :高分子電解質膜の膜厚(cm)、
A :高分子電解質膜の断面積(cm2)、
t :時間(sec)
C 1 :時間t1におけるセルB中のメタノール濃度(mol/cm3)、
C 2 :時間t2におけるセルB中のメタノール濃度(mol/cm3)、
C m :時間t1におけるセルA中のメタノール濃度(mol/cm3)、
C n :時間t2におけるセルA中のメタノール濃度(mol/cm3)、
なお、メタノール透過量は十分に小さいので、V は初期の純水容量で一定値とし、また、Cm=Cnで初期濃度(10wt%)として求めた。
[Measurement]
(1) Measurement of molecular weight The molecular weight described in the Examples is a polystyrene-equivalent number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by TOSOH
Column Example 1-2: Connected with KD-80M + KD-803 manufactured by Shodex
Example 3: Two connected AT-80Ms manufactured by Shodex, Inc. Column temperature 40 ° C.
Mobile phase solvent DMAc (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5mL / min
(2) Measurement of ion exchange capacity (IEC) A polyarylene polymer was dissolved in dimethyl sulfoxide to prepare a polymer electrolyte solution. This was spread on a glass plate and dried at 80 ° C. under normal pressure to obtain a polymer electrolyte membrane. This membrane was treated with 2N hydrochloric acid for 2 hours and then washed with ion-exchanged water to obtain a membrane in which ion-exchange groups were converted to the free acid type (proton type). Then, it was further dried at 105 ° C. with a halogen moisture meter, and the absolute dry weight was determined. This membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L aqueous sodium hydroxide solution, 50 mL of ion exchange water was added, and the membrane was allowed to stand for 2 hours. Then, it titrated by adding 0.1 mol / L hydrochloric acid gradually to the solution in which this polymer electrolyte membrane was immersed, and the neutralization point was calculated | required. The ion exchange capacity was determined from the absolute dry weight and the amount of 0.1 mol / L hydrochloric acid required for the neutralization point.
(3) Measurement of proton conductivity First, two measurement cells each having a carbon electrode attached to one side of a silicon rubber (thickness: 200 μm) having an opening of 1 cm 2 are prepared so that the carbon electrodes face each other. The terminal of the impedance measuring apparatus was directly connected to the two cells.
Next, a polymer electrolyte membrane obtained by converting the ion exchange group obtained by the above method into a proton type is set between the two measurement cells, and the resistance between the two measurement cells is measured at a measurement temperature of 23 ° C. The value was measured.
Thereafter, the polymer electrolyte membrane was removed and the resistance value was measured again. Based on the difference between the two resistance values obtained with and without the polymer electrolyte membrane, the membrane resistance in the film thickness direction of the polymer electrolyte membrane was calculated. The proton conductivity in the film thickness direction of the polymer electrolyte membrane was calculated from the obtained membrane resistance value and film thickness. In addition, 1 mol / L dilute sulfuric acid was used as the solution to be brought into contact with both sides of the polymer electrolyte membrane.
(4) Measurement of methanol permeability coefficient Similar to the above IEC measurement method, after immersing a polymer electrolyte membrane in which ion exchange groups are converted into free acid type (proton type) in a 10 wt% methanol aqueous solution for 2 hours A polymer electrolyte membrane is sandwiched in the center of an H-shaped diaphragm cell consisting of cell A and cell B, a 10 wt% methanol aqueous solution is placed in cell A, and pure water is placed in cell B. The methanol concentration in the cell B after t (sec) was analyzed, and the methanol permeability coefficient D (cm 2 / sec) was determined by the following equation.
D = {(V * l) / (A * t)} * ln {(C1-Cm) / (C2-Cn)}
here,
V: volume of liquid in cell B (cm 3 ),
l: thickness of polymer electrolyte membrane (cm),
A: Cross-sectional area (cm 2 ) of the polymer electrolyte membrane,
t: Time (sec)
C 1: concentration of methanol in cell B at time t 1 (mol / cm 3 ),
C 2: methanol concentration in cell B at time t 2 (mol / cm 3 ),
C m: methanol concentration in cell A at time t 1 (mol / cm 3 ),
C n: methanol concentration in cell A at time t 2 (mol / cm 3 ),
Since the methanol permeation amount was sufficiently small, V was determined to be a constant value with the initial pure water capacity, and the initial concentration (10 wt%) with Cm = Cn.

合成例1
(モノマーA(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を得た。

Figure 2007149653
Synthesis example 1
(Synthesis of Monomer A (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) and 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. Furthermore, 35.2 g of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) propanesulfonate was obtained by a recrystallization method.
Figure 2007149653

合成例2
(モノマーB(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、2−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を得た。

Figure 2007149653
Synthesis example 2
(Synthesis of monomer B (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, 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, 23.00 g (109.0 mmol) of sodium 2-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. Furthermore, 14.3 g of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) ethanesulfonate was obtained by recrystallization.
Figure 2007149653

合成例3
(モノマーC(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を得た。

Figure 2007149653
Synthesis example 3
(Synthesis of monomer C (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 of sodium 3- (2,5-dichlorophenoxy) butanesulfonate was obtained by a recrystallization method.
Figure 2007149653

実施例1
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO195ml、合成例1で得られたモノマーA10.00g(32.56mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 2007149653
(住友化学製スミカエクセルPES5200P、Mn=5.44×104、Mw=1.23×105)5.92g、2,2’−ビピリジル19.70g(126.17mmol)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)31.55g(114.70mmol)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、下記一般式(10)で示されるポリアリーレン系高分子9.50gを得た。IECは1.73meq/gであり、IECから求められた繰り返し構造単位の比率をa/(a+((n+1)×b)で表すと、0.37であった。また、上記の方法で求めたプロトン伝導度とメタノール透過係数を表−1に示す。また、上記の方法で求めたプロトン伝導度とメタノール透過係数を表−1に示す(なお、括弧内は測定条件下での高分子電解質膜の膜厚を示す)。
Mn=220000、Mw=396000
IEC=1.73 meq/g
Figure 2007149653
Example 1
In an argon atmosphere, in a flask, 195 ml of DMSO, 10.00 g (32.56 mmol) of the monomer A obtained in Synthesis Example 1, and the following polyethersulfone having a terminal chloro type
Figure 2007149653
(Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.44 × 10 4 , Mw = 1.23 × 10 5 ) 5.92 g, 2,2′-bipyridyl 19.70 g (126.17 mmol) was added and stirred. The temperature was raised to 60 ° C. Next, 31.55 g (114.70 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 reaction solution is poured into a large amount of 4N hydrochloric acid to precipitate a polymer, filtered, washed with water until the filtrate becomes neutral, and then dried under reduced pressure to give the following general formula (10). 9.50 g of the polyarylene polymer shown was obtained. The IEC was 1.73 meq / g, and the ratio of the repeating structural units determined from IEC was 0.37 when expressed as a / (a + ((n + 1) × b). The proton conductivity and methanol permeability coefficient are shown in Table 1. The proton conductivity and methanol permeability coefficient obtained by the above method are shown in Table 1 (in parentheses are polymer electrolytes under measurement conditions) Indicates the film thickness).
Mn = 220,000, Mw = 396000
IEC = 1.73 meq / g
Figure 2007149653

実施例2
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO86ml、合成例2で得られたモノマーB5.00g(17.06mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 2007149653
(住友化学製スミカエクセル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、下記一般式(11)で示されるポリアリーレン系高分子4.73gを得た。IECは2.35meq/gであり、IECから求められた繰り返し構造単位の比率をa/(a+((n+1)×b)で表すと、0.47であった。また、上記の方法で求めたプロトン伝導度とメタノール透過係数を表−1に示す(なお、括弧内は測定条件下での高分子電解質膜の膜厚を示す)。
Mn=93000、Mw=186000
Figure 2007149653
Example 2
Under an argon atmosphere, in a flask, 86 ml of DMSO, 5.00 g (17.06 mmol) of monomer B obtained in Synthesis Example 2, and the following polyethersulfone which is terminal chloro type
Figure 2007149653
(Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.44 × 10 4 , Mw = 1.23 × 10 5 ) 2.27 g, 2,2′-bipyridyl 10.31 g (65.999 mmol) was 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 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 give the following general formula (11). 4.73 g of the polyarylene polymer shown was obtained. The IEC was 2.35 meq / g, and the ratio of the repeating structural units obtained from IEC was 0.47 when expressed as a / (a + ((n + 1) × b). The proton conductivity and methanol permeability coefficient are shown in Table 1 (note that the values in parentheses indicate the thickness of the polymer electrolyte membrane under the measurement conditions).
Mn = 93000, Mw = 186000
Figure 2007149653

実施例3
アルゴン雰囲気下、フラスコに、DMSO85ml、合成例3で得られたモノマーC5.00g(15.57mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 2007149653
(住友化学製スミカエクセル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、下記一般式(12)で示されるポリアリーレン系高分子5.21gを得た。IECは2.67meq/gであり、IECから求められた繰り返し構造単位の比率をa/(a+((n+1)×b)で表すと、0.61であった。また、上記の方法で求めたプロトン伝導度とメタノール透過係数を表−1に示す(なお、括弧内は測定条件下での高分子電解質膜の膜厚を示す)。
Mn=130000、Mw=250000
Figure 2007149653
Example 3
Under an argon atmosphere, in a flask, 85 ml of DMSO, 5.00 g (15.57 mmol) of the monomer C obtained in Synthesis Example 3, and the following polyethersulfone which is a terminal chloro type
Figure 2007149653
(Sumitomo Chemical 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 becomes neutral, and then dried under reduced pressure to give the following general formula (12). 5.21 g of the polyarylene polymer shown was obtained. The IEC was 2.67 meq / g, and the ratio of repeating structural units determined from IEC was 0.61 when expressed as a / (a + ((n + 1) × b). The proton conductivity and methanol permeability coefficient are shown in Table 1 (note that the values in parentheses indicate the thickness of the polymer electrolyte membrane under the measurement conditions).
Mn = 130,000, Mw = 250,000
Figure 2007149653

Figure 2007149653
Figure 2007149653

燃料電池特性評価
上記IECの測定の方法と同様に、イオン交換基を遊離酸型(プロトン型)に変換した高分子電解質膜を用い、特開2004−319139号公報に記載の方法に準拠し膜−電極接合体を作成した。ただし電極インクとして、アノードにはカーボンに担持された白金ルテニウム触媒(N.E.CHEMCAT社製、Pt/Ru=60/40 g/g)とAldrich社製5重量%Nafion溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物)にエタノールを加えたインクを、カソードにはカーボンに担持された白金触媒(N.E.CHEMCAT社製)、とAldrich社製5重量%Nafion溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物)にエタノールを加えたインクを用いて、両極共に白金量が1.0g/cm2となるように膜にインクを直接塗布した。拡散層として、アノードにはカーボンペーパーを、カソードにはカーボンクロスを用いた。該接合体を40℃に保ち、アノードには10重量%メタノール水溶液を、カソードには無加湿の空気ガスを流し、その発電特性を測定することによって行なった。
Evaluation of fuel cell characteristics Similar to the IEC measurement method, a polymer electrolyte membrane in which an ion exchange group is converted into a free acid type (proton type) is used, and the membrane is compliant with the method described in JP-A-2004-319139. -An electrode assembly was prepared. However, as the electrode ink, a platinum ruthenium catalyst (manufactured by NE CHEMCAT, Pt / Ru = 60/40 g / g) supported on carbon and an Aldrich 5 wt% Nafion solution (solvent: water and A mixture of lower alcohols) and ethanol added to the cathode, platinum catalyst supported by carbon (manufactured by NE CHEMCAT) on the cathode, and 5 wt% Nafion solution (solvent: water and lower alcohol) made by Aldrich. The ink was directly applied to the film using an ink obtained by adding ethanol to the mixture) so that the amount of platinum was 1.0 g / cm 2 for both electrodes. As the diffusion layer, carbon paper was used for the anode and carbon cloth was used for the cathode. The joined body was kept at 40 ° C., and a 10 wt% methanol aqueous solution was flowed to the anode and non-humidified air gas was flowed to the cathode, and the power generation characteristics were measured.

実施例4
実施例2で得られたポリアリーレン系高分子を用いて上記方法で膜−電極接合体を作成し、発電特性を測定した。結果を表−2に示す。
Example 4
Using the polyarylene polymer obtained in Example 2, a membrane-electrode assembly was prepared by the above method, and the power generation characteristics were measured. The results are shown in Table-2.

実施例5
実施例3で得られたポリアリーレン系高分子を用いて上記方法で膜−電極接合体を作成し、発電特性を測定した。結果を表−2に示す。
Example 5
Using the polyarylene polymer obtained in Example 3, a membrane-electrode assembly was prepared by the above method, and power generation characteristics were measured. The results are shown in Table-2.

比較例1
Nafion115(Du Pont社製)を用いて、上記方法で膜−電極接合体を作成し、発電特性を測定した。結果を表−2に示す。
Comparative Example 1
Using Nafion 115 (manufactured by Du Pont), a membrane-electrode assembly was prepared by the above method, and power generation characteristics were measured. The results are shown in Table-2.

Figure 2007149653
Figure 2007149653

Claims (10)

下記一般式(1)で示される繰り返し構造単位を有することを特徴とする直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。
Figure 2007149653
(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、iは、0〜3の数を表し、kは1〜12の数を表し、lは、Yが直接結合又は2価の芳香族基の場合は1、Yが3価の芳香族基の場合は2を表す。R3は、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よいアリール基を表し、R3が複数ある場合は、それらは同一でも異なっていてもよい。)
A polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell, characterized by having a repeating structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 2007149653
(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, i represents a number of 0 to 3, k represents a number of 1 to 12, and l represents that Y is a direct bond or 1 represents a divalent aromatic group, and 2 represents a trivalent aromatic group, and R 3 represents a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or 6 to 6 carbon atoms. 18 represents an optionally substituted aryl group, and when there are a plurality of R 3 , they may be the same or different.)
一般式(1)で表される繰返し構造単位の90%以上がパラ位で結合し、主鎖を構成していることを特徴とする請求項1記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。 The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein 90% or more of the repeating structural units represented by the general formula (1) are bonded at the para position to constitute a main chain. さらに下記一般式(2)及び/又は(3)で示される繰り返し構造単位を有することを特徴とする請求項1又は2記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。
Figure 2007149653
(式中、Ar1、Ar2は互いに独立に芳香環を有する2価の基を表し、ここで該2価の基にある芳香環は炭素数が1〜10であるアルキル基又は炭素数が6〜18であるアリール基で置換されていてもよく、Zは、−O−、−SO2−、−CO−のいずれかを表し、Zが複数ある場合、それらは同一でも異なっていてもよい。mは1以上の整数を、nは0以上の整数を表し、R4は、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、R4が複数ある場合は、それらは同一でも異なっていてもよい。pは0〜4の数を表す。)
The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2, further comprising a repeating structural unit represented by the following general formula (2) and / or (3).
Figure 2007149653
(In the formula, Ar 1 and Ar 2 independently represent a divalent group having an aromatic ring, and the aromatic ring in the divalent group is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a carbon number. 6 to 18 may be substituted with an aryl group, Z represents any of —O—, —SO 2 —, and —CO—, and when there are a plurality of Z, they may be the same or different. M is an integer of 1 or more, n is an integer of 0 or more, and R 4 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms. Or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and when there are a plurality of R 4 s , they may be the same or different, and p represents a number of 0 to 4. )
主鎖中に一般式(1)で示される繰り返し構造単位と、一般式(3)で示される繰り返し構造単位を有し、且つ一般式(3)で表される繰り返し構造単位の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記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。 90% or more of the repeating structural units represented by the general formula (1) and the repeating structural units represented by the general formula (3) in the main chain and represented by the general formula (3) The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to claim 3, wherein the polymer electrolyte is bonded at a 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直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。 Y is a direct bond, The polymer electrolyte for direct methanol fuel cells in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. iが0である請求項1〜5のいずれか記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。 i is 0, The polymer electrolyte for direct methanol fuel cells 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いずれかに記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。 The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the ion exchange capacity is 0.5 meq / g to 4 meq / g. 一般式(1)で表される繰り返し構造単位からなるブロックと、一般式(2)で表される繰り返し構造単位及び一般式(3)で表される繰り返し構造単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位からなるブロックとを有するブロック共重合体であることを特徴とする請求項1〜7いずれかに記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質。 At least one structure selected from a block consisting of a repeating structural unit represented by general formula (1), a repeating structural unit represented by general formula (2), and a repeating structural unit represented by general formula (3) The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 7, which is a block copolymer having a unit block. 請求項1〜8いずれかに記載の高分子電解質を用いてなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池用高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, comprising the polymer electrolyte according to claim 1. 請求項9記載の直接メタノール型燃料電池用高分子電解質膜を使用した直接メタノール型燃料電池。 A direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to claim 9.
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