JP2007191694A - Copolymer, polymer electrolyte, and use thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a copolymer, which can be synthesized relatively easily, and from which a membrane material having practical proton conductivity and excellent water resistance for a fuel cell can be obtained; and to provide a fuel cell using the copolymer. <P>SOLUTION: [1] The copolymer is prepared by mixing and polycondensating the following monomers (A), (B), (C) and (D). (A) is a monomer having two leaving groups and at least one acid group in its molecule; (B) is a monomer having two nucleophilic groups and at least one acid group in its molecule; (C) is a monomer having two leaving groups and substantially not having any acid group in its molecule; and (D) is a monomer having two nucleophilic groups and substantially not having any acid group in its molecule. [2] A polymer electrolyte includes the copolymer [1], and a polymer electrolyte membrane includes the polymer electrolyte. [3] A fuel cell includes the polymer electrolyte membrane [2]. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電池、なかでも燃料電池の隔膜材料として好適に用いられる共重合体、高分子電解質及びその用途に関する。 The present invention relates to a copolymer, a polymer electrolyte, and a use thereof suitably used as a diaphragm material for a battery, particularly a fuel cell.

一次電池、二次電池、あるいは固体高分子型燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜として、プロトン伝導性を有する高分子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基を有するパーフルオロアルカン系高分子を有効成分とする高分子電解質が、燃料電池用の隔膜材料として用いた場合に、発電特性が優れることから、従来主に使用されてきていた。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た。 A polymer electrolyte having proton conductivity is used as a diaphragm of an electrochemical device such as a primary battery, a secondary battery, or a solid polymer fuel cell. For example, a polymer electrolyte containing a perfluoroalkane polymer having a perfluoroalkylsulfonic acid group as a super strong acid in the side chain, such as Nafion (a registered trademark of DuPont), as an active ingredient is used for a fuel cell. When used as a diaphragm material, it has been used mainly because of its excellent power generation characteristics. However, problems have been pointed out such as this type of material being very expensive, low heat resistance, low film strength, and impractical without some reinforcement.

こうした状況において、上記高分子電解質に替わり得る安価で特性の優れた高分子電解質の開発が近年活発化してきている。
例えば、スルホン酸基が実質的に導入されていないセグメントおよびスルホン酸基が導入されたセグメントを有するブロック共重合体であって、前者のセグメントがポリエーテルスルホンからなり、後者のセグメントがジフェニルスルホンとスルホン酸基を有するビフェノールとの縮合体であるブロック共重合体が提案されている(特許文献1)。
一方、前記ブロック共重合体に対して、酸基が高分子鎖中にランダムに分布している、いわゆるランダム共重合体も検討されており、スルホン酸基が導入された一種類のモノマーと、スルホン酸基が導入されていないモノマーとのランダム共重合体(例えば特許文献2〜5参照)や、ポリエーテルスルホン共重合体をスルホン化して得られるランダム共重合体(例えば、特許文献6参照)が提案されている。
Under such circumstances, development of inexpensive and excellent polymer electrolytes that can replace the polymer electrolytes has recently been activated.
For example, a block copolymer having a segment in which a sulfonic acid group is not substantially introduced and a segment in which a sulfonic acid group is introduced, wherein the former segment is made of polyethersulfone and the latter segment is diphenylsulfone and A block copolymer which is a condensate with a biphenol having a sulfonic acid group has been proposed (Patent Document 1).
On the other hand, a so-called random copolymer in which acid groups are randomly distributed in the polymer chain with respect to the block copolymer has been studied, and one kind of monomer having a sulfonic acid group introduced therein, Random copolymers (for example, refer to Patent Documents 2 to 5) with monomers into which a sulfonic acid group has not been introduced, and random copolymers obtained by sulfonating a polyethersulfone copolymer (for example, refer to Patent Document 6) Has been proposed.

特開2003−031232号公報(特許請求の範囲)JP 2003-031232 A (Claims) 特表2004−509224号公報(特許請求の範囲、段落[0047])Japanese translation of PCT publication No. 2004-509224 (claims, paragraph [0047]) 特表2006−523258号公報(段落[0013]〜[0018])JP-T-2006-523258 (paragraphs [0013] to [0018]) 米国特許2002/0091225号(段落[0011]〜[0028])US 2002/0091225 (paragraphs [0011] to [0028]) 特開2004−149779公報(実施例)JP 2004-149779 A (Example) 特開平10−021943公報(実施例)JP 10-021943 A (Example)

特許文献1に開示されているブロック共重合体は、スルホン酸基が実質的に導入されていないセグメントまたはスルホン酸基が導入されたセグメントのどちらか一方を予め合成してから、他方のセグメントを形成しうるモノマーと共重合させるか、前記のセグメントを形成できるポリマーを別々に合成してから、両者をさらにカップリングするといった合成が必要であり、合成自体が煩雑であるという問題があった。 The block copolymer disclosed in Patent Document 1 is prepared by previously synthesizing either a segment in which a sulfonic acid group is not substantially introduced or a segment in which a sulfonic acid group is introduced. There is a problem in that the synthesis itself is complicated because it requires copolymerization with a monomer that can be formed, or after the polymers that can form the above-mentioned segments are separately synthesized and then further coupled together.

一方、特許文献2〜6に開示されているランダム共重合体は、前記ブロック共重合体と比較して合成自体は、比較的容易であるが、電池の隔膜材料として実用的なプロトン伝導度を得ようとすると、該ランダム共重合体の吸水率が高くなり、得られる隔膜は、燃料電池稼動時に発生する水によって大きな寸法変化を生じて、機械的強度が低下するといった問題があった。特に、本発明者が検討した結果、これまで開示されているランダム共重合体からなる高分子電解質は、100℃程度の熱水に対する吸水性が著しく大となるため、燃料電池の隔膜(高分子電解質膜)に使用した場合、発電にともなう発熱によって、高分子電解質膜自体が吸水変形しやすく、その形状を保つことが困難であった。
本発明の目的は、比較的容易に製造することが可能で、燃料電池用として、実用的なプロトン伝導度と耐水性に優れる燃料電池用部材、特に優れた隔膜材料を得ることができる共重合体、高分子電解質を提供し、さらにこれを用いてなる安定的な発電性能を有する燃料電池を提供するものである。
On the other hand, the random copolymers disclosed in Patent Documents 2 to 6 are relatively easy to synthesize compared with the block copolymer, but have a practical proton conductivity as a battery diaphragm material. When trying to obtain, the water absorption rate of the random copolymer is increased, and the obtained diaphragm has a problem that mechanical strength is lowered due to a large dimensional change caused by water generated during operation of the fuel cell. In particular, as a result of the study by the present inventors, the polymer electrolyte composed of the random copolymer disclosed so far has a significantly large water absorption for hot water at about 100 ° C. When used for an electrolyte membrane), the polymer electrolyte membrane itself easily absorbs and deforms due to heat generated by power generation, and it is difficult to maintain its shape.
An object of the present invention is to provide a fuel cell member excellent in practical proton conductivity and water resistance, particularly a good separation material that can be manufactured relatively easily and is excellent in water resistance. The present invention provides a polymer electrolyte and a fuel cell having a stable power generation performance using the polymer electrolyte.

本発明者等は、前記課題を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have completed the present invention.

すなわち本発明は、
[1]下記の(A)、(B)、(C)及び(D)で示されるモノマーを混合して縮合させた共重合体
(A)分子内に2つの脱離基を有し、さらに少なくとも1つの酸基を有するモノマー
(B)分子内に2つの求核基を有し、さらに少なくとも1つの酸基を有するモノマー
(C)分子内に2つの脱離基を有し、実質的に酸基を有さないモノマー
(D)分子内に2つの求核基を有し、実質的に酸基を有さないモノマー
を提供する。
ここで、求核基とは、求核性を有する基を表し、脱離基が結合している原子に作用し、脱離基の脱離を伴って、新たに共有結合を形成しうるものである。
本発明の共重合体は、前記(A)から誘導される構造単位(A’)が、前記(B)から誘導される構造単位(B’)及び/又は、前記(D)から誘導される構造単位(D’)と隣接し、同様に構造単位(B’)が構造単位(A’)及び/又は前記(C)から誘導される構造単位(C’)と隣接し、また、構造単位(C’)は構造単位(B’)及び/又は構造単位(D’)と隣接し、構造単位(D’)は構造単位(A’)及び/又は構造単位(C’)と隣接するように、高分子鎖中で構造単位(A’)、(B’)、(C’)及び(D’)が配された共重合体となる。
That is, the present invention
[1] A copolymer obtained by mixing and condensing monomers represented by the following (A), (B), (C) and (D): (A) having two leaving groups in the molecule; A monomer having at least one acid group (B) a monomer having two nucleophilic groups in the molecule and a monomer having at least one acid group (C) having two leaving groups in the molecule, Monomer not having acid group (D) A monomer having two nucleophilic groups in the molecule and substantially having no acid group is provided.
Here, the nucleophilic group represents a group having nucleophilicity, which acts on the atom to which the leaving group is bonded, and can form a new covalent bond with the elimination of the leaving group. It is.
In the copolymer of the present invention, the structural unit (A ′) derived from (A) is derived from the structural unit (B ′) derived from (B) and / or (D). Adjacent to the structural unit (D ′), and similarly the structural unit (B ′) is adjacent to the structural unit (A ′) and / or the structural unit (C ′) derived from (C), and the structural unit (C ′) is adjacent to the structural unit (B ′) and / or the structural unit (D ′), and the structural unit (D ′) is adjacent to the structural unit (A ′) and / or the structural unit (C ′). And a copolymer in which structural units (A ′), (B ′), (C ′) and (D ′) are arranged in the polymer chain.

さらに、本発明は、下記の[2]〜[8]で示される共重合体を提供するものである。
[2]前記(A)が、下記式(1)で示される化合物を含む[1]の共重合体

Figure 2007191694

(式中、kは0、1又は2を表し、Ar1、Ar2は互いに独立に2価の芳香族基を表し、kが2の場合は、2つのAr2は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基、フルオロ基、ニトロ基又はベンゾイル基で置換されていてもよい。kが0である場合はAr1が、kが1以上である場合は、Ar1、Ar2のいずれかが、少なくとも一つの酸基を有する。X1は脱離基を表し、ここで脱離基はフルオロ基、クロロ基、ニトロ基又はトリフルオロメタンスルホニルオキシ基のいずれかを表し、2つのX1は互いに同じでも、異なっていてもよい。Z1は下記の群から選ばれる基であり、kが2の場合、2つのZ1は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694
[3]前記(B)が、下記式(2)で示される化合物を含む[1]又は[2]の共重合体
Figure 2007191694
(式中、jは0、1又は2を表し、Ar3、Ar4は互いに独立に2価の芳香族基を表し、jが2の場合、2つのAr4は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、または置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基で置換されていてもよい。jが0である場合はAr3が、jが1以上である場合は、Ar3、Ar4のいずれかが、少なくとも一つの酸基を有する。Y1は、フェノール性水酸基、チオール基又はアミノ基を表し、2つのY1は、互いに同じでも、異なっていてもよい。Q1は直接結合、及び下記の群から選ばれる基を表し、jが2の場合、2つのQ1は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694
[4]前記(C)が、下記式(3)で示される化合物を含む[1]〜[3]いずれかの共重合体
Figure 2007191694

(式中、mは0、1又は2を表し、Ar5、Ar6は互いに独立に2価の芳香族基を表し、mが2の場合、2つのAr6は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基、フルオロ基、ニトロ基又はベンゾイル基で置換されていてもよい。X2は脱離基を表し、ここで脱離基はフルオロ基、クロロ基、ニトロ基又はトリフルオロメタンスルホニルオキシ基から選ばれ、2つのX2は互いに同じでも、異なっていてもよい。Z2は下記の群から選ばれ、mが2の場合、2つのZ2は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694

[5]前記(D)が、下記式(4)で示される化合物を含む[1]〜[4]いずれかの共重合体
Figure 2007191694
(式中、nは0,1又は2を表し、Ar7、Ar8は互いに独立に2価の芳香族基を表し、nが2の場合、2つのAr8は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、または置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基で置換されていてもよい。Y2はフェノール性水酸基、チオール基又はアミノ基を表し、2つのY2は互いに同じでも、異なっていてもよい。Q2は直接結合、または下記の群から選ばれる基であり、nが2の場合、2つのQ2は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
[6]酸基が、強酸基又は超強酸基であることを特徴とする、[1]〜[5]いずれかの共重合体
[7]イオン交換容量が、0.1meq/g〜4.0meq/gであることを特徴とする[1]〜[6]いずれかの共重合体
[8]共重合体中、酸基が導入された構造単位と、酸基が実質的に導入されていない構造単位の重量組成比が、[酸基が導入された構造単位]:[酸基が実質的に導入されていない構造単位]で表して、3:97〜70:30であることを特徴とする[1]〜[7]いずれかの共重合体 Furthermore, this invention provides the copolymer shown by following [2]-[8].
[2] The copolymer of [1], wherein (A) comprises a compound represented by the following formula (1)
Figure 2007191694

(In the formula, k represents 0, 1 or 2, Ar 1 and Ar 2 each independently represents a divalent aromatic group, and when k is 2, two Ar 2 s are the same as or different from each other. Here, these divalent aromatic groups may have a C1-C10 alkyl group which may have a substituent, a C1-C10 alkoxy group which may have a substituent, a substitution The aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a group, the aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent, a fluoro group, a nitro group or a benzoyl group may be substituted. If it is 0, the Ar 1, if k is 1 or more, one of Ar 1, Ar 2 is, .X 1 having at least one acid group represents a leaving group, where the leaving group Is fluoro, chloro, nitro or trifluoromethanesulfonyloxy Any one of the groups, and two X 1 may be the same or different from each other, Z 1 is a group selected from the following group, and when k is 2, the two Z 1 may be the same as each other, May be different.)
Figure 2007191694
[3] The copolymer of [1] or [2], wherein (B) comprises a compound represented by the following formula (2)
Figure 2007191694
(Wherein j represents 0, 1 or 2, Ar 3 and Ar 4 each independently represent a divalent aromatic group, and when j is 2, two Ar 4 s may be the same or different from each other. Here, these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and a substituent. Or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent, or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and when j is 0, Ar 3 is If j is 1 or more, any of Ar 3, Ar 4 are the .Y 1 having at least one acid group, a hydroxyl group, a thiol group, or an amino group, the two Y 1 are each It is the same, or different may .Q 1 also be a direct bond, and the following groups It represents et chosen group, when j is 2, two Q 1 is also the same as each other or may be different.)
Figure 2007191694
[4] The copolymer according to any one of [1] to [3], wherein (C) includes a compound represented by the following formula (3):
Figure 2007191694

(In the formula, m represents 0, 1 or 2, Ar 5 and Ar 6 each independently represent a divalent aromatic group, and when m is 2, two Ar 6 are the same as or different from each other. Here, these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and a substituent. also aryl group having 6 to 10 carbon atoms having a may also have a substituent aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, a fluoro group, optionally .X 2 be substituted by nitro group or a benzoyl group represents a leaving group, where the leaving group is fluoro, chloro, selected from a nitro group or a trifluoromethanesulfonyloxy group, also the two X 2 are identical to each other, may .Z 2 be different from the following It is selected from the group, when m is 2, two Z 2 Be the same each other, it may be different.)
Figure 2007191694

[5] The copolymer according to any one of [1] to [4], wherein (D) includes a compound represented by the following formula (4):
Figure 2007191694
(In the formula, n represents 0, 1 or 2, Ar 7 and Ar 8 each independently represent a divalent aromatic group, and when n is 2, two Ar 8 are the same or different from each other. Here, these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and a substituent. It may be substituted with an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, which may have a substituent, or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, which may have a substituent, and Y 2 is a phenolic hydroxyl group, a thiol group or an amino group. And two Y 2 s may be the same or different from each other, Q 2 is a direct bond or a group selected from the following group, and when n is 2, two Q 2 s may be the same as each other , May be different.)
[6] The copolymer according to any one of [1] to [5], wherein the acid group is a strong acid group or a super strong acid group. [7] The ion exchange capacity is 0.1 meq / g to 4. In the copolymer [8] copolymer according to any one of [1] to [6], which is 0 meq / g, the structural unit having an acid group introduced therein and the acid group being substantially introduced. The weight composition ratio of the non-structural units is 3:97 to 70:30, represented by [structural unit into which acid groups are introduced]: [structural unit into which acid groups are not substantially introduced]. Any one of [1] to [7]

また、本発明は、
[9][1]〜[8]いずれかの共重合体を含む高分子電解質
を提供する。さらに、前記[9]記載の高分子電解質から、下記の[10]〜[11]を提供するものである。
[10][9]の高分子電解質を含むことを特徴とする高分子電解質膜
[11][9]の高分子電解質を多孔質基材に含浸させ、複合化することを特徴とする高分子電解質複合膜
[12][9]の高分子電解質と、触媒物質とを含むことを特徴とする触媒組成物
The present invention also provides:
[9] A polymer electrolyte comprising any one of the copolymers [1] to [8] is provided. Furthermore, the following [10] to [11] are provided from the polymer electrolyte described in [9].
[10] A polymer comprising the polymer electrolyte of [9] [9], wherein the polymer electrolyte of [9] [9] is impregnated into a porous substrate, and composited A catalyst composition comprising a polymer electrolyte of an electrolyte composite membrane [12] [9] and a catalyst substance

さらに、本発明は上記の[10]〜[12]を高分子電解質型燃料電池用の部材として用い、下記の[13]〜[15]の高分子電解質型燃料電池を提供するものである。
[13][10]記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池
[14][11]記載の高分子電解質複合膜を用いてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池
[15][12]記載の触媒組成物から得られる触媒層を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池
Furthermore, the present invention provides the following polymer electrolyte fuel cells [13] to [15] using the above [10] to [12] as members for polymer electrolyte fuel cells.
[13] A polymer electrolyte membrane characterized by using the polymer electrolyte membrane according to [10], and a polymer electrolyte composite membrane according to [14] [11] A polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer obtained from the catalyst composition according to the molecular electrolyte fuel cell [15] [12]

本発明の共重合体は、高分子電解質、なかでも燃料電池のプロトン伝導膜として、耐水性、製膜性、及びプロトン伝導度などの諸特性において優れた性能を示す。とりわけ耐水性に優れる。
そのうえ燃料電池のプロトン伝導膜として用いた場合、高い発電特性を示すので、本発明の共重合体は高分子電解質として工業的に有利である。
The copolymer of the present invention exhibits excellent performance in various properties such as water resistance, film-forming property, and proton conductivity as a polymer electrolyte, particularly a proton conductive membrane of a fuel cell. Excellent water resistance.
In addition, when used as a proton conductive membrane of a fuel cell, the copolymer of the present invention is industrially advantageous as a polymer electrolyte because it exhibits high power generation characteristics.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
本発明の共重合体は、必須のモノマーとして酸基を有する特定の二種類のモノマー(前記の(A)及び(C))と、酸基を実質的に有さない特定の二種類のモノマー(前記の(B)及び(D))とを、混合して重縮合させることによって得ることを特徴とする。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
The copolymer of the present invention comprises two specific types of monomers having acid groups as the essential monomers (the above (A) and (C)) and two specific types of monomers substantially free of acid groups. (B) and (D) above are obtained by mixing and polycondensing.

前記(A)は、前記式(1)で表される化合物を含むと好ましい。ここで、酸基は、kが0である場合はAr1に、kが1以上である場合は、Ar1、Ar2のいずれか少なくとも一つに有することを特徴とする。Ar1、Ar2は2価の芳香族基を表し、該2価の芳香族基としては、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニリレン基、フルオレンジイル基などの炭化水素系芳香族基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイルなどの複素環基が挙げられ、中でも2価の炭化水素系芳香族基が好ましく、フェニレン基、ナフチレン基が特に好ましい。また、kが1である場合はAr1とAr2、kが2である場合は、Ar1と2つのAr2は同一でも異なっていてもよい。 The (A) preferably includes the compound represented by the formula (1). Here, when k is 0, the acid group is present in Ar 1, and when k is 1 or more, the acid group is present in at least one of Ar 1 and Ar 2 . Ar 1 and Ar 2 represent a divalent aromatic group, and examples of the divalent aromatic group include hydrocarbon aromatic groups such as a phenylene group, a naphthylene group, a biphenylylene group, and a fluorenediyl group, pyridinediyl, Examples thereof include heterocyclic groups such as quinoxalinediyl and thiophenediyl. Among them, a divalent hydrocarbon-based aromatic group is preferable, and a phenylene group and a naphthylene group are particularly preferable. Further, when k is 1, Ar 1 and Ar 2 , and when k is 2, Ar 1 and two Ar 2 may be the same or different.

ここで、前記の2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基、ニトロ基、ベンゾイル基等で置換されていても良く、置換基を有することもある炭素数1〜10の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、アリル基、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−エチルヘキシル基などが挙げられ、これらの基にフッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子のハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基及びナフチルオキシ基から選ばれる置換基が置換していてもよい。 Here, the said bivalent aromatic group has a C1-C10 alkyl group which may have a substituent, a C1-C10 alkoxy group which may have a substituent, and a substituent. There may be an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms that may have a substituent, a nitro group, a benzoyl group, etc., and a carbon that may have a substituent. Examples of the alkyl group having 1 to 10 include, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, allyl group, n-butyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, isobutyl group, and n-pentyl. Group, 2,2-dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, 2-ethylhexyl group and the like. A substituent selected from a halogen atom of chlorine atom, bromine atom or iodine atom, hydroxyl group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group and naphthyloxy group. May be.

置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、n−ペンチルオキシ基、2,2−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、2−メチルペンチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基などが挙げられ、これらの基にハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基及びナフチルオキシ基から選ばれる置換基が置換していてもよい。 Examples of the alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms that may have a substituent include a methoxy group, an ethoxy group, an n-propyloxy group, an isopropyloxy group, an n-butyloxy group, a sec-butyloxy group, a tert-butyloxy group, Isobutyloxy group, n-pentyloxy group, 2,2-dimethylpropyloxy group, cyclopentyloxy group, n-hexyloxy group, cyclohexyloxy group, 2-methylpentyloxy group, 2-ethylhexyloxy group, and the like. These groups may be substituted with a substituent selected from a halogen atom, hydroxyl group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group and naphthyloxy group.

また置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基などが挙げられ、これらの基にハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基及びナフチルオキシ基から選ばれる置換基が置換していてもよい。 Examples of the aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent include a phenyl group and a naphthyl group. These groups include a halogen atom, a hydroxyl group, an amino group, a methoxy group, an ethoxy group, and isopropyl. A substituent selected from an oxy group, a phenyl group, a naphthyl group, a phenoxy group, and a naphthyloxy group may be substituted.

置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基としては、例えばフェノキシ基、ナフチルオキシ基などが挙げられ、これらの基にフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基及びナフチルオキシ基から選ばれる置換基が置換していてもよい。 Examples of the aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms that may have a substituent include a phenoxy group and a naphthyloxy group. These groups include a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom. , A hydroxyl group, an amino group, a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a phenyl group, a naphthyl group, a phenoxy group, and a naphthyloxy group may be substituted.

式(1)におけるAr1、Ar2は、上記のような置換基を有することもある2価の芳香族基を表すが、なかでもAr1、Ar2としては無置換のフェニレン基、またはナフチレン基が好ましく、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基、3,3’−ビフェニリレン基、3,4’−ビフェニリレン基、4,4’−ビフェニリレン基が好ましい。 Ar 1 and Ar 2 in the formula (1) represent a divalent aromatic group that may have the above-described substituents, and among them, Ar 1 and Ar 2 are unsubstituted phenylene groups or naphthylenes. Group is preferred, 1,3-phenylene group, 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, 1,4-naphthalenediyl group, 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group, 3,3′-biphenylylene group, 3,4′-biphenylylene group, and 4,4′-biphenylylene group are preferable.

また、式(1)におけるkは0、1又は2を表し、Z1は、CO(カルボニル基)またはSO2(スルホニル基)またはCOCO(ジカルボニル基)を表す。kが2の場合、2つのZ1は、互いに同一でも異なっていてもよいが、Z1は同一であることが特に好ましい。 In the formula (1), k represents 0, 1 or 2, and Z 1 represents CO (carbonyl group), SO 2 (sulfonyl group) or COCO (dicarbonyl group). When k is 2, two Z 1 s may be the same or different from each other, but it is particularly preferable that Z 1 be the same.

本発明においては、前記のようにAr1、Ar2のうち、Ar1、Ar2のいずれかが少なくとも一つは酸基を有していることを特徴とするが、kが1以上の場合、Ar1、Ar2で示される基の全てが酸基を有していることが好ましい。 In the present invention, as described above, at least one of Ar 1 and Ar 2 out of Ar 1 and Ar 2 has an acid group, but k is 1 or more. , Ar 1 and Ar 2 are preferably all having an acid group.

ここで、酸基としては、例えば、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン酸基(−PO32)、リン酸基(−OPO32)などの弱酸基、スルホン酸基(−SO3H)、スルホニルイミド基(−SO2NHSO2−R、ただしRは炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基を表す)などの強酸基、パーフルオロアルキレンスルホン酸基、パーフルオロフェニレンスルホン酸基、パーフルオロアルキレンスルホニルイミド基などの超強酸基が挙げられる。中でもpKa値により表される酸解離定数が2以下である強酸基、超強酸基が好ましく、例えば、スルホン酸基、パーフルオロアルキレンスルホン酸基、パーフルオロフェニレンスルホン酸基が好適である。また、これらの酸基がプロトン酸である場合は、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンまたはアンモニウムイオンなどで塩を形成してもよく、これらの塩を形成している酸基は、本発明の共重合体を形成せしめた後、酸処理でイオン交換させることにより、容易に遊離酸の形に戻すことができる。 Here, examples of the acid group include weak acid groups such as carboxyl group (—COOH), phosphonic acid group (—PO 3 H 2 ), and phosphoric acid group (—OPO 3 H 2 ), and sulfonic acid groups (—SO 3). H), a strong acid group such as a sulfonylimide group (—SO 2 NHSO 2 —R, wherein R represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms), a perfluoroalkylenesulfonic acid group, Super strong acid groups such as a perfluorophenylene sulfonic acid group and a perfluoroalkylene sulfonylimide group may be mentioned. Among them, a strong acid group and a super strong acid group having an acid dissociation constant represented by a pKa value of 2 or less are preferable. For example, a sulfonic acid group, a perfluoroalkylenesulfonic acid group, and a perfluorophenylenesulfonic acid group are preferable. Further, when these acid groups are protonic acids, salts may be formed with alkali metal ions, alkaline earth metal ions, ammonium ions, etc., and the acid groups forming these salts are the present invention. After the copolymer is formed, it can be easily returned to the free acid form by ion exchange by acid treatment.

式(1)で表される化合物の好ましい例としては、例えば、以下の(1)−1〜(1)−4が挙げられる。

Figure 2007191694
(式中、r、sはそれぞれ独立に0又は1を表すが、r+sは1又は2である。Mは水素原子、カリウム原子、ナトリウム原子又はリチウム原子を表し、Mが複数ある場合、それらは同一でも異なっていてもよい。) Preferable examples of the compound represented by the formula (1) include the following (1) -1 to (1) -4.
Figure 2007191694
(In the formula, r and s each independently represent 0 or 1, but r + s is 1 or 2. M represents a hydrogen atom, a potassium atom, a sodium atom, or a lithium atom. They may be the same or different.)

前記(B)としては、前記式(2)で表される化合物を含むと好ましい。
ここで、酸基は、jが0である場合はAr3に、jが1以上である場合は、Ar3、Ar4のいずれか少なくとも一つに有することを特徴とする。Ar3、Ar4は2価の芳香族基を表し、該2価の芳香族基としては、前記のAr1、Ar2と同等の基を挙げることができ、jが2である場合は、Ar3と2つのAr4は互いに同一でも異なっていてもよい。また、Y1で示される求核基の中でフェノール性水酸基は、縮合反応過程で適当な塩基でフェノラート基に変換し、求核基として作用する基であり、さらには本発明の共重合中でエーテル結合となって存在する基であり、酸基とは見なさない。
これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基または置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基で置換されていてもよく、該アルキル基、該アルコキシ基、該アリール基又は該アリールオキシ基の具体例としては、前記と同じものが挙げられる。
The (B) preferably includes a compound represented by the formula (2).
Here, the acid group is characterized by having Ar 3 when j is 0, and at least one of Ar 3 and Ar 4 when j is 1 or more. Ar 3 and Ar 4 represent a divalent aromatic group, and examples of the divalent aromatic group include the same groups as Ar 1 and Ar 2 described above, and when j is 2, Ar 3 and the two Ar 4 may be the same as or different from each other. In the nucleophilic group represented by Y 1 , the phenolic hydroxyl group is a group that functions as a nucleophilic group by converting it to a phenolate group with an appropriate base in the condensation reaction process, and further during the copolymerization of the present invention. It is a group existing as an ether bond and is not regarded as an acid group.
These divalent aromatic groups have a C1-C10 alkyl group which may have a substituent, a C1-C10 alkoxy group which may have a substituent, and a carbon which may have a substituent. The alkyl group, the alkoxy group, the aryl group or the aryloxy group may be substituted with an aryl group having 6 to 10 carbon atoms or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent. Examples are the same as described above.

式(2)におけるAr3、Ar4、は、前記のような置換基を有することもある2価の芳香族基を表すが、中でもAr3、Ar4としては無置換のフェニレン基、ビフェニリレン基またはナフチレン基が好ましく、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基、3,3’−ビフェニリレン基、3,4’−ビフェニリレン基、又は4,4’−ビフェニリレン基が好ましい。 Ar 3 and Ar 4 in the formula (2) represent a divalent aromatic group that may have a substituent as described above. Among them, Ar 3 and Ar 4 are an unsubstituted phenylene group or biphenylylene group. Or a naphthylene group is preferable, 1,3-phenylene group, 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, 1,4-naphthalenediyl group, 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group Group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group, 3,3′-biphenylylene group, 3,4′-biphenylylene group, or 4,4′-biphenylylene group Is preferred.

また、式(2)におけるjは0、1又は2を、Q1は、直接結合又は、下記の群から選ばれる基を表す。jが2である場合は、2つのQ1は、互いに同一でも異なっていてもよいが、2つのQ1は同一であることが好ましい。

Figure 2007191694
In formula (2), j represents 0, 1 or 2, Q 1 represents a direct bond or a group selected from the following group. When j is 2, two Q 1 may be the same or different from each other, but the two Q 1 are preferably the same.
Figure 2007191694

式(2)で表される化合物の好ましい例としては、例えば、以下の(2)−1〜(2)−12が挙げられる。

Figure 2007191694
(式中、r、s及びMは前記と同義である。) Preferable examples of the compound represented by the formula (2) include the following (2) -1 to (2) -12.
Figure 2007191694
(In the formula, r, s and M have the same meanings as described above.)

次に、酸基を実質的に有さないモノマーについて説明する。ここで、「酸基を実質的に有さない」とは、前記のフェノール性水酸基の如く、本発明の共重合体を形成する過程で消失する酸基は存在したとしても実質的に有さないとする。 Next, a monomer substantially having no acid group will be described. Here, “substantially free of acid groups” means that substantially no acid groups exist in the process of forming the copolymer of the present invention, such as the above-mentioned phenolic hydroxyl groups, even if they exist. Suppose not.

前記(C)としては、式(3)で表される化合物を含むと好ましい。
式(3)におけるAr5、Ar6は、2価の芳香族基としては、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニリレン基、フルオレンジイル基等の炭化水素系芳香族基、ピリジンジイル基、キノキサリンジイル基、チオフェンジイル基等の複素環基が挙げられ、好ましくは、2価の炭化水素系芳香族基である。また、mが1である場合はAr5とAr6、mが2である場合は、Ar5と2つのAr6は同一でも異なっていてもよい。
これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基又は置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基、ニトロ基、ベンゾイル基で置換されていてもよく、該アルキル基、該アルコキシ基、該アリール基又は該アリールオキシ基の具体例としては、前記と同じものが挙げられる。
中でも、Ar5、Ar6としては無置換のフェニレン基、又はナフチレン基が好ましく、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基、3,3’−ビフェニリレン基、3,4’−ビフェニリレン基又は4,4’−ビフェニリレン基が好ましい。
The (C) preferably includes a compound represented by the formula (3).
In formula (3), Ar 5 and Ar 6 are divalent aromatic groups such as phenylene group, naphthylene group, biphenylylene group, fluorenediyl group and other hydrocarbon-based aromatic groups, pyridinediyl group, and quinoxalinediyl group. And a heterocyclic group such as a thiophenediyl group, preferably a divalent hydrocarbon aromatic group. When m is 1, Ar 5 and Ar 6 , and when m is 2, Ar 5 and the two Ar 6 may be the same or different.
These divalent aromatic groups have a C1-C10 alkyl group which may have a substituent, a C1-C10 alkoxy group which may have a substituent, and a carbon which may have a substituent. It may be substituted with an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, a nitro group or a benzoyl group, which may have an aryl group or a substituent of several 6 to 10, and the alkyl group, the alkoxy group, the aryl group or Specific examples of the aryloxy group include the same ones as described above.
Among them, as Ar 5 and Ar 6 , an unsubstituted phenylene group or naphthylene group is preferable, and 1,3-phenylene group, 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, 1,4-naphthalenediyl group are preferable. 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group, 3,3′-biphenylylene group, 3 4,4′-biphenylylene group or 4,4′-biphenylylene group is preferred.

また、式(3)におけるmは0、1又は2を、Z2は、CO、SO2又はCOCOを表す。mが2の場合、2つのZ2は、互いに同一でも異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。 In the formula (3), m represents 0, 1 or 2, and Z 2 represents CO, SO 2 or COCO. When m is 2, two Z 2 may be the same or different from each other, but are preferably the same.

式(3)で表される化合物の好ましい例としては、例えば、以下の(3)−1〜(3)−9が挙げられる。

Figure 2007191694
Preferable examples of the compound represented by the formula (3) include the following (3) -1 to (3) -9.
Figure 2007191694

前記(D)としては、式(4)で表される化合物を含むと好ましい。
式(4)におけるAr7、Ar8は2価の芳香族基を表し、前記Ar5、Ar6と同等の例示を挙げることができ、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基又は置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基で置換されていてもよく、該アルキル基、該アルコキシ基、該アリール基又は該アリールオキシ基の具体例としては、上記と同様のものが挙げられる。
中でも、Ar7、Ar8としては無置換のフェニレン基、ビフェニリレン基又はナフチレン基が好ましく、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基、3,3’−ビフェニリレン基、3,4’−ビフェニリレン基、又は4,4’−ビフェニリレン基が好ましい。
The (D) preferably includes a compound represented by the formula (4).
Ar 7 and Ar 8 in the formula (4) represent a divalent aromatic group, and examples equivalent to the above Ar 5 and Ar 6 can be given. These divalent aromatic groups have a substituent. It may have an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent or a substituent. The aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms may be substituted, and specific examples of the alkyl group, the alkoxy group, the aryl group or the aryloxy group include the same ones as described above.
Among them, as Ar 7 and Ar 8 , an unsubstituted phenylene group, biphenylylene group or naphthylene group is preferable, and 1,3-phenylene group, 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, 1,4-naphthalene group is preferable. Diyl group, 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group, 3,3′-biphenylylene group 3,4′-biphenylylene group or 4,4′-biphenylylene group is preferred.

また、式(4)におけるnは0、1又は2を、Q2は、直接結合又は、下記の群から選ばれる基を表す。nが2の場合、2つのQ2は、互いに同一でも異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。

Figure 2007191694
In formula (4), n represents 0, 1 or 2, and Q 2 represents a direct bond or a group selected from the following group. When n is 2, two Q 2 may be the same or different from each other, but are preferably the same.
Figure 2007191694

式(4)で表される化合物の好ましい例としては、例えば、以下の(4)−1〜(4)−26が挙げられる。

Figure 2007191694
Preferable examples of the compound represented by the formula (4) include the following (4) -1 to (4) -26.
Figure 2007191694

本発明の好ましい共重合体は、前記の式(1)〜式(4)で示される化合物をモノマーとして使用し、これらを混合して縮合することによって得られる。その製造方法としては、例えば、式(1)〜式(4)で示される化合物を塩基の作用下に求核置換的に縮合させる方法が挙げられる。
具体的には、予め式(1)〜式(4)で示される化合物と塩基性化合物を反応溶媒に投入して混合する。混合する際の順序は特に限定されないが、前記式(2)で表される化合物、式(4)で表される化合物、塩基性化合物及び溶媒を先に投入した後、前記式(1)と(3)を投入して混合するか、または式(1)〜(4)で表される化合物と溶媒とを混合した後、塩基性化合物を投入して混合するか、または式(1)〜(4)、塩基性化合物と溶媒とを投入して混合する混合手段が好ましい。縮合における、反応温度は好ましくは20〜300℃、さらに好ましくは50〜250℃、反応時間は好ましくは0.5〜500時間、さらに好ましくは1〜100時間で実施することができる。また、反応時の圧力は加圧又は減圧を行ってもよいが、好適には常圧(約1気圧)が設備上簡便であるため好ましい。反応溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジフェニルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン、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などのエーテル系溶媒、アセトン、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、ベンゾフェノンなどのケトン系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒、N,N−ジメチルアセトアミド(以下、DMAcと略すこともある)、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド(以下、DMFと略すこともある)、N−メチルホルムアミド、ホルムアミド、N−メチルピロリドン(以下、NMPと略すこともある)などのアミド系溶媒、ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトンなどのエステル類、アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類、スルホキシジメチルスルホキシド(以下、DMSOと略すこともある)、ジフェニルスルホン、スルホランなどを使用することができ、該反応溶媒は単独、2種以上を組み合わせて使用することができる。なお、反応溶媒の使用量は、適用するモノマーの合計重量に対し、1.0〜200.0重量倍、好ましくは2.0〜100.0重量倍使用する。なお、縮合反応初期又は縮合反応途中で副生する水分を除去することが好ましい。この水分を除去する手段としては、トルエンやキシレンを反応系に共存させて共沸物として水分を除去する手段や、モレキュラーシーブなどの吸水剤を反応系に共存させて脱水する手段を用いることができる。前記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又は炭酸水素カリウムを使用することができ、2種以上の塩基性化合物を混合して使用することもできるが、中でも炭酸カリウム、炭酸ナトリウム又は水酸化ナトリウムが好ましい。なお、該塩基性化合物の使用量としては、縮合反応に用いるモノマーにおいて、求核基の総モル当量数に対して、0.90〜10.00モル当量倍、好ましくは1.00〜3.00モル当量倍用いればよい。
The preferable copolymer of this invention is obtained by using the compound shown by said Formula (1)-Formula (4) as a monomer, mixing these, and condensing. Examples of the production method include a method of condensing nucleophilic substitution of the compounds represented by the formulas (1) to (4) under the action of a base.
Specifically, the compound represented by the formulas (1) to (4) and the basic compound are previously added to the reaction solvent and mixed. The order of mixing is not particularly limited, but after the compound represented by the formula (2), the compound represented by the formula (4), the basic compound and the solvent are first added, the formula (1) and (3) is added and mixed, or the compounds represented by the formulas (1) to (4) and the solvent are mixed, and then the basic compound is added and mixed, or the formulas (1) to (4) are mixed. (4) A mixing means in which a basic compound and a solvent are added and mixed is preferable. The reaction temperature in the condensation is preferably 20 to 300 ° C, more preferably 50 to 250 ° C, and the reaction time is preferably 0.5 to 500 hours, more preferably 1 to 100 hours. Further, the pressure during the reaction may be increased or decreased, but preferably normal pressure (about 1 atm) is preferable because of the simplicity of equipment. Reaction solvents include alcohol solvents such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol, diethyl ether, dibutyl ether, diphenyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, dioxolane, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol Ether solvents such as monoethyl ether, ketone solvents such as acetone, methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, benzophenone, chloroform, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, 1,1,2,2-tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, etc. N, N-dimethylacetamide (hereinafter sometimes abbreviated as DMAc) Amide solvents such as N-methylacetamide, N, N-dimethylformamide (hereinafter sometimes abbreviated as DMF), N-methylformamide, formamide, N-methylpyrrolidone (hereinafter also abbreviated as NMP), formic acid Esters such as methyl, methyl acetate and γ-butyrolactone, nitriles such as acetonitrile and butyronitrile, sulfoxydimethyl sulfoxide (hereinafter sometimes abbreviated as DMSO), diphenylsulfone, sulfolane and the like can be used. A solvent can be used individually or in combination of 2 or more types. In addition, the usage-amount of the reaction solvent is 1.0-200.0 weight times with respect to the total weight of the monomer to apply, Preferably it uses 2.0-100.0 weight times. In addition, it is preferable to remove water by-produced at the initial stage of the condensation reaction or during the condensation reaction. As a means for removing this water, it is possible to use a means for removing water as an azeotrope by coexisting toluene or xylene in the reaction system, or a means for dehydrating by coexisting a water absorbing agent such as molecular sieve in the reaction system. it can. As the basic compound, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate or potassium hydrogen carbonate can be used, and two or more basic compounds can be mixed and used. Among them, potassium carbonate, sodium carbonate or sodium hydroxide is preferable. In addition, as the usage-amount of this basic compound, it is 0.90-10.00 molar equivalent times with respect to the total number of molar equivalents of a nucleophilic group in the monomer used for condensation reaction, Preferably it is 1.00-3. What is necessary is just to use 00 molar equivalent times.

また、本発明の好ましい共重合体の製造方法における他の実施形態として、式(2)で示される化合物と式(4)で示される化合物を、予め塩基性化合物と作用させた後、式(1)で示される化合物と式(3)で示される化合物を投入して混合し、縮合させる方法が挙げられる。すなわち、式(2)で示される化合物、式(4)で示される化合物及び塩基性化合物を反応溶媒中で混合した後、必要に応じて加熱処理を行って、式(2)で示される化合物と式(4)で示される化合物に塩基性化合物を作用させてから、式(1)で示される化合物と式(3)で示される化合物を加えて縮合反応を行う。その際、使用する反応溶媒及びその使用量、使用する塩基性化合物及びその使用量は、前記と同等であり、縮合反応に係る反応温度ならびに反応時間も前記と同等の範囲である。また、副生する水分の除去としては、前記と同じように実施することもできるし、式(2)で示される化合物、式(4)で示される化合物及び塩基性化合物を反応溶媒中で混合する際、反応系にトルエンやキシレンを共存させて共沸物として水分を十分に除去した後、式(1)で示される化合物と式(3)で示される化合物を加えて縮合反応を行う方法でもよい。 In another embodiment of the preferred method for producing a copolymer of the present invention, the compound represented by the formula (2) and the compound represented by the formula (4) are reacted with a basic compound in advance, Examples thereof include a method in which a compound represented by 1) and a compound represented by formula (3) are added, mixed and condensed. That is, the compound represented by the formula (2), the compound represented by the formula (4) and the basic compound are mixed in a reaction solvent, followed by heat treatment as necessary, and the compound represented by the formula (2). A basic compound is allowed to act on the compound represented by formula (4), and then the compound represented by formula (1) and the compound represented by formula (3) are added to perform a condensation reaction. At that time, the reaction solvent to be used and its use amount, the basic compound to be used and its use amount are the same as described above, and the reaction temperature and reaction time for the condensation reaction are also in the same range as described above. The removal of by-product water can be carried out in the same manner as described above, and the compound represented by formula (2), the compound represented by formula (4) and a basic compound are mixed in a reaction solvent. In the process, toluene and xylene are allowed to coexist in the reaction system to sufficiently remove water as an azeotrope, and then a condensation reaction is performed by adding the compound represented by the formula (1) and the compound represented by the formula (3). But you can.

かくして本発明の共重合体が得られる。該共重合体において、酸基が導入された構造単位と、酸基が実質的に導入されていない構造単位の重量組成比は特に制限されるものではないが、通常、[酸基が導入された構造単位]:[酸基が実質的に導入されていない構造単位]で表したとき、3:97〜70:30であり、5:95〜45:55が好ましく、10:90〜40:60がさらに好ましく、20:80〜35:65が特に好ましい。酸基が導入された構造単位が前記の範囲である共重合体は、燃料電池用隔膜の高分子電解質膜に適用すると、プロトン伝導性と耐水性がともに高水準の高分子電解質膜となる。
なお、酸基が導入された構造単位と、酸基が実質的に導入されていない構造単位の重量組成比は、使用するモノマーの使用量により制御することができ、例えば、式(1)で示される化合物及び式(2)で示される化合物を含む酸基を有するモノマーの合計モル量と、式(3)で示される化合物及び式(4)で示される化合物を含む酸基を実質的に有さないモノマーの合計モル量との、反応初期の仕込(混合)モル比を変えることにより任意に制御できる。
Thus, the copolymer of the present invention is obtained. In the copolymer, the weight composition ratio of the structural unit in which the acid group is introduced and the structural unit in which the acid group is not substantially introduced is not particularly limited. Structural unit]: [Structural unit in which an acid group is not substantially introduced] is 3:97 to 70:30, preferably 5:95 to 45:55, and 10:90 to 40: 60 is more preferable, and 20:80 to 35:65 is particularly preferable. A copolymer having an acid group-introduced structural unit in the above range is a polymer electrolyte membrane having both high proton conductivity and water resistance when applied to a polymer electrolyte membrane of a fuel cell membrane.
In addition, the weight composition ratio of the structural unit in which the acid group is introduced and the structural unit in which the acid group is not substantially introduced can be controlled by the amount of the monomer used. For example, in the formula (1) A total molar amount of the monomer having an acid group including the compound represented by formula (2) and the compound represented by formula (2), and an acid group comprising the compound represented by formula (3) and the compound represented by formula (4) substantially. It can be arbitrarily controlled by changing the charge (mixing) molar ratio at the initial stage of the reaction with the total molar amount of the monomers not present.

また、共重合体全体としての酸基の導入量を、共重合体1g当たり酸基の当量数、すなわちイオン交換容量で表した場合、0.1meq/g〜4.0meq/gが好ましく、0.5meq/g〜2.5meq/gがさらに好ましく、1.3meq/g〜2.3meq/gが特に好ましい。イオン交換容量がこのような範囲で好適であるのは、前記の共重合体中の酸基が導入された構造単位の含有重量比と同様の理由であり、該イオン交換容量も、前記と同様にして各モノマーの反応初期の仕込(混合)モル比を変えることにより任意に制御できる。 Further, when the introduction amount of the acid groups as the whole copolymer is expressed by the equivalent number of acid groups per 1 g of the copolymer, that is, the ion exchange capacity, 0.1 meq / g to 4.0 meq / g is preferable. 0.5 meq / g to 2.5 meq / g is more preferable, and 1.3 meq / g to 2.3 meq / g is particularly preferable. The reason why the ion exchange capacity is suitable in such a range is the same reason as the content weight ratio of the structural unit into which the acid group is introduced in the copolymer, and the ion exchange capacity is the same as described above. Thus, it can be arbitrarily controlled by changing the charge (mixing) molar ratio of each monomer in the initial reaction.

本発明の共重合体の平均分子量としては、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して5000〜1000000が好ましく、中でも15000〜200000のものが特に好ましい。
かかる平均分子量は適用するモノマーの求核基の総モル当量数と、脱離基の総モル当量数の比率や反応時間等によって制御することができる。
The average molecular weight of the copolymer of the present invention is preferably 5000 to 1000000, particularly preferably 15000 to 200000, expressed in terms of polystyrene-reduced number average molecular weight.
Such average molecular weight can be controlled by the ratio of the total number of molar equivalents of the nucleophilic group of the monomer to be applied and the total number of molar equivalents of the leaving group, the reaction time, and the like.

次に、本発明の共重合体を燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜(高分子電解質膜)として使用する場合について説明する。
この場合は、本発明の共重合体は、通常、膜の形態で使用される。膜へ転化する方法に特に制限はないが、例えば溶液状態より製膜する方法(溶液キャスト法)が好ましく使用される。
具体的には、共重合体を適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜される。製膜に用いる溶媒は、共重合体を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、水、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド)など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、ジクロロベンゼンなどの含塩素溶媒、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類、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など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 copolymer of the present invention is used as a diaphragm (polymer electrolyte membrane) of an electrochemical device such as a fuel cell will be described.
In this case, the copolymer of the present invention is usually used in the form of a film. Although there is no restriction | limiting in particular in the method to convert into a film | membrane, For example, the method (solution cast method) which forms into a film from a solution state is used preferably.
Specifically, the film is formed by dissolving the copolymer in an appropriate solvent, casting the solution on a glass plate, and removing the solvent. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the copolymer and can be removed thereafter. Water, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl -2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide) and other aprotic polar solvents, or chlorine-containing solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ethylene glycol monomethyl Alkylene glycol monoalkyl ethers such as ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether are 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.

膜の厚みは、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。膜の厚みは溶液の濃度及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 | membrane, 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 thickness of the film can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.

また高分子電解質膜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、離型剤などを本発明の共重合体に添加することができる。また、同一溶剤に混合共キャストするなどの方法により、他のポリマーを本発明の共重合体と複合アロイ化することも可能である。
燃料電池用途では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ことも知られている。これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。また、本発明の共重合体を含む高分子電解質からなる高分子電解質膜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、該高分子電解質膜を構成する高分子電解質を架橋することもできる。
In addition, for the purpose of improving various physical properties of the polymer electrolyte membrane, plasticizers, stabilizers, release agents and the like used for ordinary polymers can be added to the copolymer of the present invention. Also, other polymers can be combined with the copolymer of the present invention by a method such as co-casting in the same solvent.
In fuel cell applications, it is also known to add inorganic or organic fine particles as a water retention agent in order to facilitate water management. Any of these known methods can be used as long as they are not contrary to the object of the present invention. In addition, for the purpose of improving the mechanical strength of a polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte containing the copolymer of the present invention, the polymer constituting the polymer electrolyte membrane is irradiated with an electron beam or radiation. The electrolyte can also be crosslinked.

また、高分子電解質膜の強度や柔軟性、耐久性のさらなる向上のために、本発明の共重合体を多孔質基材に含浸させ複合化することにより、高分子電解質複合膜とすることも可能である。複合化方法は公知の方法を使用し得る。多孔質基材としては上述の使用目的を満たすものであれば特に制限は無く、例えば多孔質膜、織布、不織布、フィブリルなどが挙げられ、その形状や材質によらず用いることができる。 In order to further improve the strength, flexibility, and durability of the polymer electrolyte membrane, the polymer of the present invention may be impregnated into a porous base material to form a polymer electrolyte composite membrane. Is possible. A known method can be used as the compounding method. The porous substrate is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned purpose of use, and examples thereof include porous membranes, woven fabrics, non-woven fabrics, and fibrils, and they can be used regardless of their shapes and materials.

本発明の共重合体を用いた高分子電解質複合膜を燃料電池の隔膜として使用する場合、多孔質基材は、膜厚が1〜100μm、好ましくは3〜30μm、さらに好ましくは5〜20μmであり、孔径が0.01〜100μm、好ましくは0.02〜10μmであり、空隙率が20〜98%、好ましくは40〜95%である。
多孔質基材の膜厚が薄すぎると複合化後の強度補強の効果あるいは、柔軟性や耐久性を付与するといった補強効果が不十分となり、ガス漏れ(クロスリーク)が発生しやすくなる。また膜厚が厚すぎると電気抵抗が高くなり、得られた複合膜が固体高分子型燃料電池の隔膜として不十分なものとなる。孔径が小さすぎると本発明の共重合体の充填が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質への補強効果が弱くなる。空隙率が小さすぎると複合膜の抵抗が大きくなり、大きすぎると一般に多孔質基材自体の強度が弱くなり補強効果が低減する。
耐熱性の観点や、物理的強度の補強効果を鑑みれば、前記多孔質基材は、脂肪族系高分子、芳香族系高分子または、含フッ素高分子からなる基材が好ましい。
When the polymer electrolyte composite membrane using the copolymer of the present invention is used as a diaphragm of a fuel cell, the porous substrate has a thickness of 1 to 100 μm, preferably 3 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm. Yes, the pore diameter is 0.01 to 100 μm, preferably 0.02 to 10 μm, and the porosity is 20 to 98%, preferably 40 to 95%.
If the thickness of the porous substrate is too thin, the effect of reinforcing the strength after compounding or the reinforcing effect of imparting flexibility and durability is insufficient, and gas leakage (cross leak) is likely to occur. On the other hand, if the film thickness is too thick, the electric resistance becomes high, and the obtained composite film becomes insufficient as a diaphragm of the polymer electrolyte fuel cell. When the pore diameter is too small, it is difficult to fill the copolymer of the present invention, and when it is too large, the reinforcing effect on the polymer solid electrolyte is weakened. If the porosity is too small, the resistance of the composite film is increased, and if it is too large, the strength of the porous substrate itself is generally weakened and the reinforcing effect is reduced.
From the viewpoint of heat resistance and the effect of reinforcing physical strength, the porous substrate is preferably a substrate made of an aliphatic polymer, an aromatic polymer, or a fluorine-containing polymer.

次に本発明の燃料電池について説明する。高分子電解質膜を用いる燃料電池としては、例えば水素ガスを燃料とした固体高分子型燃料電池や、メタノールを燃料として直接供給するダイレクトメタノール型固体高分子型燃料電池があるが、本発明の共重合体はそのどちらにも好適に用いることができる。
本発明により得られる燃料電池は、本発明の共重合体を高分子電解質膜及び/又は高分子電解質複合膜として使用したものや、本発明の高分子電解質を触媒層中の高分子電解質として使用したものなどを挙げることができる。
Next, the fuel cell of the present invention will be described. Examples of a fuel cell using a polymer electrolyte membrane include a solid polymer fuel cell using hydrogen gas as a fuel and a direct methanol solid polymer fuel cell directly supplying methanol as a fuel. The polymer can be suitably used for either of them.
The fuel cell obtained by the present invention uses the copolymer of the present invention as a polymer electrolyte membrane and / or a polymer electrolyte composite membrane, or uses the polymer electrolyte of the present invention as a polymer electrolyte in a catalyst layer. Can be mentioned.

本発明の共重合体を高分子電解質膜又は高分子電解質複合膜として使用した燃料電池は、前記高分子電解質膜又は前記高分子電解質複合膜の両面に、触媒とガス拡散層を接合することにより製造することができる。ガス拡散層としては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、カーボン不織布又はカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好ましい。 A fuel cell using the copolymer of the present invention as a polymer electrolyte membrane or a polymer electrolyte composite membrane is obtained by joining a catalyst and a gas diffusion layer on both sides of the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte composite membrane. Can be manufactured. A known material can be used for the gas diffusion layer, but a porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst.

ここで触媒としては、水素又は酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金の微粒子を用いることが好ましい。白金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状又は繊維状のカーボンに担持されたものが好ましく用いられる。また、カーボンに担持された白金を、高分子電解質としてのパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂のアルコール溶液と共に混合してペースト化したものを、ガス拡散層、高分子電解質膜又は高分子電解質複合膜に塗布・乾燥することにより触媒層が得られる。具体的な方法としては例えば、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209 に記載されている方法などの公知の方法を用いることができる。 Here, the catalyst is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction with hydrogen or oxygen, and a known catalyst can be used, but platinum fine particles are preferably used. The platinum fine particles are often preferably those supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite. Also, platinum supported on carbon is mixed with an alcohol solution of perfluoroalkylsulfonic acid resin as a polymer electrolyte to make a paste, which is then applied to a gas diffusion layer, polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte composite membrane -A catalyst layer is obtained by drying. As a specific method, for example, J. Org. Electrochem. Soc. : Known methods such as those described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.

本発明の共重合体を触媒層中の高分子電解質として使用した燃料電池としては、前述の触媒層を構成するパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂の代わりに本発明の共重合体を用いたものを挙げることができる。本発明の共重合体を用いた触媒層を使用する場合、高分子電解質膜は本発明の共重合体を用いた膜に限定されずに公知の高分子電解質膜を用いることができる。 Examples of the fuel cell using the copolymer of the present invention as a polymer electrolyte in the catalyst layer include those using the copolymer of the present invention instead of the perfluoroalkylsulfonic acid resin constituting the catalyst layer. be able to. When the catalyst layer using the copolymer of the present invention is used, the polymer electrolyte membrane is not limited to the membrane using the copolymer of the present invention, and a known polymer electrolyte membrane can be used.

本発明の共重合体を用いて触媒層を得る際、触媒ペースト調製に使用する溶媒は任意であり特に制限されるものではないが、触媒ペーストを構成する溶媒以外の成分を、溶解させるか、分子レベルで一様に分散させるか、もしくはナノメーターからマイクロメーターのレベルで凝集体を形成させ、その凝集体を分散させることが望まれる。溶媒は単一であっても、複数の溶媒が混合したものでもよく、前述の共重合体を製膜する際に使用できる溶媒として挙げたものと同じものを用いることができる。 When the catalyst layer is obtained using the copolymer of the present invention, the solvent used for preparing the catalyst paste is arbitrary and not particularly limited, but components other than the solvent constituting the catalyst paste are dissolved, It is desired to uniformly disperse at the molecular level, or to form aggregates at the nanometer to micrometer level and disperse the aggregates. The solvent may be a single solvent or a mixture of a plurality of solvents, and the same solvents as those mentioned above can be used when the copolymer is formed into a film.

触媒ペーストを構成するその他の成分は任意であり、特に制限はないが、触媒層の撥水性を高める目的で、PTFEなどの撥水材が、また触媒層のガス拡散性を高める目的で、炭酸カルシウムなどの造孔材が、さらに耐久性を高める目的で金属酸化物やホスホン酸基を有するポリマーなどの安定剤などが含まれることもある。 Other components constituting the catalyst paste are optional and are not particularly limited. For the purpose of increasing the water repellency of the catalyst layer, a water repellent material such as PTFE is used, and for the purpose of increasing the gas diffusibility of the catalyst layer, carbonic acid is added. A pore former such as calcium may contain a stabilizer such as a polymer having a metal oxide or a phosphonic acid group for the purpose of further improving durability.

触媒ペーストは、前記の高分子電解質と、触媒物質及び/又は表面に触媒物質を担持した導電性材料と、溶媒と、その他の成分とを、公知の方法によって混合して得られるものである。混合方法としては、超音波分散装置、ホモジナイザー、ボールミル、遊星ボールミル、サンドミルが挙げられる。 The catalyst paste is obtained by mixing the polymer electrolyte, the catalyst material and / or a conductive material carrying the catalyst material on the surface, a solvent, and other components by a known method. Examples of the mixing method include an ultrasonic dispersing device, a homogenizer, a ball mill, a planetary ball mill, and a sand mill.

該触媒ペーストを直接塗布する方法としては特に制限は無く、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の既存の方法を使用することができるが、スプレー法は、工業的にも操作が簡便であることから好ましい。 The method for directly applying the catalyst paste is not particularly limited, and existing methods such as a die coater, screen printing, spray method, and ink jet method can be used. However, the spray method is industrially easy to operate. Therefore, it is preferable.

該触媒ペーストのスプレー方法としては、例えば、特開2004−89976号公報に記載の装置や方法が具体的に例示でき、これらを用いて行うことができる。すなわち、高分子電解質膜をステージ上に設置し、該高分子電解質膜に、触媒インクを直接塗布する。スプレー法では、触媒インクが吐出口から粒子状となって飛散し、高分子電解質膜上に付着する。ステージは、塗布後速やかに溶媒を除去するため、加温しておくことが望ましく、その温度は50℃〜150℃であることが好ましい。温度範囲が上記の範囲であれば、触媒インクの溶媒が速やかに除去されやすく、高分子電解質膜が熱的に損傷を受ける傾向が小さいため、好ましい。このように、スプレー法による塗布に続いて、ステージの加温により溶媒が除去され、触媒層が高分子電解質膜上に製造される。溶媒の除去をより確実にする目的で、触媒層が製造された膜を、加温したオーブンなどに入れて乾燥させてもよいし、必要に応じて真空乾燥を行ってもよい。より速やかに溶媒を除去するために、触媒ペーストを構成する好適な溶媒としては、その沸点が150℃以下の溶媒であり、水、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒又はジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒あるいはそれらの混合溶媒を用いてもよく、本発明の共重合体はそれらの溶媒に溶けやすいという点でも優れている。該触媒ペーストは複数回スプレーして、各スプレーによる層を高分子電解質膜上に塗り重ねて多層塗りとしてもよい。 As a method for spraying the catalyst paste, for example, an apparatus and a method described in JP-A-2004-89976 can be specifically exemplified, and these can be used. That is, a polymer electrolyte membrane is placed on a stage, and catalyst ink is directly applied to the polymer electrolyte membrane. In the spray method, catalyst ink scatters in the form of particles from the discharge port and adheres to the polymer electrolyte membrane. The stage is desirably heated in order to remove the solvent immediately after coating, and the temperature is preferably 50 ° C to 150 ° C. A temperature range within the above range is preferable because the solvent of the catalyst ink is easily removed and the polymer electrolyte membrane is less likely to be thermally damaged. Thus, following application by the spray method, the solvent is removed by heating the stage, and the catalyst layer is manufactured on the polymer electrolyte membrane. In order to make the removal of the solvent more reliable, the membrane on which the catalyst layer is produced may be dried in a heated oven or the like, or may be vacuum dried as necessary. In order to remove the solvent more quickly, a suitable solvent constituting the catalyst paste is a solvent having a boiling point of 150 ° C. or lower, an alcohol solvent such as water, methanol, ethanol, or an ether such as diethyl ether or tetrahydrofuran. A system solvent or a mixed solvent thereof may be used, and the copolymer of the present invention is also excellent in that it is easily soluble in these solvents. The catalyst paste may be sprayed a plurality of times, and a layer by each spray may be applied over the polymer electrolyte membrane to form a multilayer coating.

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。 Examples The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

分子量の測定:
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)を測定した。
GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220 GPC
カラム Shodex社製 TSKgel GHMHR−M
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
プロトン伝導度の測定:
温度80℃、相対湿度90%の条件で交流法で測定した。
イオン交換容量の測定:
滴定法により求めた。
吸水率の測定:
乾燥した高分子電解質膜を秤量し、100℃の脱イオン水に2時間浸漬したのちの膜重量増加量から吸水率を算出し、前記乾燥膜に対する比率を求めた。
Molecular weight measurement:
The number average molecular weight (Mn) in terms of polystyrene was measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
GPC measuring device HLC-8220 GPC manufactured by TOSOH
Column TSKgel GHM HR- M manufactured by Shodex
Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent DMAc (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5mL / min
Measurement of proton conductivity:
The measurement was carried out by the alternating current method under conditions of a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 90%.
Measurement of ion exchange capacity:
Determined by titration method.
Measurement of water absorption:
The dried polymer electrolyte membrane was weighed and immersed in deionized water at 100 ° C. for 2 hours, and then the water absorption was calculated from the amount of increase in membrane weight, and the ratio to the dry membrane was determined.

実施例1
共重合体Aの製造
重合は、Dean−Stark管を取り付けた200mlセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコにヒドロキノンスルホン酸カリウム 3.50g(15.33mmol)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル6.29g(33.76mmol)、炭酸カリウム7.36g(53.24mmol)、ジメチルスルホキシド121ml及びトルエン70mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、バス温150℃(内温130±5℃)で1.5時間共沸脱水を行った。1.5時間後、トルエンを系外に除去し、室温まで放冷した。続いて、3,3’−スルホニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸カリウム)9.03 g(18.40mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン7.80g(30.69mmol)を添加し、さらに内温150℃で11時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、3Lの2M塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーを濾過し、洗浄濾液のpHが約7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を二回行った。オーブン(80℃)で乾燥して下記に示す共重合体A 20.86g(収率92%)を得た。その後、乾燥した共重合体AをN−メチルピロリドンに溶解した後、濾過して、共重合体Aが濃度18重量%である溶液を調製した。次いで、この溶液をガラス基材上に流延塗付し、全排気オーブン中80℃、約5時間かけてN−メチルピロリドンを除去した。その後、2N塩酸で1時間処理する工程を2度繰り返し、さらに8時間流水(脱イオン水)にて水洗し、高分子電解質膜を得た。膜厚は33μmであった。

共重合体A
共重合体Aは、下記に示す構造単位を有するポリマーである。

Figure 2007191694
前記の(A-a)、(A-b)、(A-c)及び(A-d)の構造単位の合計に対する、仕込量から計算される各構造単位のモル比
(A-a):(A-b):(A-c):(A-d)= 2.00:2.20:1.20:1.00
前記構造単位のモル比から計算されるイオン交換容量 2.30 meq/g
Mn 8.10×104
イオン交換容量の実測値 2.10 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 膜厚 33μm
プロトン伝導度 1.56×10-1 S/cm
吸水率 169% Example 1
Production of copolymer A The polymerization was carried out using a 200 ml separable flask fitted with a Dean-Stark tube. A flask is charged with 3.50 g (15.33 mmol) of potassium hydroquinonesulfonate, 6.29 g (33.76 mmol) of 4,4′-dihydroxybiphenyl, 7.36 g (53.24 mmol) of potassium carbonate, 121 ml of dimethyl sulfoxide and 70 ml of toluene. It is. Thereafter, azeotropic dehydration was carried out in an argon atmosphere at a bath temperature of 150 ° C. (internal temperature 130 ± 5 ° C.) for 1.5 hours. After 1.5 hours, toluene was removed out of the system and allowed to cool to room temperature. Subsequently, 9.03 g (18.40 mmol) of 3,3′-sulfonylbis (6-fluorobenzenesulfonate potassium), 7.80 g (30.69 mmol) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone were added, and The reaction was carried out at an internal temperature of 150 ° C. for 11 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 3 L of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was filtered, washed with water until the pH of the washing filtrate was about 7, and then treated with 80 ° C. water for 2 hours twice. After drying in an oven (80 ° C.), 20.86 g (yield 92%) of the copolymer A shown below was obtained. Thereafter, the dried copolymer A was dissolved in N-methylpyrrolidone and then filtered to prepare a solution having a concentration of the copolymer A of 18% by weight. The solution was then cast on a glass substrate to remove N-methylpyrrolidone in a fully evacuated oven at 80 ° C. for about 5 hours. Thereafter, the step of treating with 2N hydrochloric acid for 1 hour was repeated twice, and further washed with running water (deionized water) for 8 hours to obtain a polymer electrolyte membrane. The film thickness was 33 μm.

Copolymer A
Copolymer A is a polymer having the structural units shown below.
Figure 2007191694
The molar ratio (Aa) :( Ab) :( Ac) :( Ad of each structural unit calculated from the charged amount with respect to the total of the structural units (Aa), (Ab), (Ac) and (Ad). ) = 2.00: 2.20: 1.20: 1.00
Ion exchange capacity calculated from the molar ratio of the structural units 2.30 meq / g
Mn 8.10 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 2.10 meq / g
Film formation: NMP solution casting method Film thickness 33μm
Proton conductivity 1.56 × 10 −1 S / cm
Water absorption 169%

実施例2
共重合体Bの製造
重合は、Dean−Stark管を取り付けた200mlセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコにヒドロキノンスルホン酸カリウム3.50g(15.33mmol)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル7.87g(42.25 mmol)、炭酸カリウム8.65g(62.57mmol)、ジメチルスルホキシド 138ml及びトルエン70 mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、バス温150℃(内温130±5℃)で1.5時間共沸脱水を行った。1.5時間後、トルエンを系外に除去し、室温まで放冷した。その後、3,3’−スルホニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸カリウム)9.03g(18.40 mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン9.96g(39.18 mmol)を添加し、さらに内温150℃で5時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、3Lの2M塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーを濾過し、洗浄濾液のpHが約7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を二回おこなった。オーブン(80℃)で乾燥して下記に示す共重合体B 23.62g(収率91%)を得た。実施例1と同様の溶液キャスト法を用いて、共重合体Bからなる高分子電解質膜を製膜した。

共重合体B
共重合体Bは、下記に示す構造単位を有するポリマーである。

Figure 2007191694
前記の(B-a)、(B-b)、(B-c)及び(B-d)の構造単位の合計に対する、仕込量から計算される各構造単位のモル比
(B-a):(B-b):(B-c):(B-d)= 2.56:2.76:1.20:1.00
前記構造単位のモル比から計算されるイオン交換容量 2.00 meq/g
Mn 8.20×104
イオン交換容量の実測値 1.80 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 26μm
プロトン伝導度 8.84×10-2 S/cm
吸水率 94% Example 2
Production of copolymer B The polymerization was carried out using a 200 ml separable flask fitted with a Dean-Stark tube. In a flask, potassium hydroquinonesulfonate 3.50 g (15.33 mmol), 4,4′-dihydroxybiphenyl 7.87 g (42.25 mmol), potassium carbonate 8.65 g (62.57 mmol), dimethyl sulfoxide 138 ml and toluene 70 ml Was charged. Thereafter, azeotropic dehydration was carried out in an argon atmosphere at a bath temperature of 150 ° C. (internal temperature 130 ± 5 ° C.) for 1.5 hours. After 1.5 hours, toluene was removed out of the system and allowed to cool to room temperature. Thereafter, 9.03 g (18.40 mmol) of 3,3′-sulfonylbis (6-fluorobenzenesulfonate), 9.96 g (39.18 mmol) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone were added, and The reaction was performed at an internal temperature of 150 ° C. for 5 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 3 L of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was filtered, washed with water until the pH of the washing filtrate was about 7, and then treated with water at 80 ° C. for 2 hours twice. After drying in an oven (80 ° C.), 23.62 g (yield 91%) of copolymer B shown below was obtained. Using the same solution casting method as in Example 1, a polymer electrolyte membrane made of copolymer B was formed.

Copolymer B
Copolymer B is a polymer having the structural units shown below.

Figure 2007191694
The molar ratio (Ba) :( Bb) :( Bc) :( Bd) of each structural unit calculated from the charged amount with respect to the total of the structural units (Ba), (Bb), (Bc) and (Bd). ) = 2.56: 2.76: 1.20: 1.00
Ion exchange capacity calculated from the molar ratio of the structural units 2.00 meq / g
Mn 8.20 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.80 meq / g
Film formation: NMP solution casting method 26 μm
Proton conductivity 8.84 × 10 -2 S / cm
94% water absorption

比較例1
共重合体Cの製造
重合は、Dean−Stark管を取り付けた200mlセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコにヒドロキノンスルホン酸カリウム6.18g(27.0 mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン10.00g(39.33mmol)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル2.28g(12.25mmol)、炭酸カリウム5.98g(43.26mmol)、ジメチルスルホキシド74ml及びトルエン40mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、バス温150℃(内温130±5℃)で3時間共沸脱水を行った。3時間後、トルエンを系外に除去し、さらに内温150℃で12時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、3Lの2M塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーを濾過し、洗浄濾液のpHが約7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を二回おこなった。オーブン(80℃)で乾燥して下記に示す共重合体C14.67g(収率92%)を得た。実施例1と同様の溶液キャスト法を用いて、共重合体Cからなる高分子電解質膜を製膜した。

共重合体C
共重合体Cは、下記に示す構造単位を有するポリマーである。

Figure 2007191694
前記の(C-a)、(C-b)及び(C-c)の構造単位の合計に対する、仕込量から計算される各構造単位のモル比
(C-a):(C-b):(C-c)= 1.45:0.45:1.00
前記構造単位のモル比から計算されるイオン交換容量 1.71 meq/g
Mn 4.06×104
イオン交換容量の実測値 1.56 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 膜厚 54μm
プロトン伝導度 4.60×10-2 S/cm
吸水率 302% Comparative Example 1
Production of copolymer C The polymerization was carried out using a 200 ml separable flask fitted with a Dean-Stark tube. In a flask, 6.18 g (27.0 mmol) of potassium hydroquinonesulfonate, 10.00 g (39.33 mmol) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2.28 g (12.25 mmol) of 4,4′-dihydroxybiphenyl, carbonic acid, Charged 5.98 g (43.26 mmol) of potassium, 74 ml of dimethyl sulfoxide and 40 ml of toluene. Thereafter, azeotropic dehydration was performed at 150 ° C. (internal temperature 130 ± 5 ° C.) for 3 hours under an argon atmosphere. After 3 hours, toluene was removed from the system, and the reaction was further carried out at an internal temperature of 150 ° C. for 12 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 3 L of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was filtered, washed with water until the pH of the washing filtrate was about 7, and then treated with water at 80 ° C. for 2 hours twice. It dried in oven (80 degreeC) and obtained the copolymer C14.67g (yield 92%) shown below. Using the same solution casting method as in Example 1, a polymer electrolyte membrane made of Copolymer C was formed.

Copolymer C
Copolymer C is a polymer having the structural units shown below.

Figure 2007191694
The molar ratio (Ca) :( Cb) :( Cc) = 1.45: 0. Of the respective structural units calculated from the charged amount with respect to the total of the structural units (Ca), (Cb) and (Cc). 45: 1.00
Ion exchange capacity calculated from the molar ratio of the structural units 1.71 meq / g
Mn 4.06 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.56 meq / g
Film production: NMP solution casting method Film thickness 54μm
Proton conductivity 4.60 × 10 -2 S / cm
Water absorption 302%

比較例2
共重合体Dの製造
重合は、Dean−Stark管を取り付けた500mlセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコに4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン12.74g(50.10mmol)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル18.62g(100.00mmol)、3,3’−スルホニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸カリウム)25.08g(50.00mmol)、炭酸カリウム15.20g(110.00mmol)、N−メチル−2−ピロリドン160ml及びトルエン80mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、内温140℃で5時間共沸脱水を行った。3時間後、トルエンを系外に除去し、さらに内温170℃で8時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を室温まで放冷し、500mlの2M塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーを水洗した後、粉状に粉砕して再度水でpH7になるまで洗浄した。その後95℃の水で2時間処理する工程を二回おこなった。オーブン(60℃)で減圧乾燥して下記に示す共重合体D45.31g(収率93%)を得た。実施例1と同様の溶液キャスト法を用いて、共重合体Dからなる高分子電解質膜を製膜した。

共重合体D
共重合体Dは、下記に示す構造単位を有するポリマーである。

Figure 2007191694
前記の(D-a)、(D-b)及び(D-c)の構造単位の合計に対する、仕込量から計算される各構造単位のモル比
(D-a):(D-b):(D-c)= 1.00:2.00:1.02
前記構造単位のモル比から計算されるイオン交換容量 2.08 meq/g
Mn 7.70×104
イオン交換容量の実測値 1.97 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 膜厚 26μm
プロトン伝導度 0.97×10-1 S/cm
吸水率 460% Comparative Example 2
Production of copolymer D The polymerization was carried out using a 500 ml separable flask fitted with a Dean-Stark tube. In a flask, 12.74 g (50.10 mmol) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 18.62 g (100.00 mmol) of 4,4′-dihydroxybiphenyl, potassium 3,3′-sulfonylbis (6-fluorobenzenesulfonate) ) 25.08 g (50.00 mmol), 15.20 g (110.00 mmol) of potassium carbonate, 160 ml of N-methyl-2-pyrrolidone and 80 ml of toluene were charged. Thereafter, azeotropic dehydration was performed at an internal temperature of 140 ° C. for 5 hours in an argon atmosphere. After 3 hours, toluene was removed from the system, and the reaction was further performed at an internal temperature of 170 ° C. for 8 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to room temperature and added dropwise to 500 ml of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was washed with water, pulverized into a powder, and washed again with water until pH 7 was reached. Thereafter, the treatment with water at 95 ° C. for 2 hours was performed twice. It dried under reduced pressure in oven (60 degreeC), and obtained the copolymer D45.31g (93% of yield) shown below. A polymer electrolyte membrane made of the copolymer D was formed using the same solution casting method as in Example 1.

Copolymer D
Copolymer D is a polymer having the structural units shown below.
Figure 2007191694
The molar ratio (Da) :( Db) :( Dc) = 1.00: 2. Of each structural unit calculated from the charged amount with respect to the total of the structural units (Da), (Db) and (Dc). 00: 1.02
Ion exchange capacity calculated from the molar ratio of the structural units 2.08 meq / g
Mn 7.70 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.97 meq / g
Film formation: NMP solution casting method Film thickness 26μm
Proton conductivity 0.97 × 10 −1 S / cm
Water absorption 460%

実施例3
共重合体Eの製造
重合は、Dean−Stark管を取り付けた200mlセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコにヒドロキノンスルホン酸カリウム3.00g(13.14mmol)、4,4’−ジヒドロキシ−3,3’−ジフェニルビフェニル8.31g(24.57mmol)、炭酸カリウム5.42g(39.21mmol)、ジメチルスルホキシド105ml及びトルエン60 mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、バス温150℃(内温130±5℃)で2時間共沸脱水をおこなった。2時間後、トルエンを系外に除去し、室温まで放冷した。その後、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム7.17g(15.77mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン5.57g(21.90mmol)を添加し、さらに内温150℃で25時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、3Lの2M塩酸水溶液に滴下した。析出した白色のポリマーを濾過し、洗浄濾液のpHが約7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を二回行った。オーブン(80℃)で乾燥して下記に示す共重合体E18.96g(収率91%)を得た。実施例1と同様の溶液キャスト法を用いて、共重合体Eからなる高分子電解質膜を製膜した。

共重合体E
共重合体Eは、下記に示す構造単位を有するポリマーである。

Figure 2007191694
上記(E-a)、(E-b)、(E-c)及び(E-d)の構造単位に対する、仕込量から計算されるモル比
(E-a):(E-b):(E-c):(E-d)= 1.67:1.87:1.20:1.00
上記モル比から計算されるイオン交換容量 2.00 meq/g
Mn 6.2×104
イオン交換容量の実測値 1.90 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 33μm
プロトン伝導度 0.95×10-1 S/cm
吸水率 88% Example 3
Production of copolymer E The polymerization was carried out using a 200 ml separable flask fitted with a Dean-Stark tube. In the flask, 3.00 g (13.14 mmol) of potassium hydroquinonesulfonate, 8.31 g (24.57 mmol) of 4,4′-dihydroxy-3,3′-diphenylbiphenyl, 5.42 g (39.21 mmol) of potassium carbonate, dimethyl 105 ml of sulfoxide and 60 ml of toluene were charged. Thereafter, azeotropic dehydration was performed at 150 ° C. (internal temperature 130 ± 5 ° C.) for 2 hours under an argon atmosphere. After 2 hours, toluene was removed out of the system and allowed to cool to room temperature. Thereafter, 7.17 g (15.77 mmol) of dipotassium 4,4′-difluorobenzophenone-3,3′-disulfonate and 5.57 g (21.90 mmol) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone were added, and the internal temperature was further increased. The reaction was performed at 150 ° C. for 25 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 3 L of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated white polymer was filtered, washed with water until the pH of the washing filtrate was about 7, and then treated with 80 ° C. water for 2 hours twice. It dried in oven (80 degreeC) and obtained the copolymer E18.96g (yield 91%) shown below. Using a solution casting method similar to that of Example 1, a polymer electrolyte membrane made of copolymer E was formed.

Copolymer E
Copolymer E is a polymer having the structural units shown below.
Figure 2007191694
The molar ratio (Ea) :( Eb) :( Ec) :( Ed) = 1.67: 1 calculated from the charged amount with respect to the structural units (Ea), (Eb), (Ec) and (Ed) above. .87: 1.20: 1.00
Ion exchange capacity calculated from the above molar ratio 2.00 meq / g
Mn 6.2 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.90 meq / g
Film formation: NMP solution casting method 33 μm
Proton conductivity 0.95 × 10 -1 S / cm
Water absorption 88%

実施例4
共重合体F
重合は、Dean−Stark管を取り付けた200mlセパラブルフラスコを用いて行った。フラスコにヒドロキノンスルホン酸カリウム3.00g(13.14mmol)、4,4’−ジヒドロキシ−3,3’−ジフェニルビフェニル5.79 g(17.11mmol)、2,2’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン3.91g(17.11mmol)、3,3’−スルホニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸カリウム)7.74g(15.7 mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン8.04g(31.60mmol)、炭酸カリウム6.87g(49.74mmol)、ジメチルスルホキシド114 ml及びトルエン40mlを仕込んだ。その後、アルゴン雰囲気下、バス温150℃(内温130±5℃)で2時間共沸脱水を行った。2時間後、トルエンを系外に除去し、さらに内温150℃で3時間反応を行った。反応はGPC測定により追跡した。反応終了後、反応溶液を80℃まで放冷し、1Lの2M塩酸水溶液に滴下した。析出したポリマーを濾過し、洗浄濾液のpHが約7になるまで水洗し、その後80℃の水で2時間処理する工程を二回おこなった。オーブン(80℃)で乾燥して下記に示す共重合体F 23.31g(収率87%)を得た。実施例1と同様の溶液キャスト法を用いて、共重合体Fからなる高分子電解質膜を製膜した。

共重合体F
共重合体Fは、下記に示す構造単位を有するポリマーである。

Figure 2007191694

前記の(F-a)、(F-b)、(F-c)、(F-d)及び(F-e)の構造単位の合計に対する、仕込量から計算される各構造単位のモル比
(F-a):(F-b):(F-c):(F-d):(F-e)
= 2.40:1.30:1.30:1.20:1.00
前記構造単位のモル比から計算されるイオン交換容量 1.80 meq/g
Mn 3.3×104
イオン交換容量の実測値 1.62 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 60μm
プロトン伝導度 0.62×10-1 S/cm
吸水率 104% Example 4
Copolymer F
The polymerization was performed using a 200 ml separable flask fitted with a Dean-Stark tube. In a flask, 3.00 g (13.14 mmol) of potassium hydroquinonesulfonate, 5.79 g (17.11 mmol) of 4,4′-dihydroxy-3,3′-diphenylbiphenyl, 2,2′-bis (4-hydroxyphenyl) ) 3.91 g (17.11 mmol) of propane, 7.74 g (15.7 mmol) of 3,3′-sulfonylbis (6-fluorobenzenesulfonate potassium), 8.04 g (31 of 4,4′-difluorodiphenylsulfone) 60 mmol), 6.87 g (49.74 mmol) of potassium carbonate, 114 ml of dimethyl sulfoxide and 40 ml of toluene. Thereafter, azeotropic dehydration was performed at 150 ° C. (internal temperature 130 ± 5 ° C.) for 2 hours under an argon atmosphere. After 2 hours, toluene was removed from the system, and the reaction was further performed at an internal temperature of 150 ° C. for 3 hours. The reaction was followed by GPC measurement. After completion of the reaction, the reaction solution was allowed to cool to 80 ° C. and added dropwise to 1 L of 2M aqueous hydrochloric acid. The precipitated polymer was filtered, washed with water until the pH of the washing filtrate was about 7, and then treated twice with water at 80 ° C. for 2 hours. It was dried in an oven (80 ° C.) to obtain 23.31 g (yield 87%) of copolymer F shown below. A polymer electrolyte membrane made of the copolymer F was formed using the same solution casting method as in Example 1.

Copolymer F
The copolymer F is a polymer having the structural units shown below.
Figure 2007191694

The molar ratio (Fa) :( Fb) :( Fc) of each structural unit calculated from the charged amount with respect to the total of the structural units (Fa), (Fb), (Fc), (Fd) and (Fe). ): (Fd): (Fe)
= 2.40: 1.30: 1.30: 1.20: 1.00
Ion exchange capacity calculated from the molar ratio of the structural units 1.80 meq / g
Mn 3.3 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.62 meq / g
Film formation: NMP solution casting method 60 μm
Proton conductivity 0.62 × 10 −1 S / cm
Water absorption 104%

実施例5
[触媒ペーストの製造]
水:エタノール=1:9(重量比)の混合溶媒95gと、実施例1で得た共重合体A5gとを混合し均一な共重合体A溶液(共重合体Aの濃度;5重量%)を調製した。別に、エタノール11mLに白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製;白金担持量50重量%)を0.64g投入・混合した後、さらに先に調製した共重合体A溶液を1.05g加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで6時間攪拌し、触媒インクAを得た。
Example 5
[Manufacture of catalyst paste]
A uniform copolymer A solution (concentration of copolymer A; 5% by weight) obtained by mixing 95 g of a mixed solvent of water: ethanol = 1: 9 (weight ratio) and 5 g of copolymer A obtained in Example 1 Was prepared. Separately, 0.64 g of platinum-supported carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat; 50% by weight of platinum) was added to and mixed with 11 mL of ethanol, and 1.05 g of the copolymer A solution prepared earlier was further added. It was. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred with a stirrer for 6 hours to obtain catalyst ink A.

[高分子電解質膜の製造]
特開2005−139432号公報を参考として、下記式で示されるブロック共重合体型高分子電解質からなる高分子電解質膜を得た。具体的には、イオン交換基を有する第1の高分子化合物と、イオン交換基を実質的に有さない第2の高分子化合物を下記に示すように各々合成して、それらをさらにカップリングしてブロック共重合体型高分子電解質を合成した。
[Manufacture of polymer electrolyte membranes]
With reference to JP-A-2005-139432, a polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer type polymer electrolyte represented by the following formula was obtained. Specifically, a first polymer compound having an ion exchange group and a second polymer compound having substantially no ion exchange group are respectively synthesized as shown below and further coupled. Thus, a block copolymer type polymer electrolyte was synthesized.

(第1の高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム283.68g、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム120.00g、DMSO1778g、及び、トルエン279gを加え、これらを室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを76.29g加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続け、第1の高分子化合物のDMSO溶液を得た。総加熱時間は16時間であった。得られた溶液は室温にて放冷した。
この第1の高分子化合物は、Mnが3.0×104であった。
(Synthesis of the first polymer compound)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, under an argon atmosphere, 283.68 g of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate, 120.00 g of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 1778 g of DMSO, And 279 g of toluene was added, and argon gas was bubbled for 1 hour, stirring these at room temperature.
Thereafter, 76.29 g of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while distilling off toluene to obtain a DMSO solution of the first polymer compound. Total heating time was 16 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature.
This first polymer compound had Mn of 3.0 × 10 4 .

(第2の高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン247.55g、2,6−ジヒドロキシナフタレン164.44g、DMSO902g、NMP902g、及び、トルエン310gを加え、室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを156.09g加え、100℃にて加熱撹拌しながら減圧共沸脱水した。17時間後トルエンを留去し、その後さらに100℃で加熱を続けた。総加熱時間は19時間であった。得られた溶液を室温にて放冷し、第2の高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を得た。この第2の高分子化合物のMnは2.7×104であった。
(Synthesis of second polymer compound)
To a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 247.55 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 164.44 g of 2,6-dihydroxynaphthalene, 902 g of DMSO, 902 g of NMP, and 310 g of toluene were added in an argon atmosphere at room temperature. While stirring, argon gas was bubbled for 1 hour.
Thereafter, 156.09 g of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration under reduced pressure was performed while heating and stirring at 100 ° C. After 17 hours, toluene was distilled off, and heating was further continued at 100 ° C. Total heating time was 19 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature to obtain an NMP / DMSO mixed solution of the second polymer compound. The Mn of this second polymer compound was 2.7 × 10 4 .

(ブロック共重合体型高分子電解質の合成)
得られた第2の高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を攪拌しながら、これに、上記第1の高分子化合物のDMSO溶液の全量と、DMSO610g、NMP1790gを加え、150℃にて39時間ブロック共重合反応を行った。
得られた反応液を大量の2N塩酸に滴下し、1時間浸漬した。その後、生成した沈殿物を濾別した後、再度2N塩酸に1時間浸漬した。得られた沈殿物を濾別、水洗した後、95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。固体を濾別したのち再度95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。固体を濾別した後、80℃で1晩乾燥させて、ブロック共重合体型高分子電解質を得た。
実施例1と同様の溶液キャスト法を用いて、ブロック共重合体型高分子電解質からなる高分子電解質膜を製膜した。
[得られたブロック共重合体型高分子電解質]

Figure 2007191694
なお、n1およびm1は、ブロック共重合体型高分子電解質の各ブロックの平均重合度を表す。
Mn 7.9×104
イオン交換容量の実測値 1.94 meq/g
製膜:NMP溶液キャスト法 27μm
プロトン伝導度 2.37×10-1 S/cm
吸水率 115%
仕込から計算された n1=36.2であり, m1=10.5であった。 (Synthesis of block copolymer type polymer electrolyte)
While stirring the obtained NMP / DMSO mixed solution of the second polymer compound, the whole amount of the DMSO solution of the first polymer compound, 610 g of DMSO and 1790 g of NMP were added thereto, and blocked at 150 ° C. for 39 hours. A copolymerization reaction was performed.
The obtained reaction solution was dropped into a large amount of 2N hydrochloric acid and immersed for 1 hour. Thereafter, the produced precipitate was filtered off and then immersed again in 2N hydrochloric acid for 1 hour. The obtained precipitate was filtered and washed with water, and then immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. After filtering the solid, it was again immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. The solid was filtered off and dried at 80 ° C. overnight to obtain a block copolymer type polymer electrolyte.
Using the same solution casting method as in Example 1, a polymer electrolyte membrane made of a block copolymer type polymer electrolyte was formed.
[Obtained block copolymer type polymer electrolyte]
Figure 2007191694
In addition, n1 and m1 represent the average degree of polymerization of each block of the block copolymer type polymer electrolyte.
Mn 7.9 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.94 meq / g
Film formation: NMP solution casting method 27 μm
Proton conductivity 2.37 × 10 −1 S / cm
115% water absorption
Calculated from the feed, n1 = 36.2 and m1 = 10.5.

[MEA化]
このようにして得られたブロック共重合体型高分子電解質からなる高分子電解質膜を正方形に切り出して加熱ステージにセットし、膜主面中央部の5.2cm角の領域にスプレー法により触媒インクAを塗布した。吐出口から膜までの距離は5cm、ステージ温度は76℃に設定した。塗布した後、ステージ上に3分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。このようにして得られた片面に触媒層を設けた高分子電解質膜を裏返して、加熱ステージにセットし、前記の触媒層と同様にして、もう一方の面にも触媒インクAから触媒層を形成して膜−触媒層接合体を得た。なお、触媒層の重量組成と塗布した触媒層重量から求めた触媒層の白金量は、片面当たり0.6mg/cm2であった。
[MEA]
The polymer electrolyte membrane comprising the block copolymer type polymer electrolyte thus obtained was cut into a square and set on a heating stage, and the catalyst ink A was sprayed onto a 5.2 cm square area at the center of the membrane main surface. Was applied. The distance from the discharge port to the film was set to 5 cm, and the stage temperature was set to 76 ° C. After coating, the solution was left on the stage for 3 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. The polymer electrolyte membrane provided with the catalyst layer on one side thus obtained was turned over and set on the heating stage, and the catalyst layer from the catalyst ink A was also applied to the other side in the same manner as the catalyst layer. This formed a membrane-catalyst layer assembly. The platinum amount of the catalyst layer determined from the weight composition of the catalyst layer and the weight of the applied catalyst layer was 0.6 mg / cm 2 per side.

[燃料電池評価セル組立て]
市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、前記のようにして得られた膜−触媒層接合体の両触媒層に、ガス拡散層としてカーボンクロスと、ガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータを配し、さらにその外側に集電体及びエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積25cm2の燃料電池セルを組み立てた。
[Assembly of fuel cell evaluation cell]
A fuel cell was manufactured using a commercially available JARI standard cell. That is, a carbon separator with a gas cloth groove and a carbon separator cut into gas passages is disposed on both catalyst layers of the membrane-catalyst layer assembly obtained as described above, and further on the outside thereof. A fuel cell having an effective membrane area of 25 cm 2 was assembled by sequentially arranging a current collector and an end plate and fastening them with bolts.

[燃料電池評価]
得られた各燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気をそれぞれ供給した。この際、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるようにした。各原料ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は45℃、空気用バブラーの水温は55℃とした。ここで、水素のガス流量は529mL/min、空気のガス流量は1665mL/minとした。セル電位0.2Vにおける電流密度は1.5A/cmであった。また電流密度0.5A/cmにおけるセル電位は0.59Vであった。
[Fuel cell evaluation]
While keeping the obtained fuel cells at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. At this time, the back pressure at the gas outlet of the cell was set to 0.1 MPaG. Each source gas was humidified by passing the gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 45 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 55 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min, and the air gas flow rate was 1665 mL / min. The current density at a cell potential of 0.2 V was 1.5 A / cm. The cell potential at a current density of 0.5 A / cm was 0.59V.

比較例3
(共重合体Gの合成)
特開平10−021943号公報の実施例3と同じようにして、下記式で示される共重合体Gからなる高分子電解質膜を得た。
なお、n2及びm2は、ランダム共重合体型高分子電解質の各構造単位のモル比を表す。
[共重合体G]

Figure 2007191694
Mn 4.5×104
イオン交換容量の実測値 1.11 meq/g
製膜:DMAc溶液キャスト法 20μm
プロトン伝導度 7.81×10-3 S/cm
吸水率 41%
m2/(n2+m2)=0.14 Comparative Example 3
(Synthesis of copolymer G)
A polymer electrolyte membrane comprising a copolymer G represented by the following formula was obtained in the same manner as Example 3 of JP-A-10-021943.
In addition, n2 and m2 represent the molar ratio of each structural unit of a random copolymer type polymer electrolyte.
[Copolymer G]
Figure 2007191694
Mn 4.5 × 10 4
Measured value of ion exchange capacity 1.11 meq / g
Film formation: DMAc solution casting method 20 μm
Proton conductivity 7.81 × 10 −3 S / cm
Water absorption 41%
m2 / (n2 + m2) = 0.14

[触媒ペーストの製造]
NMP9.5gと共重合体G0.5gとで混合し均一な共重合体B溶液(共重合体Aの濃度;5重量%)を調製した。別に、エタノール11mLに白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製;白金担持量50重量%)を0.64g投入し、さらに先に調製した共重合体A溶液を1.05g加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで6時間攪拌し、触媒インクBを得た。
[Manufacture of catalyst paste]
A uniform copolymer B solution (concentration of copolymer A; 5% by weight) was prepared by mixing 9.5 g of NMP and 0.5 g of copolymer G. Separately, 0.64 g of platinum-supported carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat; 50% by weight of platinum) was added to 11 mL of ethanol, and 1.05 g of the previously prepared copolymer A solution was added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 6 hours with a stirrer to obtain catalyst ink B.

[高分子電解質膜の製造]
実施例5で使用した、ブロック共重合体型高分子電解質からなる高分子電解質膜を用いた。
[Manufacture of polymer electrolyte membranes]
The polymer electrolyte membrane made of a block copolymer type polymer electrolyte used in Example 5 was used.

[MEA化]
ガス拡散層であるカーボンクロスを正方形に切り出して加熱ステージにセットし、カーボンクロス主面中央部の5.2cm角の領域にスプレー法により触媒インクBを塗布した。吐出口から膜までの距離は5cm、ステージ温度は76℃に設定した。塗布した後、ステージ上に3分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。この方法で触媒層を形成させたカーボンクロスを二枚作製した。なお、触媒層の重量組成と塗布した触媒層重量から求めた触媒層の白金量は、それぞれ0.6mg/cm2であった。その後、カーボンクロス中に残存しているNMPを除去するため1N塩酸に1時間浸漬し、続いて水洗を1時間行った。NMPを除去したカーボンクロス2枚で電解質膜を挟み、120℃、10kgf/cm2で15分間プレスし、膜−電極接合体を完成させた。
[MEA]
A carbon cloth as a gas diffusion layer was cut into a square shape and set on a heating stage, and the catalyst ink B was applied to a 5.2 cm square area at the center of the carbon cloth main surface by a spray method. The distance from the discharge port to the film was set to 5 cm, and the stage temperature was set to 76 ° C. After coating, the solution was left on the stage for 3 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Two carbon cloths on which a catalyst layer was formed by this method were produced. The platinum amount of the catalyst layer determined from the weight composition of the catalyst layer and the weight of the applied catalyst layer was 0.6 mg / cm 2 . Thereafter, in order to remove NMP remaining in the carbon cloth, it was immersed in 1N hydrochloric acid for 1 hour, and then washed with water for 1 hour. The electrolyte membrane was sandwiched between two carbon cloths from which NMP was removed and pressed at 120 ° C. and 10 kgf / cm 2 for 15 minutes to complete the membrane-electrode assembly.

[燃料電池評価セル組立て]
市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、上記で得られた膜−電極接合体の両ガス拡散層に、ガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータを配し、さらにその外側に集電体及びエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積25cm2の燃料電池セルを組み立てた。
[Assembly of fuel cell evaluation cell]
A fuel cell was manufactured using a commercially available JARI standard cell. That is, a carbon separator having a gas passage groove cut in both gas diffusion layers of the membrane-electrode assembly obtained above, and a current collector and an end plate are sequentially arranged on the outside thereof. By fastening these with bolts, a fuel cell having an effective membrane area of 25 cm 2 was assembled.

[燃料電池評価]
得られた各燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気をそれぞれ供給した。この際、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるようにした。各原料ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は45℃、空気用バブラーの水温は55℃とした。ここで、水素のガス流量は529mL/min、空気のガス流量は1665mL/minとした。セル電位は0.2Vにおける電流密度は1.1A/cmであった。また電流密度0.5A/cmにおけるセル電位は0.44Vであった。
[Fuel cell evaluation]
While keeping the obtained fuel cells at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. At this time, the back pressure at the gas outlet of the cell was set to 0.1 MPaG. Each source gas was humidified by passing the gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 45 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 55 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min, and the air gas flow rate was 1665 mL / min. The cell density was 1.1 A / cm at 0.2V. The cell potential at a current density of 0.5 A / cm was 0.44 V.

Claims (15)

下記の(A)、(B)、(C)及び(D)で示されるモノマーを、混合して縮合させた共重合体。
(A)分子内に2つの脱離基を有し、さらに少なくとも1つの酸基を有するモノマー
(B)分子内に2つの求核基を有し、さらに少なくとも1つの酸基を有するモノマー
(C)分子内に2つの脱離基を有し、実質的に酸基を有さないモノマー
(D)分子内に2つの求核基を有し、実質的に酸基を有さないモノマー
A copolymer obtained by mixing and condensing monomers represented by the following (A), (B), (C) and (D).
(A) Monomer having two leaving groups in the molecule and further having at least one acid group (B) Monomer having two nucleophilic groups in the molecule and further having at least one acid group (C ) Monomer having two leaving groups in the molecule and having substantially no acid group (D) Monomer having two nucleophilic groups in the molecule and having substantially no acid group
前記(A)が、下記式(1)で示される化合物を含む請求項1記載の共重合体。
Figure 2007191694
(式中、kは0、1又は2を表し、Ar1、Ar2は互いに独立に2価の芳香族基を表し、kが2の場合は、2つのAr2は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基、フルオロ基、ニトロ基又はベンゾイル基で置換されていてもよい。kが0である場合はAr1が、kが1以上である場合は、Ar1、Ar2のいずれかが、少なくとも一つの酸基を有する。X1はフルオロ基、クロロ基、ニトロ基又はトリフルオロメタンスルホニルオキシ基のいずれかを表し、2つのX1は互いに同じでも、異なっていてもよい。Z1は下記の群から選ばれる基であり、kが2の場合、2つのZ1は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694
The copolymer according to claim 1, wherein (A) contains a compound represented by the following formula (1).
Figure 2007191694
(In the formula, k represents 0, 1 or 2, Ar 1 and Ar 2 each independently represents a divalent aromatic group, and when k is 2, two Ar 2 s are the same as or different from each other. Here, these divalent aromatic groups may have a C1-C10 alkyl group which may have a substituent, a C1-C10 alkoxy group which may have a substituent, a substitution The aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a group, the aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent, a fluoro group, a nitro group or a benzoyl group may be substituted. Ar 1 is 0 when k, and Ar 1 or Ar 2 has at least one acid group when k is 1 or more, X 1 is a fluoro group, a chloro group, a nitro group or trifluoromethane. Represents any of the sulfonyloxy groups, and two X 1 may be the same as or different from each other, Z 1 is a group selected from the following group, and when k is 2, two Z 1 may be the same or different from each other.
Figure 2007191694
前記(B)が、下記式(2)で示される化合物を含む請求項1又は2に記載の共重合体。
Figure 2007191694
(式中、jは0、1又は2を表し、Ar3、Ar4は互いに独立に2価の芳香族基を表し、jが2の場合、2つのAr4は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、または置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基で置換されていてもよい。jが0である場合はAr3が、jが1以上である場合は、Ar3、Ar4のいずれかが、少なくとも一つの酸基を有する。Y1は、フェノール性水酸基、チオール基又はアミノ基を表し、2つのY1は、互いに同じでも、異なっていてもよい。Q1は直接結合、及び下記の群から選ばれる基を表し、jが2の場合、2つのQ1は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694
The copolymer according to claim 1 or 2, wherein (B) comprises a compound represented by the following formula (2).
Figure 2007191694
(Wherein j represents 0, 1 or 2, Ar 3 and Ar 4 each independently represent a divalent aromatic group, and when j is 2, two Ar 4 s may be the same or different from each other. Here, these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and a substituent. Or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent, or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and when j is 0, Ar 3 is If j is 1 or more, any of Ar 3, Ar 4 are the .Y 1 having at least one acid group, a hydroxyl group, a thiol group, or an amino group, the two Y 1 are each It is the same, or different may .Q 1 also be a direct bond, and the following groups It represents et chosen group, when j is 2, two Q 1 is also the same as each other or may be different.)
Figure 2007191694
前記(C)が、下記式(3)で示される化合物を含む請求項1〜3のいずれかに記載の共重合体。
Figure 2007191694
(式中、mは0、1又は2を表し、Ar5、Ar6は互いに独立に2価の芳香族基を表し、mが2の場合、2つのAr6は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基、フルオロ基、ニトロ基又はベンゾイル基で置換されていてもよい。X2はフルオロ基、クロロ基、ニトロ基又はトリフルオロメタンスルホニルオキシ基から選ばれ、2つのX2は互いに同じでも、異なっていてもよい。Z2は下記の群から選ばれ、mが2の場合、2つのZ2は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694
The copolymer in any one of Claims 1-3 in which the said (C) contains the compound shown by following formula (3).
Figure 2007191694
(In the formula, m represents 0, 1 or 2, Ar 5 and Ar 6 each independently represent a divalent aromatic group, and when m is 2, two Ar 6 are the same as or different from each other. Here, these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and a substituent. also aryl group having 6 to 10 carbon atoms having a may also have a substituent aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, a fluoro group, optionally .X 2 be substituted by nitro group or a benzoyl group Selected from a fluoro group, a chloro group, a nitro group or a trifluoromethanesulfonyloxy group, the two X 2 s may be the same or different from each other, Z 2 is selected from the following group, and when m is 2, One of even Z 2 are the same as each other, different It may be.)
Figure 2007191694
前記(D)が、下記式(4)で示される化合物を含む請求項1〜4のいずれかに記載の共重合体。
Figure 2007191694
(式中、nは0、1又は2を表し、Ar7、Ar8は互いに独立に2価の芳香族基を表し、nが2の場合、2つのAr8は互いに同じでも、異なっていてもよく、ここで、これらの2価の芳香族基は、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有することもある炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有することもある炭素数6〜10のアリール基、または置換基を有することもある炭素数6〜10のアリールオキシ基で置換されていてもよい。Y2はフェノール性水酸基、チオール基又はアミノ基を表し、2つのY2は互いに同じでも、異なっていてもよい。Q2は直接結合、または下記の群から選ばれる基であり、nが2の場合、2つのQ2は互いに同じでも、異なっていてもよい。)
Figure 2007191694
The copolymer according to any one of claims 1 to 4, wherein (D) comprises a compound represented by the following formula (4).
Figure 2007191694
(In the formula, n represents 0, 1 or 2, Ar 7 and Ar 8 each independently represents a divalent aromatic group, and when n is 2, two Ar 8 are the same as or different from each other. Here, these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, and a substituent. It may be substituted with an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, which may have a substituent, or an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, which may have a substituent, and Y 2 is a phenolic hydroxyl group, a thiol group or an amino group. And two Y 2 s may be the same or different from each other, Q 2 is a direct bond or a group selected from the following group, and when n is 2, two Q 2 s may be the same as each other , May be different.)
Figure 2007191694
酸基が、強酸基又は超強酸基であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の共重合体。 6. The copolymer according to claim 1, wherein the acid group is a strong acid group or a super strong acid group. イオン交換容量が、0.1meq/g〜4.0meq/gであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の共重合体。 The copolymer according to any one of claims 1 to 6, wherein the ion exchange capacity is 0.1 meq / g to 4.0 meq / g. 共重合体中、酸基が導入された構造単位と、酸基が実質的に導入されていない構造単位の重量組成比が、[酸基が導入された構造単位]:[酸基が実質的に導入されていない構造単位]で表して、3:97〜70:30であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の共重合体。 In the copolymer, the weight composition ratio of the structural unit in which the acid group is introduced to the structural unit in which the acid group is not substantially introduced is [structural unit into which the acid group has been introduced]: [acid group is substantial. The copolymer according to any one of claims 1 to 7, wherein the copolymer is 3:97 to 70:30. 請求項1〜8のいずれかに記載の共重合体を含む高分子電解質。 The polymer electrolyte containing the copolymer in any one of Claims 1-8. 請求項9記載の高分子電解質を含むことを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 9. 請求項9記載の高分子電解質を多孔質基材に含浸させ、複合化することを特徴とする高分子電解質複合膜。 A polymer electrolyte composite membrane, wherein the polymer electrolyte according to claim 9 is impregnated into a porous substrate to form a composite. 請求項9記載の高分子電解質と、触媒物質とを含むことを特徴とする触媒組成物。 A catalyst composition comprising the polymer electrolyte according to claim 9 and a catalyst substance. 請求項10記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 10. 請求項11記載の高分子電解質複合膜を用いてなることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising the polymer electrolyte composite membrane according to claim 11. 請求項13記載の触媒組成物から得られる触媒層を有することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising a catalyst layer obtained from the catalyst composition according to claim 13.
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