JP4752318B2 - Polymer having oxocarbon group and use thereof - Google Patents

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Description

本発明は、オキソカーボン基を有する新規な高分子及びその用途に関する。   The present invention relates to a novel polymer having an oxocarbon group and use thereof.

スクアリン酸(四角酸)に代表されるオキソカーボン類は、オキソカーボン基における水素が解離した状態が共鳴による安定な構造となるため酸性度が高いことが知られている(非特許文献1)(非特許文献2)。
一方、スルホン酸基を有する高分子は、高分子電解質型燃料電池等の高分子電解質として有用であることが知られている。例えばナフィオン(デュポン社の登録商標)をはじめとするフッ素系高分子、ポリエーテルケトン類にスルホン酸基を導入した高分子(特許文献1)、ポリエーテルスルホン類にスルホン酸基を導入した高分子(非特許文献3)、ポリイミド類にスルホン酸基を導入した高分子(特許文献2)、ポリフェニレン類にスルホン酸基を導入した高分子(特許文献3)、ポリホスファゼン類にスルホン酸基を導入した高分子(非特許文献4)等が高分子電解質型燃料電池等の高分子電解質として提案されている。
Oxocarbons typified by squaric acid (square acid) are known to have high acidity because the state in which hydrogen in the oxocarbon group is dissociated has a stable structure due to resonance (Non-patent Document 1) ( Non-patent document 2).
On the other hand, a polymer having a sulfonic acid group is known to be useful as a polymer electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell or the like. For example, fluorinated polymers such as Nafion (registered trademark of DuPont), polymers obtained by introducing sulfonic acid groups into polyether ketones (Patent Document 1), polymers obtained by introducing sulfonic acid groups into polyether sulfones (Non-patent Document 3), Polymers with sulfonic acid groups introduced into polyimides (Patent Document 2), Polymers with sulfonic acid groups introduced into polyphenylenes (Patent Document 3), and sulfonic acid groups introduced into polyphosphazenes The polymer (Non-patent Document 4) has been proposed as a polymer electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell or the like.

Oxocarbons、45頁(Edited by Robert West)、Academic Press(1980),(ISBN:0−12−744580−3)Oxocarbons, p. 45 (Edited by Robert West), Academic Press (1980), (ISBN: 0-12-744580-3). Journal of the American Chemical Society,95,8703(1973)Journal of the American Chemical Society, 95, 8703 (1973) J.Membrane Science,83,211(1993)J. et al. Membrane Science, 83, 211 (1993) Chemical Material,3,1120(1991)Chemical Material, 3, 1120 (1991) 米国特許5438082号(2〜6欄、14〜16欄)US Pat. No. 5,438,082 (columns 2-6, 14-16) 特開2003−277501号公報(第2〜5頁)JP 2003-277501 A (pages 2 to 5) 米国特許5403675号(2〜5欄、15〜16欄)US Pat. No. 5,403,675 (columns 2-5, 15-16)

しかしながら、オキソカーボン基を有する高分子は知られていない。
本発明者等は、オキソカーボン基を有する高分子を製造し種々検討を重ねた結果、オキソカーボン基を有する高分子は、水素ガスなどの気体燃料やメタノールやジメチルエーテルなどの液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜用材料である高分子電解質として有用であることを見出すとともに、スルホン酸基を有する高分子に匹敵するプロトン伝導性を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子に比し、化学的安定性、耐水性にも優れ、長時間に亘り高いプロトン伝導性を維持し得ることを見出し、本発明を完成した。
However, a polymer having an oxocarbon group is not known.
The inventors of the present invention have produced a polymer having an oxocarbon group and conducted various studies. As a result, the polymer having an oxocarbon group is a solid polymer that uses a gaseous fuel such as hydrogen gas or a liquid fuel such as methanol or dimethyl ether. It is useful as a polymer electrolyte that is a material for proton conductive membranes of molecular fuel cells, and has proton conductivity comparable to a polymer having a sulfonic acid group and a polymer having a sulfonic acid group. In comparison, the present inventors have found that the chemical stability and water resistance are excellent, and that high proton conductivity can be maintained for a long time.

すなわち本発明は
[1]ビニル重合体、ポリオキシアルキレン類、ポリシロキサン類、ポリエステル類、ポリイミド類、ポリアミド類、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンスルフィド類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリホスファゼン類、およびこれらの共重合体からなる群より選ばれる1種以上の重合体を母体とし、下記一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有し、数平均分子量が5000〜1000000であることを特徴とする高分子を提供するものである。

Figure 0004752318
(式中、X1、X2はそれぞれ−−を表し、Zは−CO−を表す。nは繰り返しの数を表わし、n=0〜の数を表わす。n個あるZは同じであっても良いし、異なっていても良い。Bは水素原子を表す。) That is, the present invention provides [1] vinyl polymers, polyoxyalkylenes, polysiloxanes, polyesters, polyimides, polyamides, polybenzoxazoles, polybenzimidazoles, polyarylene ethers, polyarylenes, polyarylenes. One or more polymers selected from the group consisting of sulfides, polyether ketones, polyether sulfones, polyphosphazenes, and copolymers thereof, and an oxocarbon represented by the following general formula (1) have a group, in which the number-average molecular weight to provide a polymer, which is a 5,000 to 1,000,000.
Figure 0004752318
(Wherein, X 1, X 2 are, respectively it - O - represents, Z is -CO - a representative .n represents the number of repeating, n = .n pieces is Z representing the number of 0-4 is may be the same, may be different .B represents a hydrogen atom.)

さらに本発明
[2] 主鎖中にフェニル−フェニル結合を有することを特徴とする上記[1]の高分子、
] 上記[1]又は[2]の高分子を有効成分とする高分子電解質、
] 上記[]の高分子電解質を有することを特徴とする高分子電解質膜、
] 上記[]の高分子電解質を有することを特徴とする触媒組成物、
] 上記[]の高分子電解質、上記[]の高分子電解質膜、上記[]の触媒組成物のいずれかを有することを特徴とする高分子電解質膜−電極接合体、
上記[]の高分子電解質、上記[]の高分子電解質膜、上記[]の触媒組成物、上記[]の高分子電解質膜−電極接合体のいずれかを有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供するものである。
Furthermore, the present invention is
[2 ] The polymer according to [1 ] above, which has a phenyl-phenyl bond in the main chain,
[ 3 ] A polymer electrolyte containing the polymer according to [1] or [2] as an active ingredient,
[ 4 ] A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte of [ 3 ] above,
[ 5 ] A catalyst composition comprising the polymer electrolyte of [ 3 ] above,
[ 6 ] A polymer electrolyte membrane-electrode assembly comprising any one of the polymer electrolyte of [ 3 ], the polymer electrolyte membrane of [ 4 ], and the catalyst composition of [ 5 ],
[ 7 ] It has any one of the polymer electrolyte of [ 3 ], the polymer electrolyte membrane of [ 4 ], the catalyst composition of [ 5 ], and the polymer electrolyte membrane-electrode assembly of [ 6 ]. The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell.

本発明のオキソカーボン基を有する高分子は、水素ガスなどの気体燃料やメタノールやジメチルエーテルなどの液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜用材料である高分子電解質として有用である。殊にスルホン酸基を有する高分子に匹敵するプロトン伝導性を有するのみならずスルホン酸基を有する高分子に比し、化学的安定性、耐水性等にも優れ、長時間に亘り高いプロトン伝導性を維持し得るので、本発明の高分子は実用面でも有利となる。   The polymer having an oxocarbon group of the present invention is useful as a polymer electrolyte that is a material for a proton conductive membrane of a polymer electrolyte fuel cell using a gaseous fuel such as hydrogen gas or a liquid fuel such as methanol or dimethyl ether. In particular, it has not only proton conductivity comparable to polymers having sulfonic acid groups, but also excellent chemical stability and water resistance compared to polymers having sulfonic acid groups, and high proton conductivity over a long period of time. Therefore, the polymer of the present invention is advantageous in practical use.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子は、遊離酸の形が下記一般式(1)

Figure 0004752318
(式中、X1、X2はそれぞれ独立に−O−、−S−又は−NR−を表し、Zは−CO−、−C(S)−、−C(NR)−、置換基を有していても良いアルキレン基又は置換基を有していても良いアリーレン基を表す。(NRにおけるRは,水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。)nは繰り返しの数を表わし、n=0〜10の数を表わす。n個あるZは同じであっても良いし、異なっていても良い。Bは水素原子または1価の金属原子を表す。)
で示されるオキソカーボン基を有することを特徴とする。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The polymer of the present invention has a free acid form represented by the following general formula (1)
Figure 0004752318
(Wherein X 1 and X 2 each independently represent —O—, —S— or —NR—, Z represents —CO—, —C (S) —, —C (NR) —, a substituent, Represents an optionally substituted alkylene group or an optionally substituted arylene group (R in NR represents a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or Represents an aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent.) N represents the number of repetitions and represents a number of n = 0 to 10. The n Zs may be the same. And B represents a hydrogen atom or a monovalent metal atom.)
It has the oxocarbon group shown by these.

ここで、X1、X2はそれぞれ独立に−O−、−S−又は−NR−を表す。好ましくは−O−、−S−であり、特に好ましくは−O−である。またNRにおけるRは,水素原子,メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、ナフチル基等で代表されるの置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。
またZは−CO−、−C(S)−、−C(NR)−、置換基を有していても良いアルキレン基又は置換基を有していても良いアリーレン基を表す。NRにおけるRは上記と同じ意味を有する。
置換基を有していても良いアルキレン基の代表例としては、例えばメチレン、フルオロメチレン、ジフルオロメチレン、フェニルメチレン、ジフェニルメチレン等が挙げられる。置換基を有していてもよいアリーレン基の代表例としては、例えばフェニレン基、ナフチレン基、テトラフルオロフェニレン基等が挙げられる。
Zは、好ましくは−CO−、−C(S)−、−C(NR)−であり、より好ましくは−CO−、−C(S)−であり、特に好ましくは−CO−である。
nはZの繰り返しの数、0〜10を表わす。n個あるZは同じであっても良いし、異なっていても良い。nは、好ましくは0〜4であり、さらに好ましくは0〜2であり、最も好ましくは1である。
Bは水素原子または1価の金属原子を表す。1価の金属原子としては、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、セシウム原子、銀原子等が挙げられる。Bとして、好ましくは水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子であり、さらに好ましくは水素原子、リチウム原子であり、特に好ましくは水素原子である。
Here, X 1 and X 2 each independently represent —O—, —S—, or —NR—. -O- and -S- are preferable, and -O- is particularly preferable. R in NR has 1 to 6 carbon atoms which may have a substituent represented by a hydrogen atom, methyl group, trifluoromethyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, n-butyl group and the like. It represents an aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent represented by an alkyl group, a phenyl group, a pentafluorophenyl group, a naphthyl group or the like.
Z represents -CO-, -C (S)-, -C (NR)-, an alkylene group which may have a substituent, or an arylene group which may have a substituent. R in NR has the same meaning as above.
Typical examples of the alkylene group which may have a substituent include methylene, fluoromethylene, difluoromethylene, phenylmethylene, diphenylmethylene and the like. Representative examples of the arylene group which may have a substituent include a phenylene group, a naphthylene group, a tetrafluorophenylene group, and the like.
Z is preferably —CO—, —C (S) —, —C (NR) —, more preferably —CO—, —C (S) —, and particularly preferably —CO—.
n represents the number of repetitions of Z, 0-10. The n Zs may be the same or different. n is preferably 0 to 4, more preferably 0 to 2, and most preferably 1.
B represents a hydrogen atom or a monovalent metal atom. Examples of the monovalent metal atom include a lithium atom, a sodium atom, a potassium atom, a cesium atom, and a silver atom. B is preferably a hydrogen atom, a lithium atom, or a sodium atom, more preferably a hydrogen atom or a lithium atom, and particularly preferably a hydrogen atom.

式(1)で表わされる基においてBが水素原子である場合、すなわち遊離酸の形である場合は、下記式

Figure 0004752318
で表わされる平衡反応をとりうる。この平衡反応の極限構造は下記式

Figure 0004752318
のように表わされ、プロトンが解離した時のカチオンが分子内に広く非局在化するために安定な構造である。そのために式(1)で表される化合物は酸性度が高い基になるものと考えられる。 In the group represented by the formula (1), when B is a hydrogen atom, that is, in the form of a free acid, the following formula
Figure 0004752318
The equilibrium reaction represented by can be taken. The ultimate structure of this equilibrium reaction is

Figure 0004752318
This is a stable structure because the cations when protons dissociate are widely delocalized in the molecule. Therefore, it is considered that the compound represented by the formula (1) becomes a group having high acidity.

このような好ましいオキソカーボン基の代表例としては、例えば

Figure 0004752318
等が挙げられる。 As a typical example of such a preferable oxocarbon group, for example,
Figure 0004752318
Etc.

これらの中では、(1a)〜(1d)が好ましい。より好ましくは(1a)〜(1c)であり、より一層好ましくは(1b)〜(1c)であり、最も好ましくは(1b)である。
オキソカーボン基は、Bが水素である遊離酸の形であっても、Bが一価の金属原子である塩の形であっても良い。また、本発明のオキソカーボン基を有する高分子は、その繰り返し単位全てにオキソカーボン基が結合していてもよく、またオキソカーボン基が結合していない繰り返し単位が高分子中にあってもよい。2以上のオキソカーボン基が繰り返し単位に結合していてもよい。これら高分子の繰り返し単位に結合しているオキソカーボン基は互いに同じでも異なっていてもよく、一般式(1)におけるBが水素でも一価の金属であってもよい。固体高分子型燃料電池用の材料として用いる場合は、発電性能の観点から繰り返し単位に結合しているオキソカーボン基は実質的に全てが遊離酸の形であることが好ましい。
一価の金属として好ましくはリチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子であり、さらに好ましくは、リチウム原子、ナトリウム原子であり、特に好ましくはリチウム原子である。
Among these, (1a) to (1d) are preferable. More preferred are (1a) to (1c), even more preferred are (1b) to (1c), and most preferred is (1b).
The oxocarbon group may be in the form of a free acid in which B is hydrogen, or in the form of a salt in which B is a monovalent metal atom. In the polymer having an oxocarbon group of the present invention, an oxocarbon group may be bonded to all of the repeating units, and a repeating unit to which no oxocarbon group is bonded may be present in the polymer. . Two or more oxocarbon groups may be bonded to the repeating unit. The oxocarbon groups bonded to the repeating units of these polymers may be the same or different from each other, and B in the general formula (1) may be hydrogen or a monovalent metal. When used as a material for a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that substantially all oxocarbon groups bonded to repeating units are in the form of a free acid from the viewpoint of power generation performance.
The monovalent metal is preferably a lithium atom, a sodium atom, or a potassium atom, more preferably a lithium atom or a sodium atom, and particularly preferably a lithium atom.

本発明の高分子は、前記一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有することを特徴とするものであり、該オキソカーボン基を有する高分子であれば、その母体となる高分子は特に制限はなく、例えばビニル重合体、ポリオキシアルキレン類、ポリシロキサン類、ポリエステル類、ポリイミド類、ポリアミド類、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンスルフィド類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリホスファゼン類等、およびこれらの共重合体およびこれらの混合物等が挙げられる。   The polymer of the present invention is characterized by having an oxocarbon group represented by the general formula (1). If the polymer has the oxocarbon group, the base polymer is particularly There is no limitation, for example, vinyl polymers, polyoxyalkylenes, polysiloxanes, polyesters, polyimides, polyamides, polybenzoxazoles, polybenzimidazoles, polyarylene ethers, polyarylenes, polyarylene sulfides , Polyether ketones, polyether sulfones, polyphosphazenes, and the like, and copolymers and mixtures thereof.

前記一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するビニル重合体としては、例えば下記のもの等が挙げられる。なお、Aは前記一般式(1)を意味し、m、p、qは繰り返しの数を表わし(以下同様)、ここでは、mは通常20以上、pは通常0〜3、qは通常1〜5である。

Figure 0004752318
(式中、R1〜R6は互いに独立に水素原子、フッ素原子、塩素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基を表す。) Examples of the vinyl polymer having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include the following. A represents the general formula (1), m, p and q represent the number of repetitions (the same applies hereinafter), where m is usually 20 or more, p is usually 0 to 3, and q is usually 1 ~ 5.
Figure 0004752318
(In the formula, R 1 to R 6 each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a methyl group or a trifluoromethyl group.)

また、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリオキシアルキレン、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリシロキサンとしては、例えば下記の繰り返し単位を有する高分子が挙げられる。

Figure 0004752318

また、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリエステルとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。オキソカーボン基は芳香環上の水素を置換するのが好ましい。
Figure 0004752318

(式中、R7、R8は互いに独立に水素原子、フッ素原子、塩素原子、メチル基、トリフルオロメチル基又はフェニル基を表す。) Examples of the polyoxyalkylene having an oxocarbon group represented by the general formula (1) and the polysiloxane having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include polymers having the following repeating units.
Figure 0004752318

Examples of the polyester having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include a polymer having a repeating unit in which an oxocarbon group is bonded to the following repeating unit, and the oxocarbon group is a substitution of the following repeating unit. Replaces any of the possible hydrogens. The oxocarbon group preferably replaces a hydrogen on the aromatic ring.
Figure 0004752318

(In the formula, R 7 and R 8 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a methyl group, a trifluoromethyl group or a phenyl group.)

一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリイミドとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。

Figure 0004752318
Examples of the polyimide having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include a polymer having a repeating unit in which an oxocarbon group is bonded to the following repeating unit, and the oxocarbon group can be substituted with the following repeating unit. Replaces any of the hydrogens.
Figure 0004752318

また一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリアミド、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリベンズオキサゾール、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリベンズイミダゾール、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリアリーレンエーテルとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。

Figure 0004752318
Further, a polyamide having an oxocarbon group represented by the general formula (1), a polybenzoxazole having an oxocarbon group represented by the general formula (1), a polybenzimidazole having an oxocarbon group represented by the general formula (1), Examples of the polyarylene ether having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include a polymer having a repeating unit in which the oxocarbon group is bonded to the following repeating unit. Replaces any of the possible hydrogens.
Figure 0004752318

一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリアリーレンとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。

Figure 0004752318
Examples of the polyarylene having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include a polymer having a repeating unit in which the oxocarbon group is bonded to the following repeating unit. The oxocarbon group can be substituted with the following repeating unit. One of the hydrogens is replaced.
Figure 0004752318

また一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリエーテルケトンとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。

Figure 0004752318
The polyether ketone having an oxocarbon group represented by the general formula (1) includes, for example, a polymer having a repeating unit in which the oxocarbon group is bonded to the following repeating unit. Any of the replaceable hydrogens are replaced.
Figure 0004752318

一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリエーテルスルホンとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。

Figure 0004752318
Examples of the polyethersulfone having an oxocarbon group represented by the general formula (1) include a polymer having a repeating unit in which an oxocarbon group is bonded to the following repeating unit, and the oxocarbon group is a substitution of the following repeating unit. Replaces any of the possible hydrogens.
Figure 0004752318

また一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリアリーレンスルフィド、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリフタラジノン、一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有するポリホスファゼンとしては、例えば下記の繰り返し単位にオキソカーボン基が結合した繰り返し単位を有する高分子が挙げられ、オキソカーボン基は下記繰り返し単位の置換可能な水素のいずれかを置換している。Aは前記と同じ意味である。

Figure 0004752318

(式中、R9、R10は互いに独立に水素原子、フッ素原子、塩素原子、メチル基、トリフルオロメチル基又はフェニル基を表す。)
上記例示繰り返し単位に結合するオキソカーボン基の数は一つでも2以上であってよい。繰り返し単位に結合しているオキソカーボン基は同じでも互いに異なっていてもよい。また高分子中の全ての繰り返し単位にオキソカーボン基が結合していなくてもよい。 Further, polyarylene sulfide having an oxocarbon group represented by the general formula (1), polyphthalazinone having an oxocarbon group represented by the general formula (1), and polyphosphazene having an oxocarbon group represented by the general formula (1) Examples thereof include a polymer having a repeating unit in which an oxocarbon group is bonded to the following repeating unit, and the oxocarbon group substitutes any substitutable hydrogen of the following repeating unit. A has the same meaning as described above.
Figure 0004752318

(In the formula, R 9 and R 10 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a methyl group, a trifluoromethyl group or a phenyl group.)
The number of oxocarbon groups bonded to the above exemplified repeating unit may be one or two or more. The oxocarbon groups bonded to the repeating unit may be the same or different from each other. Further, the oxocarbon group may not be bonded to all the repeating units in the polymer.

これらの高分子の中では、ビニル重合体、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリホスファゼン類等、およびこれらの共重合体、これらの混合物等が好ましい。より好ましくはポリイミド類、ポリアリーレン類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、およびこれらの共重合体、混合物等である。
より一層好ましくは、ポリアリーレン類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、およびこれらの共重合体、混合物等であり、最も好ましくはポリエーテルスルホン類である。
また高分子電解質としての耐水性という観点からは、主鎖中にフェニル−フェニル結合を有する高分子を母体とするものが好ましい。そのようなものとしては、例えばポリアリーレン類、フェニル−フェニル結合を有するポリエーテルスルホン類、フェニル−フェニル結合を有するポリエーテルケトン類、フェニル−フェニル結合を有するポリイミド類等が挙げられ、最も好ましくはポリアリーレン類、フェニル−フェニル結合を有するポリエーテルスルホン類である。
Among these polymers, vinyl polymers, polybenzoxazoles, polybenzimidazoles, polyarylene ethers, polyarylenes, polyether ketones, polyether sulfones, polyphosphazenes, etc. Polymers and mixtures thereof are preferred. More preferred are polyimides, polyarylenes, polyether ketones, polyether sulfones, and copolymers and mixtures thereof.
Even more preferred are polyarylenes, polyether ketones, polyether sulfones, and their copolymers, mixtures, etc., and most preferred are polyether sulfones.
Further, from the viewpoint of water resistance as a polymer electrolyte, a polymer having a phenyl-phenyl bond in the main chain as a base is preferable. Examples of such include polyarylenes, polyether sulfones having a phenyl-phenyl bond, polyether ketones having a phenyl-phenyl bond, and polyimides having a phenyl-phenyl bond, and most preferably Polyarylenes and polyether sulfones having a phenyl-phenyl bond.

本発明の高分子は上記のような構造を有するものであるが、その分子量は、特に制限がないが、5000〜1000000程度が好ましく、10000〜500000程度がさらに好ましく、20000〜300000程度が特に好ましい。5000未満であると膜の形状で使用する場合には膜形状を保つことが難しくなる傾向に有り、また、1000000を超えると膜形状に成型することが難しくなる傾向にある。
また、本発明の高分子のイオン交換容量は0.5meq/g〜8meq/gであることが好ましい。0.5meq/g未満であるとイオン伝導度が低下する傾向にあり発電特性の面で好ましくなく、8meq/gを超えると耐水性の面で好ましくない傾向にある。イオン交換容量は好ましくは0.6〜7meq/gであり、さらに好ましくは0.7〜6meq/gであり、最も好ましくは0.8〜5meq/gである。
The polymer of the present invention has the structure as described above, and the molecular weight thereof is not particularly limited, but is preferably about 5000 to 1000000, more preferably about 10000 to 500000, and particularly preferably about 20000 to 300000. . If it is less than 5000, it tends to be difficult to keep the film shape when used in the form of a film, and if it exceeds 1000000, it tends to be difficult to form the film shape.
The ion exchange capacity of the polymer of the present invention is preferably 0.5 meq / g to 8 meq / g. If it is less than 0.5 meq / g, the ionic conductivity tends to decrease, which is not preferable in terms of power generation characteristics, and if it exceeds 8 meq / g, it tends to be not preferable in terms of water resistance. The ion exchange capacity is preferably 0.6 to 7 meq / g, more preferably 0.7 to 6 meq / g, and most preferably 0.8 to 5 meq / g.

次に本発明の高分子の製造方法を説明する。
本発明の高分子は
(A)高分子へ一般式(1)のオキソカーボン基を導入する方法、
(B)一般式(1)のオキソカーボン基を含むモノマーを重合して得る方法
などが挙げられる。
Next, the method for producing the polymer of the present invention will be described.
The polymer of the present invention is (A) a method for introducing an oxocarbon group of the general formula (1) into a polymer,
(B) The method etc. which superpose | polymerize and obtain the monomer containing the oxocarbon group of General formula (1) are mentioned.

(A)、(B)何れの方法においても、
(I)リチウム試薬を用いて一般式(1)の基を有する脂肪族化合物または芳香族化合物を合成する方法(Journal of Organic Chemistry,53,2482、2477(1988))、
(II)グリニヤ試薬を用いて一般式(1)の基を有する脂肪族化合物または芳香族化合物を合成する方法(Heterocycles,27(5),1191(1988))、
(III)スズ試薬を用いて一般式(1)の基を有する脂肪族化合物または芳香族化合物を合成する方法(Journal of Organic Chemistry,55,5359(1990)、Tetrahydron Letters,31(30),4293(1990))、
(IV)Friedel Crafts反応を用いて一般式(1)の基を有する芳香族化合物を合成する方法(Synthesis,46頁(1974))
等を用いて製造し得る。例えば、上記方法(I)から(IV)を適用し、上記(A)の方法として、一般式(1)の基を有さない高分子に一般式(1)の基を結合させる方法、(B)の方法として、一般式(1)の基を有する脂肪族化合物または芳香族化合物を合成し、得られた化合物を重合して目的の高分子を得る方法、が挙げられる。
In both methods (A) and (B),
(I) a method of synthesizing an aliphatic compound or an aromatic compound having a group of the general formula (1) using a lithium reagent (Journal of Organic Chemistry, 53 , 2482, 2477 (1988)),
(II) a method of synthesizing an aliphatic compound or an aromatic compound having a group of the general formula (1) using a Grignard reagent (Heterocycles, 27 (5), 1191 (1988)),
(III) A method of synthesizing an aliphatic compound or an aromatic compound having a group of the general formula (1) using a tin reagent (Journal of Organic Chemistry, 55 , 5359 (1990), Tetrahydron Letters, 31 (30), 4293 (1990)),
(IV) A method of synthesizing an aromatic compound having a group of the general formula (1) by using Friedel Crafts reaction (Synthesis, page 46 (1974))
Or the like. For example, the methods (I) to (IV) are applied, and the method of (A) is a method of bonding a group of the general formula (1) to a polymer having no group of the general formula (1). Examples of the method B) include a method of synthesizing an aliphatic compound or an aromatic compound having a group of the general formula (1) and polymerizing the obtained compound to obtain a target polymer.

例えば、(A)の高分子へ一般式(1)のオキソカーボン基を導入する方法、具体的には繰り返し単位としてジフェニルスルホンを有する高分子に、一般式(1)においてX1=X2=−O−、Z=−CO−、n=1の構造を導入する方法について述べる。
不活性ガス中、繰り返し単位としてジフェニルスルホンを有する高分子を溶液中でアルキルリチウムと反応させてポリマー中にアニオンを発生させて、これに3,4−ジアルコキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオンを反応させ、さらにこれを酸性条件下で処理する方法が挙げられる。
For example, a method of introducing the oxocarbon group of the general formula (1) into the polymer of (A), specifically, a polymer having diphenylsulfone as a repeating unit, X 1 = X 2 = A method for introducing a structure of —O—, Z = —CO—, and n = 1 will be described.
A polymer having diphenylsulfone as a repeating unit in an inert gas is reacted with alkyllithium in a solution to generate an anion in the polymer, and 3,4-dialkoxy-3-cyclobutene-1,2- There is a method in which dione is reacted and further treated under acidic conditions.

ここで、繰り返し単位としてジフェニルスルホンを有する高分子としては、例えば、

Figure 0004752318

の繰り返し単位を有する高分子を挙げることができる。ただし、m、pは繰り返しの数を表わす。
アルキルリチウムとしてはメチルリチウム、エチルリチウム、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウム、フェニルリチウム、などを挙げることができる。 Here, as a polymer having diphenylsulfone as a repeating unit, for example,
Figure 0004752318

And a polymer having a repeating unit of However, m and p represent the number of repetitions.
Examples of the alkyl lithium include methyl lithium, ethyl lithium, n-butyl lithium, sec-butyl lithium, tert-butyl lithium, and phenyl lithium.

反応させる際の溶媒としてはアルキルリチウムと反応せず、高分子を溶解する溶媒であれば制限なく使用できる。このような溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキサン、テトラヒドロピラン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジフェニルエーテル、クラウンエーテル類等のエーテル系溶媒を挙げることができる。好ましくはテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキサン、テトラヒドロピラン等の環状エーテルであり、特に好ましくはテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソランであり、最も好ましくはテトラヒドロフランである。また、エーテル系溶媒と脂肪族炭化水素溶媒および/または芳香族炭化水素溶媒も使用することができる。脂肪族溶媒としてはシクロヘキサン、ヘキサン、ヘプタン等、芳香族炭化水素溶媒としてはベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。
アルキルリチウムと高分子を反応させる際の温度は、通常、−150℃〜20℃、好ましくは−120℃〜0℃、さらに好ましくは−100℃〜−20℃である。アルキルリチウムと高分子を反応させる際の溶液の濃度は、通常0.01〜50wt%、好ましくは0.02〜30wt%、さらに好ましくは0.1〜20wt%、特に好ましくは0.2〜10wt%、最も好ましくは0.5〜5wt%である。アルキルリチウムと高分子を反応させる際の反応時間は通常1分〜10時間であり、好ましくは2分〜5時間、さらに好ましくは5分〜4時間、特に好ましくは10分〜3時間である。
As a solvent for the reaction, any solvent that does not react with alkyllithium and dissolves a polymer can be used without limitation. Examples of such solvents include ether solvents such as tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane, 1,3-dioxane, tetrahydropyran, dibutyl ether, tert-butyl methyl ether, diphenyl ether, and crown ethers. Can be mentioned. Preferred are cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane, 1,3-dioxane and tetrahydropyran, particularly preferred are tetrahydrofuran and 1,3-dioxolane, and most preferred is tetrahydrofuran. . In addition, ether solvents, aliphatic hydrocarbon solvents and / or aromatic hydrocarbon solvents can also be used. Examples of the aliphatic solvent include cyclohexane, hexane, and heptane, and examples of the aromatic hydrocarbon solvent include benzene, toluene, and xylene.
The temperature at the time of reacting the alkyl lithium with the polymer is usually -150 ° C to 20 ° C, preferably -120 ° C to 0 ° C, more preferably -100 ° C to -20 ° C. The concentration of the solution when the alkyllithium and the polymer are reacted is usually 0.01 to 50 wt%, preferably 0.02 to 30 wt%, more preferably 0.1 to 20 wt%, particularly preferably 0.2 to 10 wt%. %, Most preferably 0.5-5 wt%. The reaction time for reacting the alkyl lithium with the polymer is usually 1 minute to 10 hours, preferably 2 minutes to 5 hours, more preferably 5 minutes to 4 hours, and particularly preferably 10 minutes to 3 hours.

上記のようにポリマーにアニオンを発生させた後、3,4−ジアルコキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオンを反応させるが、ここで用いる3,4−ジアルコキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオンとしては例えば、3,4−ジメトキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジエトキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジ(n−プロポキシ)−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジイソプロポキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジ(n−ブトキシ)−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジ(sec−ブトキシ)−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジ(tert−ブトキシ)−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジフェノキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジナフトキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン等を挙げることができる。これらのなかでも好ましくは3,4−ジメトキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジエトキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジイソプロポキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン、3,4−ジ(n−ブトキシ)−3−シクロブテン−1,2−ジオンである。   After generating an anion in the polymer as described above, 3,4-dialkoxy-3-cyclobutene-1,2-dione is reacted, but 3,4-dialkoxy-3-cyclobutene-1, used here, Examples of 2-dione include 3,4-dimethoxy-3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-diethoxy-3-cyclobutene-1,2-dione, and 3,4-di (n-propoxy)- 3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-diisopropoxy-3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-di (n-butoxy) -3-cyclobutene-1,2-dione, 3, , 4-Di (sec-butoxy) -3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-di (tert-butoxy) -3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-diphenoxy-3-cyclobutene − , Mention may be made of 2-dione, 3,4 Jinafutokishi 3-cyclobutene-1,2-dione. Of these, 3,4-dimethoxy-3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-diethoxy-3-cyclobutene-1,2-dione, 3,4-diisopropoxy-3-cyclobutene- 1,2-dione, 3,4-di (n-butoxy) -3-cyclobutene-1,2-dione.

このような3,4−ジアルコキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオンを反応させる際の反応温度は、通常、−150℃〜20℃、好ましくは−120℃〜0℃、さらに好ましくは−100℃〜−20℃である。反応温度は通常1分〜10時間であり、好ましくは2分〜5時間、さらに好ましくは5分〜4時間、特に好ましくは10分〜3時間である。反応に用いる3,4−ジアルコキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオンの量は使用したアルキルリチウムと等モル以上使用することが好ましい。   The reaction temperature when reacting such 3,4-dialkoxy-3-cyclobutene-1,2-dione is usually −150 ° C. to 20 ° C., preferably −120 ° C. to 0 ° C., more preferably − 100 ° C to -20 ° C. The reaction temperature is usually 1 minute to 10 hours, preferably 2 minutes to 5 hours, more preferably 5 minutes to 4 hours, and particularly preferably 10 minutes to 3 hours. The amount of 3,4-dialkoxy-3-cyclobutene-1,2-dione used in the reaction is preferably used in an equimolar amount or more with respect to the alkyllithium used.

酸性条件下で処理をする際に用いる試薬としては、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、シュウ酸、およびこれらの混合物等が挙げられる。処理温度としては通常、−150℃〜200℃であり、好ましくは−100℃〜150℃であり、さらに好ましくは−80℃〜120℃である。処理時間としては通常10分〜20時間であり、好ましくは30分〜15時間であり、特に好ましくは1時間〜10時間である。酸性条件下で処理する際には均一系であっても不均一系であってもよい。処理後のポリマーは不均一系であれば、ろ過することで回収でき、均一系であれば、貧溶媒や非溶媒中に沈殿し、ろ過することで回収することができる。
なお、一般式(1)で示されるオキソカーボン基の導入率は使用するアルキルリチウムの使用量や3,4−ジアルコキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオンの使用量等で容易に制御し得る。
Examples of the reagent used for treatment under acidic conditions include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, oxalic acid, and mixtures thereof. As processing temperature, it is -150 degreeC-200 degreeC normally, Preferably it is -100 degreeC-150 degreeC, More preferably, it is -80 degreeC-120 degreeC. The treatment time is usually 10 minutes to 20 hours, preferably 30 minutes to 15 hours, and particularly preferably 1 hour to 10 hours. When treating under acidic conditions, it may be a homogeneous system or a heterogeneous system. If the polymer after processing is a heterogeneous system, it can be recovered by filtration, and if it is a homogeneous system, it can be recovered by precipitation in a poor solvent or a non-solvent and filtration.
The introduction rate of the oxocarbon group represented by the general formula (1) is easily controlled by the amount of alkyllithium used or the amount of 3,4-dialkoxy-3-cyclobutene-1,2-dione used. obtain.

次に、本発明の高分子を燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜として使用する場合について説明する。
この場合は、本発明の高分子は、通常フィルムの形態で使用されるが、フィルムへ転化する方法に特に制限はなく、例えば溶液状態より製膜する方法(溶液キャスト法)が好ましく使用される。
具体的には、高分子を適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜される。製膜に用いる溶媒は、高分子を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキサン、テトラヒドロピラン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジフェニルエーテル、クラウンエーテル類等のエーテル系溶媒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、ジメチルスルホキシド、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−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等が高分子の溶解性が高く好ましい。
Next, the case where the polymer of the present invention is used as a diaphragm of an electrochemical device such as a fuel cell will be described.
In this case, the polymer of the present invention is usually used in the form of a film, but there is no particular limitation on the method of converting to a film, and for example, a method of forming a film from a solution state (solution casting method) is preferably used. .
Specifically, the polymer is dissolved in an appropriate solvent, the solution is cast on a glass plate, and the solvent is removed to form a film. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer and can be removed thereafter, and N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), Aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO), or chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, methanol, ethanol, propanol Alcohols such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether and other alkylene glycol monoalkyl ethers, tetrahydrofuran, 1,3-di Kisoran, 1,4-dioxane, 1,3-dioxane, tetrahydropyran, dibutyl ether, tert- butyl methyl ether, diphenyl ether, ether solvents such as crown ethers are preferably used. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary.
Among them, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane and the like are preferable because of high polymer solubility.

フィルムの厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましく、20〜100μmが特に好ましい。10μmより薄いフィルムでは実用的な強度が十分でない場合があり、300μmより厚いフィルムでは膜抵抗が大きくなり電気化学デバイスの特性が低下する傾向にある。膜厚は溶液の濃度および基板上への塗布厚により制御できる。   Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a film, 10-300 micrometers is preferable and 20-100 micrometers is especially preferable. When the film is thinner than 10 μm, the practical strength may not be sufficient, and when the film is thicker than 300 μm, the film resistance tends to increase and the characteristics of the electrochemical device tend to deteriorate. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.

またフィルムの各種物性改良を目的として、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等を本発明の高分子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高分子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の量を制御するために、無機あるいは有機の微粒子を保水剤として添加する事も知られている。これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。
また、フィルムの機械的強度の向上などを目的として、電子線・放射線などを照射して架橋することもできる。さらには、多孔性のフィルムやシートに含浸複合化したり、ファイバーやパルプを混合してフィルムを補強する方法などが知られており、これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。
For the purpose of improving various physical properties of the film, plasticizers, stabilizers, mold release agents and the like used for ordinary polymers can be added to the polymer of the present invention. Also, other polymers can be combined with the polymer 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 control the amount of water. Any of these known methods can be used as long as they are not contrary to the object of the present invention.
Further, for the purpose of improving the mechanical strength of the film, it can be crosslinked by irradiating with an electron beam or radiation. Furthermore, there are known methods such as impregnating and compounding porous films and sheets, and reinforcing the film by mixing fibers and pulp, and these known methods are not contrary to the object of the present invention. Can be used.

次に本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、高分子フィルムの両面に、触媒および集電体としての導電性物質を接合することにより製造することができる。
該触媒としては、水素または酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金の微粒子を用いることが好ましい。白金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて用いられ、好ましく用いられる。
集電体としての導電性物質に関しても公知の材料を用いることができるが、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布またはカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好ましい。
多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーに白金微粒子または白金微粒子を担持したカーボンを接合させる方法、およびそれを高分子電解質フィルムと接合させる方法については、例えば、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9),2209 に記載されている方法等の公知の方法を用いることができる。
また、本発明の高分子は、固体高分子形燃料電池の触媒層を構成する触媒組成物の一成分であるプロトン伝導材料としても使用可能である。
このようにして製造された本発明の燃料電池は、燃料として水素ガス、改質水素ガス、メタノール、ジメチルエーテル等を用いる各種の形式で使用可能である。
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
The fuel cell of the present invention can be produced by bonding a catalyst and a conductive material as a current collector to both surfaces of a polymer film.
The catalyst is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction with hydrogen or oxygen, and a known catalyst can be used, but platinum fine particles are preferably used. The fine particles of platinum are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.
A known material can be used for the conductive material as the current collector, but porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric, or carbon paper is preferable in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst.
For a method of bonding platinum fine particles or carbon carrying platinum fine particles to a porous carbon nonwoven fabric or carbon paper, and a method of bonding it to a polymer electrolyte film, see, for example, J. Org. Electrochem. Soc. : Known methods such as those described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.
The polymer of the present invention can also be used as a proton conducting material that is a component of a catalyst composition constituting a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.
The fuel cell of the present invention thus produced can be used in various forms using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, methanol, dimethyl ether, etc. as fuel.
While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and further includes meanings equivalent to the description of the claims and all modifications within the scope.

以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
分子量の測定はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)および/または重量平均分子量(Mw)を測定した。
GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
カラム Shodex社製 KD−80Mを2本直列に接続
カラム温度 40℃
移動相溶媒 DMAc(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.5mL/min
プロトン伝導度(σ)は、以下のようにして測定した。
幅1.0cmの短冊状膜試料の表面に白金板(幅:5.0mm)を間隔が1.0cmになるように押しあて、80℃、相対湿度100%の恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金板間の106〜10-1Hzにおける交流インピーダンスを測定し、下記式より求めた。
σ(S/cm)=1/(R×d)
(ただし、コール・コールプロット上において、複素インピーダンスの虚数成分が0の時、複素インピーダンスの実数成分をR(Ω)とする。dは膜厚(cm)を表す。)
吸水率の測定は乾燥したフィルムを100℃の脱イオン水に2時間浸漬した後のフィルム重量増加量を乾燥時の重量を基準として求めた。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
The molecular weight was measured by gel permeation chromatography (GPC) by measuring the number average molecular weight (Mn) and / or the weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene under the following conditions.
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by TOSOH
Two columns KD-80M manufactured by Shodex are connected in series Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent DMAc (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5mL / min
Proton conductivity (σ) was measured as follows.
A platinum plate (width: 5.0 mm) was pressed against the surface of a strip-shaped film sample having a width of 1.0 cm so that the interval was 1.0 cm, and the sample was placed in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and relative humidity of 100%. It was hold | maintained, the alternating current impedance in 10 < 6 > -10 < -1 > Hz between platinum plates was measured, and it calculated | required from the following formula.
σ (S / cm) = 1 / (R × d)
(However, on the Cole-Cole plot, when the imaginary component of the complex impedance is 0, the real component of the complex impedance is R (Ω). D represents the film thickness (cm).)
The water absorption was determined by determining the increase in film weight after immersing the dried film in deionized water at 100 ° C. for 2 hours, based on the weight during drying.

(参考例1)3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンの製造
アルゴン雰囲気下、フラスコにジイソプロピルスクアリン酸2g(10.1mmol)、脱水THF20mlを入れ均一溶液とした。−78℃に保ったまま、フェニルリチウムのジブチルエーテル溶液(19wt%)4.56ml(10.3mmol)を15分かけて滴下し、そのまま3時間反応させた(TLC分析(シリカゲル);ヘキサン:エーテル=5:5(vol/vol)でRf=0.37)。反応終了後、水10mlで反応を停止し、エーテルを10ml加えた。油層を分け取り、水層をさらに塩化メチレンで2回抽出した。油層をあわせて無水硫酸ナトリウムで脱水後、ろ過、濃縮することにより黄色の固体を得た。この固体をTHF0.2mlに溶解させて均一溶液とした。室温で36wt%塩酸1mlを加えたところ、すぐに黄色の沈殿を生じた。そのまま室温で4時間反応させた後、水を50ml加えた。これを塩化メチレンで3回洗浄し、水を留去し黄色の固体を得た。シリカゲルカラムで精製し(TLC分析(シリカゲル);ヘキサン:エーテル=5:5(vol/vol)でRf=0.00,THFでRf=0.09)目的の3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンを得た。構造は1H NMR、13C NMRで確認した。
(Reference Example 1) Production of 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione Under an argon atmosphere, 2 g (10.1 mmol) of diisopropyl squaric acid and 20 ml of dehydrated THF were placed in a flask to obtain a homogeneous solution. While maintaining at −78 ° C., 4.56 ml (10.3 mmol) of a phenyllithium dibutyl ether solution (19 wt%) was added dropwise over 15 minutes and allowed to react for 3 hours (TLC analysis (silica gel); hexane: ether = 5: 5 (vol / vol) and Rf = 0.37). After completion of the reaction, the reaction was stopped with 10 ml of water, and 10 ml of ether was added. The oil layer was separated and the aqueous layer was further extracted twice with methylene chloride. The oil layers were combined, dehydrated over anhydrous sodium sulfate, filtered and concentrated to obtain a yellow solid. This solid was dissolved in 0.2 ml of THF to obtain a uniform solution. When 1 ml of 36 wt% hydrochloric acid was added at room temperature, a yellow precipitate immediately formed. After reacting for 4 hours at room temperature, 50 ml of water was added. This was washed with methylene chloride three times, and water was distilled off to obtain a yellow solid. Purification by silica gel column (TLC analysis (silica gel); hexane: ether = 5: 5 (vol / vol), Rf = 0.00, THF Rf = 0.09), the desired 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene -1,2-dione was obtained. The structure was confirmed by 1 H NMR and 13 C NMR.

(参考例2)3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンのサイクリックボルタンメトリー測定
参考例1で合成した3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオン83mgを脱イオン水50mlに溶解させて約10mMの水溶液とした。この水溶液を
作用電極:グラッシーカーボン
参照電極:Ag/AgCl/飽和KCl
対極:白金
掃引範囲:−0.128〜1.202V(vs.Ag/AgCl/飽和KCl)
の条件でサイクリックボルタンメトリー測定を行った。その結果、3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンは,標準水素電極に換算すると約1.3V(vs.NHE)付近から酸化波が観測された。これは、この化合物が水素やメタノールを燃料とする燃料電池中で安定に存在しうることを意味する。
Reference Example 2 Cyclic Voltammetric Measurement of 3-Phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione 83 mg of 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione synthesized in Reference Example 1 was deionized An aqueous solution of about 10 mM was prepared by dissolving in 50 ml of water. This aqueous solution was used as working electrode: glassy carbon. Reference electrode: Ag / AgCl / saturated KCl.
Counter electrode: platinum sweep range: -0.128 to 1.202 V (vs. Ag / AgCl / saturated KCl)
Cyclic voltammetry measurement was performed under the following conditions. As a result, in 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione, an oxidation wave was observed from about 1.3 V (vs. NHE) when converted to a standard hydrogen electrode. This means that this compound can exist stably in a fuel cell fueled with hydrogen or methanol.

(参考例3)3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンのフェントン試験による耐ラジカル性評価
FeCl2・4H2O 71.2mgを脱イオン水500mlに溶解させた。この溶液4mlと3wt%の過酸化水素水36mlを混合した(フェントン試薬)。混合後ただちに参考例1で合成した、3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオン10mgを加えて均一溶解し、60℃で2時間攪拌を行った。反応後の試験液に白金を投入して過剰の過酸化水素を除去した。LC分析(水/アセトニトリル)を行ったところ、3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンはほとんど分解されていなかった。
(Reference Example 3) Evaluation of radical resistance of 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione by Fenton test 71.2 mg of FeCl 2 .4H 2 O was dissolved in 500 ml of deionized water. 4 ml of this solution and 36 ml of 3 wt% hydrogen peroxide water were mixed (Fenton reagent). Immediately after mixing, 10 mg of 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione synthesized in Reference Example 1 was added and dissolved uniformly, followed by stirring at 60 ° C. for 2 hours. Platinum was added to the test solution after the reaction to remove excess hydrogen peroxide. As a result of LC analysis (water / acetonitrile), 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione was hardly decomposed.

(参考例4)ベンゼンスルホン酸のフェントン試験による耐ラジカル性評価
参考例3において3−フェニル−4−ヒドロキシシクロブテン−1,2−ジオンのかわりにベンゼンスルホン酸を用いた以外は同様に試験を行った。LC分析の結果、ベンゼンスルホン酸はほとんど消失していた。
(Reference Example 4) Evaluation of radical resistance of benzenesulfonic acid by Fenton test The same test was conducted except that benzenesulfonic acid was used instead of 3-phenyl-4-hydroxycyclobutene-1,2-dione in Reference Example 3. went. As a result of LC analysis, benzenesulfonic acid was almost disappeared.

実施例1
不活性ガス置換したフラスコ中に、下記のポリスルホン(アルドリッチ社製)

Figure 0004752318
1.00g(ユニット換算で2.26mmol)と脱水および脱酸素済みのテトラヒドロフラン(以下、THFと略称する)80mlを入れ混合した。この溶液を−78℃に保ち、ここにn−BuLi(1.6MのHexane溶液)3.00ml(4.80mmol)を加え、1時間反応させた(これを溶液Aと略称する)。
別の不活性ガス置換したフラスコに3,4−ジイソプロポキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン2.00g(10.1mmol)と脱水および脱酸素済みのTHF20mlを入れて溶液とした。この溶液を−78℃に保った(これを溶液Bと略称する)。
溶液Aと溶液Bを−60℃以下に保ったまま混合し、−78℃で2時間反応させた。反応後、12規定の塩酸1.0mlを加えて反応を停止し、徐々に室温に昇温した後、THFを留去した。デカンテーションで塩酸を除去し、水洗、乾燥して黄色のポリマーを得た。このポリマーをTHF50mlに溶解させ、ジエチルエーテル300mlに注いで析出させることにより精製した。精製したポリマーをフラスコ中で12規定の塩酸50mlに分散させて100℃で5時間反応させた。反応後、ポリマーをろ別、水洗、乾燥することにより目的のポリマー(C)を得た。得られたポリマーの分子量はMn=105000であった。得られたポリマーを用いて、THF溶液からキャスト製膜し、厚さ50μmの強靭な膜(D)を得た。(D)のプロトン伝導度、イオン交換容量、吸水率を表1に示す。
得られたポリマー(C)は1H NMR、13C NMR測定、イオン交換容量測定の結果、以下の構造を有していることが確認された。 Example 1
In the flask substituted with inert gas, the following polysulfone (manufactured by Aldrich)
Figure 0004752318
1.00 g (2.26 mmol in terms of unit) and 80 ml of dehydrated and deoxygenated tetrahydrofuran (hereinafter abbreviated as THF) were added and mixed. This solution was kept at −78 ° C., and 3.00 ml (4.80 mmol) of n-BuLi (1.6M Hexane solution) was added thereto and reacted for 1 hour (this is abbreviated as Solution A).
In another inert gas-substituted flask, 2.00 g (10.1 mmol) of 3,4-diisopropoxy-3-cyclobutene-1,2-dione and 20 ml of dehydrated and deoxygenated THF were added to form a solution. This solution was kept at −78 ° C. (this is abbreviated as Solution B).
Solution A and Solution B were mixed while being kept at −60 ° C. or lower, and reacted at −78 ° C. for 2 hours. After the reaction, 1.0 ml of 12N hydrochloric acid was added to stop the reaction, the temperature was gradually raised to room temperature, and then THF was distilled off. Hydrochloric acid was removed by decantation, washed with water and dried to obtain a yellow polymer. This polymer was dissolved in 50 ml of THF and purified by pouring into 300 ml of diethyl ether for precipitation. The purified polymer was dispersed in 50 ml of 12N hydrochloric acid in a flask and reacted at 100 ° C. for 5 hours. After the reaction, the target polymer (C) was obtained by filtering the polymer, washing with water and drying. The molecular weight of the obtained polymer was Mn = 105000. The obtained polymer was cast into a film from a THF solution to obtain a tough film (D) having a thickness of 50 μm. Table 1 shows the proton conductivity, ion exchange capacity, and water absorption rate of (D).
As a result of 1 H NMR, 13 C NMR measurement, and ion exchange capacity measurement, it was confirmed that the obtained polymer (C) had the following structure.

Figure 0004752318
Figure 0004752318

実施例2
不活性ガス置換したフラスコ中に、下記構造式で表されるポリフェニルスルホン(アルドリッチ社製)

Figure 0004752318
3.00g(ユニット換算で7.5mmol)と脱水および脱酸素済みの1,3−ジオキソラン300mlを入れ混合した。この溶液を−78℃に保ち、ここにn−BuLi(1.6Mのヘキサン溶液)11.3ml(18mmol)を加え、2時間反応させた(これを溶液Eと略称する)。
別の不活性ガス置換したフラスコに3,4−ジイソプロポキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン2.00g(10.1mmol)と脱水および脱酸素済みの1,3−ジオキソラン100mlを入れて溶液とした。この溶液を−78℃に保った(これを溶液Fと略称する)。
溶液Eと溶液Fを−60℃以下に保ったまま混合し、−78℃で2時間反応させた。反応後、12規定の塩酸5.0mlを加えて反応を停止し、徐々に室温に昇温した後、1,3−ジオキソランおよびヘキサンを留去した。デカンテーションで塩酸を除去し、水洗、乾燥して黄色のポリマーを得た。このポリマーをN,N−ジメチルアセトアミド150mlに溶解させメタノール1000mlに注いで析出させることにより精製した。精製したポリマーをフラスコ中で12規定の塩酸150mlに分散させて100℃で5時間反応させた。反応後、ポリマーをろ別、水洗、乾燥することにより目的のポリマー(G)を得た。このものの分子量はMn=98000であった。得られたポリマーを用いて、DMAc溶液からキャスト製膜し、厚さ23μmの強靭な膜(H)を得た。(H)のプロトン伝導度、イオン交換容量、吸水率を表1に示す。
得られたポリマー(G)は1H NMR、13C NMR測定、イオン交換容量測定の結果、以下の構造を有していることが確認された。 Example 2
Polyphenylsulfone represented by the following structural formula (manufactured by Aldrich) in a flask purged with inert gas
Figure 0004752318
3.00 g (7.5 mmol in terms of unit) and 300 ml of dehydrated and deoxygenated 1,3-dioxolane were added and mixed. This solution was kept at −78 ° C., and 11.3 ml (18 mmol) of n-BuLi (1.6 M hexane solution) was added thereto and reacted for 2 hours (this is abbreviated as Solution E).
Into another inert gas-substituted flask, 2.00 g (10.1 mmol) of 3,4-diisopropoxy-3-cyclobutene-1,2-dione and 100 ml of dehydrated and deoxygenated 1,3-dioxolane were placed. It was set as the solution. This solution was kept at −78 ° C. (this is abbreviated as Solution F).
Solution E and Solution F were mixed while being kept at −60 ° C. or lower, and reacted at −78 ° C. for 2 hours. After the reaction, 5.0 ml of 12N hydrochloric acid was added to stop the reaction, and the temperature was gradually raised to room temperature, and then 1,3-dioxolane and hexane were distilled off. Hydrochloric acid was removed by decantation, washed with water and dried to obtain a yellow polymer. This polymer was purified by dissolving in 150 ml of N, N-dimethylacetamide and pouring it into 1000 ml of methanol for precipitation. The purified polymer was dispersed in 150 ml of 12N hydrochloric acid in a flask and reacted at 100 ° C. for 5 hours. After the reaction, the target polymer (G) was obtained by filtering the polymer, washing with water and drying. The molecular weight of this product was Mn = 98000. The obtained polymer was cast from a DMAc solution to obtain a tough film (H) having a thickness of 23 μm. Table 1 shows the proton conductivity, ion exchange capacity, and water absorption rate of (H).
As a result of 1 H NMR, 13 C NMR measurement, and ion exchange capacity measurement, the obtained polymer (G) was confirmed to have the following structure.

Figure 0004752318
Figure 0004752318

実施例3
不活性ガス置換したフラスコ中に、ポリ(4−ブロモスチレン)(アルドリッチ社製)0.506g(ユニット換算で2.76mmol)と脱水および脱酸素済みのTHF30mlを入れ混合し、溶液とした。この溶液を−78℃に保ち、ここにnBuLi(1.6Mのヘキサン溶液)5.33ml(8.53mmol)を加え、30分間反応させた(これを溶液Iと略称する)。
別の不活性ガス置換したフラスコに3,4−ジイソプロポキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン1.69g(8.53mmol)と脱水および脱酸素済みのTHF20mlを入れて溶液とした。この溶液を−78℃に保った(これを溶液Jと略称する)。
溶液Iと溶液Jを−60℃以下に保ったまま混合し、−78℃で2時間反応させた。反応後、12規定の塩酸5.0mlを加えて反応を停止し、徐々に室温に昇温した後、テトラヒドロフランおよびヘキサンを留去した。デカンテーションで塩酸を除去し、水洗、乾燥して黄色のポリマーを得た。このポリマーをメタノールで充分に洗浄した。洗浄したポリマーをフラスコ中で12規定の塩酸50mlに分散させて100℃で5時間反応させた。反応後、ポリマーをろ別、水洗、乾燥することにより目的のポリマー(K)を得た。このものの分子量はMn=141000であった。得られたポリマーを用いて、DMAc溶液からキャスト製膜し、厚さ23μmの強靭な膜(L)を得た。(L)のプロトン伝導度、イオン交換容量、吸水率を表1に示す。
得られたポリマー(K)はイオン交換容量測定、元素分析の結果、以下の構造を有していることが確認された。

Figure 0004752318
Example 3
In a flask purged with an inert gas, 0.506 g (2.76 mmol in terms of unit) of poly (4-bromostyrene) (manufactured by Aldrich) and 30 ml of dehydrated and deoxygenated THF were mixed to obtain a solution. This solution was kept at −78 ° C., and 5.33 ml (8.53 mmol) of nBuLi (1.6M hexane solution) was added thereto and reacted for 30 minutes (this is abbreviated as Solution I).
Into another flask purged with inert gas, 1.69 g (8.53 mmol) of 3,4-diisopropoxy-3-cyclobutene-1,2-dione and 20 ml of dehydrated and deoxygenated THF were added to form a solution. This solution was kept at −78 ° C. (this is abbreviated as Solution J).
Solution I and Solution J were mixed while being kept at -60 ° C or lower, and reacted at -78 ° C for 2 hours. After the reaction, 5.0 ml of 12N hydrochloric acid was added to stop the reaction, and the temperature was gradually raised to room temperature, and then tetrahydrofuran and hexane were distilled off. Hydrochloric acid was removed by decantation, washed with water and dried to obtain a yellow polymer. The polymer was thoroughly washed with methanol. The washed polymer was dispersed in 50 ml of 12N hydrochloric acid in a flask and reacted at 100 ° C. for 5 hours. After the reaction, the target polymer (K) was obtained by filtering the polymer, washing with water and drying. The molecular weight of this product was Mn = 141000. The obtained polymer was cast from a DMAc solution to obtain a tough film (L) having a thickness of 23 μm. Table 1 shows the proton conductivity, ion exchange capacity, and water absorption rate of (L).
As a result of ion exchange capacity measurement and elemental analysis, the obtained polymer (K) was confirmed to have the following structure.
Figure 0004752318

実施例4
不活性ガス置換したフラスコに4,4’−ジクロロジフェニルスルホン26.7g(105mmol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン20.0g(87.7mmol)、炭酸カリウム13.3g(96.4mmol)、N−メチルピロリドン206g、トルエン32gを入れ、徐々に150℃に昇温してトルエンを留去した。トルエン留去後、190℃に昇温して、この温度で6時間反応を行った。その後、反応液をメタノール1000mlに加えて重合体を析出させ、水洗およびメタノール洗浄を十分に行い、乾燥してポリマー(M)を得た。得られたポリマーの分子量はMn=11000、Mw=23000であった。
不活性ガス置換したフラスコに、十分に乾燥した(M)5.00gと脱水および脱酸素済みのTHF100mlを入れて均一溶液とし、−78℃に保ったまま、n−ブチルリチウム(1.6Mのヘキサン溶液)17.0mlを滴下した。滴下後、−78℃で60分反応させた(これを溶液Nと略称する)。
別の不活性ガス置換したフラスコに3,4−ジイソプロポキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン6.89g(34.8mmol)と脱水および脱酸素済みのTHF100mlを入れて均一溶液とした。この溶液を−78℃に保ち、系内のプロトン源を除去することを目的として、フェニルリチウム(2.26Mのジブチルエーテル溶液)を2.5ml(5.65mmol)滴下した。系内は黄橙色を呈した(これを溶液Pと略称する)。
溶液Nと溶液Pを−60℃以下に保ったまま混合し、−78℃で2時間反応させた。反応後、12規定の塩酸5.0mlを加えて反応を停止し、徐々に室温に昇温した後、テトラヒドロフランおよびヘキサンを留去した。デカンテーションで塩酸を除去し、水洗、乾燥して黄色のポリマーを得た。このポリマーをメタノールで充分に洗浄した。洗浄したポリマーをフラスコ中で12規定の塩酸50mlに分散させて100℃で5時間反応させた。反応後、ポリマーをろ別、水洗、乾燥することによりポリマー(Q)を得た。ポリマー(Q)は1H NMR、イオン交換容量測定の結果、以下の構造を有していることが確認された。得られたポリマーの分子量はMn=17500、Mw=40000であった。
Example 4
Into a flask purged with inert gas, 26.7 g (105 mmol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 20.0 g (87.7 mmol) of 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 13.3 g (96.4 mmol) of potassium carbonate, 206 g of N-methylpyrrolidone and 32 g of toluene were added, and the temperature was gradually raised to 150 ° C. to distill off the toluene. After the toluene was distilled off, the temperature was raised to 190 ° C., and the reaction was carried out at this temperature for 6 hours. Thereafter, the reaction solution was added to 1000 ml of methanol to precipitate a polymer, sufficiently washed with water and methanol, and dried to obtain a polymer (M). The molecular weight of the obtained polymer was Mn = 11000 and Mw = 23000.
Into a flask purged with inert gas, 5.00 g of sufficiently dried (M) and 100 ml of dehydrated and deoxygenated THF were added to make a homogeneous solution, and kept at −78 ° C., while maintaining n-butyllithium (1.6 M of 1.6 M). 17.0 ml of hexane solution was added dropwise. After dropping, the mixture was reacted at −78 ° C. for 60 minutes (this is abbreviated as Solution N).
In another inert gas-substituted flask, 6.89 g (34.8 mmol) of 3,4-diisopropoxy-3-cyclobutene-1,2-dione and 100 ml of dehydrated and deoxygenated THF were added to obtain a homogeneous solution. This solution was kept at −78 ° C., and 2.5 ml (5.65 mmol) of phenyl lithium (2.26 M dibutyl ether solution) was added dropwise for the purpose of removing the proton source in the system. The system was yellowish orange (this is abbreviated as Solution P).
Solution N and Solution P were mixed while being kept at −60 ° C. or lower, and reacted at −78 ° C. for 2 hours. After the reaction, 5.0 ml of 12N hydrochloric acid was added to stop the reaction, and the temperature was gradually raised to room temperature, and then tetrahydrofuran and hexane were distilled off. Hydrochloric acid was removed by decantation, washed with water and dried to obtain a yellow polymer. The polymer was thoroughly washed with methanol. The washed polymer was dispersed in 50 ml of 12N hydrochloric acid in a flask and reacted at 100 ° C. for 5 hours. After the reaction, the polymer (Q) was obtained by filtering the polymer, washing with water and drying. As a result of 1 H NMR and ion exchange capacity measurement, the polymer (Q) was confirmed to have the following structure. The molecular weight of the obtained polymer was Mn = 17500 and Mw = 40000.

Figure 0004752318

上記で得られたポリマー(Q)1.50gを2Nの水酸化カリウム水溶液100ml中に12時間分散させ、ろ過後、水洗を十分に行い、乾燥することでポリマー(R)を得た。得られたポリマーの分子量はMn=19000、Mw=40000であった。また、イオン交換容量測定の結果、実質的にすべてのオキソカーボン基がカリウム塩型になっていることが確認された。
不活性ガス置換したフラスコにポリマー(R)0.50g、ポリマー(M)0.50g、ジメチルスルホキシド14ml、トルエン10ml、2,2’−ビピリジル125mg(0.800mmol)を入れて、徐々に150℃に昇温してトルエンを留去した。その後、60℃に温度を下げて、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)0.200g(0.727mmol)を加えて、60℃で6時間反応を行った。反応後、溶液を6規定の塩酸100mlに注いでポリマーを析出させた。このポリマーをTHFに再溶解させて6規定の塩酸に注ぐ、という再沈殿の操作を5回繰り返すことで精製し、乾燥して、実質的にオキソカーボン基を有さないブロックとオキソカーボン基を有するブロックからなるブロック共重合体(S)を得た。このものの分子量はMn=41000、Mw=284000であった。得られたポリマーを用いて、THF溶液からキャスト製膜し、厚さ43μmの強靭な膜(T)を得た。(T)のプロトン伝導度、イオン交換容量、吸水率を表1に示す。得られたブロック共重合体(S)は以下の構造を有していることが確認された。

Figure 0004752318
Figure 0004752318

1.50 g of the polymer (Q) obtained above was dispersed in 100 ml of 2N aqueous potassium hydroxide solution for 12 hours, filtered, washed thoroughly with water, and dried to obtain polymer (R). The molecular weight of the obtained polymer was Mn = 19000 and Mw = 40000. As a result of measuring the ion exchange capacity, it was confirmed that substantially all oxocarbon groups were in the potassium salt form.
Polymer (R) 0.50 g, polymer (M) 0.50 g, dimethyl sulfoxide 14 ml, toluene 10 ml, 2,2′-bipyridyl 125 mg (0.800 mmol) were placed in a flask purged with inert gas, and gradually cooled to 150 ° C. The toluene was distilled off. Thereafter, the temperature was lowered to 60 ° C., 0.200 g (0.727 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added, and the reaction was performed at 60 ° C. for 6 hours. After the reaction, the solution was poured into 100 ml of 6N hydrochloric acid to precipitate a polymer. The polymer is purified by repeating the reprecipitation operation of re-dissolving the polymer in THF and pouring into 6N hydrochloric acid 5 times, and drying to remove the block having substantially no oxocarbon group and the oxocarbon group. A block copolymer (S) consisting of the blocks having was obtained. The molecular weight of this product was Mn = 41000 and Mw = 284000. The obtained polymer was cast into a film from a THF solution to obtain a tough film (T) having a thickness of 43 μm. Table 1 shows the proton conductivity, ion exchange capacity, and water absorption of (T). It was confirmed that the obtained block copolymer (S) had the following structure.

Figure 0004752318

比較例1
フラスコ中に、実施例1で用いたと同じポリスルホン1.00g(ユニット換算で2.26mmol)と濃硫酸(97wt%)10mlを入れて室温で攪拌した。攪拌開始から3時間後に反応マスを大量の氷水に注いでポリマーを析出させた。析出させたポリマーを、洗浄液が中性になるまで水で洗浄、乾燥した。このポリマーをDMAcに溶解させて、キャスト製膜を行った。得られた膜(b)は充分な膜強度を有していなかったためプロトン伝導度は測定できなかった。また、(b)は100℃の水に簡単に溶解してしまった。(b)のイオン交換容量を表1に示す。
得られたポリマーは1H NMR、13C NMR測定、イオン交換容量測定の結果、以下の構造を有していることが確認された。
Comparative Example 1
In the flask, 1.00 g (2.26 mmol in terms of unit) of the same polysulfone used in Example 1 and 10 ml of concentrated sulfuric acid (97 wt%) were added and stirred at room temperature. Three hours after the start of stirring, the reaction mass was poured into a large amount of ice water to precipitate a polymer. The precipitated polymer was washed with water and dried until the washing solution became neutral. This polymer was dissolved in DMAc and cast into a film. Proton conductivity could not be measured because the obtained membrane (b) did not have sufficient membrane strength. Further, (b) was easily dissolved in water at 100 ° C. Table 1 shows the ion exchange capacity of (b).
As a result of 1 H NMR, 13 C NMR measurement and ion exchange capacity measurement, the obtained polymer was confirmed to have the following structure.

Figure 0004752318
Figure 0004752318

Figure 0004752318
Figure 0004752318

本発明のオキソカーボン基を有する高分子は、水素ガスなどの気体燃料やメタノールやジメチルエーテルなどの液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜用材料である高分子電解質として有用である。本発明の高分子はスルホン酸基を有する高分子に匹敵するプロトン伝導性を有するのみならずスルホン酸基を有する高分子に比し、化学的安定性、耐水性等にも優れ、長時間に亘り高いプロトン伝導性を維持し得る。   The polymer having an oxocarbon group of the present invention is useful as a polymer electrolyte that is a material for a proton conductive membrane of a polymer electrolyte fuel cell using a gaseous fuel such as hydrogen gas or a liquid fuel such as methanol or dimethyl ether. The polymer of the present invention not only has proton conductivity comparable to a polymer having a sulfonic acid group, but also has excellent chemical stability, water resistance, etc. compared to a polymer having a sulfonic acid group, High proton conductivity can be maintained.

Claims (7)

ビニル重合体、ポリオキシアルキレン類、ポリシロキサン類、ポリエステル類、ポリイミド類、ポリアミド類、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンスルフィド類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリホスファゼン類、およびこれらの共重合体からなる群より選ばれる1種以上の重合体を母体とし、下記一般式(1)で示されるオキソカーボン基を有し、数平均分子量が5000〜1000000であることを特徴とする高分子。
Figure 0004752318
(式中、X1、X2はそれぞれ−−を表し、Zは−CO−を表す。nは繰り返しの数を表わし、n=0〜の数を表わす。n個あるZは同じであっても良いし、異なっていても良い。Bは水素原子を表す。)
Vinyl polymers, polyoxyalkylenes, polysiloxanes, polyesters, polyimides, polyamides, polybenzoxazoles, polybenzimidazoles, polyarylene ethers, polyarylenes, polyarylene sulfides, polyether ketones , polyethersulfones, polyphosphazenes, and then one or more polymers selected from the group consisting of a copolymer as a matrix, have a oxocarbon group represented by the following general formula (1), number average A polymer having a molecular weight of 5,000 to 1,000,000 .
Figure 0004752318
(Wherein, X 1, X 2 are, respectively it - O - represents, Z is -CO - a representative .n represents the number of repeating, n = .n pieces is Z representing the number of 0-4 is may be the same, may be different .B represents a hydrogen atom.)
主鎖中にフェニル−フェニル結合を有することを特徴とする請求項1記載の高分子。 Phenyl in the main chain - claim 1 Symbol placement of the polymer and having a phenyl bond. 請求項1又は2記載の高分子を有効成分とする高分子電解質。 Claim 1 or 2 polyelectrolyte as an active ingredient a polymer according. 請求項記載の高分子電解質を有することを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 3 . 請求項記載の高分子電解質を有することを特徴とする触媒組成物。 A catalyst composition comprising the polymer electrolyte according to claim 3 . 請求項記載の高分子電解質、請求項記載の高分子電解質膜、請求項記載の触媒組成物のいずれかを有することを特徴とする高分子電解質膜−電極接合体。 Polyelectrolyte according to claim 3, wherein the polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the polymer electrolyte membrane and having any of the claims 5 A catalyst composition according - electrode assembly. 請求項記載の高分子電解質、請求項記載の高分子電解質膜、請求項記載の触媒組成物、請求項記載の高分子電解質膜−電極接合体のいずれかを有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 Polyelectrolyte according to claim 3, wherein the polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the catalyst composition according to claim 5, wherein the polymer electrolyte membrane of claim 6, wherein - the feature that it has one of the electrode assembly A polymer electrolyte fuel cell.
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