JP5266691B2 - Polymer, polymer electrolyte and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer which exhibits high ion conductivity and very low temperature dependence of the ion conductivity, when used for electrolyte membranes in fuel cells. <P>SOLUTION: A polymer having the structural unit expressed by general formula (1a), a polymer having a segment composed of the structural unit expressed by general formula (1a) and a copolymerization form of block copolymerization, a polymer electrolyte containing the polymer and a fuel cell member composed of the polymer electrolyte are provided (wherein, a1 is an integer of &ge;1; Ar<SP>1</SP>is a divalent aromatic group having an ion exchange group; X is a divalent electron-withdrawing group). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、高分子電解質、なかでも燃料電池用部材として好適に用いられるポリマーに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte, particularly a polymer suitably used as a fuel cell member.

一次電池、二次電池、あるいは固体高分子型燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜を構成する材料として、プロトン伝導性を有する高分子すなわち高分子電解質が用いられている。例えば、ナフィオン(デュポン社の登録商標)をはじめとする、側鎖に超強酸としてのパーフルオロアルキルスルホン酸を有し、主鎖がパーフルオロアルカン鎖である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いる。しかしながらこの種の材料は非常に高価であること、耐熱性が低いこと、膜強度が低く何らかの補強をしないと実用的でないことなどの問題が指摘されている。   A polymer having proton conductivity, that is, a polymer electrolyte, is used as a material constituting a diaphragm of an electrochemical device such as a primary battery, a secondary battery, or a solid polymer fuel cell. For example, Nafion (registered trademark of DuPont) and other polyelectrolytes having a perfluoroalkylsulfonic acid as a super strong acid in the side chain and a polymer having a main chain of a perfluoroalkane chain as an active ingredient However, since it has excellent power generation characteristics when used as a diaphragm material for fuel cells, it has been mainly used conventionally. However, it has been pointed out that this type of material is very expensive, has low heat resistance, has low film strength, and is not practical without some reinforcement.

こうした状況において、上記高分子電解質に替わり得る安価で特性の優れた高分子電解質の開発が近年活発化してきている。
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エーテル結合体を繰返し単位とするブロック共重合体が提案され、かかるブロック共重合体をプロトン伝導膜として使用した場合、湿度によるプロトン伝導性の変動(以下、「湿度依存性」と呼ぶことがある)が小さく、燃料電池に好適に適用できることが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
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 having an ether bond with a biphenol having a sulfonic acid group as a repeating unit has been proposed, and when such a block copolymer is used as a proton conductive membrane, fluctuation of proton conductivity due to humidity (hereinafter referred to as “humidity”). It is disclosed that it can be suitably applied to a fuel cell (refer to Patent Document 1, for example).

特開2003−031232号公報(特許請求の範囲)JP 2003-031232 A (Claims)

しかしながら、上記特許文献1に開示されているブロック共重合体は、プロトン伝導度の湿度依存性としては必ずしも十分に小さいものではなく、さらには、低湿下でのプロトン伝導度自体も十分とはいえなかった。
本発明の目的は、電解質膜として用いるときに、高度のイオン伝導度に加え、かかるイオン伝導性の湿度依存性が著しく小さいポリマーを提供することにある。さらには、該ポリマーを有効成分とする高分子電解質、該高分子電解質を用いてなる燃料電池用部材、該部材を用いてなる高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
However, the block copolymer disclosed in Patent Document 1 is not necessarily sufficiently small in terms of humidity dependence of proton conductivity, and further, proton conductivity itself under low humidity is sufficient. There wasn't.
It is an object of the present invention to provide a polymer that, when used as an electrolyte membrane, has not only a high degree of ionic conductivity, but also has a remarkably small humidity dependency of such ionic conductivity. Furthermore, it is providing the polymer electrolyte which uses this polymer as an active ingredient, the member for fuel cells using this polymer electrolyte, and the polymer electrolyte fuel cell using this member.

本発明者等は、燃料電池用イオン伝導膜等に適用される高分子電解質として、より優れた性能を示すポリマーを見出すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成した。   The inventors of the present invention have completed the present invention as a result of intensive studies to find a polymer exhibiting superior performance as a polymer electrolyte applied to an ion conductive membrane for a fuel cell.

すなわち、本発明は[1]下記一般式(1a)で表される構造単位を有することを特徴とするポリマー

Figure 0005266691
(式中、a1は1以上の整数を表す。Ar1はイオン交換基を有する2価の芳香族基を表し、イオン交換基以外の置換基を有していてもよい。Ar0は置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表し、a1が2以上である場合、複数のAr0は互いに同一でも異なっていてもよい。Xは2価の電子吸引性基を表す。)
を提供する。 That is, the present invention provides [1] a polymer having a structural unit represented by the following general formula (1a)
Figure 0005266691
(Wherein, a1 represents an integer of 1 or more. Ar 1 represents a divalent aromatic group having an ion exchange group, and may have a substituent other than the ion exchange group. Ar 0 is a substituent. And a1 is 2 or more, a plurality of Ar 0 may be the same as or different from each other, and X represents a divalent electron-withdrawing group. )
I will provide a.

このようなポリマーから得られる高分子電解質膜は、プロトン伝導度の湿度依存性が小さく、燃料電池の用途において非常に有用な高分子電解質膜となる。   A polymer electrolyte membrane obtained from such a polymer has a small dependence of proton conductivity on humidity, and is a polymer electrolyte membrane that is very useful in fuel cell applications.

また、本発明は上記ポリマーの好適な実施形態として、下記[2]を提供する。
[2]下記一般式(1b)で表される構造単位と、下記一般式(1c)で表される構造単位とを有する、[1]記載のポリマー

Figure 0005266691
(式中、Ar1およびXは前記と同義であり、2つのAr1は互いに同一でも異なっていてもよい。)
Figure 0005266691
(式中、Ar0は前記と同義である。) Moreover, this invention provides following [2] as suitable embodiment of the said polymer.
[2] The polymer according to [1], having a structural unit represented by the following general formula (1b) and a structural unit represented by the following general formula (1c)
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 1 and X are as defined above, and two Ar 1 s may be the same as or different from each other.)
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 0 has the same meaning as described above.)

前記一般式(1a)で表される構造単位は、Xに隣接するAr1のみならず、1以上あるAr0の全てにイオン交換基を有していると好ましく、さらに、このようにイオン交換基を有する芳香族基からなる構造単位が連結してセグメントを形成していると、より好ましい。したがって、下記の[3]〜[5]を提供する。
[3]上記一般式(1a)で表される構造単位が、下記一般式(1)で表される構造単位である、[1]記載のポリマー

Figure 0005266691
(式中、aは2以上の整数を表す。Ar1およびXは前記と同義であり、複数あるAr1は互いに同一でも異なっていてもよい。Xは2価の電子吸引性基を表す。)
[4]下記一般式(2)で表されるセグメントを有する、[3]記載のポリマー。
Figure 0005266691
(式中、Ar1およびXは前記と同義である。fは1以上の整数を表わし、2つのfは互いに同一でも異なっていてもよい。複数あるAr1は互いに同一でも異なっていてもよい。mは繰り返し単位数を表す。)
[5]mが5以上の整数である、[4]記載のポリマー。 The structural unit represented by the general formula (1a) preferably has an ion exchange group not only in Ar 1 adjacent to X but also in all Ar 0 which is one or more, and in this way It is more preferable that the structural unit consisting of an aromatic group having a group is connected to form a segment. Therefore, the following [3] to [5] are provided.
[3] The polymer according to [1], wherein the structural unit represented by the general formula (1a) is a structural unit represented by the following general formula (1):
Figure 0005266691
(Wherein, a is the .Ar 1 and X represents an integer of 2 or more the same meaning as defined above, Ar 1 there are a plurality of which may be the same or different .X represents a divalent electron withdrawing group. )
[4] The polymer according to [3], having a segment represented by the following general formula (2).
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 1 and X are as defined above. F represents an integer of 1 or more, and two f may be the same or different from each other. Plural Ar 1 may be the same or different from each other. M represents the number of repeating units.)
[5] The polymer according to [4], wherein m is an integer of 5 or more.

また、本発明は上記いずれかのポリマーに係る好適な実施形態として、下記[6]〜[8]を提供する。
[6]Xが、カルボニル基、スルホニル基および1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン基からなる群から選ばれる電子吸引性基である、[1]〜[5]のいずれかに記載のポリマー
[7]Ar1にあるイオン交換基が、主鎖を構成する芳香環に直接結合している、[1]〜[5]のいずれかに記載のポリマー
[8]イオン交換基がスルホン酸基、スルホンイミド基、ホスホン酸基およびカルボキシル基から選ばれる酸基である、[1]〜[7]のいずれかに記載のポリマー
[9]Ar1が下記一般式(4)で表される芳香族基である、[1]〜[8]のいずれかに記載のポリマー

Figure 0005266691
(式中、R1は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基であり、pは0または1である。) Moreover, this invention provides the following [6]-[8] as suitable embodiment which concerns on one of the said polymers.
[6] X is an electron-withdrawing group selected from the group consisting of a carbonyl group, a sulfonyl group, and a 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2,2-propylidene group. [5] The polymer according to any one of [1] to [5], wherein the ion exchange group in Ar [7] Ar 1 is directly bonded to an aromatic ring constituting the main chain. [8] The polymer [9] Ar 1 according to any one of [1] to [7], wherein the ion exchange group is an acid group selected from a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a phosphonic acid group, and a carboxyl group. The polymer according to any one of [1] to [8], which is an aromatic group represented by the general formula (4).
Figure 0005266691
(In the formula, R 1 represents a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, or a substituent. An optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted acyl having 2 to 20 carbon atoms And p is 0 or 1.)

また、本発明は上記の[4]または[5]に係る好適な実施形態として、下記の[10]、[11]を提供する。
[10]イオン交換基を有するセグメントとして上記上記一般式(2)で表されるセグメントを有し、さらにイオン交換基を実質的に有さないセグメントを有し、共重合様式がブロック共重合である、[4]〜[9]のいずれかに記載のポリマー
[11]イオン交換基を実質的に有さないセグメントが下記一般式(3)で表されるセグメントである、[10]記載のポリマー

Figure 0005266691
(式中、b、c、dは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。Ar3、Ar4、Ar5、Ar6は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で、置換されていてもよい。Y、Y’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表す。Z、Z’は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。) The present invention also provides the following [10] and [11] as preferred embodiments according to the above [4] or [5].
[10] As a segment having an ion exchange group, it has a segment represented by the above general formula (2), and further has a segment having substantially no ion exchange group, and the copolymerization mode is block copolymerization. The polymer [11] according to any one of [4] to [9], wherein the segment substantially not having an ion exchange group is a segment represented by the following general formula (3): polymer
Figure 0005266691
(In the formula, b, c and d each independently represent 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Ar 3 , Ar 4 , Ar 5 and Ar 6 independently represent a divalent aromatic group. Wherein these divalent aromatic groups are optionally substituted alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms, optionally substituted alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, A C6-C20 aryl group which may have a substituent, a C6-C20 aryloxy group which may have a substituent, or a C2-C2 which may have a substituent 20 may be substituted with an acyl group. Y and Y ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, and Z and Z ′ each independently represent an oxygen atom or a sulfur atom.)

本発明のポリマーは、より高度のイオン伝導性と燃料電池用部材としての耐水性を両立するといった点で、そのイオン交換容量を制御することが好ましく、すなわち下記[12]を提供するものである。
[12]イオン交換容量が、0.5meq/g〜4.0meq/gである、[1]〜[11]のいずれかに記載のポリマー
The polymer of the present invention preferably controls its ion exchange capacity in terms of achieving both higher ion conductivity and water resistance as a fuel cell member, that is, it provides the following [12]. .
[12] The polymer according to any one of [1] to [11], wherein the ion exchange capacity is 0.5 meq / g to 4.0 meq / g.

さらに、本発明は上記いずれかのポリマーを用いてなる、下記[13]〜[18]を提供する。
[13]上記いずれかに記載のポリマーを有効成分とする高分子電解質
[14][13]記載の高分子電解質からなる高分子電解質膜
[15][13]記載の高分子電解質と、多孔質基材とからなる高分子電解質複合膜
[16][13]記載の高分子電解質と触媒成分とを含む触媒組成物
[17][14]記載の高分子電解質膜または[15]に記載の高分子電解質複合膜を、イオン伝導膜として用いる高分子電解質型燃料電池
[18][16]記載の触媒組成物を用いて得られる触媒層を備え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 [13] to [18] using any one of the above polymers.
[13] Polymer electrolyte comprising any of the polymers described above as an active ingredient [14] Polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte described in [13] [15] [13] The polymer electrolyte described in [13], and porous A polymer electrolyte membrane according to [17] [14] or a polymer electrolyte membrane according to [15] comprising a polymer electrolyte according to [16] [13] and a catalyst component comprising a polymer electrolyte composite membrane comprising a substrate A polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer obtained by using the catalyst composition according to the polymer electrolyte fuel cell [18] [16] using a molecular electrolyte composite membrane as an ion conductive membrane

本発明のポリマーは、燃料電池用部材、中でもイオン伝導膜として用いた場合、イオン伝導度の湿度依存性が小さく、好適なイオン伝導膜を提供できる。この湿度依存性に係る効果は、本発明のポリマーを高分子電解質型燃料電池の触媒層に適用した場合にも好適である。特に、本発明のポリマーのイオン交換基が酸基であるとき、燃料電池用プロトン伝導膜として用いると、その燃料電池は高い発電効率を示すものが得られる。このように、本発明のポリマーは、特に燃料電池の用途において工業的に極めて有用である。   When the polymer of the present invention is used as a member for a fuel cell, particularly as an ion conductive membrane, the humidity dependency of the ionic conductivity is small, and a suitable ion conductive membrane can be provided. This effect relating to humidity dependency is also suitable when the polymer of the present invention is applied to the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell. In particular, when the ion exchange group of the polymer of the present invention is an acid group, when used as a proton conductive membrane for a fuel cell, the fuel cell exhibits a high power generation efficiency. Thus, the polymer of the present invention is extremely useful industrially, particularly in fuel cell applications.

本発明のポリマーは、下記一般式(1a)で表される構造単位を有することを特徴とする。

Figure 0005266691
(式中、a1は1以上の整数を表す。Ar1はイオン交換基を有する2価の芳香族基を表し、イオン交換基以外の置換基を有していてもよい。Ar0は置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表し、a1が2以上である場合、複数のAr0は互いに同一でも異なっていてもよい。Xは2価の電子吸引性基を表す。)
ここで、「イオン交換基」とは、本発明のポリマーを膜の形態である電解質膜として用いたとき、イオン伝導を発現する基であり、「イオン交換基を有する」とはAr1にある芳香環に直接イオン交換基が結合している形態や、原子または原子団を介してイオン交換基がAr1にある芳香環に結合している形態を含む概念である。 The polymer of the present invention has a structural unit represented by the following general formula (1a).
Figure 0005266691
(Wherein, a1 represents an integer of 1 or more. Ar 1 represents a divalent aromatic group having an ion exchange group, and may have a substituent other than the ion exchange group. Ar 0 is a substituent. And a1 is 2 or more, a plurality of Ar 0 may be the same as or different from each other, and X represents a divalent electron-withdrawing group. )
Here, the “ion exchange group” is a group that exhibits ionic conduction when the polymer of the present invention is used as an electrolyte membrane in the form of a membrane, and “having an ion exchange group” is in Ar 1 . The concept includes a form in which an ion exchange group is directly bonded to an aromatic ring and a form in which the ion exchange group is bonded to an aromatic ring in Ar 1 via an atom or an atomic group.

上記一般式(1a)において、「電子吸引性基」とは、ハメット則のσ値が正である基である。本発明においては、ハメット置換基定数がパラ置換で+0.01以上となる電子吸引基が好適であり、−CO―(カルボニル基)、−SO2−(スルホニル基)、−C(CF32−(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン基)であると、特に好ましい。 In the general formula (1a), the “electron withdrawing group” is a group having a positive Hammett's σ value. In the present invention, an electron withdrawing group having a Hammett substituent constant of +0.01 or more when para-substituted is preferable, and —CO— (carbonyl group), —SO 2 — (sulfonyl group), —C (CF 3 ) 2- (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2,2-propylidene group) is particularly preferable.

本発明者は、上記一般式(1a)で表される構造単位を有するポリマーは、膜の形態に転化したときに、イオン伝導度の湿度依存性が著しく小さい膜を得ることができることを見出した。これは燃料電池用部材として、電池起動時の低湿状態においても電池が稼動し易く、ある程度の湿度まで向上した場合においても安定的な発電性能を得るという優れた効果を発現することができる。定かではないが、電子吸引性基Xに隣接する芳香族基Ar1にイオン交換基を有していると、Xの電子吸引性によって、該イオン交換基のイオン解離性が向上して、このような湿度依存性を発現することが推定される。また、燃料電池用部材として使用するためには、燃料電池作動にとって発生する過酸化物やラジカルに対する耐久性が求められることがある。上記一般式(1a)で表される構造単位を有するポリマーは、この点においても電子吸引性基Xの効果により、このような耐久性にも優れるという効果を発現し得ることが期待される。
また、該膜は、吸水に係る寸法安定性にも優れており、電池の稼動・停止の繰返しに伴う、高分子電解質膜の吸水膨潤、乾燥収縮によるストレスが極めて低減できることから、該膜の劣化を抑制することができ、電池自体の長寿命化を達成するものである。
The present inventor has found that the polymer having the structural unit represented by the general formula (1a) can obtain a film having a remarkably small humidity dependency of ionic conductivity when converted into a film form. . As a member for a fuel cell, the battery can be easily operated even in a low humidity state when the battery is activated, and an excellent effect of obtaining stable power generation performance even when the humidity is improved to a certain level can be exhibited. Although it is not certain, if the aromatic group Ar 1 adjacent to the electron-withdrawing group X has an ion exchange group, the ion-withdrawing property of X improves the ion dissociation of the ion-exchange group. It is estimated that such humidity dependence is expressed. In addition, in order to use as a fuel cell member, durability against peroxides and radicals generated for fuel cell operation may be required. It is expected that the polymer having the structural unit represented by the general formula (1a) can also exhibit such an effect of excellent durability due to the effect of the electron withdrawing group X in this respect.
In addition, the membrane is excellent in dimensional stability related to water absorption, and the stress due to water absorption swelling and drying shrinkage of the polymer electrolyte membrane due to repeated operation and stop of the battery can be extremely reduced. It is possible to suppress the battery life and to extend the life of the battery itself.

Ar0は置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表す。該置換基としてはイオン交換基またはイオン交換基を有する基であってもよい。a1は1以上の整数を表わす。a1の上限は、Ar0の種類、殊にAr0がイオン交換基を有するか否かにより、上述の好適なイオン交換容量を満たす範囲で選択することができる。製造上の容易さも勘案すれば、a1は10以下が好ましく、5以下がより好ましく、3以下がさらに好ましい。 Ar 0 represents a divalent aromatic group which may have a substituent. The substituent may be an ion exchange group or a group having an ion exchange group. a1 represents an integer of 1 or more. The upper limit of a1 is the type of Ar 0, in particular Ar 0 is according to whether having an ion-exchange group can be selected within the range satisfying the preferred ion exchange capacity of the above. Considering the ease of production, a1 is preferably 10 or less, more preferably 5 or less, and even more preferably 3 or less.

本発明のポリマーは、上記一般式(1a)で表される構造単位と、他の構造単位との共重合体でもよい。かかる共重合体である場合、一般式(1a)で表される構造単位の含有率は5重量%〜80重量%が好ましく、15重量%〜60重量%であると、燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合、高度のイオン伝導度に加えて、耐水性が向上するので、特に好ましい。   The polymer of the present invention may be a copolymer of the structural unit represented by the general formula (1a) and another structural unit. In the case of such a copolymer, the content of the structural unit represented by the general formula (1a) is preferably 5% by weight to 80% by weight, and 15% by weight to 60% by weight. When used as an electrolyte membrane, water resistance is improved in addition to high ion conductivity, which is particularly preferable.

また、一般式(1a)におけるイオン交換基を有する2価の芳香族基Ar1は、単環性芳香族基であると特に好ましい。かかる単環性芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基などが挙げられる。 In addition, the divalent aromatic group Ar 1 having an ion exchange group in the general formula (1a) is particularly preferably a monocyclic aromatic group. Examples of such monocyclic aromatic groups include a 1,3-phenylene group and a 1,4-phenylene group.

Ar1は、イオン交換基を有することを特徴とするが、イオン交換基以外の置換基を有していてもよい。該置換基としては、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基が挙げられる。 Ar 1 is characterized by having an ion exchange group, but may have a substituent other than the ion exchange group. Examples of the substituent include a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and a substituent. An optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent. Can be mentioned.

置換基を有していてもよい炭素数1〜20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、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−メチルペンチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、イコシル基などの炭素数1〜20のアルキル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、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、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアルキル基などが挙げられる。   Examples of the optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms include methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, n- Carbon such as pentyl group, 2,2-dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, 2-ethylhexyl group, nonyl group, dodecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, icosyl group Fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc. And an alkyl group having a total carbon number of 20 or less.

また、置換基を有していてもよい炭素数1〜20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、ドデシルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基、イコシルオキシ基などの炭素数1〜20のアルコキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、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、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアルコキシ基などが挙げられる。   Examples of the optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms include methoxy group, ethoxy group, n-propyloxy group, isopropyloxy group, n-butyloxy group, sec-butyloxy group, 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, Alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms such as dodecyloxy group, hexadecyloxy group, icosyloxy group, and the like, fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl Group, naphthyl group, phenoxy group, naphthylo Such as shea group is substituted, the total carbon number, and the like alkoxy groups is 20 or less.

置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基、フェナントレニル基、アントラセニル基などのアリール基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、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、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアリール基などが挙げられる。   Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms that may have a substituent include aryl groups such as a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthrenyl group, and an anthracenyl group, and a fluorine atom, a hydroxyl group, and a nitrile group. Amino groups, methoxy groups, ethoxy groups, isopropyloxy groups, phenyl groups, naphthyl groups, phenoxy groups, naphthyloxy groups, and the like, and aryl groups having a total carbon number of 20 or less.

置換基を有していてもよい炭素数6〜20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、フェナントレニルオキシ基、アントラセニルオキシ基などのアリールオキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、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、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアリールオキシ基などが挙げられる。   Examples of the aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent include aryloxy groups such as a phenoxy group, a naphthyloxy group, a phenanthrenyloxy group, and an anthracenyloxy group, and these The group is substituted with fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc., and the total number of carbon atoms is 20 or less An aryloxy group etc. are mentioned.

置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基としては、例えばアセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ベンゾイル基、1−ナフトイル基、2−ナフトイル基などの炭素数2〜20のアシル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、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、ナフチルオキシ基などが置換され、その総炭素数が20以下であるアシル基などが挙げられる。   Examples of the acyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent include 2 carbon atoms such as acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, benzoyl group, 1-naphthoyl group and 2-naphthoyl group. ~ 20 acyl groups, and these groups are substituted with fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc. The acyl group whose total carbon number is 20 or less, etc. are mentioned.

Ar1にあるイオン交換基としては、酸基または塩基性基のどちらも適用できるが、酸基が通常使用される。該酸基としては、弱酸基、強酸基、超強酸基などの酸基が挙げられるが、強酸基、超強酸基が好ましい。酸基の例としては、例えば、ホスホン酸基(−PO32)、カルボキシル基(−COOH)などの弱酸基;スルホン酸基(−SO3H)、スルホンイミド基(−SO2−NH−SO2−R。ここでRはアルキル基、アリール基等の一価の置換基を表す。)などの強酸基が挙げられ、中でも、強酸基であるスルホン酸基、スルホンイミド基が好ましく使用される。また、フッ素原子等の電子吸引性基でAr1および/またはスルホンイミド基の置換基(−R)上の水素原子を置換することにより、かかる電子吸引性基の効果で前記の強酸基を超強酸基として機能させることもできる。
これらのイオン交換基は、部分的にあるいは全てが、金属イオンや4級アンモニウムイオンなどで交換されて塩を形成していてもよいが、燃料電池用高分子電解質膜などとして使用する際には、実質的に全てが遊離酸の状態であることが好ましい。
なお、上述のとおり、該イオン交換基は、上記一般式(1a)で表される構造単位を有するポリマーにおいて、その主鎖を構成する芳香環に、直接結合していても、連結基を介して結合している形態でもよいが、主鎖を構成する芳香環に直接結合していることが、市場から容易に入手できる材料を用いて本発明のポリマーを容易に製造することができるため好ましい。
As an ion exchange group in Ar 1 , either an acid group or a basic group can be applied, but an acid group is usually used. Examples of the acid group include weak acid groups, strong acid groups, and super strong acid groups, but strong acid groups and super strong acid groups are preferable. Examples of acid groups include, for example, weak acid groups such as phosphonic acid groups (—PO 3 H 2 ) and carboxyl groups (—COOH); sulfonic acid groups (—SO 3 H), sulfonimide groups (—SO 2 —NH). -SO 2 -R, where R represents a monovalent substituent such as an alkyl group or an aryl group.) Among them, sulfonic acid groups and sulfonimide groups which are strong acid groups are preferably used. Is done. Further, by substituting a hydrogen atom on the substituent (—R) of Ar 1 and / or the sulfonimide group with an electron withdrawing group such as a fluorine atom, the strong acid group can be superseded by the effect of the electron withdrawing group. It can also function as a strong acid group.
These ion exchange groups may be partially or completely exchanged with metal ions or quaternary ammonium ions to form a salt, but when used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells, etc. It is preferred that substantially all are in the free acid state.
As described above, the ion exchange group may be bonded to an aromatic ring constituting the main chain of the polymer having the structural unit represented by the general formula (1a) via a linking group. However, it is preferable to be directly bonded to the aromatic ring constituting the main chain because the polymer of the present invention can be easily produced using a material that can be easily obtained from the market. .

また、一般式(1a)におけるAr0は上記のとおり、Ar1と同様のイオン交換基を有する2価の芳香族基であってもよいし、イオン交換基を有していなくてもよい。その他の説明は、Ar1と同様である。 In addition, Ar 0 in the general formula (1a) may be a divalent aromatic group having an ion exchange group similar to Ar 1 as described above, or may not have an ion exchange group. The other description is the same as Ar 1 .

本発明のポリマーが共重合体である場合、その共重合様式は、ランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合あるいはグラフト共重合のいずれでもよいが、中でもブロック共重合であると好ましく、かかるブロック共重合に係る好適なポリマーに関しては後述する。   When the polymer of the present invention is a copolymer, the copolymerization mode may be any of random copolymerization, alternating copolymerization, block copolymerization, or graft copolymerization. Suitable polymers for copolymerization will be described later.

上記一般式(1a)において、上述のとおり電子吸引性基Xにより近い芳香族基Ar0はイオン交換基を有していると、Ar1と同様に電子吸引効果によるイオン伝導度の湿度依存性をより良好にすることが期待される。その観点から、Ar0もイオン交換基である芳香族基、すなわちAr1と同様な芳香族基であると好ましく。換言すれば、上記一般式(1a)で表される構造単位が、下記一般式(1)で表される構造単位であると好ましい。

Figure 0005266691
(式中、aは2以上の整数を表す。Ar1およびXは前記と同義であり、複数あるAr1は互いに同一でも異なっていてもよい。Xは2価の電子吸引性基を表す。)
なお、上記一般式(1)で表す構造単位において、イオン交換基を有する芳香族基Ar1において、電子吸引性基Xから遠い基であるほど、電子吸引効果を受け難いので、aは、2〜4の範囲が好ましく、製造上容易である点からみれば、aが2であると特に好ましい。 In the general formula (1a), when the aromatic group Ar 0 closer to the electron-withdrawing group X has an ion-exchange group as described above, the humidity dependence of the ionic conductivity due to the electron-withdrawing effect is the same as Ar 1 . Is expected to be better. From this viewpoint, Ar 0 is preferably an aromatic group that is an ion exchange group, that is, an aromatic group similar to Ar 1 . In other words, the structural unit represented by the general formula (1a) is preferably a structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 0005266691
(Wherein, a is the .Ar 1 and X represents an integer of 2 or more the same meaning as defined above, Ar 1 there are a plurality of which may be the same or different .X represents a divalent electron withdrawing group. )
In the structural unit represented by the general formula (1), in the aromatic group Ar 1 having an ion exchange group, the farther from the electron withdrawing group X, the less likely to receive the electron withdrawing effect. A range of ˜4 is preferable, and a is preferably 2 in view of easy production.

以下、好適な構造単位である、一般式(1)で表される構造単位について説明する。
具体的に一般式(1)で表される構造単位を例示すると、下記(1−1)〜(1−26)などが挙げられる(ここで、(1−13)〜(1−15)にある「−Ph」はフェニル基を表す)。

Figure 0005266691
Hereinafter, the structural unit represented by the general formula (1), which is a preferable structural unit, will be described.
Specific examples of the structural unit represented by the general formula (1) include the following (1-1) to (1-26) (where (1-13) to (1-15) Some “—Ph” represents a phenyl group).
Figure 0005266691

Figure 0005266691
Figure 0005266691

Figure 0005266691
前記(1−1)〜(1−26)においてJは、イオン交換基であるか、イオン交換基を有する基を表し、具体的には下記の群から選ばれる基である。なお、同一構造単位中にある複数のJは互いに同一でも異なっていてもよい。
Figure 0005266691
(式中、A、A’はそれぞれ独立に炭素数1〜6のアルキレン基または炭素数1〜6のフッ素置換アルキレン基を表し、A’が複数ある場合、それらは互いに同一でも異なっていてもよい。kは1〜4の整数を表し、Tはイオン交換基を表し、*は結合手を表す。)
なお、上記において「フッ素置換アルキレン基」とはアルキレン基の炭素原子に結合している水素原子の一部または全部がフッ素原子に置き換わった基を意味する。
Figure 0005266691
In the above (1-1) to (1-26), J represents an ion exchange group or a group having an ion exchange group, and specifically a group selected from the following group. In addition, several J in the same structural unit may mutually be same or different.
Figure 0005266691
(In the formula, A and A ′ each independently represent an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a fluorine-substituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms, and when there are a plurality of A ′, they may be the same or different from each other. K represents an integer of 1 to 4, T represents an ion exchange group, and * represents a bond.)
In the above, the “fluorine-substituted alkylene group” means a group in which part or all of the hydrogen atoms bonded to the carbon atom of the alkylene group are replaced with fluorine atoms.

本発明のポリマーは上記一般式(1a)で表される構造単位、好ましくは上記一般式(1)で表される構造単位を、イオン伝導性を発現するイオン交換基を有する構造単位として含む。そして、そのイオン交換基の導入量は、イオン交換容量で表した場合、0.5〜4.0meq/gであると好ましい。0.5meq/g以上であると、イオン伝導性がより向上し、燃料電池用の高分子電解質としての機能がより優れるので好ましい。一方、該イオン交換容量が4.0meq/g以下であると、耐水性がより良好となるので好ましい。なお、該イオン交換容量は1.0〜3.0meq/gであると、より好ましい。   The polymer of the present invention contains a structural unit represented by the above general formula (1a), preferably a structural unit represented by the above general formula (1) as a structural unit having an ion exchange group that exhibits ion conductivity. And the introduction amount of the ion exchange group is preferably 0.5 to 4.0 meq / g in terms of ion exchange capacity. When it is 0.5 meq / g or more, ion conductivity is further improved, and the function as a polymer electrolyte for a fuel cell is more excellent, which is preferable. On the other hand, when the ion exchange capacity is 4.0 meq / g or less, the water resistance becomes better, which is preferable. The ion exchange capacity is more preferably 1.0 to 3.0 meq / g.

さらに、好適なポリマーとしては上記一般式(1)で表される構造単位からなるセグメント、すなわち下記一般式(2)で表されるセグメントを分子内に有しているポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、特にイオン伝導性に優れるため、より好ましい。

Figure 0005266691
(式中、Ar1、Xは前記と同義である。fは1以上の整数を表わし、2つのfは互いに同一でも異なっていてもよい。mは繰り返し単位数を表す。) Furthermore, as a suitable polymer, the polymer which has the segment which consists of a structural unit represented by the said General formula (1), ie, the segment represented by the following General formula (2), in a molecule | numerator is mentioned. Such a polymer is more preferable because it is particularly excellent in ion conductivity.
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 1 and X are as defined above. F represents an integer of 1 or more, two fs may be the same as or different from each other, and m represents the number of repeating units.)

mは、上記一般式(2)における括弧内の構造単位の繰り返し単位数を表し、mは5以上の整数であると好ましく、5〜1000の範囲がより好ましく、さらに好ましくは10〜500である。mの値が5以上であると、より高度のプロトン伝導度が得られ、mの値が1000以下であれば、かかるセグメントの製造がより容易となるので好ましい。   m represents the number of repeating units of the structural unit in parentheses in the general formula (2), m is preferably an integer of 5 or more, more preferably in the range of 5 to 1000, and still more preferably 10 to 500. . When the value of m is 5 or more, higher proton conductivity can be obtained, and when the value of m is 1000 or less, it is preferable because production of such a segment becomes easier.

上記一般式(2)で示されるセグメントとしては、かかるセグメントのAr1が下記一般式(4)で表される芳香族基であるセグメントであると好ましい。また、このように芳香環に直接結合しているスルホン酸基は、隣接するXの電子吸引性により、より湿度依存性を小さくする効果に優れる。また、一般式(4)で表される芳香族基まらなるセグメントは、市場から容易に入手できる材料を用いて容易に製造することができるため好ましい。なお、かかる製造に係る好適な例は後述する。

Figure 0005266691
(式中、R1は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基であり、pは0または1である。) The segment represented by the general formula (2) is preferably a segment in which Ar 1 of the segment is an aromatic group represented by the following general formula (4). Moreover, the sulfonic acid group directly bonded to the aromatic ring in this way is excellent in the effect of reducing the humidity dependency due to the electron withdrawing property of the adjacent X. Moreover, since the segment which consists of an aromatic group represented by General formula (4) can be easily manufactured using the material which can be obtained easily from a market, it is preferable. In addition, the suitable example which concerns on this manufacture is mentioned later.
Figure 0005266691
(In the formula, R 1 represents a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, or a substituent. An optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted acyl having 2 to 20 carbon atoms And p is 0 or 1.)

上記一般式(4)におけるR1は、アルキル基、アルコキシ基、アリール基またはアシル基から選ばれる置換基であり、かかる置換基としては、上記Ar1の置換基として例示したものと同じであり、後述の製造方法において、その重合反応を阻害しない基である。その置換基の数を表すpは、0または1であり、特に好ましくはpが0、すなわち、このような置換基を有さない芳香族基である。 R 1 in the general formula (4) is a substituent selected from an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, or an acyl group, and the substituent is the same as those exemplified as the substituent for Ar 1 . In the production method described later, this is a group that does not inhibit the polymerization reaction. P representing the number of substituents is 0 or 1, and particularly preferably p is 0, that is, an aromatic group having no such substituent.

本発明のポリマーとしては、上記一般式(2)で表されるセグメントを、イオン交換基を有するセグメントとして有し、さらにイオン交換基を実質的に有さないセグメントを併せ持ち、共重合様式がブロック共重合であるポリマー(以下、単に「ブロック共重合体」と呼ぶ)であると、吸水特性が向上する傾向があることから好ましい。また、かかるブロック共重合体は、膜として用いた場合、イオン交換基を有するセグメントとイオン交換基を実質的に有さないセグメントが、それぞれのセグメントを密とする相に分離したミクロ相分離構造を形成し、お互いが連続層をとるように制御することが容易である。これにより、高度のイオン伝導度と吸水特性を両立することができる。
かかるブロック共重合体において、イオン交換基を有するセグメントを構成する構造単位として、上記一般式(1)以外の構造単位を有していてもよいが、該イオン交換基を有するセグメントの全量を100重量%としたとき、一般式(1)で表される構造単位が50重量%以上が好ましく、70重量%以上であると、さらに好ましく、実質的に一般式(1)で表される構造単位が100重量%、すなわちイオン交換基を有するセグメントが全て、上記一般式(2)で表されるセグメントから構成されているブロック共重合体が特に好ましい。
なお、イオン交換基を有するセグメントを構成する上記一般式(1)で表される構造単位以外のものとしては、下記一般式(10)で表される構造単位が好適である。

Figure 0005266691
(式中、Ar10はイオン交換基を有する2価の芳香族基を表す。) The polymer of the present invention has the segment represented by the general formula (2) as a segment having an ion exchange group, and further has a segment substantially free of an ion exchange group, and the copolymerization mode is blocked. A polymer that is a copolymer (hereinafter simply referred to as “block copolymer”) is preferred because the water absorption property tends to be improved. In addition, when such a block copolymer is used as a membrane, a microphase separation structure in which a segment having an ion exchange group and a segment having substantially no ion exchange group are separated into a dense phase. And can be controlled to take a continuous layer. Thereby, high ion conductivity and water absorption characteristics can be achieved at the same time.
In such a block copolymer, the structural unit constituting the segment having an ion exchange group may have a structural unit other than the general formula (1), but the total amount of the segment having the ion exchange group is 100. When the weight percent, the structural unit represented by the general formula (1) is preferably 50% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, and the structural unit substantially represented by the general formula (1). Is particularly preferably a block copolymer in which all segments having an ion exchange group are composed of segments represented by the general formula (2).
In addition, as a thing other than the structural unit represented by the said General formula (1) which comprises the segment which has an ion exchange group, the structural unit represented by the following General formula (10) is suitable.
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 10 represents a divalent aromatic group having an ion exchange group.)

また、上記ブロック共重合体においては、イオン交換基を有するセグメントとして上記一般式(2)で表されるセグメントを有し、さらに、一般式(1)で表される構造単位以外の構造単位からなるセグメント(以下、「他のイオン交換基を有するセグメント」と呼ぶ)を有する形態のポリマーでもよい。他のイオン交換基を有するセグメントとしては、当該セグメントを構成する構造単位当たりにあるイオン交換基数で表して、0.5個以上のイオン交換基を有するセグメントであり、好ましくは、セグメントを構成する構造単位当たり1.0個以上のイオン交換基を有するものが挙げられる。
上記ブロック共重合体中にある、一般式(2)で表されるセグメントと他のイオン交換基を有するセグメントにあるイオン交換基導入量は、かかるセグメントの合計重量当たりのイオン交換基当量で表して、2.5meq/g〜10.0meq/gが好ましく、さらに好ましくは3.5meq/g〜9.0meq/gであり、特に好ましくは4.5meq/g〜7.0meq/gである。
該イオン交換基導入量が2.5meq/g以上であると、イオン交換基同士が密接に隣接することとなり、イオン伝導性がより高くなるので好ましく、一方、イオン交換基導入量を示すイオン交換容量が10.0meq/g以下であると、製造がより容易であるので好ましい。
Moreover, in the said block copolymer, it has a segment represented by the said General formula (2) as a segment which has an ion exchange group, Furthermore, from structural units other than the structural unit represented by General formula (1). The polymer in a form having a segment (hereinafter referred to as “segment having another ion exchange group”) may be used. The segment having other ion exchange groups is a segment having 0.5 or more ion exchange groups expressed by the number of ion exchange groups per structural unit constituting the segment, and preferably constitutes a segment. Examples thereof include those having 1.0 or more ion exchange groups per structural unit.
The amount of ion exchange groups introduced in the segment represented by the general formula (2) and the segment having other ion exchange groups in the block copolymer is expressed as an ion exchange group equivalent per the total weight of the segments. 2.5 meq / g to 10.0 meq / g, more preferably 3.5 meq / g to 9.0 meq / g, and particularly preferably 4.5 meq / g to 7.0 meq / g.
When the ion exchange group introduction amount is 2.5 meq / g or more, the ion exchange groups are closely adjacent to each other, which is preferable because ion conductivity is higher. On the other hand, ion exchange groups exhibiting an ion exchange group introduction amount are preferable. It is preferable for the capacity to be 10.0 meq / g or less because the production is easier.

次に、上記イオン交換基を実質的に有さないセグメントについて説明する。
該イオン交換基を実質的に有さないセグメントは、上記のように、その繰返し単位当たりで計算してイオン交換基が0.1個以下であるものであり、構造単位当たりのイオン交換基が0、すなわちイオン交換基が実質的に皆無であると特に好ましい。
Next, the segment having substantially no ion exchange group will be described.
As described above, the segment having substantially no ion-exchange group has 0.1 or less ion-exchange groups calculated per repeating unit, and the ion-exchange groups per structural unit is less than Particularly preferred is 0, ie virtually no ion exchange groups.

該イオン交換基を実質的に有さないセグメントとして、上記一般式(3)で表されるセグメントが好ましい。
ここで、一般式(3)におけるb、c、dは互いに独立に0か1を表す。nは5以上の整数を表し、5〜200であると好ましい。nの値が小さいと、成膜性や膜強度が不十分であったり、耐久性が不十分であったりするなどの問題が生じやすくなるため、nは10以上であると特に好ましい。また、nを5以上、好ましくは10以上とするには、一般式(3)のブロックにおけるポリスチレン換算数平均分子量で表して、2000以上、好ましくは3000以上であると十分である。
As a segment which does not have this ion exchange group substantially, the segment represented by the said General formula (3) is preferable.
Here, b, c, and d in the general formula (3) independently represent 0 or 1. n represents an integer of 5 or more, and is preferably 5 to 200. When the value of n is small, problems such as insufficient film formability and film strength and insufficient durability tend to occur. Therefore, n is particularly preferably 10 or more. In order to make n 5 or more, preferably 10 or more, it is sufficient to be 2000 or more, preferably 3000 or more, expressed in terms of polystyrene-equivalent number average molecular weight in the block of the general formula (3).

また、一般式(3)におけるAr3、Ar4、Ar5およびAr6は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で、置換されていてもよい2価の芳香族基であり、単環性芳香族基であると特に好ましい。かかる単環性芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基などが挙げられる。ここで、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルコキシ基、置換基を有していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいアリールオキシ基および置換基を有していてもよいアシル基の例示は、上記Ar1の置換基として例示したものと同じである。 Moreover, Ar < 3 >, Ar < 4 >, Ar < 5 > and Ar < 6 > in General formula (3) may have a fluorine atom, the C1-C20 alkyl group which may have a substituent, and a substituent. An alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent; It is a divalent aromatic group which may be substituted with an optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and is particularly preferably a monocyclic aromatic group. Examples of such monocyclic aromatic groups include a 1,3-phenylene group and a 1,4-phenylene group. Here, an alkyl group which may have a substituent, an alkoxy group which may have a substituent, an aryl group which may have a substituent, an aryloxy which may have a substituent Examples of the acyl group which may have a group and a substituent are the same as those exemplified as the substituent of Ar 1 above.

上記一般式(3)におけるZ、Z’は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。 また、一般式(3)におけるY、Y’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表すものであるが、中でも、−CO−(カルボニル基)、−SO2−(スルホニル基)、−C(CH32−(2,2−イソプロピリデン基)、−C(CF32−(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン基)または9,9−フルオレンジイル基であると好ましい。 Z and Z ′ in the general formula (3) each independently represent an oxygen atom or a sulfur atom. Y and Y ′ in the general formula (3) each independently represent a direct bond or a divalent group. Among them, —CO— (carbonyl group), —SO 2 — (sulfonyl group), -C (CH 3) 2 - ( 2,2- isopropylidene group), - C (CF 3) 2 - (1,1,1,3,3,3- hexafluoro-2,2-propylidene group) or A 9,9-fluorenediyl group is preferred.

上記一般式(3)で表されるセグメントの好ましい代表例としては、例えば以下のものが挙げられる。なお、nは上記一般式(3)と同じ定義である。

Figure 0005266691
Preferable representative examples of the segment represented by the general formula (3) include the following. In addition, n is the same definition as the said General formula (3).
Figure 0005266691

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Figure 0005266691
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上記ブロック共重合体は一般式(2)で表されるセグメントを、イオン交換基を有するセグメントとして有するが、該ブロック共重合体のイオン交換基の導入量は、イオン交換容量、すなわち該ブロック共重合体全重量当たりのイオン交換基当量で表したとき、0.5meq/g〜4.0meq/gが好ましく、さらに好ましくは1.0meq/g〜3.0meq/gである。
該イオン交換容量が0.5meq/g以上であると、プロトン伝導性がより高くなり、燃料電池用の高分子電解質としての機能がより優れるので好ましい。一方、イオン交換基導入量を示すイオン交換容量が4.0meq/g以下であると、耐水性がより良好となるので好ましい。
The block copolymer has the segment represented by the general formula (2) as a segment having an ion exchange group. The amount of the ion exchange group introduced into the block copolymer is the ion exchange capacity, that is, the block copolymer. When expressed in terms of ion exchange group equivalent per total weight of the polymer, 0.5 meq / g to 4.0 meq / g is preferable, and 1.0 meq / g to 3.0 meq / g is more preferable.
It is preferable that the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more because proton conductivity becomes higher and functions as a polymer electrolyte for a fuel cell are more excellent. On the other hand, when the ion exchange capacity indicating the amount of ion exchange groups introduced is 4.0 meq / g or less, the water resistance becomes better, which is preferable.

また、本発明のポリマーは、分子量が、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して、5000〜1000000であることが好ましく、中でも15000〜400000であることが特に好ましい。   In addition, the polymer of the present invention has a molecular weight of preferably 5,000 to 1,000,000, particularly preferably 15,000 to 400,000, in terms of polystyrene-reduced number average molecular weight.

次に、本発明のポリマーを得る上で、好適な製造方法について説明する。
ここで、イオン交換基の導入方法は、予めイオン交換基を有するモノマーを重合する方法であっても、イオン交換基を導入可能な部位を有するモノマーからポリマーを製造した後に、該ポリマーにある、該導入可能な部位にイオン交換基を導入する方法であってもよい。中でも、前者の方法であると、イオン交換基の導入量や、置換位置を的確に制御することができるので、より好ましい。また、電子吸引性基Xに隣接する芳香族基Ar1は、スルホン化等の求電子反応は極めて起こり難い傾向がある。したがって、予め一般式(1a)で表される構造単位を誘導するモノマーは、予め電子吸引性基Xとともに、イオン交換基またはイオン交換基に容易に転化できる基を併せ持つものを使用することが好ましい。
Next, a preferred production method for obtaining the polymer of the present invention will be described.
Here, the method for introducing an ion exchange group is a method for polymerizing a monomer having an ion exchange group in advance, but after producing a polymer from a monomer having a site capable of introducing an ion exchange group, It may be a method of introducing an ion exchange group into the introduceable site. Among these, the former method is more preferable because the amount of ion exchange groups introduced and the substitution position can be accurately controlled. In addition, the aromatic group Ar 1 adjacent to the electron-withdrawing group X tends to hardly cause electrophilic reaction such as sulfonation. Therefore, it is preferable to use a monomer that previously derives the structural unit represented by the general formula (1a) together with an electron-withdrawing group X and an ion-exchange group or a group that can be easily converted into an ion-exchange group. .

イオン交換基を有するモノマーを用いて、本発明のポリマーを製造する方法としては、例えば、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、下記一般式(5a)で示されるモノマーを縮合反応により重合することにより製造し得る。

Figure 0005266691
(式中、Ar0、Ar1、Xおよびa1は前記と同義である。Qは縮合反応時に脱離する基を表す。複数あるAr0は互いに同一でも異なっていてもよく、2つのAr1は互いに同一でも異なっていてもよく、2つのa1は互いに同一でも異なっていてもよく、2つのQは互いに同一であっても異なっていてもよい。) As a method for producing the polymer of the present invention using a monomer having an ion exchange group, for example, in the presence of a zero-valent transition metal complex, a monomer represented by the following general formula (5a) is polymerized by a condensation reaction. Can be manufactured.
Figure 0005266691
(Wherein, Ar 0, Ar 1, X and a1 is .Q the same meaning as defined above may be different in. Plurality of Ar 0 is each represents a group that departs during the condensation reaction, two Ar 1 May be the same as or different from each other, two a1s may be the same or different from each other, and two Qs may be the same or different from each other.)

または、下記一般式(5b)で表されるモノマーと、

Figure 0005266691
(式中、Ar1、XおよびQは前記と同義である。2つのQは互いに同一であっても異なっていてもよい。)
下記一般式(5c)で表されるモノマーと、
Figure 0005266691
(式中、Ar0およびQは前記と同義である。2つのQは互いに同一であっても異なっていてもよい。)
を共重合すれば、下記一般式(1b)で表される構造単位と一般式(1c)で表される構造単位とを有し、A1とA0が直接結合で連結された構造を有するポリマー、すなわち一般式(1a)で表される構造単位を有するポリマーが得られる。
Figure 0005266691
(式中、Ar1およびXは前記と同義であり、2つのAr1は互いに同一でも異なっていてもよい。)
Figure 0005266691
(式中、Ar0は前記と同義である。) Or a monomer represented by the following general formula (5b);
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 1 , X and Q are as defined above. Two Qs may be the same or different from each other.)
A monomer represented by the following general formula (5c);
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 0 and Q are as defined above. Two Qs may be the same or different from each other.)
Is copolymerized with a structural unit represented by the following general formula (1b) and a structural unit represented by the general formula (1c), wherein A 1 and A 0 are linked by a direct bond. A polymer, that is, a polymer having a structural unit represented by the general formula (1a) is obtained.
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 1 and X are as defined above, and two Ar 1 s may be the same as or different from each other.)
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 0 has the same meaning as described above.)

本発明の好適なポリマーである、上記一般式(1)で表される構造単位からなるポリマーを得る場合は、たとえば、下記一般式(5)で表されるモノマーを縮合反応により重合すればよい。

Figure 0005266691
(式中、Ar1、X、Qおよびfは前記と同義である。2つのQは互いに同一であっても異なっていてもよく、2つのfは互いに同一であっても異なっていてもよく、2つ以上あるAr1は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
また、上記一般式(5)で表されるモノマーと、上記一般式(5c)で表されるモノマーとを縮合反応により重合することもできる。 In order to obtain a polymer composed of the structural unit represented by the general formula (1), which is a preferred polymer of the present invention, for example, a monomer represented by the following general formula (5) may be polymerized by a condensation reaction. .
Figure 0005266691
(Wherein Ar 1 , X, Q and f are as defined above. Two Qs may be the same or different from each other, and two f may be the same or different from each other. Two or more Ar 1 s may be the same or different.
Moreover, the monomer represented by the general formula (5) and the monomer represented by the general formula (5c) can be polymerized by a condensation reaction.

また、上記の好適なブロック共重合体の製造を行う場合、例えば、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、上記一般式(5)で表されるモノマーと、下記一般式(6)で表されるイオン交換基を実質的に有さないセグメントの前駆体(以下、「セグメント前駆体」と略記することもある。)を縮合反応により重合する方法や、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、上記一般式(5)で示されるモノマーを重合して、一般式(2)で表されるセグメントを誘導する前駆体を得、かかる前駆体を下記一般式(6)で表される化合物と縮合させる方法が例示される。

Figure 0005266691
(式中、Ar3、Ar4、Ar5、Ar6、b、c、d、n、Y、Y’、Z、Z’、Qは前記と同義である。) Moreover, when manufacturing said suitable block copolymer, it represents with the monomer represented by the said General formula (5), and the following general formula (6) in coexistence of a zerovalent transition metal complex, for example. A method of polymerizing a segment precursor that does not substantially have an ion exchange group (hereinafter sometimes abbreviated as “segment precursor”) by a condensation reaction, or in the coexistence of a zero-valent transition metal complex A method of polymerizing a monomer represented by the formula (5) to obtain a precursor for deriving a segment represented by the general formula (2), and condensing the precursor with a compound represented by the following general formula (6) Is exemplified.
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 3 , Ar 4 , Ar 5 , Ar 6 , b, c, d, n, Y, Y ′, Z, Z ′, and Q are as defined above.)

上記一般式(5)、(5a)、(5b)、(5c)および(6)におけるQは、縮合反応時に脱離する基を表すが、その具体例としては、例えば、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、p−トルエンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、トリフルオロメタンスルホニルオキシ基、下記に示すようなホウ素原子を含む基などが挙げられる。

Figure 0005266691
(RaおよびRbは、互いに独立に水素原子または有機基を表し、RaとRbとが結合して環を形成していてもよい。) Q in the general formulas (5), (5a), (5b), (5c) and (6) represents a group which is eliminated during the condensation reaction. Specific examples thereof include, for example, a chlorine atom and a bromine atom. And halogen atoms such as iodine atom, p-toluenesulfonyloxy group, methanesulfonyloxy group, trifluoromethanesulfonyloxy group, groups containing boron atoms as shown below, and the like.
Figure 0005266691
(R a and R b each independently represent a hydrogen atom or an organic group, and R a and R b may be bonded to form a ring.)

以下、本発明の好適なポリマーである、ブロック共重合体の製造方法について詳述する。
上記一般式(5)で表されるモノマーは、好ましいイオン交換基であるスルホン酸基で例示すると、4、4’−ジクロロ−2、2’−ジスルホベンゾフェノン、4、4’−ジブロモ−2、2’−ジスルホベンゾフェノン、4、4’−ジクロロ−3、3’−ジスルホベンゾフェノン、4、4’−ジブロモ−3、3’−ジスルホベンゾフェノン、5、5’−ジクロロ−3、3’−ジスルホベンゾフェノン、5、5’−ジブロモ−3、3’−ジスルホベンゾフェノン、ビス(4−クロロ−2−スルホフェニル)スルホン、ビス(4−ブロモ−2−スルホフェニル)スルホン、ビス(4−クロロ−3−スルホフェニル)スルホン、ビス(4−ブロモ−3−スルホフェニル)スルホン、ビス(5−クロロ−3−スルホフェニル)スルホン、ビス(5−ブロモ−3−スルホフェニル)スルホンなどが挙げられる。
また、他のイオン交換基の場合は、上記に例示したモノマーのスルホン酸基を、カルボキシル基、ホスホン酸基などのイオン交換基に置き換えて、選択することができ、これら他のイオン交換基を有するモノマーも市場から容易に入手できるか、公知の製造方法を用いて、製造することが可能である。
さらに上記に例示するモノマーのイオン交換基が塩の形もしくは保護基で保護されていてもよく、特に、イオン交換基が塩の形もしくは保護基で保護されているモノマーを用いることが、重合反応性の観点から好ましい。塩の形としては、アルカリ金属塩が好ましく、特に、Li塩、Na塩、K塩の形が好ましい。
Hereinafter, the manufacturing method of the block copolymer which is a suitable polymer of this invention is explained in full detail.
When the monomer represented by the general formula (5) is exemplified by a sulfonic acid group which is a preferable ion exchange group, 4,4′-dichloro-2, 2′-disulfobenzophenone and 4,4′-dibromo-2 are exemplified. 2′-disulfobenzophenone, 4,4′-dichloro-3, 3′-disulfobenzophenone, 4,4′-dibromo-3, 3′-disulfobenzophenone, 5,5′-dichloro-3, 3 '-Disulfobenzophenone, 5,5'-dibromo-3,3'-disulfobenzophenone, bis (4-chloro-2-sulfophenyl) sulfone, bis (4-bromo-2-sulfophenyl) sulfone, bis ( 4-chloro-3-sulfophenyl) sulfone, bis (4-bromo-3-sulfophenyl) sulfone, bis (5-chloro-3-sulfophenyl) sulfone, bis (5-bromo-3-sulfone) Eniru) such as sulfone.
In the case of other ion exchange groups, the sulfonic acid groups of the monomers exemplified above can be selected by replacing them with ion exchange groups such as carboxyl groups and phosphonic acid groups, and these other ion exchange groups can be selected. The monomer having it can be easily obtained from the market or can be produced by using a known production method.
Further, the ion exchange group of the monomer exemplified above may be protected with a salt form or a protecting group. In particular, it is possible to use a monomer in which the ion exchange group is protected with a salt form or a protecting group. From the viewpoint of sex. As a salt form, an alkali metal salt is preferable, and a Li salt, a Na salt, and a K salt are particularly preferable.

また、イオン交換基の導入を重合後に行い、本発明の共重合体の製造を行う方法としては、例えば、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、下記一般式(7)で表されるモノマーと、必要に応じてイオン交換基を有さないモノマーを縮合反応により共重合し、その後、公知の方法に準じてイオン交換性基を導入することにより製造し得る。

Figure 0005266691
(式中、Ar7はイオン交換基を導入することで、上記一般式(1)のAr1となり得る2価の芳香族基を表し、Q、X、fは前記と同義である。)
また、本発明のブロック共重合体の製造を行う方法としては、例えば、ゼロ価遷移金属錯体の共存下、上記一般式(7)で表されるモノマーと、イオン交換基を有さないモノマーの代わりに、上記一般式(6)で表されるイオン交換基を実質的に有さないセグメントの前駆体を縮合反応により共重合し、その後、公知の方法に準じてイオン交換性基を導入することにより製造し得る。 In addition, as a method for carrying out the introduction of ion exchange groups after polymerization and producing the copolymer of the present invention, for example, in the presence of a zero-valent transition metal complex, a monomer represented by the following general formula (7), If necessary, a monomer having no ion exchange group may be copolymerized by a condensation reaction, and then introduced by introducing an ion exchange group according to a known method.
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 7 represents a divalent aromatic group capable of becoming Ar 1 in the general formula (1) by introducing an ion exchange group, and Q, X, and f are as defined above.)
Moreover, as a method for producing the block copolymer of the present invention, for example, in the presence of a zero-valent transition metal complex, a monomer represented by the general formula (7) and a monomer having no ion exchange group are used. Instead, a precursor of a segment substantially having no ion exchange group represented by the general formula (6) is copolymerized by a condensation reaction, and then an ion exchange group is introduced according to a known method. Can be manufactured.

ここで、Ar7は、フッ素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基または炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよいが、Ar7は少なくともひとつのイオン交換基を導入可能な構造を有する2価の単環性芳香族基である。該2価の単環性芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基などが挙げられる。置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基としては、上記のAr1の置換基として例示したものと同じものが挙げられる。 Here, Ar 7 is a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 carbon atoms. Ar 7 is a divalent monocyclic aromatic group having a structure capable of introducing at least one ion-exchange group, although it may be substituted with ˜20 acyl groups. Examples of the divalent monocyclic aromatic group include a 1,3-phenylene group and a 1,4-phenylene group. C1-C20 alkyl group which may have a substituent, C1-C20 alkoxy group which may have a substituent, C6-C20 which may have a substituent As the aryl group, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent, the above-described substituent for Ar 1 Are the same as those exemplified above.

Ar7におけるイオン交換基を導入可能な構造としては、芳香環に直接結合している水素原子を有しているか、イオン交換基に変換可能な置換基を有していることを示す。イオン交換基に変換可能な置換基としては、重合反応を阻害しない限り特に制限はないが、例えば、メルカプト基、メチル基、ホルミル基、ヒドロキシ基、ブロモ基、などが挙げられ、後述するスルホン酸基の導入のような求電子置換反応の場合は、芳香環に結合している水素原子もイオン交換基に変換可能な置換基と見なすことができる。なお、一般式(7)で表されるモノマーの具体例としては、例えば3,3’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジブロモベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジブロモベンゾフェノン、ビス(3−クロロフェニル)スルホン、ビス(3−ブロモフェニル)スルホン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−ブロモフェニル)スルホンから選ばれる化合物に、上記に例示したイオン交換基に変換可能な置換基を有するものが挙げられる。 As the structure into which an ion exchange group in Ar 7 can be introduced, it indicates that it has a hydrogen atom directly bonded to an aromatic ring or a substituent that can be converted into an ion exchange group. The substituent that can be converted into an ion exchange group is not particularly limited as long as it does not inhibit the polymerization reaction, and examples thereof include a mercapto group, a methyl group, a formyl group, a hydroxy group, and a bromo group. In the case of an electrophilic substitution reaction such as introduction of a group, a hydrogen atom bonded to an aromatic ring can also be regarded as a substituent that can be converted into an ion exchange group. Specific examples of the monomer represented by the general formula (7) include 3,3′-dichlorobenzophenone, 3,3′-dibromobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, and 4,4′-dibromobenzophenone. , Bis (3-chlorophenyl) sulfone, bis (3-bromophenyl) sulfone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4-bromophenyl) sulfone can be converted into the ion-exchange groups exemplified above And those having various substituents.

イオン交換基の導入方法としてスルホン酸基の場合を例として挙げると、重合して得られた共重合体を濃硫酸に溶解あるいは分散することにより、あるいは有機溶媒に少なくとも部分的に溶解させた後、濃硫酸、クロロ硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄などを作用させることにより、水素原子をスルホン酸基に変換する方法を挙げることができる。   As an example of a method for introducing an ion exchange group, in the case of a sulfonic acid group, a copolymer obtained by polymerization is dissolved or dispersed in concentrated sulfuric acid, or after being at least partially dissolved in an organic solvent. And a method of converting a hydrogen atom into a sulfonic acid group by reacting concentrated sulfuric acid, chlorosulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide and the like.

また、上記一般式(7)で表されるモノマーがメルカプト基を有すると、重合反応終了時にメルカプト基を有する共重合体を得ることができ、該メルカプト基を、酸化反応によりスルホン酸基に変換することができる。縮合反応時、メルカプト基は保護基で保護されていることが好ましい。   When the monomer represented by the general formula (7) has a mercapto group, a copolymer having a mercapto group can be obtained at the end of the polymerization reaction, and the mercapto group is converted into a sulfonic acid group by an oxidation reaction. can do. During the condensation reaction, the mercapto group is preferably protected with a protecting group.

次に、カルボキシル基の導入方法を例として挙げると、酸化反応により、メチル基、ホルミル基をカルボキシル基に変換する方法や、ブロモ基をMgの作用により−MgBrとした後、二酸化炭素を作用させカルボキシル基に変換するなどの公知の方法が挙げられる。   Next, as an example of a method for introducing a carboxyl group, a method for converting a methyl group or a formyl group into a carboxyl group by an oxidation reaction, or a method for converting a bromo group to -MgBr by the action of Mg and then allowing carbon dioxide to act. Known methods such as conversion to a carboxyl group can be mentioned.

ホスホン酸基の導入方法を例として挙げると、ブロモ基を、塩化ニッケルなどのニッケル化合物の共存下、亜リン酸トリアルキルを作用させてホスホン酸ジエステル基とした後、これを加水分解してホスホン酸基に変換する方法や、ルイス酸触媒の共存下、三塩化リンや五塩化リンなどを用いてC−P結合を形成させ、続いて必要に応じ酸化及び加水分解してホスホン酸基に変換する方法とする方法、高温でリン酸無水物を作用させ、水素原子をホスホン酸基に変換する方法などの公知の方法が挙げられる。   Taking the phosphonic acid group introduction method as an example, the bromo group is reacted with a trialkyl phosphite in the presence of a nickel compound such as nickel chloride to form a phosphonic acid diester group, which is then hydrolyzed to produce phosphonic acid. In the presence of Lewis acid catalyst in the coexistence of acid group, and forming a CP bond using phosphorus trichloride, phosphorus pentachloride, etc., then converted to phosphonic acid group by oxidation and hydrolysis as necessary And a known method such as a method of converting a hydrogen atom into a phosphonic acid group by reacting phosphoric anhydride at a high temperature.

スルホンイミド基の導入方法を例として挙げると、縮合反応または置換反応により、前述のスルホン酸基をスルホンイミド基に変換する方法などの公知の方法が挙げられる。   Taking a method for introducing a sulfonimide group as an example, a known method such as a method for converting the above-described sulfonic acid group into a sulfonimide group by a condensation reaction or a substitution reaction may be mentioned.

このように、イオン交換基に変換可能な置換基を有するモノマー、または当該モノマーを重合して得られる、イオン交換基に変換可能な置換基を有するポリマーから、かかる置換基をイオン交換基に変換することで、本発明のポリマーを製造することもできるが、上述のとおり、イオン交換基の導入が求電子置換反応である場合、Xに隣接するAr7は比較的求電子置換反応を受け難いため、求電子置換反応を用いる以外の手段により、イオン交換基を導入することが好ましい。 In this way, from a monomer having a substituent that can be converted into an ion exchange group, or a polymer having a substituent that can be converted into an ion exchange group obtained by polymerizing the monomer, the substituent is converted into an ion exchange group. Thus, the polymer of the present invention can also be produced, but as described above, when the introduction of the ion exchange group is an electrophilic substitution reaction, Ar 7 adjacent to X is relatively less susceptible to the electrophilic substitution reaction. Therefore, it is preferable to introduce the ion exchange group by means other than using an electrophilic substitution reaction.

次に、上記一般式(6)で表されるセグメント前駆体の好適な代表例を挙げる。これらの例示の中で、Qは上記と同義である。

Figure 0005266691
Next, suitable representative examples of the segment precursor represented by the general formula (6) will be given. In these examples, Q is as defined above.
Figure 0005266691

Figure 0005266691
Figure 0005266691

Figure 0005266691
Figure 0005266691

Figure 0005266691
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かかる例示の化合物は、市場から容易に入手できるか、市場から容易に入手できる原料を用いて製造することが可能であり、例えば、上記(6a)で示される末端に脱離基Qを有するポリエーテルスルホンは、住友化学(株)製スミカエクセルPESなどの市販品を入手することも可能であり、これを一般式(6)で表されるセグメント前駆体として用いることもできる。また、nは上記と同義であり、これらの化合物のポリスチレン換算数平均分子量で2000以上、好ましくは3000以上であるものが選択される。
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Such exemplary compounds can be easily obtained from the market, or can be produced using raw materials that are easily available from the market. For example, a polyvalent compound having a leaving group Q at the terminal represented by (6a) above can be used. Ethersulfone can be obtained from commercial products such as Sumika Excel PES manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., and can be used as a segment precursor represented by the general formula (6). Moreover, n is synonymous with the above, The thing of 2000 or more by the polystyrene conversion number average molecular weight of these compounds, Preferably 3000 or more are selected.

縮合反応による重合は、ゼロ価遷移金属錯体の共存下に実施される。
上記ゼロ価遷移金属錯体は遷移金属にハロゲンや後述の配位子が配位したものであり、後述の配位子を少なくとも一つ有するものが好ましい。ゼロ価遷移金属錯体は市販品でも別途合成したものいずれを用いてもよい。
ゼロ価遷移金属錯体の合成方法は、例えば遷移金属塩や遷移金属酸化物と配位子とを反応させる方法等の公知の方法が挙げられる。合成したゼロ価遷移金属錯体は、取り出して使用してもよいし、取り出すことなく、in situで使用してもよい。
配位子としては、例えばアセテート、アセチルアセトナート、2,2’−ビピリジル、1,10−フェナントロリン、メチレンビスオキサゾリン、N,N,N’N’−テトラメチルエチレンジアミン、トリフェニルホスフィン、トリトリルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリフェノキシホスフィン、1,2−ビスジフェニルホスフィノエタン、1,3−ビスジフェニルホスフィノプロパンなどが挙げられる。
Polymerization by the condensation reaction is carried out in the presence of a zero-valent transition metal complex.
The zero-valent transition metal complex is a transition metal in which a halogen or a ligand described below is coordinated, and preferably has at least one ligand described below. As the zero-valent transition metal complex, either a commercially available product or a separately synthesized one may be used.
Examples of the method for synthesizing the zero-valent transition metal complex include known methods such as a method of reacting a transition metal salt or transition metal oxide with a ligand. The synthesized zero-valent transition metal complex may be used after being taken out, or may be used in situ without being taken out.
Examples of the ligand include acetate, acetylacetonate, 2,2′-bipyridyl, 1,10-phenanthroline, methylenebisoxazoline, N, N, N′N′-tetramethylethylenediamine, triphenylphosphine, and tolylphosphine. , Tributylphosphine, triphenoxyphosphine, 1,2-bisdiphenylphosphinoethane, 1,3-bisdiphenylphosphinopropane, and the like.

ゼロ価遷移金属錯体としては、例えばゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体、ゼロ価白金錯体、ゼロ価銅錯体などが挙げられる。これら遷移金属錯体の中でもゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体が好ましく用いられ、ゼロ価ニッケル錯体がより好ましく用いられる。
ゼロ価ニッケル錯体としては、例えばビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)、(エチレン)ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(0)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケルなどが挙げられ、中でも、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)が、反応性、ポリマーの収率、ポリマーの高分子量化という観点から好ましく使用される。
ゼロ価パラジウム錯体としては、例えばテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)が挙げられる。
これらゼロ価遷移金属錯体は、上記のように合成して用いてもよいし、市販品として入手できるものを用いてもよい。
ゼロ価遷移金属錯体の合成方法は例えば、遷移金属化合物を亜鉛やマグネシウムなどの還元剤でゼロ価とする方法などの公知の方法が挙げられる。合成したゼロ価遷移金属錯体は、取り出して使用してもよいし、取り出すことなくin situで使用してもよい。
Examples of the zero-valent transition metal complex include a zero-valent nickel complex, a zero-valent palladium complex, a zero-valent platinum complex, and a zero-valent copper complex. Among these transition metal complexes, a zero-valent nickel complex and a zero-valent palladium complex are preferably used, and a zero-valent nickel complex is more preferably used.
Examples of the zerovalent nickel complex include bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0), (ethylene) bis (triphenylphosphine) nickel (0), tetrakis (triphenylphosphine) nickel, among others. Bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) is preferably used from the viewpoints of reactivity, polymer yield, and polymer high molecular weight.
Examples of the zero-valent palladium complex include tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0).
These zerovalent transition metal complexes may be synthesized and used as described above, or commercially available products may be used.
Examples of the method for synthesizing the zero-valent transition metal complex include known methods such as a method in which the transition metal compound is made zero-valent with a reducing agent such as zinc or magnesium. The synthesized zero-valent transition metal complex may be taken out and used in situ without being taken out.

還元剤により、遷移金属化合物からゼロ価遷移金属錯体を発生させる場合、使用される遷移金属化合物としては、通常、2価の遷移金属化合物が用いられるが0価のものを用いることもできる。なかでも2価ニッケル化合物、2価パラジウム化合物が好ましい。2価ニッケル化合物としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセテート、ニッケルアセチルアセトナート、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)などが挙げられ、2価パラジウム化合物としては塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウム、パラジウムアセテートなどが挙げられる。
還元剤としては、亜鉛、マグネシウム、水素化ナトリウム、ヒドラジンおよびその誘導体、リチウムアルミニウムヒドリドなどが挙げられる。必要に応じて、ヨウ化アンモニウム、ヨウ化トリメチルアンモニウム、ヨウ化トリエチルアンモニウム、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウムなどを併用することもできる。
When a zero-valent transition metal complex is generated from a transition metal compound by a reducing agent, a divalent transition metal compound is usually used as the transition metal compound to be used, but a zero-valent one can also be used. Of these, divalent nickel compounds and divalent palladium compounds are preferred. Examples of the divalent nickel compound include nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetate, nickel acetylacetonate, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis ( Triphenylphosphine) and the like, and examples of the divalent palladium compound include palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, palladium acetate and the like.
Examples of the reducing agent include zinc, magnesium, sodium hydride, hydrazine and derivatives thereof, and lithium aluminum hydride. If necessary, ammonium iodide, trimethylammonium iodide, triethylammonium iodide, lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide and the like can be used in combination.

上記遷移金属錯体を用いた縮合反応の際、ポリマーの収率向上の観点から、用いたゼロ価遷移金属錯体の配位子となりうる化合物を添加することが好ましい。添加する化合物は使用した遷移金属錯体の配位子と同じであっても異なっていてもよい。
該配位子となりうる化合物の例としては、前述の、配位子として例示した化合物等が挙げられ、汎用性、安価、縮合剤の反応性、ポリマーの収率、ポリマーの高分子量化の点でトリフェニルホスフィン、2,2’−ビピリジルが好ましい。特に、2,2’−ビピリジルは、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)と組合せると重合体の収率向上や、重合体の高分子量化が図れるので、この組合せが好ましく使用される。配位子の添加量は、ゼロ価遷移金属錯体に対して、通常、遷移金属原子基準で、0.2〜10モル倍程度、好ましくは1〜5モル倍程度使用される。
In the condensation reaction using the transition metal complex, it is preferable to add a compound that can be a ligand of the zero-valent transition metal complex used from the viewpoint of improving the yield of the polymer. The compound to be added may be the same as or different from the ligand of the transition metal complex used.
Examples of the compound that can be used as the ligand include the compounds exemplified as the ligand described above. Generality, low cost, condensing agent reactivity, polymer yield, polymer high molecular weight And triphenylphosphine and 2,2′-bipyridyl are preferred. In particular, 2,2′-bipyridyl is preferable because it can improve the yield of the polymer and increase the molecular weight of the polymer when combined with bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0). used. The added amount of the ligand is usually about 0.2 to 10 mol times, preferably about 1 to 5 mol times based on the transition metal atom, relative to the zero-valent transition metal complex.

ゼロ価遷移金属錯体の使用量は、上記一般式(5)で示される化合物および/または上記一般式(7)で示される化合物と、必要に応じて共重合される他のモノマーおよび/または上記一般式(6)で示される前駆体の総モル量(以下、「全モノマーの総モル量」と呼ぶ)に対して、0.1モル倍以上である。使用量が過少であると分子量が小さくなる傾向があるので、好ましくは1.5モル倍以上、より好ましくは1.8モル倍以上、より一層好ましくは2.1モル倍以上である。使用量の上限は特に制限はないが、使用量が多すぎると後処理が煩雑になる傾向があるために、5.0モル倍以下であることが好ましい。
なお、還元剤を用いて遷移金属化合物からゼロ価遷移金属錯体を合成する場合、生成するゼロ価遷移金属錯体が上記範囲となるように設定すればよく、例えば、遷移金属化合物の量を、全モノマーの総モル量に対して、0.01モル倍以上、好ましくは0.03モル倍以上とすればよい。使用量の上限は限定的ではないが、使用量が多すぎると後処理が煩雑になる傾向があるために、5.0モル倍以下であることが好ましい。また、還元剤の使用量は、全モノマーの総モル量に対して、例えば、0.5モル倍以上、好ましくは1.0モル倍以上とすればよい。使用量の上限は限定されないが、使用量が多すぎると後処理が煩雑になる傾向があるために、10モル倍以下であることが好ましい。
The amount of the zero-valent transition metal complex used is such that the compound represented by the above general formula (5) and / or the compound represented by the above general formula (7) is copolymerized with other monomers and / or the above as necessary. It is 0.1 mol times or more with respect to the total molar amount of the precursor represented by the general formula (6) (hereinafter referred to as “total molar amount of all monomers”). If the amount used is too small, the molecular weight tends to be small, so the amount is preferably 1.5 mol times or more, more preferably 1.8 mol times or more, and even more preferably 2.1 mol times or more. The upper limit of the amount used is not particularly limited, but if the amount used is too large, the post-treatment tends to be complicated, and therefore it is preferably 5.0 moles or less.
In addition, when synthesizing a zero-valent transition metal complex from a transition metal compound using a reducing agent, the zero-valent transition metal complex to be produced may be set so as to fall within the above range. What is necessary is just to be 0.01 mol times or more with respect to the total molar amount of a monomer, Preferably it is 0.03 mol times or more. The upper limit of the amount used is not limited, but if the amount used is too large, the post-treatment tends to become complicated, and therefore it is preferably 5.0 moles or less. Moreover, the usage-amount of a reducing agent should just be 0.5 mol times or more with respect to the total molar amount of all the monomers, Preferably it is 1.0 mol times or more. The upper limit of the amount used is not limited, but if the amount used is too large, the post-treatment tends to be complicated, and therefore it is preferably 10 mol times or less.

また反応温度は、通常0〜250℃の範囲であるが、生成する高分子の分子量をより高くするためには、ゼロ価遷移金属錯体と上記一般式(5)で示される化合物および/または上記一般式(7)で示される化合物と必要に応じて共重合される他のモノマーおよび/または上記一般式(6)で示される前駆体とを45℃以上の温度で混合させることが好ましい。好ましい混合温度は通常45℃〜200℃であり、とりわけ好ましくは50℃〜100℃程度である。ゼロ価遷移金属錯体、上記一般式(5)で示される化合物および/または上記一般式(7)で示される化合物と必要に応じてイオン交換基を有さないモノマーおよび/または上記一般式(6)で示される前駆体とを混合させた後、通常45℃〜200℃程度、好ましくは50℃〜100℃程度で反応させる。反応時間は、通常0.5〜24時間程度である。
またゼロ価遷移金属錯体と、上記一般式(5)で示される化合物および/または上記一般式(7)で示される化合物と必要に応じて共重合される他のモノマーおよび/または上記一般式(6)で示される前駆体とを混合する方法は、一方をもう一方に加える方法であっても、両者を反応容器に同時に加える方法であってもよい。加えるに当っては、一挙に加えてもよいが、発熱を考慮して少量ずつ加えることが好ましいし、溶媒の共存下に加えることも好ましい。
The reaction temperature is usually in the range of 0 to 250 ° C. In order to further increase the molecular weight of the polymer to be produced, the zero-valent transition metal complex and the compound represented by the above general formula (5) and / or the above It is preferable to mix the compound represented by the general formula (7) with other monomers copolymerized as necessary and / or the precursor represented by the general formula (6) at a temperature of 45 ° C. or higher. A preferable mixing temperature is usually 45 ° C to 200 ° C, and particularly preferably about 50 ° C to 100 ° C. Zero-valent transition metal complex, compound represented by the above general formula (5) and / or compound represented by the above general formula (7) and optionally a monomer having no ion exchange group and / or the above general formula (6) ) And then the precursor is usually reacted at about 45 ° C. to 200 ° C., preferably about 50 ° C. to 100 ° C. The reaction time is usually about 0.5 to 24 hours.
In addition, the zero-valent transition metal complex, the compound represented by the above general formula (5) and / or the other monomer that is copolymerized with the compound represented by the above general formula (7) as necessary, and / or the above general formula ( The method of mixing the precursor shown in 6) may be a method of adding one to the other or a method of adding both to the reaction vessel at the same time. When adding, it may be added all at once, but it is preferable to add little by little in consideration of heat generation, and it is also preferable to add in the presence of a solvent.

これらの縮合反応は、通常、溶媒存在下に実施される。かかる溶媒としては、例えば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−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ヘキサメチルホスホリックトリアミドなどの非プロトン性極性溶媒。トルエン、キシレン、メシチレン、ベンゼン、n−ブチルベンゼンなどの芳香族炭化水素系溶媒。テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジメルカプトエタン、ジフェニルエーテルなどのエーテル系溶媒。酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸メチルなどのエステル系溶媒。クロロホルム、ジクロロエタンなどのハロゲン化アルキル系溶媒などが例示される。なお、括弧内の表記は溶媒の略号を示すものであり、後述する表記において、この略号を用いることもある。   These condensation reactions are usually carried out in the presence of a solvent. Examples of such solvents include aprotic such as N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), hexamethylphosphoric triamide, and the like. Polar solvent. Aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, mesitylene, benzene, and n-butylbenzene. Ether solvents such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dibutyl ether, tert-butyl methyl ether, dimercaptoethane, diphenyl ether. Ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, and methyl benzoate. Examples thereof include alkyl halide solvents such as chloroform and dichloroethane. In addition, the description in parenthesis shows the abbreviation of a solvent, and this abbreviation may be used in the description mentioned later.

生成する高分子の分子量をより高くするためには、高分子が十分に溶解していることが望ましいので、高分子に対する良溶媒であるテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、DMF、DMAc、NMP、DMSO、トルエンが好ましい。これらは2種以上を混合して用いることもできる。なかでもDMF、DMAc、NMP、DMSO、及びこれら2種以上の混合物が好ましく用いられる。
溶媒量は、特に限定されないが、あまりにも低濃度では、生成した高分子化合物を回収しにくくなることもあり、また、あまりにも高濃度では、攪拌が困難になることがあることから、溶媒、上記一般式(5)で示される化合物および/または上記一般式(7)で示される化合物と、必要に応じて共重合される他のモノマーおよび/または上記一般式(6)で示される前駆体との総量を100重量%としたとき、溶媒量が好ましくは99.95〜50重量%、より好ましくは99.9〜75重量%となるような溶媒量が好ましく使用される。
In order to increase the molecular weight of the polymer to be generated, it is desirable that the polymer is sufficiently dissolved. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, DMF, DMAc, NMP, DMSO, which are good solvents for the polymer, are used. Toluene is preferred. These may be used in combination of two or more. Of these, DMF, DMAc, NMP, DMSO, and a mixture of two or more of these are preferably used.
The amount of the solvent is not particularly limited, but if the concentration is too low, it may be difficult to recover the produced polymer compound, and if the concentration is too high, stirring may be difficult. The compound represented by the general formula (5) and / or the compound represented by the general formula (7), and other monomers copolymerized as necessary and / or the precursor represented by the general formula (6). The solvent amount is preferably 99.95 to 50% by weight, more preferably 99.9 to 75% by weight, when the total amount is 100% by weight.

かくして本発明のポリマー、特に好ましいブロック共重合体が得られるが、生成した共重合体の反応混合物からの取り出しは常法が適用できる。例えば、貧溶媒を加えることでポリマーを析出させ、濾別などにより目的物を取り出すことができる。また必要に応じて、更に水洗や、良溶媒と貧溶媒を用いての再沈殿など、通常の精製方法により精製することもできる。
また、生成したポリマーのスルホン酸基が塩の形である場合、燃料電池に係る部材として使用するために、スルホン酸基を遊離酸の形にすることが好ましく、遊離酸への変換は、通常酸性溶液での洗浄により可能である。使用される酸としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などが挙げられ、好ましくは希塩酸、希硫酸である。
上記のとおり、本発明のポリマーにおいて、ブロック共重合体である場合について詳述したが、上記一般式(5a)で表されるモノマーの重合、上記の一般式(5b)で表されるモノマーと一般式(5c)で表されるモノマーの共重合、または一般式(5)で表されるモノマーの重合においても、この製造方法を参考にすれば、容易に実施することができる。
Thus, the polymer of the present invention, particularly a preferred block copolymer, can be obtained, and a conventional method can be applied to take out the produced copolymer from the reaction mixture. For example, the polymer can be precipitated by adding a poor solvent, and the target product can be taken out by filtration or the like. Moreover, it can also refine | purify with a normal purification method, such as washing with water and reprecipitation using a good solvent and a poor solvent, as needed.
Further, when the sulfonic acid group of the produced polymer is in the form of a salt, it is preferable to convert the sulfonic acid group into a free acid form for use as a member for a fuel cell. It is possible by washing with an acidic solution. Examples of the acid used include hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid, and dilute hydrochloric acid and dilute sulfuric acid are preferable.
As described above, the case where the polymer of the present invention is a block copolymer has been described in detail. Polymerization of the monomer represented by the general formula (5a), the monomer represented by the general formula (5b), and The copolymerization of the monomer represented by the general formula (5c) or the polymerization of the monomer represented by the general formula (5) can be easily carried out with reference to this production method.

以下、好適なブロック共重合体の代表例を例示する。なお、イオン交換基を有するセグメントは、上述の好適な構造単位からなるセグメントとして例示するものである。

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Hereinafter, typical examples of suitable block copolymers will be exemplified. In addition, the segment which has an ion exchange group is illustrated as a segment which consists of the above-mentioned suitable structural unit.
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かかるブロック共重合体の具体例は、上記一般式(2)で表されるイオン交換基を有するブロックと、上記一般式(3)で表されるブロックとが直接結合している形態で例示したが、適切な原子または原子団を介して結合している形態であってもよい。また、かかるブロック共重合体の具体例において、イオン交換基を有するブロックが
Figure 0005266691
で表される構造単位に加え、
Figure 0005266691
とを有するポリアリーレン系ブロックであってもよい。
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Specific examples of such a block copolymer are exemplified in the form in which the block having the ion exchange group represented by the general formula (2) and the block represented by the general formula (3) are directly bonded. May be bonded via an appropriate atom or atomic group. Further, in a specific example of such a block copolymer, a block having an ion exchange group is
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In addition to the structural unit represented by
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It may be a polyarylene block having

上記に示す、本発明のポリマーは、いずれも燃料電池用の部材として好適に用いることができる。
本発明のポリマーは、燃料電池等の電気化学デバイスのイオン伝導膜、とりわけ好適なイオン交換基である酸基を有するものではプロトン伝導膜として、好ましく使用される。なお、以下の説明においては、上記プロトン伝導膜の場合を主として説明する。
この場合は、本発明のポリマーは、通常、膜の形態で使用される。膜へ転化する方法(製膜法)には特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法(溶液キャスト法)を用いて製膜することが好ましい。
具体的には、本発明のポリマーを適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜される。製膜に用いる溶媒は、本発明の共重合体が溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、DMF、DMAc、NMP、DMSO等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これらは単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、DMSO、DMF、DMAc、NMPがポリマーの溶解性が高く好ましい。
Any of the polymers of the present invention shown above can be suitably used as a member for a fuel cell.
The polymer of the present invention is preferably used as an ion conductive membrane of an electrochemical device such as a fuel cell, particularly as a proton conductive membrane in those having acid groups which are suitable ion exchange groups. In the following description, the case of the proton conductive membrane will be mainly described.
In this case, the polymer of the present invention is usually used in the form of a membrane. Although there is no restriction | limiting in particular in the method (film forming method) converted into a film | membrane, It is preferable to form into a film using the method (solution casting method) formed into a film from a solution state.
Specifically, the polymer of the present invention 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 the copolymer of the present invention can be dissolved and can be removed thereafter, and is an aprotic polar solvent such as DMF, DMAc, NMP, DMSO, or the like. Chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl An alkylene glycol monoalkyl ether such as ether is preferably used. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary. Among them, DMSO, DMF, DMAc, and NMP are preferable because of high polymer solubility.

膜の厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましい。膜厚が10μm以上の膜では実用的な強度がより優れるため好ましく、300μm以下の膜では膜抵抗が小さくなり、電気化学デバイスの特性がより向上する傾向にあるので好ましい。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 | membrane, 10-300 micrometers is preferable. A film having a film thickness of 10 μm or more is preferable because practical strength is more excellent, and a film having a film thickness of 300 μm or less is preferable because the film resistance is decreased and the characteristics of the electrochemical device tend to be further improved. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.

また、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、離型剤等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等の方法により、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。
さらに燃料電池用途において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、膜の機械的強度の向上等を目的として、電子線・放射線等を照射して架橋することもできる。
In addition, for the purpose of improving various physical properties of the film, plasticizers, stabilizers, release agents and the like used in ordinary polymers can be added to the copolymer of the present invention. In addition, other polymers can be combined with the copolymer of the present invention by a method such as mixing and casting in the same solvent.
Furthermore, in order to facilitate water management in fuel cell applications, it is also known to add inorganic or organic fine particles as a water retention agent. 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 also be crosslinked by irradiating with an electron beam or radiation.

また、本発明のポリマーを有効成分とする高分子電解質を用いたプロトン伝導膜の強度や柔軟性、耐久性のさらなる向上のために、本発明の共重合体を有効成分とする高分子電解質を多孔質基材に含浸させ複合化することにより、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、フィブリル等が挙げられ、その形状や材質によらず用いることができる。多孔質基材の材質としては、耐熱性の観点や、物理的強度の補強効果を考慮すると、脂肪族系高分子、芳香族系高分子、または含フッ素高分子が好ましい。
In order to further improve the strength, flexibility and durability of the proton conductive membrane using the polymer electrolyte containing the polymer of the present invention as an active ingredient, a polymer electrolyte containing the copolymer of the present invention as an active ingredient is used. It is also possible to form a composite film by impregnating a porous base material to form a composite. 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, nonwoven fabrics, fibrils and the like, and they can be used regardless of their shapes and materials. As the material for the porous substrate, an aliphatic polymer, an aromatic polymer, or a fluorine-containing polymer is preferable from the viewpoint of heat resistance and the effect of reinforcing physical strength.

本発明のポリマーを用いた高分子電解質複合膜を固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜として使用する場合、多孔質基材の膜厚は、好ましくは1〜100μm、さらに好ましくは3〜30μm、特に好ましくは5〜20μmであり、多孔質基材の孔径は、好ましくは0.01〜100μm、さらに好ましくは0.02〜10μmであり、多孔質基材の空隙率は、好ましくは20〜98%、さらに好ましくは40〜95%である。
多孔質基材の膜厚が1μm以上であると、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より優れ、ガス漏れ(クロスリーク)が発生しにくくなる。また、該膜厚が100μm以下であると、電気抵抗がより低くなり、得られた複合膜が固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜として、より優れたものとなる。該孔径が0.01μm以上であると、本発明の共重合体の充填がより容易となり、100μm以下であると、共重合体への補強効果がより大きくなる。空隙率が20%以上であると、プロトン伝導膜としての抵抗がより小さくなり、98%以下であると、多孔質基材自体の強度がより大きくなり補強効果がより向上するので好ましい。
また、該高分子電解質複合膜と、上記高分子電解質膜とを積層して燃料電池のプロトン伝導膜として用いることもできる。
When the polymer electrolyte composite membrane using the polymer of the present invention is used as a proton conductive membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the thickness of the porous substrate is preferably 1 to 100 μm, more preferably 3 to 30 μm, Particularly preferably, it is 5 to 20 μm, the pore diameter of the porous substrate is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 0.02 to 10 μm, and the porosity of the porous substrate is preferably 20 to 98. %, More preferably 40 to 95%.
When the film thickness of the porous substrate is 1 μm or more, the effect of reinforcing the strength after compounding or the reinforcing effect of imparting flexibility and durability is more excellent, and gas leakage (cross leak) is less likely to occur. . Further, when the film thickness is 100 μm or less, the electric resistance is further lowered, and the obtained composite membrane is more excellent as a proton conductive membrane of a polymer electrolyte fuel cell. When the pore diameter is 0.01 μm or more, filling of the copolymer of the present invention becomes easier, and when it is 100 μm or less, the reinforcing effect on the copolymer is further increased. When the porosity is 20% or more, the resistance as a proton conductive membrane becomes smaller, and when it is 98% or less, the strength of the porous substrate itself becomes larger and the reinforcing effect is further improved, which is preferable.
Further, the polymer electrolyte composite membrane and the polymer electrolyte membrane can be laminated and used as a proton conductive membrane of a fuel cell.

次に本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、本発明のポリマーを含む高分子電解質膜の両面に、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。
ここで触媒としては、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、白金または白金系合金の微粒子を触媒成分として用いることが好ましい。白金または白金系合金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて用いられることもある。
また、カーボンに担持された白金または白金系合金を、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、ガス拡散層および/または高分子電解質膜および/また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等の公知の方法を用いることができる。
ここで、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代わりに、本発明のポリマーを有効成分とする高分子電解質を用い、触媒組成物として用いることもでき、この触媒組成物を用いて得られる触媒層は、本発明の共重合体の優れたプロトン伝導度や、吸水に係る寸法安定性を有するものとなるため、触媒層として好適である。
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。
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、メタノールを用いる各種の形式で使用可能である。
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 electrolyte membrane containing the polymer of the present invention.
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 or platinum alloy fine particles are used as a catalyst component. Is preferred. The fine particles of platinum or platinum-based alloys are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.
Further, platinum or platinum-based alloy supported on carbon is mixed with an alcohol solution of a perfluoroalkylsulfonic acid resin as a polymer electrolyte to form a paste, and a gas diffusion layer and / or a polymer electrolyte membrane and / or Or a catalyst layer is obtained by apply | coating and drying to a polymer electrolyte composite film. 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.
Here, instead of the perfluoroalkylsulfonic acid resin as the polymer electrolyte, a polymer electrolyte containing the polymer of the present invention as an active ingredient can be used as a catalyst composition, and the catalyst composition can be obtained using this catalyst composition. The obtained catalyst layer is suitable as the catalyst layer because it has excellent proton conductivity of the copolymer of the present invention and dimensional stability related to water absorption.
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.
The fuel cell of the present invention thus produced can be used in various forms using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, and methanol as fuel.

かくして得られる本発明のポリマーを、プロトン伝導膜および/または触媒層に備えた固体高分子型燃料電池は、発電性能に優れ、長寿命の燃料電池として提供できる。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer of the present invention thus obtained in a proton conducting membrane and / or a catalyst layer is excellent in power generation performance and can be provided as a long-life fuel cell.

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。   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。
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)、重量平均分子量(Mw)を測定した。なお、該GPCの分析条件としては、下記の条件を用い、分子量測定値に使用した条件を付記した。
条件
GPC測定装置 島津製作所社製 Prominence GPCシステム
カラム 東ソー社製 TSKgel GMHHR-M
カラム温度 40℃
移動相溶媒 DMF(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.5mL/min
Examples The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Molecular weight measurement:
The number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene were measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions. In addition, as conditions for analysis of the GPC, the following conditions were used, and conditions used for molecular weight measurement values were added.
Conditions GPC measurement device Prominence GPC system column manufactured by Shimadzu Corporation Column TSKgel GMH HR-M manufactured by Tosoh Corporation
Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent DMF (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5mL / min

吸水率の測定:
乾燥した膜を秤量し、80℃の脱イオン水に2時間浸漬した後の膜重量増加量から吸水量を算出し、乾燥膜に対する比率を求めた。
Measurement of water absorption:
The dried membrane was weighed and the water absorption was calculated from the increase in membrane weight after being immersed in deionized water at 80 ° C. for 2 hours, and the ratio to the dried membrane was determined.

イオン交換容量(IEC)の測定:
滴定法により求めた。
Measurement of ion exchange capacity (IEC):
Determined by titration method.

プロトン伝導度の測定:
交流法で測定した。
Measurement of proton conductivity:
It measured by the alternating current method.

吸水膨潤時の寸法変化率:
23℃相対湿度50%の条件下で乾燥させた膜の面方向の寸法(Ld)と、80℃熱水中に膜を1時間以上浸漬し膨潤させた直後の膜の面方向の寸法(Lw)を測定し、以下のように計算して求めた。
寸法変化率[%]=(Lw−Ld)÷Ld×100[%]
Dimensional change rate during water absorption swelling:
The dimension (Ld) in the surface direction of the film dried at 23 ° C. and 50% relative humidity, and the dimension (Lw) in the surface direction of the film immediately after the film was immersed and swollen in 80 ° C. hot water for 1 hour or more. ) Was measured and calculated as follows.
Dimensional change rate [%] = (Lw−Ld) ÷ Ld × 100 [%]

実施例1
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO130mL、トルエン60mL、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン二カリウム塩8.1g(15.5mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 0005266691
(住友化学製スミカエクセルPES5200P、Mn=3.6×104、Mw=8.1×104)2.3g、2,2’−ビピリジル5.9g(37.8mmol) を入れて攪拌した。その後バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、65℃に冷却した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)10.3g(37.4mmol)を加え、内温75℃で5時間攪拌した。放冷後、反応液を大量のメタノールに注ぐことによりポリマーを析出させ濾別。その後6mol/L塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液のpHが5を越えるまで水洗を行い、得られた粗ポリマーを乾燥した。その後、粗ポリマーをNMPに溶解し、6mol/L塩酸に注ぐことにより、再沈殿精製を行い、濾液のpHが5を越えるまで水洗を行った後、得られたポリマーを減圧乾燥することにより目的とする下記ブロック共重合体3.0gを得た。分子量測定結果を下記に示す。
Figure 0005266691
得られたブロック共重合体を10重量%の濃度でNMPに溶解し、高分子電解質溶液を調整した。その後、得られた高分子電解質溶液をガラス板上に流延塗布し、常圧下、80℃で2時間乾燥させる事により溶媒を除去した後、塩酸処理、イオン交換水での洗浄を経て、膜厚約40μmの高分子電解質膜を作製した。吸水率、IECおよび寸法変化率の結果を下記に示す。
Mn 1.3×105
Mw 2.4×105
吸水率 76%
IEC 1.62 meq/g
寸法変化率 3.5%
使用した末端クロロ型であるポリエーテルスルホンのポリスチレン換算のMnを基準に、得られたブロック共重合体のMn及びIECから見積もると、mは平均40と算出される。
得られた高分子電解質膜のプロトン伝導度を測定した。温度を50℃とし、湿度を90%RH、60%RH、40%RHとしたときのプロトン伝導度を表1に、湿度を90%RHとし、温度を90℃、70℃、50℃としたときのプロトン伝導度を表2に示す。 Example 1
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an argon atmosphere, DMSO 130 mL, toluene 60 mL, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone dipotassium salt 8.1 g (15.5 mmol), terminal chloro type The following polyethersulfone
Figure 0005266691
(Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P, Mn = 3.6 × 10 4 , Mw = 8.1 × 10 4 ) 2.3 g and 2,2′-bipyridyl 5.9 g (37.8 mmol) were added and stirred. Thereafter, the bath temperature was raised to 150 ° C., and the water in the system was azeotropically dehydrated by distilling off toluene, followed by cooling to 65 ° C. Next, 10.3 g (37.4 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added thereto, and the mixture was stirred at an internal temperature of 75 ° C. for 5 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of methanol to precipitate a polymer, which is filtered off. Thereafter, washing and filtration operations with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, followed by washing with water until the pH of the filtrate exceeded 5, and the resulting crude polymer was dried. Thereafter, the crude polymer was dissolved in NMP and poured into 6 mol / L hydrochloric acid for reprecipitation purification, washed with water until the pH of the filtrate exceeded 5, and then the obtained polymer was dried under reduced pressure. As a result, 3.0 g of the following block copolymer was obtained. The molecular weight measurement results are shown below.
Figure 0005266691
The obtained block copolymer was dissolved in NMP at a concentration of 10% by weight to prepare a polymer electrolyte solution. Thereafter, the obtained polymer electrolyte solution was cast-coated on a glass plate, and the solvent was removed by drying at 80 ° C. for 2 hours under normal pressure, followed by treatment with hydrochloric acid and washing with ion-exchanged water to obtain a membrane. A polymer electrolyte membrane having a thickness of about 40 μm was produced. The results of water absorption, IEC and dimensional change are shown below.
Mn 1.3 × 10 5
Mw 2.4 × 10 5
Water absorption 76%
IEC 1.62 meq / g
Dimensional change rate 3.5%
Based on the polystyrene equivalent Mn of the polyether sulfone used as the terminal chloro type, based on Mn and IEC of the obtained block copolymer, m is calculated as 40 on average.
The proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane was measured. The proton conductivity when the temperature is 50 ° C. and the humidity is 90% RH, 60% RH, and 40% RH is shown in Table 1, the humidity is 90% RH, and the temperatures are 90 ° C., 70 ° C., and 50 ° C. The proton conductivity is shown in Table 2.

実施例2

Figure 0005266691
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO100mL、トルエン50mL、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン二ナトリウム塩3.1g(6.4mmol)、2,5−ジクロロベンゾフェノン 3.8g(15.0mmol)、2,2’−ビピリジル8.4g(53.8mmol) を入れて攪拌した。その後バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、65℃に冷却した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)14.7g(53.4mmol)を加え、内温70℃で3時間攪拌した。放冷後、反応液を大量のメタノールに注ぐことによりポリマーを析出させ濾別。その後6mol/L塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液のpHが5を越えるまで水洗を行い、得られた粗ポリマーを乾燥した。その後、粗ポリマーをNMPに溶解し、6mol/L塩酸に注ぐことにより、再沈殿精製を行い、濾液のpHが5を越えるまで水洗を行った後、得られたポリマーを減圧乾燥することにより目的とする下記共重合体3.0gを得た。分子量測定結果を下記に示す。

得られた共重合体を20重量%の濃度でNMPに溶解し、高分子電解質溶液を調整した。その後、得られた高分子電解質溶液をガラス板上に流延塗布し、常圧下、80℃で2時間乾燥させる事により溶媒を除去した後、塩酸処理、イオン交換水での洗浄を経て、膜厚約40μmの高分子電解質膜を作製した。吸水率、IECの結果を下記に示す。
Mn 1.3×105
Mw 2.4×105
吸水率 125%
IEC 2.34 meq/g
得られた高分子電解質膜のプロトン伝導度を測定した。温度を50℃とし、湿度を90%RH、60%RH、40%RHとしたときのプロトン伝導度を表1に、湿度を90%RHとし、温度を90℃、70℃、50℃としたときのプロトン伝導度を表2に示す。 Example 2
Figure 0005266691
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an argon atmosphere, DMSO 100 mL, toluene 50 mL, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt 3.1 g (6.4 mmol), 2,5- Dichlorobenzophenone 3.8 g (15.0 mmol) and 2,2′-bipyridyl 8.4 g (53.8 mmol) were added and stirred. Thereafter, the bath temperature was raised to 150 ° C., and the water in the system was azeotropically dehydrated by distilling off toluene, followed by cooling to 65 ° C. Next, 14.7 g (53.4 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added thereto, and the mixture was stirred at an internal temperature of 70 ° C. for 3 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of methanol to precipitate a polymer, which is filtered off. Thereafter, washing and filtration operations with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, followed by washing with water until the pH of the filtrate exceeded 5, and the resulting crude polymer was dried. Thereafter, the crude polymer was dissolved in NMP and poured into 6 mol / L hydrochloric acid for reprecipitation purification, washed with water until the pH of the filtrate exceeded 5, and then the obtained polymer was dried under reduced pressure. As a result, 3.0 g of the following copolymer was obtained. The molecular weight measurement results are shown below.

The obtained copolymer was dissolved in NMP at a concentration of 20% by weight to prepare a polymer electrolyte solution. Thereafter, the obtained polymer electrolyte solution was cast-coated on a glass plate, and the solvent was removed by drying at 80 ° C. for 2 hours under normal pressure, followed by treatment with hydrochloric acid and washing with ion-exchanged water to obtain a membrane. A polymer electrolyte membrane having a thickness of about 40 μm was produced. The results of water absorption and IEC are shown below.
Mn 1.3 × 10 5
Mw 2.4 × 10 5
Water absorption rate 125%
IEC 2.34 meq / g
The proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane was measured. The proton conductivity when the temperature is 50 ° C. and the humidity is 90% RH, 60% RH, and 40% RH is shown in Table 1, the humidity is 90% RH, and the temperatures are 90 ° C., 70 ° C., and 50 ° C. The proton conductivity is shown in Table 2.

実施例3
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO200mL、トルエン120mL、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン二ナトリウム塩7.7g(15.0mmol)、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム塩3.7g(15.0mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 0005266691
Mn 1.3×105
Mw 2.2×105
Example 3
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an argon atmosphere, DMSO 200 mL, toluene 120 mL, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt 7.7 g (15.0 mmol), 2,5- 3.7 g (15.0 mmol) of dichlorobenzenesulfonic acid sodium salt, the following polyethersulfone which is terminal chloro type
Figure 0005266691
Mn 1.3 × 10 5
Mw 2.2 × 10 5

Figure 0005266691
Figure 0005266691

Figure 0005266691
Figure 0005266691

表1、表2より、本発明のポリマーは、プロトン伝導度の湿度依存性が小さく、良好であり、低湿度下でのプロトン伝導度そのものが高い。また、本発明のポリマーは、吸水に係る寸法安定性にも優れているため、特に燃料電池の用途において、好適に用いることができる。   From Tables 1 and 2, the polymer of the present invention has good and low proton-conductivity dependency on humidity, and high proton conductivity under low humidity. In addition, the polymer of the present invention is excellent in dimensional stability related to water absorption, and therefore can be suitably used particularly for fuel cell applications.

Claims (14)

イオン交換基を有するセグメントとして下記一般式(2)で表されるセグメントを有し、さらにイオン交換基を実質的に有さないセグメントとして下記一般式(1c)で表される基を含む構造単位からなるセグメントを有し、共重合様式がブロック共重合であることを特徴とするポリマー。
Figure 0005266691
(式中、Ar1 はイオン交換基を有する2価の芳香族基を表し、イオン交換基以外の置換基を有していてもよい。Xは2価の電子吸引性基を表す。fは1以上の整数を表わし、2つのfは互いに同一でも異なっていてもよい。複数あるAr1は互いに同一でも異なっていてもよい。mは繰り返し単位数を表す。)
Figure 0005266691
(式中、Ar0は置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表す。)
A structural unit having a segment represented by the following general formula (2) as a segment having an ion exchange group and further comprising a group represented by the following general formula (1c) as a segment having substantially no ion exchange group A polymer having a segment consisting of:
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 1 represents a divalent aromatic group having an ion exchange group, and may have a substituent other than the ion exchange group. X represents a divalent electron withdrawing group. F represents Represents an integer of 1 or more, and two f's may be the same or different from each other, a plurality of Ar 1 may be the same or different from each other, and m represents the number of repeating units.)
Figure 0005266691
(In the formula, Ar 0 represents a divalent aromatic group which may have a substituent.)
mが5以上の整数である、請求項1記載のポリマー。   The polymer according to claim 1, wherein m is an integer of 5 or more. Xが、カルボニル基、スルホニル基および1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロピリデン基からなる群から選ばれる電子吸引性基である、請求項1または2記載のポリマー。   The X is an electron-withdrawing group selected from the group consisting of a carbonyl group, a sulfonyl group, and a 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2,2-propylidene group. polymer. Ar1にあるイオン交換基が、主鎖を構成する芳香環に直接結合している、請求項1〜3のいずれかに記載のポリマー。 The polymer according to any one of claims 1 to 3, wherein the ion exchange group in Ar 1 is directly bonded to an aromatic ring constituting the main chain. イオン交換基がスルホン酸基、スルホンイミド基、ホスホン酸基およびカルボキシル基から選ばれる酸基である、請求項1〜4のいずれかに記載のポリマー。   The polymer according to any one of claims 1 to 4, wherein the ion exchange group is an acid group selected from a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a phosphonic acid group, and a carboxyl group. Ar1が下記一般式(4)で表される芳香族基である、請求項1〜5のいずれかに記載のポリマー。
Figure 0005266691
(式中、R1は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基であり、pは0または1である。)
The polymer according to any one of claims 1 to 5, wherein Ar 1 is an aromatic group represented by the following general formula (4).
Figure 0005266691
(In the formula, R 1 represents a fluorine atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, or a substituent. An optionally substituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an optionally substituted aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted acyl having 2 to 20 carbon atoms And p is 0 or 1.)
イオン交換基を実質的に有さないセグメントが下記一般式(3)で表されるセグメントである、請求項1〜6のいずれかに記載のポリマー。
Figure 0005266691
(式中、b、c、dは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。Ar3、Ar4、Ar5、Ar6は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基または置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で、置換されていてもよい。Y、Y’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表す。Z、Z’は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を表す。)
The polymer in any one of Claims 1-6 whose segment which does not have an ion exchange group substantially is a segment represented by following General formula (3).
Figure 0005266691
(In the formula, b, c and d each independently represent 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Ar 3 , Ar 4 , Ar 5 and Ar 6 independently represent a divalent aromatic group. Wherein these divalent aromatic groups are optionally substituted alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms, optionally substituted alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, A C6-C20 aryl group which may have a substituent, a C6-C20 aryloxy group which may have a substituent, or a C2-C2 which may have a substituent 20 may be substituted with an acyl group. Y and Y ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, and Z and Z ′ each independently represent an oxygen atom or a sulfur atom.)
イオン交換容量が、0.5meq/g〜4.0meq/gである、請求項1〜7のいずれかに記載のポリマー。   The polymer in any one of Claims 1-7 whose ion exchange capacity is 0.5 meq / g-4.0 meq / g. 請求項1〜8のいずれかに記載のポリマーを有効成分とする高分子電解質。   The polymer electrolyte which uses the polymer in any one of Claims 1-8 as an active ingredient. 請求項9に記載の高分子電解質からなる高分子電解質膜。   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と、多孔質基材とからなる高分子電解質複合膜。   A polymer electrolyte composite membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 9 and a porous substrate. 請求項9記載の高分子電解質と触媒成分とからなる触媒組成物。   A catalyst composition comprising the polymer electrolyte according to claim 9 and a catalyst component. 請求項10記載の高分子電解質膜または請求項11記載の高分子電解質複合膜を、イオン伝導膜とする高分子電解質型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 10 or the polymer electrolyte composite membrane according to claim 11 as an ion conductive membrane. 請求項12記載の触媒組成物を用いて得られる触媒層を備える高分子電解質型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer obtained using the catalyst composition according to claim 12.
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