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JP2007063533A - Sulfonic group-containing polymer, use of the same, and method for producing the same - Google Patents

Sulfonic group-containing polymer, use of the same, and method for producing the same Download PDF

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JP2007063533A
JP2007063533A JP2006187807A JP2006187807A JP2007063533A JP 2007063533 A JP2007063533 A JP 2007063533A JP 2006187807 A JP2006187807 A JP 2006187807A JP 2006187807 A JP2006187807 A JP 2006187807A JP 2007063533 A JP2007063533 A JP 2007063533A
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sulfonic acid
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acid group
chemical formula
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Kota Kitamura
幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
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Toyobo Co Ltd
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Toyobo Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion-exchange membrane improved in physical durability and bondability to an electrode catalyst layer, while keeping wettability as it is, to provide a new sulfonic group-containing polymer capable of being used for the same, to provide a membrane/electrode bonded material given by using the ion-exchange membrane and/or the sulfonic group-containing polymer, to provide a fuel cell, and to provide a sulfonic group-containing polymer composition. <P>SOLUTION: This sulfonic group-containing polymer comprises a repeating structure expressed by chemical formula 1. The ion-exchange membrane obtained from the new sulfonic group-containing polymer or the composition thereof has such an excellent effect as to realize the high durability and high output power in comparison with conventional hydrocarbon-based ion-exchange membranes, when used as the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な構造のスルホン酸基含有ポリマーと該ポリマーの組成物および製造方法、該ポリマーを用いたイオン交換膜、膜/電極接合体、燃料電池に関する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer having a novel structure, a composition and production method of the polymer, an ion exchange membrane, a membrane / electrode assembly, and a fuel cell using the polymer.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。しかしながら、分子中にフッ素を含むため、使用条件によっては排気ガス中に腐食性のフッ酸が混入することや、廃棄時に環境への負荷が大きいことなどが問題視されている。   As the polymer solid electrolyte membrane, a proton conductive ion exchange membrane is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA is known. However, since fluorine is contained in the molecule, corrosive hydrofluoric acid is mixed into the exhaust gas depending on the use conditions, and the environmental load at the time of disposal is regarded as a problem.

パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜は、燃料電池の電解質膜としてバランスのよい特性を示すものの、コストや性能などで、より優れた膜を得るために、炭化水素系イオン交換膜の開発が盛んに行われている。   Perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes have well-balanced characteristics as electrolyte membranes for fuel cells, but hydrocarbon ion exchange membranes are actively developed to obtain better membranes in terms of cost and performance. Has been done.

多くの炭化水素系イオン交換膜には、ポリイミドやポリスルホンなどの耐熱性ポリマーに、スルホン酸基などのイオン性基を導入したポリマーが用いられている。(例えば特許文献1を参照)   Many hydrocarbon ion exchange membranes use polymers in which ionic groups such as sulfonic acid groups are introduced into heat-resistant polymers such as polyimide and polysulfone. (For example, see Patent Document 1)

一般に炭化水素系イオン交換膜では、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜と同等のプロトン伝導性を発現させるためには、より多くのイオン性基を導入する必要がある。しかしながら、イオン性基の量が多くなると、水による膨潤性が大きくなり、吸湿時において、寸法変化や、物理特性の低下といった問題の原因となる。そのため、ポリマーの構造を改良し、より膨潤性を抑制した炭化水素系イオン交換膜もある。(例えば特許文献2を参照)   Generally, in a hydrocarbon ion exchange membrane, it is necessary to introduce more ionic groups in order to develop proton conductivity equivalent to that of a perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membrane. However, when the amount of the ionic group is increased, the swellability due to water increases, which causes problems such as dimensional change and deterioration of physical properties during moisture absorption. For this reason, there are also hydrocarbon-based ion exchange membranes with improved polymer structure and reduced swelling. (For example, see Patent Document 2)

しかしながら、膨潤性を小さくしようとすると、しばしば物理的な耐久性や電極触媒層との接合性が、低下してしまうといった問題が起こることがあった。   However, when trying to reduce the swellability, there is often a problem that the physical durability and the bondability with the electrode catalyst layer are lowered.

特表2004−509224号公報JP-T-2004-509224 特開2004−149779号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-149779

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、膨潤性はそのままで、物理耐久性と電極触媒層との接合性が改良されたイオン交換膜および、それに用いることができる新規スルホン酸基含有ポリマー、および該イオン交換膜および/または該スルホン酸基含有ポリマーを用いた膜/電極接合体と燃料電池、該スルホン酸基含有ポリマー組成物の提供を課題とするものである。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art. The ion-exchange membrane has improved swellability and improved physical durability and bondability with the electrode catalyst layer, and a novel sulfonic acid group that can be used therefor. It is an object of the present invention to provide a containing polymer, a membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane and / or the sulfonic acid group-containing polymer, a fuel cell, and the sulfonic acid group-containing polymer composition.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention

1.主として下記化学式1で表される繰り返し構造からなるスルホン酸基含有ポリマー。 1. A sulfonic acid group-containing polymer mainly composed of a repeating structure represented by the following chemical formula 1.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

[化学式1において、ArはArまたはArのいずれかを、Arは下記化学式2〜4で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基を、Arは電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、Arは、電子吸引性基と、スルホン酸基またはその塩や誘導体とを共に有する2価の芳香族基を、Arは下記化学式5で表される群より選ばれる1種以上の構造の基を、ArはAr、Arとは異なる2価の芳香族基を、ArはArまたはArのいずれかを、Z、Z、Zはそれぞれ独立して、OまたはS原子を、それぞれ表す。n、m、pは1以上の、oは0以上の整数をそれぞれ表す。] [In Chemical Formula 1, Ar 1 represents either Ar 3 or Ar 4 , Ar 2 represents one or more groups selected from the group consisting of the structures represented by Chemical Formulas 2 to 4 below, and Ar 3 represents electron withdrawing property. A divalent aromatic group having a group, Ar 4 is a divalent aromatic group having both an electron-withdrawing group and a sulfonic acid group or a salt or derivative thereof, and Ar 5 is represented by the following chemical formula 5. Ar 6 is a divalent aromatic group different from Ar 2 and Ar 5 , Ar 7 is either Ar 3 or Ar 4 , Z 1 , Z 2 and Z 3 each independently represent an O or S atom. n, m, and p each represents an integer of 1 or more, and o represents an integer of 0 or more. ]

Figure 2007063533
Figure 2007063533

[化学式5において、Wは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基からなる群より選ばれる1種以上の基を、qは1以上の整数を、それぞれ表す。] [In Chemical Formula 5, W is one selected from the group consisting of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, and a cyclohexyl group. In the above groups, q represents an integer of 1 or more. ]

ただし、化学式1において、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造の、それぞれ3つの単位構造は、それぞれランダムに結合していてもよいし、特定の単位構造が連続してセグメントを形成していてもよい。 However, in Chemical Formula 1, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 3 —, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 4 —, —Z 3Three unit structures of the unit structure represented by Ar 6 —Z 3 —Ar 7 — may be bonded at random, or a specific unit structure may continuously form a segment. Good.

2.Arが化学式2で表される構造であることを特徴とする上記1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 2. 2. The sulfonic acid group-containing polymer according to 1 above, wherein Ar 2 has a structure represented by Chemical Formula 2.

3.Arが、下記化学式6〜9で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基であることを特徴とする上記1または2に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 3. 3. The sulfonic acid group-containing polymer according to 1 or 2 above, wherein Ar 3 is one or more groups selected from the group consisting of structures represented by the following chemical formulas 6 to 9.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

4.Arが、化学式8または9で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造であることを特徴とする上記3に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 4). 4. The sulfonic acid group-containing polymer according to 3 above, wherein Ar 3 is at least one structure selected from the group consisting of structures represented by chemical formulas 8 or 9.

5.Arが、下記化学式10および11で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基であることを特徴とする上記1〜4のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 5. Ar 4 is one or more groups selected from the group consisting of structures represented by the following chemical formulas 10 and 11, The sulfonic acid group-containing polymer as described in any one of 1 to 4 above,

Figure 2007063533
Figure 2007063533

[化学式10および11において、XはHまたは1価の陽イオンを表す。] [In Chemical Formulas 10 and 11, X represents H or a monovalent cation. ]

6.Arが、化学式10で表される構造である基であることを特徴とする上記5に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 6). 6. The sulfonic acid group-containing polymer according to 5 above, wherein Ar 4 is a group having a structure represented by Chemical Formula 10.

7.Arが下記化学式12で表される構造である基であることを特徴とする上記1〜6のいずれかにに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 7). 7. The sulfonic acid group-containing polymer as described in any one of 1 to 6 above, wherein Ar 6 is a group having a structure represented by the following chemical formula 12.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

8.Wが、O原子、S原子、−C(CF−基からなる群より選ばれる1種以上の基であることを特徴とする上記1〜7のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 8). W is one or more groups selected from the group consisting of an O atom, an S atom, and a —C (CF 3 ) 2 — group. polymer.

9.ZおよびZがO原子であることを特徴とする上記1〜8のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 9. Z 1 and Z 3 are O atoms, The sulfonic acid group-containing polymer as described in any one of 1 to 8 above.

10.ZがS原子であることを特徴とする上記1〜9のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 10. Sulfonic acid group-containing polymer according to any one of the above 1 to 9, wherein the Z 2 is S atom.

11.Arが化学式2で表される構造であり、Arが化学式9で表される構造であり、Arが化学式10で表される構造であり、WがOまたはS原子であり、Arが化学式12で表される構造であり、ZおよびZがいずれもO原子であり、ZがOまたはS原子のいずれかであることを特徴とする上記1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 11. Ar 2 is a structure represented by Chemical Formula 2, Ar 3 is a structure represented by Chemical Formula 9, Ar 4 is a structure represented by Chemical Formula 10, W is an O or S atom, Ar 6 Is a structure represented by Chemical Formula 12, wherein Z 1 and Z 3 are both O atoms, and Z 2 is either an O or S atom. polymer.

12.WがO原子であり、qの平均値が3以上であることを特徴とする上記11に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 12 12. The sulfonic acid group-containing polymer as described in 11 above, wherein W is an O atom, and an average value of q is 3 or more.

13.n、m、oが下記の数式を満たすことを特徴とする上記1〜12のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 13. n, m, o satisfy | fills following numerical formula, The sulfonic acid group containing polymer in any one of said 1-12 characterized by the above-mentioned.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

14.n、m、oが下記の数式を満たすことを特徴とする上記13に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 14 14. The sulfonic acid group-containing polymer as described in 13 above, wherein n, m and o satisfy the following mathematical formula.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

15.n、m、oが下記の数式を満たすことを特徴とする上記14に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 15. 15. The sulfonic acid group-containing polymer as described in 14 above, wherein n, m and o satisfy the following mathematical formula.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

16.上記1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーを用いたイオン交換膜。 16. 16. An ion exchange membrane using the sulfonic acid group-containing polymer according to any one of 1 to 15 above.

17.上記16に記載のイオン交換膜を用いた膜/電極接合体。 17. 17. A membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane according to 16 above.

18.電極触媒層に、上記1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーを用いたことを特徴とする膜/電極接合体。 18. A membrane / electrode assembly, wherein the sulfonic acid group-containing polymer according to any one of 1 to 15 is used for an electrode catalyst layer.

19.上記17または18に記載の膜/電極接合体を用いた燃料電池。 19. 19. A fuel cell using the membrane / electrode assembly according to 17 or 18 above.

20.上記1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーを含む組成物。 20. The composition containing the sulfonic acid group containing polymer in any one of said 1-15.

21.(A)Ar、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造と、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造と、活性な末端基とを必須成分とし、必要に応じて−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造を含むオリゴマーを合成する工程、および(B)前記オリゴマーの活性な末端基と反応し得る末端基を、化学式5で表される構造と共に有する化合物を反応させる工程を有することを特徴とする上記1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーの製造方法。 21. (A) a unit structure represented by Ar 1 , —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 3 —, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 4 —, active A step of synthesizing an oligomer containing a unit structure represented by —Z 3 —Ar 6 —Z 3 —Ar 7 — as an essential component and an end group, and (B) an active end group of the oligomer The method for producing a sulfonic acid group-containing polymer as described in any one of 1 to 15 above, which comprises a step of reacting a compound having a terminal group capable of reacting with a structure represented by the chemical formula 5 together with the compound.

本発明による新規スルホン酸基含有ポリマーまたは該組成物から得られるイオン交換膜は、従来の炭化水素系イオン交換膜に比べて、燃料電池として用いた場合に、高い耐久性と高出力を可能にするという優れた効果を有している。   The ion-exchange membrane obtained from the novel sulfonic acid group-containing polymer or the composition according to the present invention enables high durability and high output when used as a fuel cell compared to conventional hydrocarbon ion-exchange membranes. It has an excellent effect.

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

本発明のスルホン酸基含有ポリマーの構造を示した化学式1におけるArは化学式2〜4で表される基である。Arが化学式2の構造であると、ポリマーの膨潤性が抑制され吸湿時においても優れた物理特性を示すため好ましい。Arが化学式3の構造であると、ガラス転移温度が高くなり耐熱性が向上するため好ましい。Arが化学式4の構造であると、成型したときの脆さが低減できるため好ましい。化学式2〜4の中でも、化学式2は全般的に良い特性を示すため最も好ましい。 Ar 2 in Chemical Formula 1 showing the structure of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is a group represented by Chemical Formulas 2-4. It is preferable that Ar 2 has the structure of Chemical Formula 2 because the swelling property of the polymer is suppressed and excellent physical properties are exhibited even during moisture absorption. It is preferable that Ar 2 has the structure of Chemical Formula 3 because the glass transition temperature is increased and the heat resistance is improved. It is preferable that Ar 2 has the structure of Chemical Formula 4 because brittleness when molded can be reduced. Among the chemical formulas 2 to 4, the chemical formula 2 is most preferable because it generally shows good characteristics.

Arは電子吸引性基を有する2価芳香族基である。電子吸引性基の例としては、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などが挙げられ、シアノ基、スルホン基、カルボニル基が好ましい。さらに、Arは化学式6〜9で表される構造から選ばれる1種以上の基であることが好ましい。化学式6の構造であると、溶媒への溶解性が高まるため好ましい。また、化学式7の構造であると、ポリマーに光架橋性を付与することが可能になるため好ましい。また、化学式8または9の構造であると、ポリマーの膨潤性が小さくなるため好ましい。下記化学式6〜9の中でも、化学式8または9の構造が好ましく、化学式9の構造が最も好ましい。 Ar 3 is a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of electron withdrawing groups include sulfone groups, carbonyl groups, sulfonyl groups, phosphine groups, cyano groups, trifluoromethyl groups and other perfluoroalkyl groups, nitro groups, halogen groups, etc., cyano groups, sulfone groups A carbonyl group is preferred. Furthermore, Ar 3 is preferably one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 6 to 9. The structure of Chemical Formula 6 is preferable because the solubility in a solvent is increased. Moreover, since it becomes possible to provide photocrosslinkability to a polymer, it is preferable that it is a structure of Chemical formula 7. Further, the structure of Chemical Formula 8 or 9 is preferable because the swelling property of the polymer becomes small. Among the following chemical formulas 6 to 9, the structure of chemical formula 8 or 9 is preferable, and the structure of chemical formula 9 is most preferable.

Arは電子吸引性基と、スルホン酸基またはその塩や誘導体を共に有する2価の芳香族基である。電子吸引性基の例としては、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などが挙げられ、シアノ基、スルホン基、カルボニル基が好ましい。スルホン酸基は遊離の酸であってもよいし、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、第四級アミン塩などの1価のカチオンとの塩であってもよいし、エステル、アミド、スルホンイミド、酸無水物、酸ハライドなどの誘導体であってもよい。燃料電池のイオン交換膜や電極触媒層のアイオノマーとして用いる場合には、遊離のスルホン酸であることがプロトン伝導性の面から好ましく、全スルホン酸基における遊離のスルホン酸が80モル%以上であることがより好ましく、90モル%であるとさらに好ましい。Arの例としては化学式6〜9で表される構造にスルホン酸基を導入した基を挙げることができる。化学式6に由来する構造であると、溶媒への溶解性が高まるため好ましい。また、化学式7に由来する構造であると、ポリマーに光架橋性を付与することが可能になるため好ましい。具体的には、化学式10または11で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基であると優れたプロトン伝導性を示すため好ましい。化学式10で表される構造であると溶媒への溶解性が高まるため好ましい。また、化学式11で表される構造であると、ポリマーに光架橋性を付与することが可能になるため好ましい。中でも、化学式10で表される構造であると、耐熱性、プロトン伝導性などにおいて優れた特性を示すため、より好ましい。 Ar 4 is a divalent aromatic group having both an electron-withdrawing group and a sulfonic acid group or a salt or derivative thereof. Examples of electron withdrawing groups include sulfone groups, carbonyl groups, sulfonyl groups, phosphine groups, cyano groups, trifluoromethyl groups and other perfluoroalkyl groups, nitro groups, halogen groups, etc., cyano groups, sulfone groups A carbonyl group is preferred. The sulfonic acid group may be a free acid, or may be a salt with a monovalent cation such as an alkali metal ion such as Na, K or Li, an ammonium ion or a quaternary amine salt, Derivatives such as ester, amide, sulfonimide, acid anhydride, and acid halide may be used. When used as an ionomer for an ion exchange membrane or an electrode catalyst layer of a fuel cell, a free sulfonic acid is preferable from the viewpoint of proton conductivity, and the free sulfonic acid in all sulfonic acid groups is 80 mol% or more. More preferably, it is more preferable in it being 90 mol%. Examples of Ar 4 include groups in which sulfonic acid groups are introduced into the structures represented by Chemical Formulas 6 to 9. A structure derived from Chemical Formula 6 is preferable because solubility in a solvent is increased. In addition, the structure derived from Chemical Formula 7 is preferable because the polymer can be imparted with photocrosslinkability. Specifically, one or more groups selected from the group consisting of structures represented by Chemical Formula 10 or 11 are preferable because they exhibit excellent proton conductivity. A structure represented by Chemical Formula 10 is preferable because solubility in a solvent is increased. In addition, the structure represented by the chemical formula 11 is preferable because the polymer can be provided with photocrosslinkability. Among them, the structure represented by the chemical formula 10 is more preferable because it exhibits excellent characteristics in heat resistance, proton conductivity, and the like.

化学式10または11において、XはHまたは1価の陽イオンを表すが、燃料電池のイオン交換膜として用いる場合には、XはHであることが好ましい。また、溶解、成型、製膜などの加工においては、XがHであるよりも1価の陽イオンであるほうが、スルホン酸基の熱安定性が高まるため好ましい。1価の陽イオンとしては、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、第四級アミン塩などが例として挙げることができ、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンが好ましい。アルカリ金属塩となっているスルホン酸基は、硫酸、塩酸、過塩素酸などの強酸またはその水溶液でポリマーを処理することによって、スルホン酸基に変換することができる。スルホン酸基を有するポリマーは高いプロトン伝導性を示し、イオン交換樹脂や、イオン交換膜として用いることができる。中でもイオン交換膜は、固体高分子形燃料電池の電解質として用いることができ、本発明のポリマーを用いると優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。   In Chemical Formula 10 or 11, X represents H or a monovalent cation, but when used as an ion exchange membrane of a fuel cell, X is preferably H. Further, in processing such as dissolution, molding, and film formation, it is preferable that X is a monovalent cation rather than H because the thermal stability of the sulfonic acid group is increased. Examples of monovalent cations include alkali metal ions such as Na, K and Li, ammonium ions and quaternary amine salts, and alkali metal ions such as Na, K and Li are preferred. The sulfonic acid group which is an alkali metal salt can be converted into a sulfonic acid group by treating the polymer with a strong acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid or an aqueous solution thereof. A polymer having a sulfonic acid group exhibits high proton conductivity and can be used as an ion exchange resin or an ion exchange membrane. Among them, the ion exchange membrane can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell having excellent performance can be obtained by using the polymer of the present invention.

Arは、化学式5で表される群より選ばれる1種以上の基を表す。化学式5におけるWは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基からなる群より選ばれる1種以上の基を表すが、O原子、S原子、−C(CF−基、であると、接合性が向上すると共に、耐久性にも優れるため好ましく、中でもOまたはS原子であることがより好ましく、S原子が最も好ましい。qは1以上であればよい。WがO原子の場合、qの値は2種類以上であってもよいが、その平均値が3以上であると、接合性がさらに向上するため好ましい。 Ar 5 represents one or more groups selected from the group represented by Chemical Formula 5. W in Chemical Formula 5 is one or more selected from the group consisting of O atom, S atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, —CH 2 — group, and cyclohexyl group. A group is preferably an O atom, an S atom, or a —C (CF 3 ) 2 — group, because it improves bondability and is excellent in durability, and is more preferably an O or S atom. S atoms are preferred and most preferred. q may be 1 or more. When W is an O atom, the value of q may be two or more, but an average value of 3 or more is preferable because the bondability is further improved.

、Z、Zは、それぞれ独立してOまたはS原子を表すが、S原子であると耐酸化性が向上するため好ましい。O原子であるとポリマーの原料となるモノマーの毒性が低く、入手しやすいためより好ましい。それぞれ、合成のしやすさ、耐久性の面から、Z、ZはO原子であることが好ましく、さらにZがS原子であるとより好ましい。 Z 1 , Z 2 , and Z 3 each independently represent an O or S atom, but an S atom is preferable because oxidation resistance is improved. O atoms are more preferable because the monomer used as a raw material for the polymer has low toxicity and is easily available. In terms of ease of synthesis and durability, Z 1 and Z 3 are each preferably an O atom, and more preferably Z 2 is an S atom.

ArはAr、Arとは異なる2価の芳香族基を表す。Arは、ベンゼン環以外にも、ベンザゾール基、ピリジン環、トリアジン環などの複素芳香族基を有していてもよい。また、シアノ基、ヒドロキシ基などの極性基を有していてもよい。Arが化学式12で表される構造であると耐久性が向上するため好ましい。あるいは、ホスホン酸基やリン酸基などを含むようなものであると、耐酸化性が向上して好ましい。また、メチル基などのアルキル基や、アリル基、エチニル基、マレイミド基などの架橋性を有する基を含むものであると、ポリマーに架橋性を付与してイオン交換膜の耐久性や強度などを向上させることができるため好ましい。その他のArの具体例としては化学式13A〜13Eで表される構造を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 Ar 6 represents a divalent aromatic group different from Ar 2 and Ar 5 . Ar 6 may have a heteroaromatic group such as a benzazole group, a pyridine ring, or a triazine ring in addition to the benzene ring. Moreover, you may have polar groups, such as a cyano group and a hydroxy group. Ar 6 having a structure represented by Chemical Formula 12 is preferable because durability is improved. Or it is preferable that it contains a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, etc. because oxidation resistance improves. In addition, if it contains an alkyl group such as a methyl group or a group having crosslinkability such as an allyl group, an ethynyl group, or a maleimide group, the polymer is imparted with a crosslinkability to improve the durability and strength of the ion exchange membrane. This is preferable. Specific examples of Ar 6 include structures represented by chemical formulas 13A to 13E, but are not limited thereto.

Figure 2007063533
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(式中、Rはメチル基を、rは0〜2の整数を、sは1以上の整数を、それぞれ表す。) (In the formula, R represents a methyl group, r represents an integer of 0 to 2, and s represents an integer of 1 or more.)

化学式1において、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造の、それぞれ3つの単位構造は、それぞれランダムに結合していてもよいし、特定の単位構造が連続してセグメントを形成していてもよい。Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造は必須であるが、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造はなくてもよい。全てがランダムに結合しているほうが、耐膨潤性、耐久性において優れるため好ましい。 In Chemical Formula 1, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 3 —, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 4 —, —Z 3 —Ar 6 Each of the three unit structures of the unit structure represented by —Z 3 —Ar 7 — may be bonded at random, or a specific unit structure may continuously form a segment. The unit structure represented by Z 1 -Ar 2 -Z 1 -Ar 3 -and the unit structure represented by -Z 1 -Ar 2 -Z 1 -Ar 4- are essential, but -Z 3 -Ar 6 -Z 3 -Ar 7 - unit structure represented by may be omitted. It is preferable that they are all bonded at random, because they are excellent in swelling resistance and durability.

化学式1における、n、m、oが数式1および2を満たしていると、プロトン伝導性や耐膨潤性、接合性などにおいて特性が良好なイオン交換膜を得ることができる。さらに、n、m、oが数式3を満たしていると、耐膨潤性と接合性のバランスが取れるためより好ましい。n+m+oが2よりも小さいと膨潤性が大きくなる傾向にあり、接合性は有するものの、メタノール透過性が大きくなったり、耐久性が低下したりするなどして好ましくない。n+m+oが1000よりも大きいと、接合性の改善効果が極めて小さくなり好ましくない。   When n, m, and o in Chemical Formula 1 satisfy Formulas 1 and 2, an ion exchange membrane having favorable characteristics in proton conductivity, swelling resistance, bondability, and the like can be obtained. Furthermore, it is more preferable that n, m, and o satisfy Equation 3 because the balance between swelling resistance and bondability can be achieved. When n + m + o is less than 2, the swelling property tends to increase, and although it has bonding properties, it is not preferable because methanol permeability increases or durability decreases. When n + m + o is larger than 1000, the effect of improving the bonding property becomes extremely small, which is not preferable.

本発明のイオン交換膜を、ダイレクトメタノール型燃料電池のイオン交換膜として用いる場合には、nおよびmは数式5を満たすことが好ましい。   When the ion exchange membrane of the present invention is used as an ion exchange membrane of a direct methanol fuel cell, it is preferable that n and m satisfy Formula 5.

Figure 2007063533
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m/(n+m)が小さくなるほどメタノール透過性は小さくなるがプロトン伝導性も低下し、大きくなるとプロトン伝導性は向上するが、メタノール透過性も増大する。用いるメタノール水溶液の濃度、容量などを考慮して目的に応じたnとmを選ぶことで、優れた燃料電池を得ることができる。0.1よりも小さいと充分なプロトン伝導性が得られず、燃料電池の出力が低くなり、0.5よりも大きいとメタノールが膜を透過する量が大きくなりすぎて燃料電池の出力が低下してしまうため好ましくない。より好ましい範囲は0.1〜0.4である。また、燃料として用いるメタノール水溶液の濃度が低い場合にはm/(n+m)が大きいほうが、プロトン伝導性が大きくなるため、燃料電池の出力が高くなる。一方、高濃度のメタノール水溶液を用いる場合には、m/(n+m)が小さいほうが、メタノールの透過に伴う出力の低下を抑制することができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。   As m / (n + m) decreases, methanol permeability decreases, but proton conductivity also decreases. When it increases, proton conductivity improves, but methanol permeability also increases. An excellent fuel cell can be obtained by selecting n and m according to the purpose in consideration of the concentration and capacity of the aqueous methanol solution used. If it is less than 0.1, sufficient proton conductivity cannot be obtained, and the output of the fuel cell becomes low. If it is more than 0.5, the amount of methanol passing through the membrane becomes too large, and the output of the fuel cell decreases. This is not preferable. A more preferable range is 0.1 to 0.4. In addition, when the concentration of the aqueous methanol solution used as the fuel is low, the higher m / (n + m), the higher the proton conductivity, and the higher the output of the fuel cell. On the other hand, when a high-concentration methanol aqueous solution is used, a smaller m / (n + m) can suppress a decrease in output due to the permeation of methanol, and can increase the output of the fuel cell.

本発明のイオン交換膜を、水素を燃料とする燃料電池のイオン交換膜として用いる場合には、nおよびmは数式6を満たすことが好ましい。   When the ion exchange membrane of the present invention is used as an ion exchange membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, it is preferable that n and m satisfy Expression 6.

Figure 2007063533
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m/(n+m)が小さくなるほど膨潤性は小さくなるがプロトン伝導性も低下し、大きくなるとプロトン伝導性は向上するが、膨潤性も増大する。m/(n+m)の値が、0.3よりも小さいと充分なプロトン伝導性が得られず、燃料電池の出力が低くなり好ましくない。0.7よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなりすぎて破損や出力低下などが起きやすくなり好ましくない。m/(n+m)のより好ましい範囲は0.35〜0.7であり、より好ましくは0.4〜0.5の範囲である。目的に応じたnとmを選ぶことで、優れた燃料電池を得ることができる。   As m / (n + m) decreases, the swellability decreases, but the proton conductivity also decreases, and when it increases, the proton conductivity improves, but the swellability also increases. When the value of m / (n + m) is smaller than 0.3, sufficient proton conductivity cannot be obtained, and the output of the fuel cell is lowered, which is not preferable. If it is larger than 0.7, the swelling property of the film becomes too large, and breakage and output decrease are likely to occur. A more preferable range of m / (n + m) is 0.35 to 0.7, and a more preferable range is 0.4 to 0.5. An excellent fuel cell can be obtained by selecting n and m according to the purpose.

pは1以上の整数であればよいが、より好ましくは3〜1000の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは5〜1000の範囲である。3以下だとポリマーの分子量が小さくなり、イオン交換膜の物理特性が低下する可能性がある。また、1000以上だとポリマーの分子量が大きくなりすぎて、溶液の粘度が著しく高くなるなど、取り扱いが困難になる。ポリマーの分子量は後述するように、希薄溶液の対数粘度で適正な範囲に管理することができる。   Although p should just be an integer greater than or equal to 1, It is preferable that it is the range of 3-1000, More preferably, it is the range of 5-1000. If it is 3 or less, the molecular weight of the polymer becomes small, and the physical properties of the ion exchange membrane may be lowered. On the other hand, when the molecular weight is 1000 or more, the molecular weight of the polymer becomes too large, and the viscosity of the solution becomes extremely high, which makes handling difficult. As will be described later, the molecular weight of the polymer can be controlled in an appropriate range by the logarithmic viscosity of the diluted solution.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造は必須ではなく、oは0でもよいが、耐久性、架橋性の付与、物理特性の向上などを目的として、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造を組み込むことができる。その場合、n、m、oは数式4を満たしていると、特性のバランスが優れるため好ましい。さらに好ましい範囲は数式7で示される範囲である。 In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, the unit structure represented by —Z 3 —Ar 6 —Z 3 —Ar 7 — is not essential, and o may be 0, but durability, crosslinkability, physical properties the purpose of such properties improve, -Z 3 -Ar 6 -Z 3 -Ar 7 - unit structure represented by may be incorporated. In that case, it is preferable that n, m, and o satisfy Expression 4 because the balance of characteristics is excellent. A more preferable range is a range represented by Formula 7.

Figure 2007063533
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本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、イオン交換樹脂や、イオン交換膜、吸湿樹脂、吸湿膜、透湿膜、電解膜などに用いることができ、特にイオン交換膜として用いることが好ましい。さらに、本発明のスルホン酸基含有ポリマーを用いたイオン交換膜は、スルホン酸基をスルホン酸型にすることでプロトン交換膜として用いることができ、燃料電池用イオン交換膜に特に適している。また、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、イオン交換膜などを、電極、触媒と接合する際に、接着剤として用いることにも適している。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be used for an ion exchange resin, an ion exchange membrane, a moisture absorbent resin, a moisture absorbent membrane, a moisture permeable membrane, an electrolytic membrane, and the like, and is particularly preferably used as an ion exchange membrane. Furthermore, the ion exchange membrane using the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be used as a proton exchange membrane by converting the sulfonic acid group to a sulfonic acid type, and is particularly suitable for an ion exchange membrane for a fuel cell. The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is also suitable for use as an adhesive when an ion exchange membrane or the like is bonded to an electrode or a catalyst.

本発明のイオン交換膜は、電極や触媒を接合して膜/電極接合体とすることができる。また、本発明のイオン交換膜以外の膜に対して、電極や触媒との接着剤として、本発明のスルホン酸基含有ポリマーを用いることができる。本発明のスルホン酸基含有ポリマーを接着剤として用いる場合には、スルホン酸基が酸型であることが好ましい。スルホン酸基が陽イオンと塩を形成している状態で用いる場合には、接合後、酸処理によってスルホン酸基を酸型にすることもできる。   The ion exchange membrane of the present invention can be made into a membrane / electrode assembly by joining electrodes and catalysts. Further, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be used as an adhesive with an electrode or a catalyst for a membrane other than the ion exchange membrane of the present invention. When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is used as an adhesive, the sulfonic acid group is preferably an acid type. When the sulfonic acid group is used in the form of a salt with a cation, the sulfonic acid group can be converted into an acid form by acid treatment after bonding.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、適当な溶媒に溶解、分散して組成物として用いることもできる。用いることのできる溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミド、N−モルフォリンオキサイドなどの非プロトン性有機極性溶媒や、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒などの極性溶媒、およびこれらの有機溶媒の混合物、並びに水との混合物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be dissolved and dispersed in an appropriate solvent and used as a composition. Solvents that can be used include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, N-morpholine oxide, and the like. Polar solvents such as aprotic organic polar solvents, alcohol solvents such as methanol and ethanol, ketone solvents such as acetone, ether solvents such as diethyl ether, mixtures of these organic solvents, and mixtures with water However, it is not limited to these.

ポリマー溶液の濃度は0.1〜50重量%の範囲が好ましい。溶液から、膜、繊維などを成型する場合には、濃度が5〜50重量%の範囲にあることがより好ましく、10〜40重量%の範囲がさらに好ましい。溶液を接着剤として用いる場合には、濃度が0.1〜20重量%の範囲であるとより好ましい。溶液を接着剤として用いる場合には、Pt、PT−Ruなどの触媒を担持したカーボン粒子や、フッ素樹脂など、他の成分を含んでいてもよい。   The concentration of the polymer solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. When a film, fiber, or the like is molded from a solution, the concentration is more preferably in the range of 5 to 50% by weight, and further preferably in the range of 10 to 40% by weight. When the solution is used as an adhesive, the concentration is more preferably in the range of 0.1 to 20% by weight. When the solution is used as an adhesive, it may contain other components such as carbon particles carrying a catalyst such as Pt and PT-Ru, and a fluororesin.

本発明のおけるスルホン酸基含有ポリマーにおいて、好ましい構造の代表例である化学式14A〜14ARを以下に示すが、本発明の範囲は、以下に限定されるものではない。下記式中で、q’は3以上の整数を表す。   In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, chemical formulas 14A to 14AR, which are representative examples of preferred structures, are shown below, but the scope of the present invention is not limited to the following. In the following formula, q ′ represents an integer of 3 or more.

Figure 2007063533
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化学式14A〜14ACの中でも、化学式14A〜14Pが、プロトン伝導性と耐膨潤性に優れるため好ましく、化学式14A、14D、14G、14I、14L、14Oがより好ましく、化学式14A、14D、14Gがさらに好ましく、化学式14Aが最も好ましい。また、化学式14V〜14AAで表される構造であると、ポリマーの耐酸化性が向上するため好ましい。また、化学式14ABまたは14ACで表される構造であるとポリマーが架橋性を有するため、膨潤性の小さいイオン交換膜を得ることができるため好ましい。   Among the chemical formulas 14A to 14AC, the chemical formulas 14A to 14P are preferable because of excellent proton conductivity and swelling resistance, the chemical formulas 14A, 14D, 14G, 14I, 14L, and 14O are more preferable, and the chemical formulas 14A, 14D, and 14G are more preferable. Chemical formula 14A is most preferred. Moreover, since it is the structure represented by Chemical formula 14V-14AA, since the oxidation resistance of a polymer improves, it is preferable. In addition, the structure represented by the chemical formula 14AB or 14AC is preferable because the polymer has crosslinkability and an ion exchange membrane with low swelling property can be obtained.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、公知の任意の方法で合成することができるが、その一例としては、電子吸引性基によって活性化されたハロゲン元素またはニトロ基を1分子中に少なくとも2個有する化合物と、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物、ビスフェノール化合物の誘導体、およびビスチオフェノール化合物の誘導体からなる群より選ばれる1種以上の化合物とを、極性非プロトン性溶媒中で、必要に応じて塩基性物質を加えて加熱することによって、芳香族求核置換反応により重合することができる。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be synthesized by any known method. For example, at least two halogen elements or nitro groups activated by an electron-withdrawing group are included in one molecule. And a compound having at least one selected from the group consisting of a bisphenol compound, a bisthiophenol compound, a bisphenol compound derivative, and a bisthiophenol compound derivative in a polar aprotic solvent as necessary. Polymerization can be carried out by aromatic nucleophilic substitution reaction by adding a basic substance and heating.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、(A)Ar、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造と、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造と、活性な末端基とを必須成分とし、必要に応じて−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造を含むオリゴマーを合成する工程、および(B)前記オリゴマーの活性な末端基と反応し得る末端基を、化学式5で表される構造と共に有する化合物を反応させる工程を有する方法によって得ることができる。具体的には、Ar、Ar、Arの構造になるそれぞれのモノマーを、ArとArのモル数の合計がArよりも過剰になるようにして反応させて、ハロゲンもしくはニトロ基末端のオリゴマーを合成し、そこに化学式5の構造に、ヒドロキシ基またはメルカプト基が結合したモノマーを反応させることによって、本発明のスルホン酸基含有ポリマーが得られる。前記のオリゴマーは、反応後で、一旦精製、単離してから用いてもよいし、反応溶液に化学式5の構造に、ヒドロキシ基またはメルカプト基が結合したモノマーを加えてさらに反応させてもよい。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention includes (A) a unit structure represented by Ar 1 , —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 3 —, —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 4 — A step of synthesizing an oligomer containing a unit structure represented by —Z 3 —Ar 6 —Z 3 —Ar 7 — as necessary with a unit structure represented by the formula: (B) It can be obtained by a method comprising a step of reacting a compound having an end group capable of reacting with an active end group of the oligomer together with a structure represented by Chemical Formula 5. Specifically, each of the monomers comprising the structure of Ar 2, Ar 3, Ar 4, the total number of moles of Ar 3 and Ar 4 are reacted as becomes excessive relative to the Ar 2, halogen or nitro A sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is obtained by synthesizing an oligomer at the terminal end and reacting a monomer having a hydroxy group or a mercapto group with the structure of Chemical Formula 5 therein. The oligomer may be used after being purified and isolated after the reaction, or may be further reacted by adding a monomer having a hydroxy group or a mercapto group to the structure of Chemical Formula 5 in the reaction solution.

スルホン酸基は、上記のモノマーのいずれかに予め導入しておくことが反応性の面から好ましい。   The sulfonic acid group is preferably introduced in advance into any of the above monomers from the viewpoint of reactivity.

電子吸引性基の例としては、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などが挙げられ、シアノ基、スルホン基、カルボニル基が好ましい。   Examples of electron withdrawing groups include sulfone groups, carbonyl groups, sulfonyl groups, phosphine groups, cyano groups, trifluoromethyl groups and other perfluoroalkyl groups, nitro groups, halogen groups, etc., cyano groups, sulfone groups A carbonyl group is preferred.

電子吸引性基によって活性化されたハロゲン元素またはニトロ基を1分子中に少なくとも2個有する化合物として、スルホン酸基を有さないもの例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロジフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ビス(4−クロロフェニルスルホニル)ビフェニル、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジクロロ−1−トリフルオロメチルベンゼン、2,4−ジクロロ−1−トリフルオロメチルベンゼン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロジフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ビス(4−フルオロフェニルスルホニル)ビフェニル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロ−1−トリフルオロメチルベンゼン、2,4−ジフルオロ1−トリフルオロメチルベンゼン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。中でも、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノンが好ましく、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリルがさらに好ましい。   Examples of compounds having at least two halogen elements or nitro groups activated by an electron-withdrawing group in one molecule and having no sulfonic acid group include 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 '-Dichlorobenzophenone, 4,4'-dichlorodiphenylphosphine oxide, 4,4'-bis (4-chlorophenylsulfonyl) biphenyl, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-dichloro -1-trifluoromethylbenzene, 2,4-dichloro-1-trifluoromethylbenzene, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenylphosphine oxide, 4, 4′-bis (4-fluorophenylsulfonyl) biphenyl 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,6-difluoro-1-trifluoromethylbenzene, 2,4-difluoro-1-trifluoromethylbenzene, decafluorobiphenyl and the like. Without being limited thereto, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution reactions can also be used. Among them, 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluoro Benzophenone is preferable, and 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,6-difluorobenzonitrile are more preferable.

電子吸引性基によって活性化されたハロゲン元素またはニトロ基を1分子中に2個有する化合物として、スルホン酸基を有するものの例としては3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウム、リチウムや他の金属種や各種アミン類等を挙げることができ、ナトリウム、カリウムなどが好ましいが、これらに限定されるものではない。好ましい例として、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを挙げることができ、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンがより好ましい。   Examples of compounds having two halogen elements or nitro groups activated by an electron-withdrawing group in one molecule and having a sulfonic acid group include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorobenzophenone, and sulfones thereof Examples include those in which the acid group is converted to a salt with a monovalent cation species. Examples of monovalent cation species include sodium, potassium, lithium, other metal species, various amines, and the like. Sodium, potassium, and the like are preferable, but are not limited thereto. Preferred examples include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4. , 4′-dichlorobenzophenone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3 '-Disulfonic acid sodium-4,4'-difluorodiphenylsulfone is more preferred.

化学式1のArを形成するビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物としては、1,3−ビス(4−ヒドロキシ)アダマンタン、4,4’−ビフェノール、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、4,4’−ジメルカプトビフェニルを用いることができ、4,4’−ビフェノールが好ましい。 Examples of the bisphenol compound or bisthiophenol compound that forms Ar 2 of Formula 1 include 1,3-bis (4-hydroxy) adamantane, 4,4′-biphenol, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 4,4′-dimercaptobiphenyl can be used, and 4,4′-biphenol is preferred.

化学式1のArを形成するビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物としては、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどを用いることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンがより好ましく、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィドがさらに好ましい。これらのモノマーに由来するポリマー構造が、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対して破壊しにくくして耐久性を高める効果や、ガラス転移温度を低下させて電極との接合性が高まる効果をもたらしている。 Examples of the bisphenol compound or bisthiophenol compound forming Ar 5 of Formula 1 include 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4′- Dihydroxydiphenylmethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane and the like can be used, 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, and 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane are more preferable, and 4,4′- Thiobisbenzenethiol, bis (4- More preferred is hydroxyphenyl) sulfide. The polymer structure derived from these monomers has the effect of increasing the flexibility of the polymer, making it difficult to break against deformation and increasing durability, and the effect of increasing the bondability with the electrode by lowering the glass transition temperature. ing.

化学式1のArを形成するビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−メルカプトフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−メルカプトシフェニル)フルオレン、4,4’−ビフェノール、4,4’−ジメルカプトビフェニル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、1,4−ジメルカプトベンゼン、1,3−ジメルカプトベンゼン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−チオジフェノール、3−メチル−4,4’−ジヒドロキシ−p−ターフェニル、4,4’−ジヒドロキシ−p−ターフェニル、1,3−ビス(4−ヒドロキシ)アダマンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ)アダマンタン、ナフタレンビスフェノール類、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド、ジアリルビスフェノールAなどを用いることができる。 Examples of the bisphenol compound or bisthiophenol compound forming Ar 6 of Chemical Formula 1 include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 9-bis (4-mercaptophenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-mercaptosiphenyl) fluorene, 4,4′-biphenol, 4,4′-dimercaptobiphenyl, bis (4-hydroxy Phenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) Butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3) 5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4 -Hydroxyphenyl) diphenylmethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, 1,4-dimercaptobenzene, 1,3-dimercaptobenzene, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-thiodiphenol, 3-methyl-4,4′-dihydroxy-p-terphenyl, 4,4′-dihydroxy-p-terphenyl, 1,3 -Bis (4-hydroxy) adamantane, 2,2-bis (4-hydroxy) adamanta Can be used naphthalene bisphenols, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphatonin phenanthrene-10-oxide, and diallyl Bisphenol A.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、上記の芳香族ジハロゲン化合物と、ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物とを、塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。モノマー中の、反応性のハロゲン基またはニトロ基と、反応性のヒドロキシ基およびチオール基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、好ましくは0.8〜1.2であり、より好ましくは0.9〜1.1であり、0.95〜1.05であるとさらに好ましく、1であると最も高重合度のポリマーを得ることができる。   When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, the above aromatic dihalogen compound is reacted with a bisphenol compound or bisthiophenol compound in the presence of a basic compound. Coalescence can be obtained. The polymerization degree of the resulting polymer can be adjusted by adjusting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group to the reactive hydroxy group and thiol group in the monomer to an arbitrary molar ratio. Is 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, more preferably 0.95 to 1.05, and 1 to obtain a polymer with the highest degree of polymerization. Can do.

重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。塩基性化合物は、ビスフェノール化合物およびビスチオフェノール化合物の総和に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくはビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物の総和に対して105〜125モル%の範囲である。ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., which can convert aromatic diols and aromatic dimercapto compounds into an active phenoxide structure. If it is, it can be used without being limited to these. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more based on the total amount of the bisphenol compound and the bisthiophenol compound, and is preferably from 105 to The range is 125 mol%. An excessive amount of bisphenol compound or bisthiophenol compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物を、イソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物とを直接反応させることもできる。   Further, in the above polymerization reaction, a bisphenol compound or bisthiophenol compound reacted with an isocyanate compound without reacting with a carbamoylate and an activated dihalogen aromatic compound or dinitro aromatic compound directly without using a basic compound. It can also be reacted.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1dL/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/gよりも小さいと、イオン交換膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dL/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   In addition, the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 dL / g or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as an ion exchange membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5 dL / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーのイオン交換容量は、0.1meq/g以上であることが好ましいが、3.5meq/g以下であることがさらに好ましい。イオン交換容量が小さくなるとプロトン伝導性が低下するため好ましくない。イオン交換容量が大きくなると、プロトン伝導性は増大するが、同時に膜が膨潤したり、水に溶解してしまったりする問題が起きやすくなる。より好ましい範囲としては0.5〜3.5meq/g、さらに好ましい範囲としては、0.6〜2.2meq/gを挙げることができる。   The ion exchange capacity of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is preferably 0.1 meq / g or more, more preferably 3.5 meq / g or less. A small ion exchange capacity is not preferable because proton conductivity decreases. As the ion exchange capacity increases, proton conductivity increases, but at the same time, problems such as membrane swelling and water dissolution are likely to occur. A more preferable range is 0.5 to 3.5 meq / g, and a further preferable range is 0.6 to 2.2 meq / g.

本発明におけるイオン交換膜は任意の厚みにすることができるが、10μm以下だと所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μm以上になると製造が困難になるため、300μm以下であることが好ましい。   The ion exchange membrane in the present invention can be of any thickness, but if it is 10 μm or less, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, so that it is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes 300 micrometers or more, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のルホン酸基含有ポリマーは、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のスルホン酸基含有ポリマーの含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満の場合には、この樹脂組成物を含むイオン交換膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   The sulfonic acid group-containing polymer in the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Thermal curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. When used as these resin compositions, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is less than 50% by weight of the whole resin composition, the sulfonic acid group concentration of the ion exchange membrane containing this resin composition is lowered, and good ion conductivity is obtained. In addition, the unit containing a sulfonic acid group tends to be a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

また、各種の多孔質材料、繊維材料、微粒子などと複合化してイオン交換膜とすることもできる。   Further, it can be combined with various porous materials, fiber materials, fine particles, etc. to form an ion exchange membrane.

本発明のイオン交換膜は、本発明のスルホン酸基含有イオン交換樹脂を含む組成物から、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱または減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基は陽イオン種との塩の形の物を含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。   The ion exchange membrane of the present invention can be obtained from the composition containing the sulfonic acid group-containing ion exchange resin of the present invention by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, it is preferable to distill off the solvent by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but if necessary, it is converted to a free sulfonic acid group by acid treatment. You can also.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよびその樹脂組成物からイオン交換膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン交換膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン交換膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下できるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン交換膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にしたりして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。イオン交換膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。   The most preferable method for forming an ion exchange membrane from the sulfonic acid group-containing polymer and the resin composition thereof in the present invention is a cast from a solution, and the ion exchange membrane is obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. Can be obtained. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying from the viewpoint of the uniformity of the ion exchange membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion exchange membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution by making the thickness constant using an applicator, a doctor blade or the like, or making the cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. When used as an ion exchange membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating.

本発明の膜/電極接合体は、本発明のイオン交換膜を電極と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布しイオン交換膜と電極とを接着する方法またはイオン交換膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよびその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。イオン交換膜と電極との接着性が向上し、また、イオン交換膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the ion exchange membrane of the present invention to an electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, an adhesive is applied to the electrode surface to bond the ion exchange membrane and the electrode, or an ion exchange membrane and the electrode. There is a method of heating and pressurizing. Among these, the method of applying and bonding an adhesive mainly composed of the sulfonic acid group-containing polymer and the resin composition thereof to the electrode surface is preferred. This is because the adhesion between the ion exchange membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the ion exchange membrane is less impaired.

本発明の燃料電池は、本発明のイオン交換膜または膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明のイオン交換膜は、固体高分子形燃料電池に適している。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された本発明の高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。ポリマー中のスルホン酸基量を調整することによって、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池や、水素を燃料とする燃料電池にも用いることができる。また、ジメチルエーテル、水素。ギ酸など他の物質を燃料として用いる燃料電池にも好適に用いることができ、電解膜、分離膜など、イオン交換膜として公知の任意の用途に用いることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the ion exchange membrane or the membrane / electrode assembly of the present invention. The ion exchange membrane of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, the polymer electrolyte membrane of the present invention disposed between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, a fuel It has a fuel flow path provided on the pole side. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator. By adjusting the amount of sulfonic acid group in the polymer, it can be used for a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel or a fuel cell using hydrogen as a fuel. Also dimethyl ether, hydrogen. It can also be suitably used for fuel cells using other substances such as formic acid as fuel, and can be used for any known application as an ion exchange membrane such as an electrolytic membrane and a separation membrane.

以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

対数粘度:ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。 Logarithmic viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / Evaluation was made by c (ta is the number of seconds for dropping the sample solution, tb is the number of seconds for dropping only the solvent, and c is the polymer concentration).

プロトン伝導性:自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン樹脂製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、25℃の水中または80℃95%の恒湿恒温槽に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
Proton conductivity: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin), and water at 25 ° C. or constant temperature and humidity at 80 ° C. and 95%. The sample was held in the tank, and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

メタノール透過性:イオン交換膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬したイオン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量を、ガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm)。得られたメタノール透過速度とサンプルの膜厚から、メタノール透過係数を求めた。 Methanol permeability: The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as the methanol permeation rate by the following method. An ion exchange membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, 100 ml of 5 M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water ( 18 MΩ · cm) was injected, and the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion-exchange membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C. was calculated using a gas chromatograph ( area of the ion exchange membrane, 2.0 cm 2). A methanol permeability coefficient was determined from the obtained methanol permeation rate and the film thickness of the sample.

水素を燃料とする燃料電池(PEFC)の発電評価:デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、市販の40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社 燃料電池用触媒 TEC10V40E)と、少量の超純水およびイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が0.5mg/cmになるように均一に塗布・乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作製した。上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、イオン交換膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、2.5MPaで3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ75℃で加湿した水素と空気を供給して発電特性を評価した。開始直後における電流密度が0.5A/cmにおける出力電圧を初期特性とした。また、耐久性評価として、1時間に1回の割合で開回路電圧を測定しつつ上記の条件で連続運転を行った。開回路電圧が開始直後の値よりも10%以上低下したときの時間を耐久時間とした。耐久性評価は1000時間を上限として行った。 Electricity generation evaluation of hydrogen-fueled fuel cell (PEFC): 20% Nafion (registered trademark) solution made by DuPont, commercially available 40% Pt catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. Fuel Cell Catalyst TEC10V40E) and a small amount After adding ultrapure water and isopropanol, the mixture was stirred until uniform to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was uniformly applied to Toray carbon paper TGPH-060 so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. By sandwiching the ion exchange membrane between the gas diffusion layers with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, and pressurizing and heating at 130 ° C. and 2.5 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. The joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and hydrogen and air humidified at 75 ° C. were supplied to the anode and the cathode at a cell temperature of 80 ° C., and the power generation characteristics were evaluated. The output voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 immediately after the start was taken as the initial characteristics. Moreover, as durability evaluation, continuous operation was performed on said conditions, measuring an open circuit voltage at the rate of once per hour. The time when the open circuit voltage decreased by 10% or more from the value immediately after the start was defined as the endurance time. Durability evaluation was performed with 1000 hours as the upper limit.

ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の発電評価:Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC61E54)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC10V40E)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオン(登録商標)の重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により180℃、10MPaで3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度空気ガス(80ml/min)と、5mol/Lのメタノール水溶液(1.5ml/min)とを供給しながら行った。電流密度が0.02A/cmにおける出力電圧と、電流遮断法で測定した抵抗値を測定した。 Electricity generation evaluation of direct methanol fuel cell (DMFC): After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supported carbon (TEC61E54 Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and moistening, 20% Nafion (DuPont) (Registered trademark) solution (product number: SE-20192) was added so that the weight ratio of Pt / Ru catalyst-carrying carbon to Nafion was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. The catalyst paste was applied to Toray carbon paper TGPH-060 to be a gas diffusion layer by screen printing so that the adhesion amount of platinum was 2 mg / cm 2, and a carbon paper with an electrode catalyst layer for anode was produced. . Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC10V40E) and moistening, a 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont is used. A cathode catalyst paste was prepared by adding a Pt catalyst supporting carbon and Nafion (registered trademark) in a weight ratio of 2.5: 1 and stirring. The catalyst paste, the adhesion amount of platinum to carbon manufactured by Toray Industries, water-repellent paper TGPH-060 is applied and dried so that 1 mg / cm 2, to prepare a cathode electrode catalyst layer with carbon paper. A membrane sample is sandwiched between the above two types of carbon paper with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, and heated and pressurized at 180 ° C. and 10 MPa for 3 minutes by a hot press method. -It was set as the electrode assembly. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). Power generation was performed at a cell temperature of 40 ° C. while supplying high purity air gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and a 5 mol / L aqueous methanol solution (1.5 ml / min) to the anode and the cathode, respectively. . The output voltage at a current density of 0.02 A / cm 2 and the resistance value measured by the current interruption method were measured.

イオン交換容量:100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の重量を測定し、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。 Ion exchange capacity: The weight of a sample dried at 100 ° C. for 1 hour and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was measured. After stirring with an aqueous sodium hydroxide solution, the ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution. .

軟化温度:5mm幅の酸型の膜を、チャック幅10mmで、50℃から250℃まで2℃/分で加熱しながら、10Hzの動歪を与えて動的粘弾性を、Rheogel E−4000(東機産業株式会社製)を用いて測定した。温度を上昇させたときに、E’が大きく低下する変曲点の温度を変形温度とした。 Softening temperature: While heating an acid-type film having a width of 5 mm at a chuck width of 10 mm from 50 ° C. to 250 ° C. at a rate of 2 ° C./min, a dynamic strain of 10 Hz was applied to give dynamic viscoelasticity, Rhegel E-4000 ( Measured using Toki Sangyo Co., Ltd. The temperature at the inflection point at which E ′ greatly decreased when the temperature was raised was defined as the deformation temperature.

<実施例1>
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)6.2332g(12.69mmol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)8.7302g(50.75mol)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)10.6322g(57.10mmol)、炭酸カリウム9.6452g(69.79mmol)、80mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)をディーンスタークトラップ、窒素導入管、攪拌装置を取り付けた200ml四つ口フラスコに計り取った。フラスコをオイルバスにつけて、窒素を流しながら攪拌して加熱し、190℃でNMPと共に溜出する水を30分間除いた後、ディーンスタークトラップを取り外し、冷却管で還流するようにして、溶液温度を200℃に上昇させて8時間反応させた。その後、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド(略号:BPS)1.3848g(6.34mmol)を10mlのNMPに溶解した溶液を、少しずつ滴下し、よく攪拌してから、さらに8時間200℃で反応させた。その後、放冷し、反応溶液を水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄を2回行った後、ガラスフィルターで固形分を濾過し、100℃のイナートオーブン中で乾燥した。ポリマーの対数粘度は0.84dL/gを示した。重水素化ジメチルスルホキシド中室温で測定したH−NMRスペクトルを図1に示した。ポリマー7gをNMP28gに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約400μm厚にキャストして80℃で0.5時間、120℃で0.5時間、150℃で0.5時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について評価を行った。
<Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 6.2332 g (12.69 mmol), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 8.7302 g (50 .75 mol), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 10.3222 g (57.10 mmol), potassium carbonate 9.6452 g (69.79 mmol), 80 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP). Weighed into a 200 ml four-necked flask equipped with a Dean-Stark trap, nitrogen inlet tube, and stirrer. The flask was placed in an oil bath, stirred and heated while flowing nitrogen, and after removing water distilled together with NMP at 190 ° C. for 30 minutes, the Dean-Stark trap was removed and refluxed with a condenser tube. Was raised to 200 ° C. and reacted for 8 hours. Thereafter, a solution prepared by dissolving 1.3848 g (6.34 mmol) of bis (4-hydroxyphenyl) sulfide (abbreviation: BPS) in 10 ml of NMP was added dropwise little by little and stirred well, and then at 200 ° C. for another 8 hours. Reacted. Thereafter, the reaction solution was allowed to cool, and the reaction solution was precipitated in water in the form of a strand. The obtained polymer was washed twice in boiling water for 1 hour, and then the solid content was filtered with a glass filter and dried in an inert oven at 100 ° C. The logarithmic viscosity of the polymer was 0.84 dL / g. The 1 H-NMR spectrum measured at room temperature in deuterated dimethyl sulfoxide is shown in FIG. 7 g of polymer was dissolved in 28 g of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 400 μm, heated at 80 ° C. for 0.5 hour, 120 ° C. for 0.5 hour, and 150 ° C. for 0.5 hour, and then nitrogen atmosphere Was dried in an oven at 150 ° C. for 1 hour, and the film was peeled off from the glass plate. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane. The obtained ion exchange membrane was evaluated.

<実施例2>
BPSの代わりに、4,4’−チオビスベンゼンチオール(略号:TBT)4.6054g(18.39mmol)を用い、BPの量を9.7472g(52.35mmol)に変更した他は実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 2>
Example 4 except that 4.6054 g (18.39 mmol) of 4,4′-thiobisbenzenethiol (abbreviation: TBT) was used instead of BPS, and the amount of BP was changed to 9.7472 g (52.35 mmol). In the same manner, an ion exchange membrane was prepared and evaluated.

<実施例3>
S−DCDPS、DCBN、BPS、BPの量を変更した他は実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 3>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amounts of S-DCDPS, DCBN, BPS, and BP were changed.

<実施例4>
BPSの代わりに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン(略号:BPA)を用いた他は実施例3と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 4>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3 except that 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane (abbreviation: BPA) was used instead of BPS.

<実施例5>
BPSの代わりに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン(略号:BPF)を用いた他は実施例3と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 5>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3 except that 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (abbreviation: BPF) was used instead of BPS.

<実施例6>
S−DCDPS、DCBN、BPS、BPの量を変更し、さらに10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド(略号:DHP)を加えた他は実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 6>
The amount of S-DCDPS, DCBN, BPS, BP was changed, and 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (abbreviation: DHP) The ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the above was added.

<実施例7>
BPSの代わりに、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン(略号:BPH)を用いた他は実施例3と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 7>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3 except that 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane (abbreviation: BPH) was used instead of BPS.

<比較例1>
BPSを最初から反応させた以外は、実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative Example 1>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that BPS was reacted from the beginning.

<比較例2>
BPSを最初から反応させた以外は、実施例3と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative example 2>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3 except that BPS was reacted from the beginning.

<比較例3>
構造が公知である下記化学式15のスルホン酸基含有ポリマーを用いて実施例1と同様にして、イオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative Example 3>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 using a sulfonic acid group-containing polymer represented by the following chemical formula 15 having a known structure.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

<比較例4>
構造が公知である下記化学式16のスルホン酸基含有ポリマーを用いて実施例1と同様にして、イオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative example 4>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 using a sulfonic acid group-containing polymer represented by the following chemical formula 16 having a known structure.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

<比較例5>
構造が公知である下記化学式17のスルホン酸基含有ポリマーを用いて実施例1と同様にして、イオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative Example 5>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 using a sulfonic acid group-containing polymer represented by the following chemical formula 17 having a known structure.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

<比較例6>
市販のイオン交換膜であるナフィオン(登録商標)112について各種評価を行った。
<Comparative Example 6>
Various evaluations were performed on Nafion (registered trademark) 112, which is a commercially available ion exchange membrane.

<比較例7>
市販のイオン交換膜であるナフィオン(登録商標)117について各種評価を行った。
<Comparative Example 7>
Various evaluations were performed on Nafion (registered trademark) 117, which is a commercially available ion exchange membrane.

実施例および比較例のイオン交換膜の評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of the ion exchange membranes of Examples and Comparative Examples.

Figure 2007063533
Figure 2007063533

表1より、本発明における、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)用のイオン交換膜(実施例1、2)は、比較例のイオン交換膜(比較例1、3)に対して、軟化温度が低くなることで接合性が向上し、抵抗値が低下することで高い出力電圧が得られていることが明らかである。特に実施例1と比較例1は、ポリマー組成が同じであるにも関わらず、本発明の製法で得られる特有の高次構造により、BPSの共重合量が少なくても接合性の改善効果が大きく出ており、本発明の優れた点を示している。また、既存のイオン交換膜であるナフィオン(登録商標)117(比較例7)に対しては、メタノール透過性が大幅に小さく、耐メタノール透過性に優れており、燃料電池としての出力も高く、優れたイオン交換膜であることが明らかである。   From Table 1, the ion exchange membrane (Examples 1 and 2) for the direct methanol fuel cell (DMFC) in the present invention has a softening temperature compared to the ion exchange membranes of the comparative examples (Comparative Examples 1 and 3). It is clear that the bondability is improved by lowering and the high output voltage is obtained by lowering the resistance value. In particular, although Example 1 and Comparative Example 1 have the same polymer composition, the effect of improving the bonding property can be achieved even if the amount of BPS copolymerization is small due to the specific higher order structure obtained by the production method of the present invention. It has come out greatly and shows the superior point of the present invention. In addition, for Nafion (registered trademark) 117 (Comparative Example 7), which is an existing ion exchange membrane, methanol permeability is significantly small, methanol permeability resistance is excellent, and output as a fuel cell is high. It is clear that it is an excellent ion exchange membrane.

また、水素を燃料とする燃料電池(PEFC)用のイオン交換膜(実施例3〜7)は、比較例のイオン交換膜(比較例2、4〜5)のイオン交換膜に対して、初期電圧がわずかに向上し、かつ耐久時間が大幅に向上しており、耐久性に優れたイオン交換膜であることが明らかである。特に実施例3と比較例2は、ポリマー組成は同じであるにも関わらず、本発明の製法で得られる特有の高次構造により、BPSの共重合量が少なくても耐久性の改善効果が大きく出ており、本発明の優れた点を示している。また既存のイオン交換膜であるナフィオン(登録商標)112(比較例6)に匹敵する耐久性を示し、かつ同等以上の初期電圧を示すことから、フッ酸などの腐食性物質の発生が少なく、また廃棄時の環境負荷の少ない炭化水素系イオン交換膜として、充分に優れた特性を有していることは明らかである。これらのことから、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、燃料電池用イオン交換膜に用いることによってその特性を大きく改善することができ、産業界に寄与すること大である。   In addition, the ion exchange membranes (Examples 3 to 7) for the fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel are initially compared to the ion exchange membranes of the comparative example (Comparative Examples 2 and 4 to 5). The voltage is slightly improved and the durability time is greatly improved, and it is clear that the ion exchange membrane has excellent durability. In particular, although Example 3 and Comparative Example 2 have the same polymer composition, the effect of improving durability can be achieved even with a small amount of copolymerized BPS due to the specific higher order structure obtained by the production method of the present invention. It has come out greatly and shows the superior point of the present invention. In addition, since it shows durability comparable to the existing ion exchange membrane Nafion (registered trademark) 112 (Comparative Example 6), and shows an initial voltage equal to or higher than that, there is little generation of corrosive substances such as hydrofluoric acid, In addition, it is clear that it has sufficiently excellent characteristics as a hydrocarbon-based ion exchange membrane with a low environmental load at the time of disposal. From these facts, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can greatly improve its characteristics when used in an ion exchange membrane for fuel cells, and contributes greatly to the industry.

本発明における実施例1で合成したポリマーを、VARIAN社製GEMINI−200を用いて、重水素化ジメチルスルホキシド中室温で測定したH−NMRスペクトルである。The polymer synthesized in Example 1 of the present invention, by using a VARIAN Co. GEMINI-200, is a 1 H-NMR spectrum was measured at room temperature in deuterated dimethylsulfoxide.

本発明における実施例6で合成したポリマーを上記と同様にして測定したH−NMRスペクトルである。It is the 1 H-NMR spectrum which measured the polymer synthesize | combined in Example 6 in this invention like the above.

本発明における実施例1で得られたRheogel E−4000(東機産業株式会社製)を用いて測定したイオン交換膜の動的粘弾性特性を示す。The dynamic viscoelastic property of the ion exchange membrane measured using Rheogel E-4000 (made by Toki Sangyo Co., Ltd.) obtained in Example 1 in the present invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

NMP:ポリマーに不純物として含まれている重合溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンに由来するシグナル
DMSO:重水素化ジメチルスルホキシド中のジメチルスルホキシドに由来するシグナル
O:ポリマーに吸着した水に由来するシグナル
NMP: signal derived from N-methyl-2-pyrrolidone which is a polymerization solvent contained as an impurity in the polymer DMSO: signal derived from dimethyl sulfoxide in deuterated dimethyl sulfoxide H 2 O: in water adsorbed on the polymer Originating signal

Claims (21)

主として下記化学式1で表される繰り返し構造からなるスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
[化学式1において、ArはArまたはArのいずれかを、Arは下記化学式2〜4で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基を、Arは電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、Arは、電子吸引性基と、スルホン酸基またはその塩や誘導体とを共に有する2価の芳香族基を、Arは下記化学式5で表される群より選ばれる1種以上の構造の基を、ArはArとは異なる2価の芳香族基を、ArはArまたはArのいずれかを、Z、Z、Zはそれぞれ独立して、OまたはS原子を、それぞれ表す。n、m、pは1以上の、oは0以上の整数をそれぞれ表す。]
Figure 2007063533
[化学式5において、Wは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基からなる群より選ばれる1種以上の基を、qは1以上の整数を、それぞれ表す。]
ただし、化学式1において、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造の、それぞれ3つの単位構造は、それぞれランダムに結合していてもよいし、特定の単位構造が連続してセグメントを形成していてもよい。
A sulfonic acid group-containing polymer mainly composed of a repeating structure represented by the following chemical formula 1.
Figure 2007063533
[In Chemical Formula 1, Ar 1 represents either Ar 3 or Ar 4 , Ar 2 represents one or more groups selected from the group consisting of the structures represented by Chemical Formulas 2 to 4 below, and Ar 3 represents electron withdrawing property. A divalent aromatic group having a group, Ar 4 is a divalent aromatic group having both an electron-withdrawing group and a sulfonic acid group or a salt or derivative thereof, and Ar 5 is represented by the following chemical formula 5. Ar 6 is a divalent aromatic group different from Ar 2 , Ar 7 is either Ar 3 or Ar 4 , Z 1 , Z 2 , Z Each 3 independently represents an O or S atom. n, m, and p each represents an integer of 1 or more, and o represents an integer of 0 or more. ]
Figure 2007063533
[In Chemical Formula 5, W is one selected from the group consisting of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, and a cyclohexyl group. In the above groups, q represents an integer of 1 or more. ]
However, in Chemical Formula 1, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 3 —, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 4 —, —Z 3Three unit structures of the unit structure represented by Ar 6 —Z 3 —Ar 7 — may be bonded at random, or a specific unit structure may continuously form a segment. Good.
Arが化学式2で表される構造であることを特徴とする請求項1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, wherein Ar 2 has a structure represented by Chemical Formula 2. Arが、下記化学式6〜9で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基であることを特徴とする、請求項1または2に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1 or 2, wherein Ar 3 is one or more groups selected from the group consisting of structures represented by the following chemical formulas 6 to 9.
Figure 2007063533
Arが、化学式8または9で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造であることを特徴とする請求項3に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 4. The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 3, wherein Ar 3 is at least one structure selected from the group consisting of structures represented by Chemical Formula 8 or 9. Arが、下記化学式10および11で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の基であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
[化学式10および11において、XはHまたは1価の陽イオンを表す。]
The sulfonic acid group-containing polymer according to any one of claims 1 to 4, wherein Ar 4 is at least one group selected from the group consisting of structures represented by the following chemical formulas 10 and 11.
Figure 2007063533
[In Chemical Formulas 10 and 11, X represents H or a monovalent cation. ]
Arが、化学式10で表される構造である基であることを特徴とする請求項5に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 5, wherein Ar 4 is a group having a structure represented by Chemical Formula 10. Arが下記化学式12で表される構造である基であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
The sulfonic acid group-containing polymer according to any one of claims 1 to 6, wherein Ar 6 is a group having a structure represented by the following chemical formula 12.
Figure 2007063533
Wが、O原子、S原子、−C(CF−基からなる群より選ばれる1種以上の基であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 W is, O atom, S atom, -C (CF 3) 2 - sulfonic acid group according to claim 1, characterized in that the one or more groups selected from the group consisting of group Containing polymer. およびZがO原子であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 Z 1 and Z 3 are O atoms, The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1. がS原子であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。 Sulfonic acid group-containing polymer according to any one of claims 1 to 9 Z 2 is characterized in that it is a S atom. Arが化学式2で表される構造であり、Arが化学式9で表される構造であり、Arが化学式10で表される構造であり、WがOまたはS原子であり、Arが化学式12で表される構造であり、ZおよびZがいずれもO原子であり、ZがOまたはS原子のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 Ar 2 is a structure represented by Chemical Formula 2, Ar 3 is a structure represented by Chemical Formula 9, Ar 4 is a structure represented by Chemical Formula 10, W is an O or S atom, Ar 6 Is a structure represented by the chemical formula 12, Z 1 and Z 3 are both O atoms, and Z 2 is either an O or S atom. Containing polymer. WがO原子であり、qの平均値が3以上であることを特徴とする請求項11に記載のスルホン酸基含有ポリマー。   The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 11, wherein W is an O atom, and an average value of q is 3 or more. n、m、oが下記の数式を満たすことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
n, m, and o satisfy | fill the following numerical formula, The sulfonic acid group containing polymer in any one of Claims 1-12 characterized by the above-mentioned.
Figure 2007063533
n、m、oが下記の数式を満たすことを特徴とする請求項13に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
14. The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 13, wherein n, m, and o satisfy the following mathematical formula.
Figure 2007063533
n、m、oが下記の数式を満たすことを特徴とする請求項14に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2007063533
The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 14, wherein n, m, and o satisfy the following mathematical formula.
Figure 2007063533
請求項1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーを用いたイオン交換膜。   An ion exchange membrane using the sulfonic acid group-containing polymer according to any one of claims 1 to 15. 請求項16のイオン交換膜を用いた膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane according to claim 16. 電極触媒層に請求項1〜15のいずれかに記載のポリマーを用いたことを特徴とする膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly, wherein the polymer according to any one of claims 1 to 15 is used for an electrode catalyst layer. 請求項17または18に記載の膜/電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the membrane / electrode assembly according to claim 17 or 18. 請求項1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーを含む組成物。   The composition containing the sulfonic acid group containing polymer in any one of Claims 1-15. (A)Ar、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造と、−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造と、活性な末端基とを必須成分とし、必要に応じて−Z−Ar−Z−Ar−で表される単位構造を含むオリゴマーを合成する工程、および(B)前記オリゴマーの活性な末端基と反応し得る末端基を、化学式5で表される構造と共に有する化合物を反応させる工程を有することを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーの製造方法。
(A) a unit structure represented by Ar 1 , —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 3 —, a unit structure represented by —Z 1 —Ar 2 —Z 1 —Ar 4 —, active A step of synthesizing an oligomer containing a unit structure represented by —Z 3 —Ar 6 —Z 3 —Ar 7 — as an essential component and an end group, and (B) an active end group of the oligomer The method for producing a sulfonic acid group-containing polymer according to any one of claims 1 to 15, further comprising a step of reacting a compound having a terminal group capable of reacting with a structure represented by Chemical Formula 5 together with the compound represented by Chemical Formula 5.
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