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JP5350974B2 - Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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JP5350974B2
JP5350974B2 JP2009243494A JP2009243494A JP5350974B2 JP 5350974 B2 JP5350974 B2 JP 5350974B2 JP 2009243494 A JP2009243494 A JP 2009243494A JP 2009243494 A JP2009243494 A JP 2009243494A JP 5350974 B2 JP5350974 B2 JP 5350974B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode structure for solid polymer fuel cell, having a proton conductive film which is superior in proton conductivity. <P>SOLUTION: The membrane-electrode structure for solid polymer fuel cell contains sulfonated polyarylene which contains a structural unit having a proton conductive group expressed by formula (1a) and a structural unit, having a heterocycle structure containing nitrogen as expressed in formula (2a) in a main chain. In the formula (2a), Ar<SP>31</SP>indicates a heterocycle containing nitrogen. Among single lines at the end part of the structural unit, one which does not indicate a substituent on one side means a connection with a neighboring structural unit. In the formula (1a), Y indicates, at least one kind of structure selected from the group of -CO-, -SO2-, -SO-, -CONH-, -COO-, -(CF<SB>2</SB>)<SB>1</SB>- (I is an integer of 1-10), and -C(CF<SB>3</SB>)<SB>2</SB>-; Z indicates at least one kind of structure selected from the group of a direct bond, or -(CH<SB>2</SB>)<SB>1</SB>- (I is an integer of 1-10), -C(CH<SB>3</SB>)<SB>2</SB>-, -O-, and -S-; Ar indicates an aromatic group having a substituent as expressed by -SO<SB>3</SB>H, -O(CH<SB>2</SB>)<SB>p</SB>SO<SB>3</SB>H, or -O(CF<SB>2</SB>)<SB>p</SB>SO<SB>3</SB>H (p is an integer of 1-12). Also m indicates an integer of 0-10, n indicates an integer of 1-10, and k indicates an integer of 1-4. Among the single lines at the end part of the structural unit, one which does not indicate a substituent on one side means a connection with the neighboring structural unit. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、高い発電効率を有し、排出物も少ないため環境への負担の低い発電システムである。燃料電池は、近年の地球環境保護、及び化石燃料依存からの脱却への関心の高まりにつれて、脚光を浴びている。燃料電池は、小型の分散型発電施設、自動車や船舶等の移動体の駆動源としての発電装置、または、リチウムイオン電池等の二次電池に替わる携帯電話やモバイルパソコン等への搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation system that has high power generation efficiency and a low burden on the environment because of less emissions. Fuel cells are in the limelight with the recent growing interest in protecting the global environment and moving away from dependence on fossil fuels. Fuel cells are expected to be installed in small distributed power generation facilities, power generation devices as driving sources for moving objects such as automobiles and ships, or mobile phones or mobile personal computers that replace secondary batteries such as lithium ion batteries. ing.

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜(以下、「プロトン伝導膜」という)の両面に一対の電極を設け、純水素あるいは改質水素ガスを燃料として一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として他方の電極(空気極)へ供給し、起電力を得るものである。   A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as “proton-conducting membrane”). To the other electrode (air electrode) using oxygen gas or air as an oxidant to obtain an electromotive force.

従来、プロトン伝導膜としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成工業(株)製)、またはフレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)の商品名で市販されているパーフルオロスルホン酸系膜が、その化学安定性に優れている点から用いられてきた。   Conventionally, proton conductive membranes are commercially available under the trade names Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), or Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Perfluorosulfonic acid-based membranes have been used because of their excellent chemical stability.

しかしながら、Nafion等のようなパーフルオロスルホン酸系膜は、製造が困難であるため、非常に高価であるという問題があり、燃料電池車や家庭用燃料電池発電システム等の民生用途への普及の大きな障害となっている。また、これらのパーフルオロスルホン酸系膜は、分子内に大量のフッ素原子を有しているため、環境保護の観点から、使用後の廃棄処理に難がある。   However, since perfluorosulfonic acid membranes such as Nafion are difficult to manufacture, there is a problem that they are very expensive, and are widely used in consumer applications such as fuel cell vehicles and household fuel cell power generation systems. It has become a major obstacle. Further, these perfluorosulfonic acid membranes have a large amount of fluorine atoms in the molecule, and therefore, are difficult to dispose of after use from the viewpoint of environmental protection.

また、燃料電池はより高温で、かつ電極間のプロトン伝導膜の膜厚が薄いほど、膜抵抗が小さくなり、発電出力を高めることができる。しかしながら、これらのパーフルオロスルホン酸系膜は、熱変形温度が80〜100℃程度であり、高温時のクリープ耐性が非常に乏しい。このため、燃料電池にこれらの膜を用いた場合には、発電温度を80℃以下に保たなければならず、発電出力に制限があった。また、長期に使用した場合の膜厚の安定性にも乏しく、電極間の短絡(ショート)を防ぐために、ある程度の膜厚(50μm以上)が必要であり、薄膜化が困難であった。   Further, the higher the temperature of the fuel cell and the thinner the proton conducting membrane between the electrodes, the lower the membrane resistance and the higher the power generation output. However, these perfluorosulfonic acid membranes have a heat distortion temperature of about 80 to 100 ° C. and have very poor creep resistance at high temperatures. For this reason, when these membranes are used in a fuel cell, the power generation temperature must be kept at 80 ° C. or lower, and the power generation output is limited. Further, the film thickness is poor when used for a long period of time, and in order to prevent a short circuit between the electrodes, a certain film thickness (50 μm or more) is necessary, and it is difficult to reduce the film thickness.

上記のパーフルオロスルホン酸系膜の問題を解決するために、フッ素原子を含まず、より安価で、エンジニアプラスチックにも用いられるような耐熱性主鎖骨格を有する炭化水素系プロトン伝導膜が、現在、数多く研究されている。例えば、ポリアリーレン系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリエーテルスルホン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリイミド系、ポリベンザゾール系の主鎖芳香環をスルホン化したポリマーが提案されている(非特許文献1〜3参照)。   In order to solve the above-mentioned problems with perfluorosulfonic acid membranes, hydrocarbon proton conductive membranes that do not contain fluorine atoms, are cheaper, and have a heat-resistant main chain skeleton that is also used for engineer plastics are currently available. Many studies have been conducted. For example, a polymer in which a main chain aromatic ring of polyarylene, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, or polybenzazole is sulfonated has been proposed (Non-Patent Documents 1 to 3). reference).

Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No.7, p.2490−2492 (1993)Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 7, p. 2490-2492 (1993) Polymer Preprints, Japan, Vol. 43, No.3, p.735−736 (1994)Polymer Preprints, Japan, Vol. 43, no. 3, p. 735-736 (1994) Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No.3, p.730 (1993)Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 3, p. 730 (1993)

しかしながら、実際の燃料電池では、主反応の他に副反応が同時に起こり、その代表的なものが過酸化水素(H)の生成反応である。この過酸化水素に起因するラジカル種は、上記のような炭化水素系プロトン伝導膜を劣化させ、プロトン伝導度低下の原因となっている。 However, in an actual fuel cell, a side reaction occurs simultaneously with a main reaction, and a representative one is a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) formation reaction. The radical species resulting from the hydrogen peroxide deteriorates the hydrocarbon proton conductive membrane as described above, causing a decrease in proton conductivity.

本発明の目的は、ドライな環境下での耐架橋性及び熱水条件下での膨潤性を改良することにより、従来検討されてきたフッ素系プロトン伝導膜及び芳香族系プロトン伝導膜の問題点を解決し、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導膜を備える固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体を提供することにある。   The object of the present invention is to improve the cross-link resistance under a dry environment and the swelling property under hydrothermal conditions, and thus the problems of the fluorine-based proton conductive membrane and the aromatic-based proton conductive membrane that have been studied conventionally. It is an object of the present invention to provide a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell comprising a proton conducting membrane excellent in proton conductivity.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、主鎖に窒素を含む複素環を有するプロトン伝導膜が、本発明の目的を満たす新規な材料であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨は、以下の通りである。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a proton conductive membrane having a heterocyclic ring containing nitrogen in the main chain is a novel material that satisfies the object of the present invention, The present invention has been completed.
That is, the gist of the present invention is as follows.

請求項1記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体は、プロトン伝導膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を設けた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、前記プロトン伝導膜は、下記一般式(1a)で表されるプロトン伝導性基を有する構造単位と、主鎖に下記一般式(2a)で表される窒素を含む複素環構造を有する構造単位と、を含有してなるスルホン化ポリアリーレンを含むことを特徴とする。

Figure 0005350974
[式(1a)中、Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは1〜10の整数である)、及び−C(CF−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Zは、直接結合、または、−(CH−(lは1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、及び−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Arは、−SOH、−O(CHSOH、または−O(CFSOH(pは1〜12の整数である)で表される置換基を有する芳香族基を示す。芳香族基は、ベンゼン環、または縮合芳香族環を示す。mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。]
Figure 0005350974
[式(2a)中、Ar31は、窒素を含む複素環を示す。構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。] The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the proton conductive membrane has an anode electrode on one surface and a cathode electrode on the other surface. In the body, the proton conductive membrane has a structural unit having a proton conductive group represented by the following general formula (1a) and a heterocyclic structure containing nitrogen represented by the following general formula (2a) in the main chain. And a sulfonated polyarylene containing a structural unit.
Figure 0005350974
[In the formula (1a), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), And at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), 1 represents at least one structure selected from the group consisting of —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H, or -O (CF 2) p SO 3 H (p is a is an integer of 1 to 12) represents an aromatic group having a substituent represented by. The aromatic group represents a benzene ring or a condensed aromatic ring. m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
Figure 0005350974
[In formula (2a), Ar 31 represents a heterocyclic ring containing nitrogen. Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]

請求項2記載の発明は、請求項1に記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、前記スルホン化ポリアリーレンが、下記一般式(3a)で表される芳香族構造を有する構造単位を主鎖にさらに含有することを特徴とする。

Figure 0005350974
[式(3a)中、A及びDは独立に、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−(CF−(lは1〜10の整数である)、−C(CF−、−(CH−(lは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、−O−、−S−、シクロヘキシリデン基、及びフルオレニリデン基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に、酸素原子または硫黄原子であり、R〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部または全てがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、及びニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。s及びtは0〜4の整数を示し、rは0以上の整数を示す。構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。] The invention according to claim 2 is the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the sulfonated polyarylene has an aromatic structure represented by the following general formula (3a). A structural unit is further contained in the main chain.
Figure 0005350974
[In the formula (3a), A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). , —C (CF 3 ) 2 —, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, Or a halogenated hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of —O—, —S—, a cyclohexylidene group, and a fluorenylidene group, and B is independently an oxygen atom or a sulfur atom R 1 to R 16 may be the same or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which a part or all of them are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group. , And at least selected from the group consisting of nitrile groups Indicating the kind of atom or group. s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 0 or more. Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]

請求項3記載の発明は、請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、前記式(2a)におけるAr31が、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェノチアジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、及びベンゾチアジアゾールからなる群より選ばれる少なくとも1種に由来する構造、または、下記化学式(2b)で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含むことを特徴とする。

Figure 0005350974
[式(2b)中、構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。] The invention according to claim 3 is the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein Ar 31 in the formula (2a) is pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, Isothiazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, isoindole, 3H-indole, indole, 1H-indazole, purine, 4H-quinolidine, quinoline, isoquinoline, phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, Pteridine, carbazole, carboline, phenanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, phenothiazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine , Pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, oxazole, benzoxazole, 1,3,5-triazine, bromine, tetrazole, tetrazine, triazole, phenalsazine, benzimidazole, benzotriazole, thiazole, benzothiazole, and benzo It includes at least one structure selected from the group consisting of a structure derived from at least one selected from the group consisting of thiadiazole or a structure represented by the following chemical formula (2b).
Figure 0005350974
[In the formula (2b), among the single wires at the end of the structural unit, one on which no substituent is displayed means connection with an adjacent structural unit. ]

本発明の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体によれば、プロトン伝導膜の主鎖に窒素を含む複素環を含有させることにより、プロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制でき、耐熱性を向上させることができる。   According to the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, by containing a heterocyclic ring containing nitrogen in the main chain of the proton conducting membrane, the proton conductivity is reduced in hot water without lowering the proton conductivity. Swelling can be suppressed, and heat resistance can be improved.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、プロトン伝導性基を有する構造単位と、含窒素複素環構造を有する構造単位と、を主鎖中に有する。
さらに、本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、芳香族構造を有する構造単位を主鎖中に有することが好ましい。
The sulfonated polyarylene used in the present invention has a structural unit having a proton conductive group and a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure in the main chain.
Furthermore, the sulfonated polyarylene used in the present invention preferably has a structural unit having an aromatic structure in the main chain.

[プロトン伝導性基を有する構造単位]
プロトン伝導性基を有する構造単位は、下記一般式(1a)で表される。プロトン伝導性基を有する構造単位としては、スルホン酸基を有する構造単位が好ましい。

Figure 0005350974
[Structural unit having proton conductive group]
The structural unit having a proton conductive group is represented by the following general formula (1a). The structural unit having a proton conductive group is preferably a structural unit having a sulfonic acid group.
Figure 0005350974

上記式(1a)中、Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは1〜10の整数である)、及び−C(CF−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Zは、直接結合、または、−(CH−(lは1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、及び−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Arは、−SOH、−O(CHSOH、または−O(CFSOH(pは1〜12の整数である)で表される置換基を有する芳香族基を示す。芳香族基は、ベンゼン環、または縮合芳香族環を示す。mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。 In the above formula (1a), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), And at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), 1 represents at least one structure selected from the group consisting of —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H, or -O (CF 2) p SO 3 H (p is a is an integer of 1 to 12) represents an aromatic group having a substituent represented by. The aromatic group represents a benzene ring or a condensed aromatic ring. m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4.

スルホン酸基を有する構造単位の具体例としては、下記を挙げることができる。

Figure 0005350974
Specific examples of the structural unit having a sulfonic acid group include the following.
Figure 0005350974

本発明で用いるスルホン化ポリアリーレンでは、上記のようなプロトン伝導性基のスルホン酸基を有する構造単位を、後述する窒素含有複素環構造を有する構造単位とともに主鎖中に有することにより、良好なプロトン伝導度が得られる。   In the sulfonated polyarylene used in the present invention, a structural unit having a sulfonic acid group of the proton conductive group as described above is included in the main chain together with a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure, which will be described later. Proton conductivity is obtained.

[窒素を含む複素環構造を有する構造単位]
窒素を含む複素環構造を有する構造単位は、下記一般式(2a)で表される。

Figure 0005350974
[Structural units having a heterocyclic structure containing nitrogen]
The structural unit having a heterocyclic structure containing nitrogen is represented by the following general formula (2a).
Figure 0005350974

上記式(2a)におけるAr31は、窒素を含む複素環を示し、具体的には、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェノチアジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、及びベンゾチアジアゾールからなる群より選ばれる少なくとも1種に由来する構造、または、下記化学式(2b)で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含む。

Figure 0005350974
Ar 31 in the above formula (2a) represents a nitrogen-containing heterocyclic ring, specifically, pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, isothiazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, Isoindole, 3H-indole, indole, 1H-indazole, purine, 4H-quinolidine, quinoline, isoquinoline, phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, pteridine, carbazole, carboline, phenanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine , Phenothiazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine, pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoi At least one selected from the group consisting of endrin, quinuclidine, oxazole, benzoxazole, 1,3,5-triazine, bryne, tetrazole, tetrazine, triazole, phenalsazine, benzimidazole, benzotriazole, thiazole, benzothiazole, and benzothiadiazole Or at least one structure selected from the group consisting of structures represented by the following chemical formula (2b).
Figure 0005350974

上記のうち、ピロール、ピリジン、ピリミジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、フタラジン、ナフチリジン、フェナントロリン、フェナジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアジアゾール、及び、上記式(2b)で表される構造が特に好ましい。   Of the above, pyrrole, pyridine, pyrimidine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, phthalazine, naphthyridine, phenanthroline, phenazine, benzimidazole, benzotriazole, thiazole, benzothiadiazole, and the structure represented by the above formula (2b) are particularly preferable. .

本発明で用いるスルホン化ポリアリーレンでは、上記のような窒素を含む複素環構造を有する構造単位を、上述のプロトン伝導性基のスルホン酸基を有する構造単位とともに主鎖中に有することにより、プロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制し、耐熱性を向上させることができる。   In the sulfonated polyarylene used in the present invention, a proton having a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure as described above in the main chain together with the structural unit having a sulfonic acid group of the proton conductive group described above is used. Without lowering the conductivity, swelling in hot water can be suppressed and heat resistance can be improved.

[芳香族構造を有する構造単位]
芳香族構造を有する構造単位は、下記一般式(3b)で表される。

Figure 0005350974
[Structural unit having aromatic structure]
The structural unit having an aromatic structure is represented by the following general formula (3b).
Figure 0005350974

上記式(3b)中、Ar21、Ar22、Ar23、及びAr24は、それぞれ独立に、ベンゼン環、縮合芳香環、または含窒素複素環の構造を有する2価の基を示す。
ただし、Ar21、Ar22、Ar23、及びAr24は、その水素原子の一部または全てが、フッ素原子、ニトロ基、ニトリル基、アルキル基、アリル基、及びアリール基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基で置換されていてもよい。また、上記のアルキル基は、その水素原子の一部または全てがハロゲン化置換されていてもよい。
In the above formula (3b), Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 each independently represent a divalent group having a benzene ring, condensed aromatic ring, or nitrogen-containing heterocyclic structure.
However, Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 are partly or entirely selected from the group consisting of a fluorine atom, a nitro group, a nitrile group, an alkyl group, an allyl group, and an aryl group. It may be substituted with at least one atom or group. Further, in the above alkyl group, some or all of the hydrogen atoms may be halogenated.

A及びDは、それぞれ独立に、直接結合、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは1〜10の整数である)、−(CH−(lは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、またはS−を示し、Bは、酸素原子または硫黄原子である。
s及びtは、それぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは、0以上の整数を示す。
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). ), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group. ), A cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, or S-, and B is an oxygen atom or a sulfur atom.
s and t each independently represent an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 0 or more.

芳香族構造を有する構造単位としては、下記一般式(3a)で表されるものが好ましい。

Figure 0005350974
As the structural unit having an aromatic structure, those represented by the following general formula (3a) are preferable.
Figure 0005350974

上記式(3a)中、A及びDは独立に、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−(CF−(lは1〜10の整数である)、−C(CF−、−(CH−(lは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、−O−、−S−、シクロヘキシリデン基、及びフルオレニリデン基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に、酸素原子または硫黄原子である。
〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部または全てがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、及びニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
s及びtは0〜4の整数を示し、rは0以上の整数を示す。
In the above formula (3a), A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). , —C (CF 3 ) 2 —, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, Or a halogenated hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of —O—, —S—, a cyclohexylidene group, and a fluorenylidene group, and B is independently an oxygen atom or a sulfur atom It is.
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile. At least one atom or group selected from the group consisting of groups is shown.
s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 0 or more.

芳香族構造を有する構造単位の具体例としては、下記を挙げることができる。

Figure 0005350974
Figure 0005350974
Specific examples of the structural unit having an aromatic structure include the following.
Figure 0005350974
Figure 0005350974

以上のような芳香族構造を有する構造単位を含有することにより、スルホン化ポリアリーレンの疎水性が著しく向上する。このため、従来と同様のプロトン伝導性を具備しながら、熱水中での膨潤を抑制でき、耐熱性を付与することができる。   By containing the structural unit having the aromatic structure as described above, the hydrophobicity of the sulfonated polyarylene is remarkably improved. For this reason, the swelling in hot water can be suppressed and heat resistance can be imparted while having proton conductivity similar to that of the prior art.

[スルホン化ポリアリーレン]
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、下記一般式(4)で表される。なお、本発明における主鎖とは、繰り返し単位が重合によって接続される長鎖部分であり、側鎖とは主鎖から分岐して構成される部分である。

Figure 0005350974
[Sulfonated polyarylene]
The sulfonated polyarylene used in the present invention is represented by the following general formula (4). The main chain in the present invention is a long chain portion in which repeating units are connected by polymerization, and the side chain is a portion that is branched from the main chain.
Figure 0005350974

上記一般式(4)において、A、B、D、Y、Z、Ar11、Ar12、Ar13、Ar21〜Ar24、Ar31、a、b、s、t、r、x、x、及びR11〜R13は、それぞれ上述した一般式中のA、B、D、Y、Z、Ar11、Ar12、Ar13、Ar21〜Ar24、Ar31、a、b、s、t、r、x、x、及びR11〜R13と同義である。x、y、及びzは、x+y+z=100モル%とした場合のモル比を示す。 In the above general formula (4), A, B, D, Y, Z, Ar 11 , Ar 12 , Ar 13 , Ar 21 to Ar 24 , Ar 31 , a, b, s, t, r, x 1 , x 2 and R 11 to R 13 are A, B, D, Y, Z, Ar 11 , Ar 12 , Ar 13 , Ar 21 to Ar 24 , Ar 31 , a, b, s in the above general formula, respectively. , T, r, x 1 , x 2 , and R 11 to R 13 . x, y, and z show molar ratios when x + y + z = 100 mol%.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレン1モルが有する一般式(1a)で表される構造単位のモル数を(x)、一般式(2a)で表される構造単位のモル数を(y)、一般式(3a)で表される構造単位のモル数を(z)とするとき、(x)/{(x)+(y)+(z)}×100(モル%)の値は、好ましくは0.05〜100である。さらに好ましくは0.5〜99.9であり、特に好ましくは1〜90である。   The number of moles of the structural unit represented by the general formula (1a) contained in 1 mole of the sulfonated polyarylene used in the present invention is (x), and the number of moles of the structural unit represented by the general formula (2a) is (y). When the number of moles of the structural unit represented by the general formula (3a) is (z), the value of (x) / {(x) + (y) + (z)} × 100 (mol%) is Preferably it is 0.05-100. More preferably, it is 0.5-99.9, Most preferably, it is 1-90.

また、(y)/{(x)+(y)+(z)}×100(モル%)の値は、好ましくは0.05〜99.95である。本発明のスルホン化ポリアリーレン中に一般式(2a)で表される構造単位のモル数(y)が上記範囲内にあると、該スルホン化ポリアリーレンから得られるプロトン伝導膜は、熱水条件下における膨潤抑制、面積変化抑制に優れ、高温条件下における耐架橋性に優れるため好ましい。さらに好ましくは0.1〜99であり、特に好ましくは0.5〜90である。   Moreover, the value of (y) / {(x) + (y) + (z)} × 100 (mol%) is preferably 0.05 to 99.95. When the number of moles (y) of the structural unit represented by the general formula (2a) is in the above range in the sulfonated polyarylene of the present invention, the proton conductive membrane obtained from the sulfonated polyarylene has hydrothermal conditions. It is preferable because it is excellent in suppressing swelling under the surface and suppressing area change, and is excellent in cross-linking resistance under high temperature conditions. More preferably, it is 0.1-99, Most preferably, it is 0.5-90.

また、一般式(2a)で表される構造単位と一般式(1a)で表される構造単位の比率(y)/(x)は、好ましくは0.01〜20である。一般式(2a)で表される構造単位と一般式(1a)で表される構造単位の比率が上記範囲内にあると、該スルホン化ポリアリーレンから得られるプロトン伝導膜は、プロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制でき、耐熱性を向上させることができるため好ましい。さらに好ましくは0.1〜15であり、特に好ましくは0.5〜10である。   Further, the ratio (y) / (x) of the structural unit represented by the general formula (2a) and the structural unit represented by the general formula (1a) is preferably 0.01 to 20. When the ratio between the structural unit represented by the general formula (2a) and the structural unit represented by the general formula (1a) is within the above range, the proton conducting membrane obtained from the sulfonated polyarylene has a proton conductivity. It is preferable because swelling in hot water can be suppressed and heat resistance can be improved without lowering. More preferably, it is 0.1-15, Most preferably, it is 0.5-10.

また、(z)/{(x)+(y)+(z)}×100(モル%)の値は、好ましくは0〜99.5であり、さらに好ましくは0.01〜99であり、特に好ましくは0.1〜98である。   Further, the value of (z) / {(x) + (y) + (z)} × 100 (mol%) is preferably 0 to 99.5, more preferably 0.01 to 99, Especially preferably, it is 0.1-98.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万であることが好ましい。さらに好ましくは2万〜80万であり、特に好ましくは5万〜30万である。   The molecular weight of the sulfonated polyarylene used in the present invention is preferably 10,000 to 1,000,000 in terms of polystyrene-reduced weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC). More preferably, it is 20,000-800,000, Most preferably, it is 50,000-300,000.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンのイオン交換容量は、0.5〜3.5meq/gであることが好ましい。さらに好ましくは0.5〜3.0meq/gであり、特に好ましくは0.8〜2.8meq/gである。イオン交換容量が、0.5meq/g以上であれば、プロトン伝導度が高く、かつ発電性能の高いプロトン伝導膜を得ることができるため好ましい。一方、3.5meq/g以下であれば、充分に高い耐水性を具備できるため好ましい。   The ion exchange capacity of the sulfonated polyarylene used in the present invention is preferably 0.5 to 3.5 meq / g. More preferably, it is 0.5-3.0 meq / g, Most preferably, it is 0.8-2.8 meq / g. An ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more is preferable because a proton conductive membrane having high proton conductivity and high power generation performance can be obtained. On the other hand, if it is 3.5 meq / g or less, it is preferable because sufficiently high water resistance can be provided.

上記のイオン交換容量は、各構造単位の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。したがって、重合時に構造単位を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類を変えることにより調整することができる。
概して、プロトン伝導性基のスルホン酸基を有する構造単位がスルホン化ポリアリーレン中に多くなると、イオン交換容量が増えてプロトン伝導性が高くなるが、耐水性が低下する傾向にある。一方、これらの構造単位が少なくなると、イオン交換容量が小さくなり、耐水性が高まるが、プロトン伝導性が低下する傾向にある。
The above ion exchange capacity can be adjusted by changing the type, usage ratio, and combination of each structural unit. Therefore, it can be adjusted by changing the charge amount ratio and type of the precursor (monomer / oligomer) that induces the structural unit during polymerization.
In general, when the number of structural units having a sulfonic acid group of the proton conductive group increases in the sulfonated polyarylene, the ion exchange capacity increases and the proton conductivity increases, but the water resistance tends to decrease. On the other hand, when these structural units decrease, the ion exchange capacity decreases and the water resistance increases, but the proton conductivity tends to decrease.

[スルホン化ポリアリーレンの製造方法]
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、例えば下記に示すA1法、B1法、またはC1法の3通りの方法を用いて製造することができる。
[Method for producing sulfonated polyarylene]
The sulfonated polyarylene used in the present invention can be produced by using, for example, the following three methods: Method A1, Method B1, or Method C1.

(A1法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法と同様の方法により、プロトン伝導性基のスルホン酸基を有する構造単位となるスルホン酸エステルと、窒素を含む複素環構造を有する構造単位となるモノマーと、必要により、芳香族構造を有する構造単位となるモノマーまたはオリゴマーと、を共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造する。次いで、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基にそれぞれ変換することにより製造することができる。
(A1 method)
For example, by a method similar to the method described in JP-A No. 2004-137444, a sulfonate ester serving as a structural unit having a sulfonic acid group of a proton conductive group and a structural unit having a heterocyclic structure containing nitrogen are obtained. A monomer and, if necessary, a monomer or oligomer that becomes a structural unit having an aromatic structure are copolymerized to produce a polyarylene having a sulfonate group. Subsequently, it can manufacture by deesterifying this sulfonate group and converting each sulfonate group into a sulfonate group.

(1)スルホン酸基を有する構造単位
プロトン伝導性基のスルホン酸基を有する構造単位は、スルホン化ポリアリーレンの重合原料として、例えば、下記一般式(1d)で表されるスルホン酸エステル類を使用することにより製造することができる。
(1) Structural unit having a sulfonic acid group A structural unit having a sulfonic acid group of a proton conductive group is, for example, a sulfonic acid ester represented by the following general formula (1d) as a polymerization raw material of a sulfonated polyarylene. It can be manufactured by use.

Figure 0005350974
Figure 0005350974

上記一般式(1d)中、Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは1〜10の整数である)、−C(CF−、及び直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。これらのうち、−CO−、−SO−、直接結合が好ましい。
Zは、直接結合、または、−(CHl−(lは1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、及び−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。これらのうち、直接結合、−O−、または−S−が好ましい。
Xは、フッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、及び−OSORb(ここで、Rbは、アルキル基、フッ素置換アルキル基、またはアリール基を示す)からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。これらのうち、塩素、臭素が好ましい。
In the general formula (1d), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). , —C (CF 3 ) 2 —, and at least one structure selected from the group consisting of direct bonds. Of these, —CO—, —SO 2 —, and a direct bond are preferable.
Z is a direct bond or selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. At least one structure is shown. Of these, a direct bond, —O—, or —S— is preferable.
X is at least one selected from the group consisting of halogen atoms excluding fluorine (chlorine, bromine, iodine), and —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group). Indicates an atom or group of species. Of these, chlorine and bromine are preferred.

上記一般式(1d)中、Arは、−SORc、−O(CHSORc、または−O(CFSORcで表される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、より好ましくは1〜10の整数、さらに好ましくは1〜6の整数である。Rcは、炭素原子の一部が酸素原子に置き換わっていてもよい炭素原子数1〜20の炭化水素基を示す。より好ましくは炭素原子の一部が酸素原子に置き換わっていてもよい炭素原子数4〜20の炭化水素基である。
具体的には、Rcとしては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert−ブチル基、iso−ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、アダマンチルメチル基等の直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基等が挙げられる。これらのうち、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、ネオペンチル基が特に好ましい。
In the general formula (1d), Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 Rc, —O (CH 2 ) p SO 3 Rc, or —O (CF 2 ) p SO 3 Rc. Show. p shows the integer of 1-12, More preferably, it is an integer of 1-10, More preferably, it is an integer of 1-6. Rc represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms in which some of the carbon atoms may be replaced with oxygen atoms. More preferably, it is a hydrocarbon group having 4 to 20 carbon atoms in which some of the carbon atoms may be replaced by oxygen atoms.
Specifically, as Rc, methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso-butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group Hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group A linear hydrocarbon group such as a tetrahydrofurfuryl group, a 2-methylbutyl group, a 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, an adamantylmethyl group, a branched hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, Examples thereof include a hydrocarbon group having a 5-membered heterocyclic ring. Among these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and neopentyl group is particularly preferable. .

上記一般式(1d)中、Rは、炭素原子の一部が酸素原子に置き換わっていてもよい炭素原子数1〜20の炭化水素基を示す。より好ましくは炭素原子数4〜20の炭化水素基である。具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert−ブチル基、iso−ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、、アダマンチルメチル基等の直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基等が挙げられる。これらのうち、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、ネオペンチル基が特に好ましい。   In the general formula (1d), R represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms in which some of the carbon atoms may be replaced by oxygen atoms. More preferred is a hydrocarbon group having 4 to 20 carbon atoms. Specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso-butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, Cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl Group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, linear hydrocarbon group such as adamantylmethyl group, branched hydrocarbon group, alicyclic hydrocarbon group, 5-membered Examples thereof include a hydrocarbon group having a heterocyclic ring. Among these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and neopentyl group is particularly preferable. .

上記一般式(1d)中、mは0〜10の整数を示し、好ましくは0〜5の整数、より好ましくは0〜3の整数を示す。
nは0〜10の整数を示し、好ましくは0〜5の整数、より好ましくは0〜3の整数を示す。
kは1〜4の整数を示し、好ましくは1〜3の整数、より好ましくは1〜2の整数を示す。
In the general formula (1d), m represents an integer of 0 to 10, preferably an integer of 0 to 5, more preferably an integer of 0 to 3.
n represents an integer of 0 to 10, preferably an integer of 0 to 5, more preferably an integer of 0 to 3.
k shows the integer of 1-4, Preferably the integer of 1-3 is shown, More preferably, the integer of 1-2 is shown.

上記一般式(1d)において、Y、Z、m、n、kの好ましい組み合わせとしては、例えば以下の組み合わせが挙げられる。
(1)m=1、n=0であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(2)m=1、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(3)m=0、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(4)m=0、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Zが直接結合である構造、
(5)m=0、n=0、であり、Y=−CO−である構造、
(6)m=0、n=0、であり、Yが直接結合である構造。
In the general formula (1d), examples of preferable combinations of Y, Z, m, n, and k include the following combinations.
(1) A structure in which m = 1, n = 0, Y = —CO—, and Z = —O—.
(2) A structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y = —CO—, and Z = —O—.
(3) A structure in which m = 0, n = 1, k = 1, Y = —CO—, and Z = —O—.
(4) A structure in which m = 0, n = 1, k = 1, Y = —CO—, and Z is a direct bond,
(5) A structure in which m = 0, n = 0, and Y = —CO—.
(6) A structure in which m = 0, n = 0, and Y is a direct bond.

上記一般式(1d)で表される化合物の具体的な例としては、下記化学式で表される化合物、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。

Figure 0005350974
Specific examples of the compound represented by the general formula (1d) include compounds represented by the following chemical formulas, JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. Can be mentioned.
Figure 0005350974

Figure 0005350974
Figure 0005350974

Figure 0005350974
Figure 0005350974

上記化合物のうち、保護基がネオペンチルアルコール、イソプロピルアルコール、フルフリルアルコールの化合物が好ましい。
上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、−CO−が−SO−に置き換わった化合物等も挙げられる。また、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体も挙げることができる。
Of the above compounds, compounds having a protecting group of neopentyl alcohol, isopropyl alcohol, and furfuryl alcohol are preferred.
Compound chlorine atom is replaced with a bromine atom in the compound, -CO- is -SO 2 - may also be mentioned compounds replaced the like. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms can also be mentioned.

(2)含窒素複素環構造を有する構造単位
含窒素複素環構造を有する構造単位を有するスルホン化ポリアリーレンを製造するために、例えば、下記一般式(2c)で表される化合物を調製して用いることができる。

Figure 0005350974
(2) Structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure In order to produce a sulfonated polyarylene having a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure, for example, a compound represented by the following general formula (2c) is prepared. Can be used.
Figure 0005350974

上記一般式(2c)中、Ar31は、上記一般式(2a)中のAr31と同義である。
Xは、フッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSORb(ここで、Rbはアルキル基、フッ素置換アルキル基、またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。これらのうち、塩素、臭素が好ましい。
In the general formula (2c), Ar 31 has the same meaning as Ar 31 in the general formula (2a).
X represents an atom or group selected from halogen atoms excluding fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group). Of these, chlorine and bromine are preferred.

上記一般式(2c)で表されるモノマーの具体例としては、下記が挙げられる。

Figure 0005350974
Specific examples of the monomer represented by the general formula (2c) include the following.
Figure 0005350974

上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、臭素原子が塩素原子に置き換わった化合物等も挙げられる。また、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体も挙げることができる。   Examples of the compound include a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom, and a compound in which a bromine atom is replaced with a chlorine atom. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms can also be mentioned.

(3)芳香族構造を有する構造単位
芳香族構造を有する構造単位は、例えば、下記一般式(3c)で表されるオリゴマーを調製し、これを重合することにより得られる。

Figure 0005350974
(3) Structural unit having an aromatic structure The structural unit having an aromatic structure can be obtained, for example, by preparing an oligomer represented by the following general formula (3c) and polymerizing it.
Figure 0005350974

上記一般式(3c)中、Ar21、Ar22、Ar23、及びAr24は、ベンゼン環、ナフタレン環、及び含窒素複素環からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。ただし、Ar21、Ar22、Ar23、及びAr24は、その水素原子の一部または全てが、フッ素原子、ニトロ基、ニトリル基、アルキル基、アリル基、及びアリール基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基で置換されていてもよい。また、上記のアルキル基は、その水素原子の一部または全てがハロゲン化置換されていてもよい。 In the general formula (3c), Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 represent at least one structure selected from the group consisting of a benzene ring, a naphthalene ring, and a nitrogen-containing heterocyclic ring. However, Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 are partly or entirely selected from the group consisting of a fluorine atom, a nitro group, a nitrile group, an alkyl group, an allyl group, and an aryl group. It may be substituted with at least one atom or group. Further, in the above alkyl group, some or all of the hydrogen atoms may be halogenated.

上記一般式(3c)中、Xは、塩素、臭素、ヨウ素、メタンスルホニル基、トリフルオロメタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基、及びトルエンスルホニル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。
A及びDは、それぞれ独立に、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CFl−(lは1〜10の整数である)、−(CHl−(lは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、及び−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子である。
s及びtは、0〜4の整数を示し、rは、0以上の整数を示す。
In the general formula (3c), X represents at least one structure selected from the group consisting of chlorine, bromine, iodine, methanesulfonyl group, trifluoromethanesulfonyl group, benzenesulfonyl group, and toluenesulfonyl group.
A and D are each independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10) ), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic hydrocarbon group, or halogenated hydrocarbon) Group), at least one structure selected from the group consisting of cyclohexylidene group, fluorenylidene group, -O-, and -S-, and B is independently an oxygen atom or a sulfur atom.
s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 0 or more.

芳香族構造を有する構造単位は、スルホン化ポリアリーレンの重合原料として、例えば、下記一般式(3d)で表されるオリゴマーを使用することにより得られる。

Figure 0005350974
The structural unit having an aromatic structure can be obtained by using, for example, an oligomer represented by the following general formula (3d) as a polymerization raw material for the sulfonated polyarylene.
Figure 0005350974

上記一般式(3d)中、A及びDは、それぞれ独立に、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−(CFl−(lは1〜10の整数である)、−(CHl−(lは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、及び−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。
ここで、−R’−で表される構造の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基等が挙げられる。
A及びDとしては、上記のうち、直接結合、または、−CO−、−SO−、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−が好ましい。
In the general formula (3d), A and D are each independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). ), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group. ), At least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-.
Here, specific examples of the structure represented by -R'- include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group, An octadecyl group, a phenyl group, a trifluoromethyl group, etc. are mentioned.
As A and D, among the above, a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon. A cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, and -O- are preferred.

上記一般式(3d)中、Bは、独立に酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部または全てがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基等が挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基等が挙げられる。アリル基としては、プロペニル基等が挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等が挙げられる。
s及びtは0〜4の整数を示す。rは0以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。
Xは、フッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSORb(ここで、Rbは、アルキル基、フッ素置換アルキル基、またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示す。これらのうち、塩素、臭素が好ましい。
In the general formula (3d), B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, or a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
s and t show the integer of 0-4. r shows an integer greater than or equal to 0, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80.
X represents an atom or group selected from halogen atoms excluding fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group). Of these, chlorine and bromine are preferred.

s及びtの値と、A、B、D、R〜R16の構造についての好ましい組み合わせとしては、下記の組み合わせが挙げられる。
(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、またはフルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−、または−SO−であり、R〜R16が水素原子、またはフッ素原子である構造、
(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−、または−SO−であり、R〜R16が水素原子、またはフッ素原子である構造、
(3)s=0、t=1であり、Aが−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子、フッ素原子、またはニトリル基である構造、
(4)s=1、t=1、2であり、Aが−C(CF−、または−C(CR’−(R’は、炭化水素基または環状炭化水素基)であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−、または−SO−であり、R1〜R16が水素原子、またはフッ素原子である構造、
(5)s=0、t=1、2であり、Aが−C(CF−、または−C(CR’−(R’は、炭化水素基または環状炭化水素基)であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子、フッ素原子、またはニトリル基である構造。
Preferred combinations of the values of s and t and the structures of A, B, D and R 1 to R 16 include the following combinations.
(1) s = 1, t = 1, A is —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group Or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, D is -CO-, or -SO 2- , and R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(2) a structure in which s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(3) s = 0, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group , A fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group,
(4) s = 1, t = 1, 2 and A is —C (CF 3 ) 2 —, or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ is a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group). A structure in which B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(5) s = 0, t = 1, 2 and A is —C (CF 3 ) 2 —, or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ is a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group). Wherein B is an oxygen atom and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group.

上記一般式(3d)で表されるオリゴマーの具体例としては、下記が挙げられる。

Figure 0005350974
Specific examples of the oligomer represented by the general formula (3d) include the following.
Figure 0005350974

Figure 0005350974
Figure 0005350974

上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物等も挙げられる。また、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体も挙げることができる。   Examples include compounds in which chlorine atoms are replaced by bromine atoms in the above compounds. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms can also be mentioned.

上記一般式(3d)で表されるオリゴマーは、例えば、以下のモノマーを共重合することにより製造することができる。一般式(3d)でr=0の場合、例えば4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。   The oligomer represented by the general formula (3d) can be produced, for example, by copolymerizing the following monomers. When r = 0 in the general formula (3d), for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4 -Chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6 -Dichlorobenzonitrile.

これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物等が挙げられる。r=1の場合、例えば特開2003−113136に記載の化合物を挙げることができる。   Examples of these compounds include compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom. In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A No. 2003-113136 can be exemplified.

r≧2の場合、例えば特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特願2003−143914号(特開2004−346164号公報)、特願2003−348523号(特開2005−112985号公報)、特願2003−348524号、特願2004−211739号(特開2006−28414号公報)、特願2004−211740号(特開2006−28415号公報)に記載の化合物を挙げることができる。   In the case of r ≧ 2, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-137444, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-244517, Japanese Patent Application No. 2003-143914 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346164), Japanese Patent Application No. 2003-348523 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-348523). No. 112985), Japanese Patent Application No. 2003-348524, Japanese Patent Application No. 2004-211739 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-28414), Japanese Patent Application No. 2004- 211740 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-28415), and the like. Can do.

(4)スルホン化ポリアリーレンの重合
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンを得るためには、先ず、上記一般式(1a)で表される構造単位となりうる一般式(1d)で表されるモノマーと、上記一般式(2a)で表される構造単位となりうる一般式(2c)で表されるモノマーと、必要により、上記一般式(3a)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマー、すなわち一般式(3d)とを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得る。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系である。この触媒系としては、(1)遷移金属塩及び配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)と、(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、遷移金属塩以外の塩を添加してもよい。
(4) Polymerization of sulfonated polyarylene In order to obtain the sulfonated polyarylene used in the present invention, first, the monomer represented by the general formula (1d) which can be the structural unit represented by the general formula (1a). A monomer represented by the general formula (2c) that can be the structural unit represented by the general formula (2a), and, if necessary, a monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (3a), The general formula (3d) is copolymerized to obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used here is a catalyst system containing a transition metal compound. As this catalyst system, (1) a transition metal salt and a compound that becomes a ligand (hereinafter referred to as “ligand component”), or a transition metal complex in which a ligand is coordinated (including a copper salt) (2) A reducing agent may be an essential component, and a salt other than a transition metal salt may be added to increase the polymerization rate.

ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナート等のニッケル化合物、塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウム等のパラジウム化合物、塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄等の鉄化合物、塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルト等のコバルト化合物等が挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケル等が好ましい。また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン、トリ(3ーメチル)フェニルホスフィン、トリ(4ーメチル)フェニルホスフィン、2,2’−ビピリジン、1,5−シクロオクタジエン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン等が挙げられるが、トリフェニルホスフィン、トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン、2,2’−ビピリジンが好ましい。上記配位子成分は、1種単独で、あるいは2種以上を併用することができる。   Here, transition metal salts include nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetylacetonate, palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, iron chloride, iron bromide And iron compounds such as iron iodide, and cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide, and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable. The ligand component includes triphenylphosphine, tri (2-methyl) phenylphosphine, tri (3-methyl) phenylphosphine, tri (4-methyl) phenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cycloocta Examples include diene and 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, and triphenylphosphine, tri (2-methyl) phenylphosphine, and 2,2′-bipyridine are preferable. The said ligand component can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

さらに、あらかじめ配位子が配位された遷移金属(塩)としては、例えば、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケルビス(トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、硝酸ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2’ビピリジン)、臭化ニッケル(2,2’ビピリジン)、ヨウ化ニッケル(2,2’ビピリジン)、硝酸ニッケル(2,2’ビピリジン)、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスファイト)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム等が挙げられるが、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケルビス(トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2’ビピリジン)が好ましい。   Furthermore, as the transition metal (salt) in which the ligand is coordinated in advance, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel chloride bis (tri (2-methyl) phenylphosphine), nickel bromide bis (triphenyl) Phosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (triphenylphosphine), nickel chloride (2,2′bipyridine), nickel bromide (2,2′bipyridine), nickel iodide (2,2) 'Bipyridine), nickel nitrate (2,2'bipyridine), bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium Such as nickel chloride (Triphenylphosphine), nickel chloride bis (tri (2 Mechiru) phenyl phosphine), nickel chloride (2,2'-bipyridine) are preferred.

本発明の触媒系において使用することができる上記還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウム等を挙げることできるが、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸等の酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。   Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system of the present invention include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like, and zinc, magnesium, and manganese are preferable. These reducing agents can be used after being more activated by contacting with an acid such as an organic acid.

また、本発明の触媒系において使用することのできる遷移金属塩以外の塩としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウム等のナトリウム化合物、フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウム等のカリウム化合物、フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウム等のアンモニウム化合物等が挙げられるが、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。   Examples of salts other than transition metal salts that can be used in the catalyst system of the present invention include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, and potassium chloride. Potassium compounds such as potassium bromide, potassium iodide, and potassium sulfate, and ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Sodium, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide and tetraethylammonium iodide are preferred.

触媒系における各成分の使用割合は、遷移金属塩または配位子が配位された遷移金属(塩)が、上記一般式(1d)で表される化合物と、一般式(2c)で表される化合物と、一般式(3d)で表される化合物の総計1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。0.0001モル未満では、重合反応が充分に進行せず、一方、10モルを超えると、分子量が低下するという問題が生ずるおそれがある。触媒系において、遷移金属塩及び配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、触媒活性が不充分となり、一方、100モルを超えると、分子量が低下することがある。   The proportion of each component used in the catalyst system is represented by the transition metal salt or transition metal (salt) coordinated with a ligand represented by the above general formula (1d) and the general formula (2c). The total amount of the compound and the compound represented by the general formula (3d) is usually 0.0001 to 10 mol, preferably 0.01 to 0.5 mol. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction does not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, there is a concern that the molecular weight is lowered. In the catalyst system, when a transition metal salt and a ligand component are used, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, relative to 1 mol of the transition metal salt. is there. If the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity becomes insufficient. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.

また、触媒系における還元剤の使用割合は、上記一般式(1d)で表される化合物と、一般式(2c)で表される化合物と、一般式(3d)で表される化合物の総計1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、重合が充分進行せず、一方、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難になることがある。   The ratio of the reducing agent used in the catalyst system is 1 in total of the compound represented by the general formula (1d), the compound represented by the general formula (2c), and the compound represented by the general formula (3d). It is 0.1-100 mol normally with respect to mol, Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, the polymerization does not proceed sufficiently. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.

さらに、触媒系に遷移金属塩以外の塩を使用する場合、その使用割合は、上記一般式(1a)で表される構造単位となりうる一般式(1d)で表されるモノマーと、上記一般式(2a)で表される構造単位となりうる一般式(2c)で表されるモノマーと、上記一般式(3a)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマー、すなわち一般式(3d)の総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。0.001モル未満では、重合速度を上げる効果が不充分となることがあり、一方、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となるおそれがある。   Further, when a salt other than the transition metal salt is used in the catalyst system, the use ratio thereof is the monomer represented by the general formula (1d) which can be the structural unit represented by the above general formula (1a), and the above general formula. Total 1 of the monomer represented by the general formula (2c) that can be the structural unit represented by (2a) and the monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (3a), that is, the general formula (3d) Usually, it is 0.001-100 mol with respect to mol, Preferably it is 0.01-1 mol. If it is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.

本発明で使用することのできる重合溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクタム等が挙げられ、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドンが好ましい。これらの重合溶媒は、充分に乾燥してから用いることが好ましい。重合溶媒中における上記一般式(1a)で表される構造単位となりうる一般式(1d)で表されるモノマーと、上記一般式(2a)で表される構造単位となりうる一般式(2c)で表されるモノマーと、上記一般式(3a)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマー、すなわち一般式(3c)の総計の濃度は、通常、1〜90質量%、好ましくは5〜40質量%である。   Examples of the polymerization solvent that can be used in the present invention include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, γ- Examples include butyrolactam, and tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and 1-methyl-2-pyrrolidone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried. In the polymerization solvent, a monomer represented by the general formula (1d) that can be the structural unit represented by the general formula (1a) and a general formula (2c) that can be the structural unit represented by the general formula (2a). The total concentration of the monomer represented by the above formula and the monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (3a), that is, the general formula (3c) is usually 1 to 90% by mass, preferably 5 to 40% by mass. %.

また、本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンを重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜80℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。   Moreover, the polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing the sulfonated polyarylene used by this invention is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-80 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.

(B1法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(1d)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(2a)で表される構造単位となりうる一般式(2c)で表されるモノマーと、必要により、上記一般式(3a)で表される構造単位となりうる一般式(3d)で表されるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(B1 method)
For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (1d) and not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and the general formula (2a) A monomer represented by the general formula (2c) that can be a structural unit represented, and, if necessary, a monomer or oligomer represented by the general formula (3d) that can be a structural unit represented by the general formula (3a). It can also be synthesized by copolymerization and sulfonation of this polymer using a sulfonating agent.

(C1法)
一般式(1d)において、Arが、−O(CHSOH、または−O(CFSOHで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特願2003−295974号(特開2005−60625号公報)に記載の方法で、上記一般式(1a)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(2a)で表される構造単位となりうる一般式(2c)で表されるモノマーと、必要により、上記一般式(3a)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(C1 method)
In the general formula (1d), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, for example, In the method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-60625), a precursor monomer that can be a structural unit represented by the above general formula (1a), and a compound represented by the above general formula (2a) The monomer represented by the general formula (2c) that can be a structural unit can be copolymerized with the monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (3a), if necessary, and then an alkylsulfonic acid or It can also be synthesized by a method of introducing a fluorine-substituted alkylsulfonic acid.

また、スルホン酸基を有するスルホン化ポリアリーレンは、これら前駆体のポリアリーレンを、スルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。   In addition, the sulfonated polyarylene having a sulfonic acid group can be obtained by converting these precursor polyarylenes into a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.

(A2法)
前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法である。
(Method A2)
In this method, polyarylene having a sulfonate group as a precursor is deesterified by the method described in JP-A No. 2004-137444.

(B2法)
前駆体のスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない前駆体を、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法である。
(Method B2)
In this method, the precursor having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group is sulfonated by the method described in JP-A-2001-342241.

(C2法)
前駆体のポリアリーレンに、特願2003−295974号(特開2005−60625号公報)に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法である。
(C2 method)
In this method, alkylsulfonic acid groups are introduced into the precursor polyarylene by the method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-60625).

(A2法)は、加水分解によりスルホン酸エステル基をスルホン酸基(−SOH)に転換する方法である。具体的には、以下の方法が挙げられる。
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記ポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法、
(2)トリフルオロ酢酸中で上記ポリアリーレンを80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、
(3)ポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SOR)1モルに対して1〜9倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドン等の溶液中で上記ポリアリーレンを80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法。
(Method A2) is a method of converting a sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group (—SO 3 H) by hydrolysis. Specifically, the following methods are mentioned.
(1) A method of adding the polyarylene to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid and stirring for 5 minutes or more,
(2) A method of reacting the polyarylene in trifluoroacetic acid at a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 5 to 10 hours,
(3) A solution containing 1 to 9 moles of lithium bromide with respect to 1 mole of the sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in the polyarylene, for example, 80 to 80 of the polyarylene in a solution such as N-methylpyrrolidone. A method of adding hydrochloric acid after reacting at a temperature of about 150 ° C. for about 3 to 10 hours.

(B2法)は、スルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない前駆体を、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウム等の公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することができる〔PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993);PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.3,p.736(1994);PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.7,p.2490〜2492(1993)〕。すなわち、このスルホン化の反応条件としては、スルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない前駆体のポリアリーレンを、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。溶剤としては、例えばn−ヘキサン等の炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素等が挙げられる。反応温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。   (Method B2) is carried out by using a precursor having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group using a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite or the like under known conditions. [Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 3, p. 730 (1993); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 3, p. 736 (1994); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 7, p. 2490-2492 (1993)]. That is, as the reaction conditions for the sulfonation, a precursor polyarylene having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene. The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. Moreover, reaction time is 0.5 to 1,000 hours normally, Preferably it is 1 to 200 hours.

(C2法)は、上記(C1法)に示すモノマー類を、上記一般式(2a)で表される構造単位となりうる一般式(2c)で表されるモノマーと、必要により上記一般式(3a)で表される構造単位となりうる一般式(3d)で表されるモノマーまたはオリゴマーとを共重合させることにより、−OM基または−SM基(Mは、水素原子またはアルカリ金属原子を示す)を有する前駆体のポリアリーレンを得た後、下記一般式(5)または(6)で表される化合物をアルカリ条件下で反応させることによってスルホン化することができる。

Figure 0005350974
(Method C2) is a method in which the monomers shown in the above (Method C1) are mixed with the monomer represented by the general formula (2c), which can be the structural unit represented by the above general formula (2a), and the general formula (3a) ) Or -SM group (M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom) by copolymerizing with a monomer or oligomer represented by the general formula (3d) that can be a structural unit represented by After obtaining the precursor polyarylene, it can be sulfonated by reacting the compound represented by the following general formula (5) or (6) under alkaline conditions.
Figure 0005350974

上記一般式(5)中、R40は、水素原子、フッ素原子、アルキル基、及びフッ素置換アルキル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示し、gは1〜20の整数を示す。

Figure 0005350974
In the general formula (5), R 40 represents at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, and a fluorine-substituted alkyl group, and g represents an integer of 1 to 20. Show.
Figure 0005350974

上記一般式(6)中、Lは、塩素原子、臭素原子、及びヨウ素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を示し、Mは、水素原子またはアルカリ金属原子を示す。R40及びgは、上記一般式(5)中のR40及びgと同義である。 In the general formula (6), L represents at least one atom selected from the group consisting of a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom, and M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom. R 40 and g have the same meanings as R 40 and g in the general formula (5).

[プロトン伝導膜]
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、上記共重合体からなり、燃料電池用固体高分子電解質に用いる場合には、膜状態で用いられる(以下、膜状態のことをプロトン伝導膜と呼ぶ)。
[Proton conducting membrane]
The sulfonated polyarylene used in the present invention is composed of the above-mentioned copolymer, and is used in a membrane state when used in a solid polymer electrolyte for a fuel cell (hereinafter, the membrane state is referred to as a proton conducting membrane). .

本発明で用いられるプロトン伝導膜は、上記スルホン化ポリアリーレンを有機溶剤中で混合させ、それを基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法等により製造することができる。ここで、上記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、例えばプラスチック製、金属製等の基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。   The proton conductive membrane used in the present invention can be produced by a casting method or the like in which the sulfonated polyarylene is mixed in an organic solvent and cast on a substrate to form a film. Here, the substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic, metal, or the like is used, and preferably a heat treatment such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate made of a plastic resin is used.

上記スルホン化ポリアリーレンを混合させる溶媒としては、共重合体を溶解する溶媒や膨潤させる溶媒であれば良く、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノン、アセトニトリル等の非プロトン系極性溶剤や、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶剤、メタノール、エタノール、プロパノール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、γ−ブチルラクトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン等のエーテル類等の溶剤が挙げられる。これらの溶剤は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」という。)が好ましい。   The solvent for mixing the sulfonated polyarylene may be a solvent that dissolves the copolymer or a solvent that swells. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N , N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone, acetonitrile, and other aprotic polar solvents, dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene and other chlorinated solvents, methanol, ethanol Alcohols such as propanol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monoe Alkylene glycol monoalkyl ethers such as ether, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, ketones such as γ- butyrolactone, tetrahydrofuran, solvents such as ethers 1,3-dioxane and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”) is preferable from the viewpoint of solubility and solution viscosity.

また、上記溶媒として、非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との混合物を用いる場合、該混合物の組成は、非プロトン系極性溶剤が95〜25質量%、好ましくは90〜25質量%、他の溶剤が5〜75質量%、好ましくは10〜75質量%(但し、合計は100質量%)である。他の溶剤の量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。この場合の非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との組み合わせとしては、非プロトン系極性溶剤としてNMP、他の溶剤として幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があるメタノールが好ましい。   When a mixture of an aprotic polar solvent and another solvent is used as the solvent, the composition of the mixture is such that the aprotic polar solvent is 95 to 25% by mass, preferably 90 to 25% by mass, A solvent is 5-75 mass%, Preferably it is 10-75 mass% (however, total is 100 mass%). When the amount of the other solvent is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent. In this case, the combination of the aprotic polar solvent and the other solvent is preferably NMP as the aprotic polar solvent and methanol having an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range as the other solvent.

上記スルホン化ポリアリーレンと添加剤を溶解させた溶液のポリマー濃度は、上記スルホン化ポリアリーレンの分子量にもよるが、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。5質量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40質量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The polymer concentration of the solution in which the sulfonated polyarylene and the additive are dissolved is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass, although it depends on the molecular weight of the sulfonated polyarylene. If it is less than 5% by mass, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by mass, the solution viscosity is too high to form a film, and surface smoothness may be lacking.

なお、溶液粘度は、上記スルホン化ポリアリーレンの分子量や、ポリマー濃度や、添加剤の濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると、粘度が高過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。   The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight of the sulfonated polyarylene, the polymer concentration and the additive concentration. s. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor and it may flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die, and it may be difficult to form a film by the casting method.

上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られるプロトン伝導膜の残留溶媒量を低減することができる。   After film formation as described above, when the obtained undried film is immersed in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the residual solvent amount of the resulting proton conducting membrane is reduced. be able to.

なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。   In addition, after film formation, before immersing an undried film in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後に乾燥すると、残存溶媒量が低減された膜が得られるが、このようにして得られる膜の残存溶媒量は、通常5質量%以下である。また、浸漬条件によっては、得られる膜の残存溶媒量を1質量%以下とすることができる。このような条件としては、例えば、未乾燥フィルム1質量部に対する水の使用量が50質量部以上であり、浸漬する際の水の温度が10〜60℃、浸漬時間が10分〜10時間である。   When the undried film is immersed in water and dried as described above, a film with a reduced amount of residual solvent is obtained. The residual solvent amount of the film thus obtained is usually 5% by mass or less. Further, depending on the immersion conditions, the amount of residual solvent in the obtained film can be set to 1% by mass or less. As such conditions, for example, the amount of water used is 50 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the undried film, the temperature of the water during immersion is 10 to 60 ° C., and the immersion time is 10 minutes to 10 hours is there.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥する。次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下、0.5〜24時間、真空乾燥することにより、膜を得ることができる。
本発明の方法により得られるプロトン伝導膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。
After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes. Next, the film can be obtained by vacuum drying at 50 to 150 ° C., preferably under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.
The proton conductive membrane obtained by the method of the present invention has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.

また、上記スルホン酸エステル基またはスルホン酸のアルカリ金属塩を有するポリアリーレンを上述したような方法でフィルム状に成形した後、加水分解や酸処理等の適切な後処理することにより、本発明で用いられるプロトン伝導膜を製造することもできる。具体的には、スルホン酸エステル基またはスルホン酸のアルカリ金属塩を有するポリアリーレンを上述したような方法でフィルム状に成形した後、その膜を加水分解または酸処理することにより、スルホン化ポリアリーレンを含むプロトン伝導膜を製造することができる。   In addition, the polyarylene having the sulfonic acid ester group or the alkali metal salt of sulfonic acid is formed into a film by the method described above, and then subjected to an appropriate post-treatment such as hydrolysis or acid treatment in the present invention. The proton conducting membrane used can also be manufactured. Specifically, a polyarylene having a sulfonic acid ester group or an alkali metal salt of a sulfonic acid is formed into a film by the method described above, and then the membrane is hydrolyzed or acid-treated to thereby obtain a sulfonated polyarylene. A proton conducting membrane containing can be produced.

また、プロトン伝導膜を製造する際に、上記スルホン化ポリアリーレン以外に、硫酸、リン酸等の無機酸、リン酸ガラス、タングステン酸、リン酸塩水和物、β−アルミナプロトン置換体、プロトン導入酸化物等の無機プロトン伝導体粒子、カルボン酸を含む有機酸、スルホン酸を含む有機酸、ホスホン酸を含む有機酸、適量の水等を併用しても良い。   In addition, when producing a proton conductive membrane, in addition to the sulfonated polyarylene, inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, phosphoric acid glass, tungstic acid, phosphate hydrate, β-alumina proton substitution product, proton introduction Inorganic proton conductor particles such as oxides, organic acids including carboxylic acids, organic acids including sulfonic acids, organic acids including phosphonic acids, appropriate amounts of water, and the like may be used in combination.

[電極]
本発明で用いられる電極は、触媒金属粒子または触媒金属粒子を導電性担体に担持してなる電極触媒、電極電解質からなり、必要に応じて炭素繊維、分散剤、撥水剤等の他の成分を含んでいてもよい。
[electrode]
The electrode used in the present invention comprises a catalyst metal particle or an electrode catalyst in which the catalyst metal particle is supported on a conductive carrier, an electrode electrolyte, and other components such as carbon fiber, a dispersant, and a water repellent as necessary. May be included.

触媒金属粒子としては、触媒活性を有するものであれば特に限定されないが、白金ブラック等の貴金属微粒子そのものからなるメタルブラックを使うことができる。   The catalyst metal particles are not particularly limited as long as they have catalytic activity, but metal black made of noble metal fine particles such as platinum black can be used.

触媒金属粒子を担持させる導電性担体としては、導電性と適度な耐食性を備えていれば特に限定されないが、触媒金属粒子を高分散させるための十分な比表面積を有し、かつ十分な電子伝導性を有することから、カーボン(炭素)を主成分とするものを使用することが望ましい。電極を構成する触媒担体は、触媒金属粒子を担持するだけではなく、電子を外部回路に取り出す、あるいは外部回路から取り入れるための集電体としての機能を果たさなければならない。触媒担体の電気抵抗が高いと電池の内部抵抗が高くなり、結果として電池の性能を低下させることになる。そのため、電極に含まれる触媒担体の電子導電率は十分に高くなければならない。つまり、電極触媒担体として十分な電子導電性を持っていれば利用可能で、好適には細孔の発達したカーボン材料が用いられる。細孔の発達したカーボン材料としては、カーボンブラックや活性炭等が好ましく使用できる。カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が挙げられ、また活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理して得られる。また、電子導電性を有する金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物や高分子化合物を含むことも可能である。なお、ここで言う主成分とは、60%以上の炭素質を含有することを意味する。   The conductive carrier for supporting the catalyst metal particles is not particularly limited as long as it has conductivity and appropriate corrosion resistance, but has a sufficient specific surface area for highly dispersing the catalyst metal particles and sufficient electron conduction. Therefore, it is desirable to use carbon (carbon) as a main component. The catalyst carrier that constitutes the electrode not only supports the catalyst metal particles, but also must function as a current collector for taking out electrons to the external circuit or taking them in from the external circuit. When the electric resistance of the catalyst carrier is high, the internal resistance of the battery is increased, and as a result, the performance of the battery is lowered. For this reason, the electronic conductivity of the catalyst carrier contained in the electrode must be sufficiently high. That is, it can be used as long as it has sufficient electronic conductivity as an electrode catalyst carrier, and preferably a carbon material with fine pores is used. As the carbon material having developed pores, carbon black, activated carbon or the like can be preferably used. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, acetylene black, and the like. Activated carbon is obtained by carbonizing and activating various carbon-containing materials. It is also possible to include metal oxides, metal carbides, metal nitrides and polymer compounds having electronic conductivity. In addition, the main component said here means containing 60% or more of carbonaceous matter.

また、導電性担体に担持させる触媒金属粒子としては、白金または白金合金を用いるが、白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、コバルト、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群から選ばれる1種以上と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。   In addition, platinum or a platinum alloy is used as the catalyst metal particles supported on the conductive carrier. However, when a platinum alloy is used, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), cobalt, iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, And an alloy of platinum and one or more selected from the group consisting of tin and platinum, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and a metal to be alloyed.

白金または白金合金の担持率(担持触媒全質量に対する白金または白金合金の質量の割合)は、20〜80質量%、特に30〜55質量%が好ましい。この範囲であれば、高い出力を得られる。担持率が20質量%未満では、充分な出力を得られないおそれがあり、80質量%を超えると、白金または白金合金の粒子を分散性よく担体となるカーボン材料に担持できないおそれがある。   The supported rate of platinum or platinum alloy (ratio of the mass of platinum or platinum alloy to the total mass of the supported catalyst) is preferably 20 to 80% by mass, particularly preferably 30 to 55% by mass. Within this range, high output can be obtained. If the loading rate is less than 20% by mass, sufficient output may not be obtained. If the loading rate exceeds 80% by mass, platinum or platinum alloy particles may not be supported on the carbon material serving as a carrier with good dispersibility.

また、白金または白金合金の一次粒子径は、高活性なガス拡散電極を得るためには1〜20nmであることが好ましく、特には、反応活性の点で白金または白金合金の表面積を大きく確保できる2〜5nmであることが好ましい。   Further, the primary particle diameter of platinum or platinum alloy is preferably 1 to 20 nm in order to obtain a highly active gas diffusion electrode. In particular, a large surface area of platinum or platinum alloy can be secured in terms of reaction activity. It is preferable that it is 2-5 nm.

電極電解質としては、スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質(イオン伝導性バインダー)が好適に用いられる。通常、担持触媒は当該電解質により被覆されており、この電解質の繋がっている経路を通ってプロトン(H)が移動する。 As the electrode electrolyte, an ion conductive polymer electrolyte (ion conductive binder) having a sulfonic acid group is suitably used. Usually, the supported catalyst is covered with the electrolyte, and protons (H + ) move through a path where the electrolyte is connected.

スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質としては、特に、NafionやFlemion、Aciplexに代表されるパーフルオロカーボン重合体が好適に用いられる。なお、パーフルオロカーボン重合体だけでなく、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系モノマーのスルホン化物、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子に、スルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマーや、本明細書で記載されている、スルホン化ポリアリーレン等の芳香族系炭化水素化合物を主とするイオン伝導性高分子電解質を用いてもよい。   As the ion conductive polymer electrolyte having a sulfonic acid group, a perfluorocarbon polymer represented by Nafion, Flemion, and Aciplex is particularly preferably used. In addition to perfluorocarbon polymers, sulfonated products of vinyl monomers such as polystyrene sulfonic acid, polymers having sulfonic acid groups or phosphoric acid groups introduced into heat-resistant polymers such as polybenzimidazole and polyether ether ketone, An ion conductive polymer electrolyte mainly composed of an aromatic hydrocarbon compound such as sulfonated polyarylene described in the present specification may be used.

また、前記イオン伝導性バインダーは、触媒粒子に対し、質量比で0.1〜3.0の割合で含有することが好ましく、特に0.3〜2.0の割合で含有することが好ましい。イオン伝導性バインダー比が0.1未満であると、プロトンを電解膜に伝達することができず、充分な出力が得られないおそれがあり、また、3.0を超えると、イオン伝導性バインダーが触媒粒子を完全に被覆してしまい、ガスが白金に到達できず、充分な出力が得られないおそれがある。   Moreover, it is preferable to contain the said ion conductive binder in the ratio of 0.1-3.0 by mass ratio with respect to catalyst particles, and it is preferable to contain especially in the ratio of 0.3-2.0. If the ion conductive binder ratio is less than 0.1, protons cannot be transmitted to the electrolyte membrane, and sufficient output may not be obtained. If the ion conductive binder ratio exceeds 3.0, the ion conductive binder may not be obtained. May completely cover the catalyst particles, the gas cannot reach platinum, and there is a possibility that sufficient output cannot be obtained.

必要に応じて添加することのできる炭素繊維としては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等を用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。炭素繊維を含んでいると、電極触媒層中の細孔容積が増加するため、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディング等を改善でき、発電性能が向上する。
なお、炭素繊維は、アノード側、カソード側の電極触媒層のいずれか一方または双方に含まれていてもよい。
As carbon fibers that can be added as necessary, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin poval-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used. Then, vapor growth carbon fiber is preferable. When carbon fiber is included, the pore volume in the electrode catalyst layer increases, so that the diffusibility of fuel gas and oxygen gas is improved, and flooding due to the generated water can be improved, and the power generation performance is improved. .
The carbon fiber may be contained in one or both of the anode-side and cathode-side electrode catalyst layers.

分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等が挙げられる。上記分散剤は、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、好ましくは塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性またはカチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは分子量5,000〜30,000の界面活性剤である。電極触媒層を形成する際に使用される電極用ペースト組成物に上記分散剤を添加すると、保存安定性及び流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。   Examples of the dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant. The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. . When the above dispersant is added to the electrode paste composition used for forming the electrode catalyst layer, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.

[膜−電極構造体]
本発明の膜−電極構造体は、アノードの触媒層、プロトン伝導膜、及びカソードの触媒層のみからなってもよいが、アノード、カソードともに触媒層の外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材からなるガス拡散層が配置されるとさらに好ましい。ガス拡散層は集電体としても機能するので、本明細書ではガス拡散層を有する場合はガス拡散層と触媒層とを合わせて電極というものとする。
[Membrane-electrode structure]
The membrane-electrode structure of the present invention may consist only of an anode catalyst layer, a proton conducting membrane, and a cathode catalyst layer. However, both the anode and cathode are electrically conductive such as carbon paper or carbon cloth outside the catalyst layer. More preferably, a gas diffusion layer made of a porous porous substrate is disposed. Since the gas diffusion layer also functions as a current collector, in this specification, when the gas diffusion layer is provided, the gas diffusion layer and the catalyst layer are collectively referred to as an electrode.

本発明の膜−電極構造体を備える固体高分子型燃料電池では、カソードには酸素を含むガス、アノードには水素を含むガスが供給される。具体的には、例えばガスの流路となる溝が形成されたセパレータを膜−電極構造体の両方の電極の外側に配置し、ガスの流路にガスを流すことにより膜−電極構造体に燃料となるガスを供給する。   In the polymer electrolyte fuel cell having the membrane-electrode structure of the present invention, a gas containing oxygen is supplied to the cathode, and a gas containing hydrogen is supplied to the anode. Specifically, for example, a separator in which a groove to be a gas flow path is formed is disposed outside both electrodes of the membrane-electrode structure, and the gas is flowed through the gas flow path to thereby form the membrane-electrode structure. Supply fuel gas.

本発明の膜−電極構造体を製造する方法としては、プロトン伝導膜の上に触媒層を直接形成し、必要に応じてガス拡散層で挟み込む方法、カーボンペーパー等のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成し、これをプロトン伝導膜と接合する方法、及び平板上に触媒層を形成し、これをプロトン伝導膜に転写した後に平板を剥離し、さらに必要に応じてガス拡散層で挟み込む方法等の各種の方法が採用できる。   As a method for producing the membrane-electrode structure of the present invention, a method of directly forming a catalyst layer on a proton conductive membrane and sandwiching it with a gas diffusion layer as necessary, a base material to be a gas diffusion layer such as carbon paper A method of forming a catalyst layer on the surface and bonding it to a proton conductive membrane, and forming a catalyst layer on a flat plate, transferring it to the proton conductive membrane, peeling the flat plate, and further, if necessary, a gas diffusion layer Various methods, such as a method of sandwiching with, can be adopted.

触媒層の形成方法としては、担持触媒と、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体と、を分散媒に分散させた分散液を用いて(必要に応じて撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒等を加え)、イオン交換膜、ガス拡散層、または平板上に形成させる公知の方法が採用できる。   As a method for forming the catalyst layer, a dispersion obtained by dispersing a supported catalyst and a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group in a dispersion medium (if necessary, a water repellent, a pore-forming agent, a thickening agent) is used. And a known method of forming on an ion exchange membrane, a gas diffusion layer, or a flat plate.

上記電極用ペースト組成物の形成方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布等が挙げられる。
触媒層をプロトン伝導膜上に直接形成しない場合は、触媒層とプロトン伝導膜とは、ホットプレス法、接着法(特開平7−220741参照)等により接合することが好ましい。
Examples of the method for forming the electrode paste composition include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.
When the catalyst layer is not directly formed on the proton conductive membrane, the catalyst layer and the proton conductive membrane are preferably joined by a hot press method, an adhesion method (see JP-A-7-220741) or the like.

以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。また、実施例において、「%」とは特に断りのない限り「質量%」を意味する。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to a following example. In Examples, “%” means “% by mass” unless otherwise specified.

[評価用プロトン伝導膜の調製]
後述の各実施例及び比較例で得られた共重合体を、N−メチルピロリドン/メタノール溶液に溶解させた後、アプリケーターを用いてPET基板上にキャスティングし、オーブンを用いて60℃×30分、80℃×40分、120℃×60分乾燥させた。乾燥して得られた膜を脱イオン水に浸漬した。浸漬後、50℃×45分乾燥させることにより、評価用のプロトン伝導膜を得た。
[Preparation of proton conducting membrane for evaluation]
The copolymer obtained in each Example and Comparative Example described below was dissolved in an N-methylpyrrolidone / methanol solution, then cast on a PET substrate using an applicator, and 60 ° C. × 30 minutes using an oven. , 80 ° C. × 40 minutes, 120 ° C. × 60 minutes. The dried membrane was immersed in deionized water. After immersion, the proton conductive membrane for evaluation was obtained by drying at 50 ° C. for 45 minutes.

[分子量]
後述の各実施例及び比較例で得られた共重合体を、N−メチルピロリドン緩衝溶液(以下、「NMP緩衝溶液」という。)に溶解し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって、ポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を求めた。NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調製した。
[Molecular weight]
The copolymer obtained in each Example and Comparative Example described later is dissolved in an N-methylpyrrolidone buffer solution (hereinafter referred to as “NMP buffer solution”), and converted to polystyrene by gel permeation chromatography (GPC). The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) were determined. The NMP buffer solution was prepared at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).

[スルホン酸基の当量]
得られたスルホン化ポリアリーレンの水洗水が中性になるまで蒸留水で洗浄し、フリーの残存している酸を除去した後、乾燥させた。この後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解させ、フェノールフタレインを指示薬として、NaOHの標準液にて滴定し、中和点から、スルホン酸基の当量(イオン交換容量)(meq/g)を求めた。
[Equivalent of sulfonic acid group]
The obtained sulfonated polyarylene was washed with distilled water until the washing water became neutral to remove free remaining acid, and then dried. Thereafter, a predetermined amount is weighed, dissolved in a mixed solvent of THF / water, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and the equivalent of sulfonic acid groups (ion exchange capacity) from the neutral point. (Meq / g) was determined.

[熱水試験]
プロトン伝導膜を2.0cm×3.0cmにカットして秤量し、試験用のテストピースとした。24℃、相対湿度(RH)50%条件下にて状態調整した後、このプロトン伝導膜を、ポリカーボネート製の250ml瓶に入れ、そこに約100mlの蒸留水を加え、プレッシャークッカー試験機(HIRAYAMA MFS CORP製、 PC−242HS)を用いて、120℃で24時間加温した。試験終了後、各フィルムを熱水中から取り出し、軽く表面の水をキムワイプで拭き取り、含水時の重量を秤量し、含水率を求めた。また、そのフィルムの寸法を測定し、膨潤率を求めた。さらに、この膜を24℃、RH50%条件下で状態調整し、水を留去して、熱水試験後の重量を秤量し、重量残存率を求めた。
[Hot water test]
The proton conductive membrane was cut into 2.0 cm × 3.0 cm and weighed to obtain a test piece for testing. After conditioning under conditions of 24 ° C. and 50% relative humidity (RH), the proton conducting membrane was placed in a polycarbonate 250 ml bottle, about 100 ml of distilled water was added thereto, and a pressure cooker tester (HIRAYAMA MFS) was added. The product was heated at 120 ° C. for 24 hours using CORP, PC-242HS). After completion of the test, each film was taken out from the hot water, the surface water was gently wiped off with a Kimwipe, and the water content was weighed to determine the water content. Moreover, the dimension of the film was measured and the swelling rate was calculated | required. Furthermore, this membrane was conditioned at 24 ° C. and RH 50%, water was distilled off, the weight after the hot water test was weighed, and the weight residual ratio was determined.

[プロトン伝導度]
交流抵抗は、5mm幅の短冊状の試料膜の表面に、白金線(f=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、85℃、相対湿度90%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流抵抗を測定した。下記数式(1)に従って、線間距離と抵抗の勾配から膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数からプロトン伝導度を算出した。

Figure 0005350974
[Proton conductivity]
The AC resistance was obtained by pressing a platinum wire (f = 0.5 mm) on the surface of a strip-shaped sample film having a width of 5 mm, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and measuring AC impedance between the platinum wires. . That is, the impedance at AC 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C. and relative humidity 90%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC resistance was measured. According to the following formula (1), the specific resistance of the membrane was calculated from the distance between the lines and the resistance gradient, and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance.
Figure 0005350974

[耐熱試験]
2cm×3cmにカットしたプロトン伝導膜を、ベンコットに挟み、カラス製の試料管に入れ、コンパクト精密恒温槽(AWC−2)で、空気条件下で160℃×24時間加熱した。加熱したプロトン伝導膜を、NMP緩衝溶媒に0.2wt%の濃度で溶解させ、GPC(NMP緩衝溶媒)(東ソー株式会社HCL−8220製)で分子量及びエリア面積(A24)を求めた。加熱前のプロトン伝導膜も同条件で測定を行い、分子量及びエリア面積(A0)を求め、分子量の変化、及び下記数式(2)に従って、不溶分率を求めた。なお、NMP緩衝溶媒は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調製した。

Figure 0005350974
[Heat resistance test]
A proton conducting membrane cut to 2 cm × 3 cm was sandwiched between bencots, placed in a crow sample tube, and heated in a compact precision thermostat (AWC-2) at 160 ° C. for 24 hours under air conditions. The heated proton conducting membrane was dissolved in NMP buffer solvent at a concentration of 0.2 wt%, and the molecular weight and area area (A24) were determined by GPC (NMP buffer solvent) (manufactured by Tosoh Corporation HCL-8220). The proton conducting membrane before heating was also measured under the same conditions, the molecular weight and area area (A0) were determined, and the insoluble fraction was determined according to the change in molecular weight and the following mathematical formula (2). The NMP buffer solvent was prepared at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).
Figure 0005350974

[膜−電極構造体の作製]
平均径50nmのカーボンブラック(ファーネスブラック)に白金粒子を、カーボンブラック:白金=1:1の質量比で担持させ、触媒粒子を作製した。次に、イオン伝導性バインダーとしてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(Dupont社製Nafion(商品名))溶液に、前記触媒粒子を、イオン伝導性バインダー:触媒粒子=8:5の質量比で均一に分散させ、触媒ペーストを調製した。
[Production of membrane-electrode structure]
Platinum particles were supported on carbon black (furnace black) having an average diameter of 50 nm at a mass ratio of carbon black: platinum = 1: 1 to prepare catalyst particles. Next, the catalyst particles are placed in a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound solution (Nafion (trade name) manufactured by Dupont) as an ion conductive binder at a mass ratio of ion conductive binder: catalyst particles = 8: 5. A catalyst paste was prepared by uniformly dispersing.

後述する実施例及び比較例で得られたポリマーからなるプロトン伝導膜の両面に、前記触媒ペーストを、白金含有量が0.5mg/cmとなるようにバーコーター塗布して乾燥させることにより、電極塗布膜(Catalyst Coated Membrane:CCM)を得た。前記乾燥は、100℃で15分間の乾燥を行なった後、140℃で10分間の二次乾燥を行なった。 By applying the catalyst paste on both sides of the proton conductive membranes made of the polymers obtained in Examples and Comparative Examples described later, applying a bar coater so that the platinum content is 0.5 mg / cm 2 and drying, An electrode coating film (Catalyst Coated Membrane: CCM) was obtained. The drying was performed at 100 ° C. for 15 minutes, followed by secondary drying at 140 ° C. for 10 minutes.

カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子とを、カーボンブラック:PTFE粒子=4:6の質量比で混合し、得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーを、カーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて下地層とし、該下地層とカーボンペーパーとからなるガス拡散層を2つ作製した。   Carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) particles are mixed at a mass ratio of carbon black: PTFE particles = 4: 6, and a slurry in which the obtained mixture is uniformly dispersed in ethylene glycol is mixed on one side of carbon paper. The base layer was coated and dried to prepare two gas diffusion layers composed of the base layer and carbon paper.

前記CCMを前記ガス拡散層の下地層側で狭持し、ホットプレスを行なって膜−電極構造体を得た。前記ホットプレスは、160℃、3MPaで5分間の条件で実施した。また、本実施例で得られた膜−電極構造体は、ガス拡散層の上にさらにガス通路を兼ねるセパレーターを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成することができる。   The CCM was sandwiched between the gas diffusion layer and the base layer side, and hot pressing was performed to obtain a membrane-electrode structure. The hot pressing was performed at 160 ° C. and 3 MPa for 5 minutes. Further, the membrane-electrode structure obtained in this example can constitute a solid polymer fuel cell by further laminating a separator that also serves as a gas passage on the gas diffusion layer.

[発電特性の評価]
得られた膜−電極構造体を用いて、温度85℃、燃料極側/酸素極側の相対湿度を100%/100%、電流密度を1A/cmとした発電条件により、発電性能を評価した。燃料極側には純水素を、酸素極側には空気をそれぞれ供給した。さらに、発電耐久性の評価として、該膜−電極構造体を用い、温度85℃、OCVの条件下で、相対湿度100/100%RH〜0/0%RHの乾湿サイクルテストを実施し、クロスリークに至るまでの時間を計測した。クロスリークまでの時間が5000サイクル以上だったものを優良として「◎」で表示し、3000サイクル以上5000サイクル未満だったものを良として「○」で表示し、3000サイクル未満だったものを不良として「×」で表示した。
[Evaluation of power generation characteristics]
Using the obtained membrane-electrode structure, the power generation performance was evaluated under the power generation conditions where the temperature was 85 ° C., the relative humidity on the fuel electrode side / oxygen electrode side was 100% / 100%, and the current density was 1 A / cm 2. did. Pure hydrogen was supplied to the fuel electrode side, and air was supplied to the oxygen electrode side. Furthermore, as an evaluation of power generation durability, a dry / wet cycle test was performed at a relative humidity of 100/100% RH to 0/0% RH under the conditions of a temperature of 85 ° C. and an OCV using the membrane-electrode structure. The time to leak was measured. If the time until cross leak is 5000 cycles or more, it is indicated as “◎” as excellent, and “3,000” or more and less than 5000 cycles is indicated as “good”, and if it is less than 3000 cycles Displayed as “×”.

<含窒素複素環を有する構造単位>
含窒素複素環として、2,5−ジクロロピリジン(東京化成製)、2,5−ジブロモピリミジン(Chem.Lett.,583−586(1992))、5,5’−ジブロモ−2,2’−ビピリジン(Chem.Lett.,223(1990))、5,8−ジブロモキノリン(Macromolecules, 24、5883−5885(1991))、2,6−ジクロロキノリン(Macromolecules, 27、756−761(1994))、2,6−ジクロロ−1,5−ナフチリジン、2,2’−ジクロロー6,6’−ビキノリン(Macromolecules, 28、4260−4267(1995))、5,8−キノキサリン、2,6−キノキサリン(J.Am.Chem.Soc., 118、3930−3937(1996))を用いた。

Figure 0005350974
<Structural unit having nitrogen-containing heterocycle>
As nitrogen-containing heterocycles, 2,5-dichloropyridine (manufactured by Tokyo Chemical Industry), 2,5-dibromopyrimidine (Chem. Lett., 583-586 (1992)), 5,5′-dibromo-2,2′- Bipyridine (Chem. Lett., 223 (1990)), 5,8-dibromoquinoline (Macromolecules, 24, 5883-5858 (1991)), 2,6-dichloroquinoline (Macromolecules, 27, 756-761 (1994)) 2,6-dichloro-1,5-naphthyridine, 2,2′-dichloro-6,6′-biquinoline (Macromolecules, 28, 4260-4267 (1995)), 5,8-quinoxaline, 2,6-quinoxaline ( J. Am. Chem. Soc., 118, 3930-3937 ( 996)) was used.
Figure 0005350974

<スルホン酸基を有する構造単位の合成>
撹拌機、冷却管を備えた3Lの三口フラスコに、クロロスルホン酸(233.0g、2mol)を加え、続いて2,5−ジクロロベンゾフェノン(100.4g、400mmol)を加え、100℃のオイルバスで8時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷(1000g)にゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶(3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロリド)を得た。粗結晶は精製することなく、そのまま次工程に用いた。
<Synthesis of a structural unit having a sulfonic acid group>
Chlorosulfonic acid (233.0 g, 2 mol) was added to a 3 L three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser, followed by 2,5-dichlorobenzophenone (100.4 g, 400 mmol), and an oil bath at 100 ° C. For 8 hours. After a predetermined time, the reaction solution was slowly poured onto crushed ice (1000 g) and extracted with ethyl acetate. The organic layer was washed with brine and dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain pale yellow crude crystals (3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonic acid chloride). The crude crystals were used in the next step without purification.

2,2−ジメチル−1−プロパノール(ネオペンチルアルコール)(38.8g、440mmol)をピリジン300mlに加え、約10℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約30分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに30分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水1000ml中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、目的物である3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル(30−1)の白色結晶を得た。

Figure 0005350974
2,2-Dimethyl-1-propanol (neopentyl alcohol) (38.8 g, 440 mmol) was added to 300 ml of pyridine and cooled to about 10 ° C. The crude crystals obtained above were gradually added thereto over about 30 minutes. After the total amount was added, the reaction was further stirred for 30 minutes. After the reaction, the reaction solution was poured into 1000 ml of aqueous hydrochloric acid, and the precipitated solid was collected. The obtained solid was dissolved in ethyl acetate, washed with aqueous sodium hydrogen carbonate solution and brine, dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain crude crystals. This was recrystallized with methanol to obtain white crystals of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate (30-1), which was the target product.
Figure 0005350974

<芳香族構造を有する構造単位の合成>
撹拌機、温度計、Dean−stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル154.8g(0.9mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン269.0g(0.8mol)、炭酸カリウム143.7g(1.04mol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン1020mL、トルエン510mLを加えて撹拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間撹拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル51.6g(0.3mol)を加え、さらに5時間反応させた。
<Synthesis of a structural unit having an aromatic structure>
To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen inlet tube, and condenser tube, 154.8 g (0.9 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,2-bis (4- Hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane 269.0 g (0.8 mol) and potassium carbonate 143.7 g (1.04 mol) were weighed. After substitution with nitrogen, 1020 mL of sulfolane and 510 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 51.6 g (0.3 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.

反応液を放冷後、トルエン250mLを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩を濾過し、濾液をメタノール8Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン500mLに溶解し、これをメタノール5Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、目的物258gを得た。GPCで測定したMnは8,200であった。得られた化合物は式(30−2)で表されるオリゴマーであることを確認した。

Figure 0005350974
The reaction solution was allowed to cool and then diluted by adding 250 mL of toluene. Inorganic salts insoluble in the reaction solution were filtered, and the filtrate was poured into 8 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 500 mL of tetrahydrofuran, and poured into 5 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 258 g of the desired product. Mn measured by GPC was 8,200. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (30-2).
Figure 0005350974

(実施例1)
上記式(30−1)で表される化合物19.06g(47.5mmol)と、2,5−ジクロロピリジン0.25g(1.7mmol)と、上記式(30−2)で表される化合物6.40g(0.8mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.31g(2.0mmol)、トリフェニルホスフィン3.93g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム0.22g(1.5mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)の混合物中に乾燥したジメチルアセトアミド(DMAc)85mLを窒素下で加えた。
Example 1
19.06 g (47.5 mmol) of the compound represented by the above formula (30-1), 0.25 g (1.7 mmol) of 2,5-dichloropyridine, and the compound represented by the above formula (30-2) 6.40 g (0.8 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.31 g (2.0 mmol), triphenylphosphine 3.93 g (15 mmol), sodium iodide 0.22 g (1.5 mmol), zinc 7 To a mixture of .84 g (120 mmol), 85 mL of dry dimethylacetamide (DMAc) was added under nitrogen.

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc193mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。濾液に臭化リチウム13.27g(153mmol)を加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水1.5Lに注ぎ、凝固した。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸370gで撹拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、イオン交換容量を表1に示す。得られたポリマーは、下記式(30−3)で表されることを確認した。

Figure 0005350974
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 193 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid. Lithium bromide (13.27 g, 153 mmol) was added to the filtrate and reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 1.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed while being stirred with 370 g of 1N sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution became 5 or higher. As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, the ion exchange capacity is shown in Table 1. It was confirmed that the obtained polymer was represented by the following formula (30-3).
Figure 0005350974

(実施例2〜9)
表1に示すような含窒素複素環を用いて、仕込比を表1に示すような割合で用いた以外は、実施例1と同様にしてポリマーを得た。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果と、イオン交換容量を表1に示す。
(Examples 2-9)
A polymer was obtained in the same manner as in Example 1 except that a nitrogen-containing heterocycle as shown in Table 1 was used and the charge ratio was used at a ratio as shown in Table 1. The results of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC and the ion exchange capacity are shown in Table 1.

(比較例1)
上記式(30−1)で表される化合物19.66g(49.0mmol)と、上記式(30−2)で表される化合物8.20g(1.0mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.31g(2.0mmol)、トリフェニルホスフィン3.93g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム0.22g(1.5mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)の混合物中に乾燥したDMAc92mLを窒素下で加えた。
(Comparative Example 1)
19.66 g (49.0 mmol) of the compound represented by the above formula (30-1), 8.20 g (1.0 mmol) of the compound represented by the above formula (30-2), bis (triphenylphosphine) nickel 92 mL of dried DMAc in a mixture of 1.31 g (2.0 mmol) dichloride, 3.93 g (15 mmol) triphenylphosphine, 0.22 g (1.5 mmol) sodium iodide, 7.84 g (120 mmol) zinc under nitrogen. added.

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc193mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。濾液に臭化リチウム12.77g(147mmol)を加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水1.5Lに注ぎ、凝固した。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸370gで撹拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果と、イオン交換容量を表1に示す。得られたポリマーは、下記式(30−4)で表されることを確認した。

Figure 0005350974
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 193 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid. To the filtrate, 12.77 g (147 mmol) of lithium bromide was added and reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 1.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed while being stirred with 370 g of 1N sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution became 5 or higher. The results of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC and the ion exchange capacity are shown in Table 1. It was confirmed that the obtained polymer was represented by the following formula (30-4).
Figure 0005350974

(比較例2)
上記式(30−1)で表される化合物19.26g(48.0mmol)と、(30−5)で表される化合物0.35g(1.1mol)、(30−2)で表される化合物7.38g(0.9mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.31g(2.0mmol)、トリフェニルホスフィン3.93g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム0.22g(1.5mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)の混合物中に乾燥したDMAc89mLを窒素下で加えた。
(Comparative Example 2)
19.26 g (48.0 mmol) of the compound represented by the above formula (30-1) and 0.35 g (1.1 mol) of the compound represented by (30-5) and (30-2) Compound 7.38 g (0.9 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.31 g (2.0 mmol), triphenylphosphine 3.93 g (15 mmol), sodium iodide 0.22 g (1.5 mmol), zinc 89 mL of dry DMAc in 7.84 g (120 mmol) of the mixture was added under nitrogen.

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc193mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。濾液に臭化リチウム13.08g(150.6mmol)を加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水1.5Lに注ぎ、凝固した。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸370gで撹拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果と、イオン交換容量を表1に示す。得られたポリマーは、下記式(30−6)で表されることを確認した。

Figure 0005350974
Figure 0005350974
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 193 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid. Lithium bromide (13.08 g, 150.6 mmol) was added to the filtrate and reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 1.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed while being stirred with 370 g of 1N sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution became 5 or higher. The results of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC and the ion exchange capacity are shown in Table 1. It was confirmed that the obtained polymer was represented by the following formula (30-6).
Figure 0005350974
Figure 0005350974

Figure 0005350974
Figure 0005350974

Figure 0005350974
Figure 0005350974

主鎖に窒素を含む複素環を導入することにより、比較例1と対比すると、プロトン伝導度は同等であり、熱水試験における含水率、面積変化を抑制できることが判った。また、耐熱試験における架橋耐性は、窒素を含む複素環を導入する方が高く、本実施例の膜−電極構造体の発電耐久性も高いことが判った。   It was found that by introducing a heterocyclic ring containing nitrogen in the main chain, the proton conductivity is equivalent to that of Comparative Example 1, and the moisture content and area change in the hot water test can be suppressed. Further, it was found that the cross-linking resistance in the heat resistance test was higher when a heterocycle containing nitrogen was introduced, and the membrane-electrode structure of this example also had higher power generation durability.

また、実施例1〜9と比較例2とを対比すると、側鎖に窒素を含む複素環を導入するより、主鎖に窒素を含む複素環を導入する方が、熱水試験における含水率、面積変化を抑制でき、膜−電極構造体の発電耐久性が向上することが判った。   Further, when comparing Examples 1 to 9 and Comparative Example 2, it is preferable to introduce a heterocyclic ring containing nitrogen into the main chain, rather than introducing a heterocyclic ring containing nitrogen into the side chain, It was found that the area change can be suppressed and the power generation durability of the membrane-electrode structure is improved.

Claims (1)

プロトン伝導膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を設けた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、
前記プロトン伝導膜は、下記一般式(1a)で表されるプロトン伝導性基を有する構造単位と、主鎖に下記一般式(2a)で表される窒素を含む複素環構造を有する構造単位と、下記一般式(3a)で表される芳香族構造を有する構造単位と、を含有してなるスルホン化ポリアリーレンを含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
Figure 0005350974
[式(1a)中、Yは、−CO−示し、Zは、直接結合、または、−(CH−(lは1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、及び−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Arは、−SO表される置換基を有するベンゼン環を示す。mは0示し、nは0示し、kは1〜4の整数を示す。構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。]
Figure 0005350974
[式(2a)中、Ar31は、ピリジン、ピリミジン、キノリン、ナフチリジン、キノキサリン、または、下記化学式(2b)で表される構造のいずれか1種の構造を示す。構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。]
Figure 0005350974
[式(2b)中、構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。]
Figure 0005350974
[式(3a)中、Aは−C(CF −を示し、Dは独立に、直接結合、または、−CO−、−SO −、−SO−、−(CF −(lは1〜10の整数である)、−C(CF −、−(CH −(lは1〜10の整数である)、−CR’ −(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、−O−、−S−、シクロヘキシリデン基、及びフルオレニリデン基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Bはいずれも酸素原子であり、R 〜R は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部または全てがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、及びニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示し、R 〜R のうちいずれか1つはニトリル基を示し残り3つは水素原子を示し、R 〜R 16 はいずれも水素原子を示す。sは0を示し、tは1を示し、rは1以上の整数を示す。構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。]
In a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell in which an anode electrode is provided on one side of a proton conducting membrane and a cathode electrode is provided on the other side,
The proton conductive membrane includes a structural unit having a proton conductive group represented by the following general formula (1a), and a structural unit having a heterocyclic structure containing nitrogen represented by the following general formula (2a) in the main chain. And a sulfonated polyarylene containing a structural unit having an aromatic structure represented by the following general formula (3a) : A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
Figure 0005350974
Wherein (1a), Y represents a -CO-, Z is a direct bond, or, - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (CH 3) 2 -, - O-, and represents at least one structure selected from the group consisting of -S-, Ar represents a benzene ring having a substituent represented by -SO 3 H. m is an 0, n represents a 0, k is an integer of 1-4. Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
Figure 0005350974
[In the formula (2a), Ar 31 represents any one of pyridine, pyrimidine, quinoline, naphthyridine, quinoxaline, or a structure represented by the following chemical formula (2b) . Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
Figure 0005350974
[In the formula (2b), among the single wires at the end of the structural unit, one on which no substituent is displayed means connection with an adjacent structural unit. ]
Figure 0005350974
[In the formula (3a), A represents —C (CF 3 ) 2 —, and D independently represents a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 -, - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic An aromatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), -O-, -S-, a cyclohexylidene group, and a fluorenylidene group. , B are all oxygen atoms, and R 1 to R 4 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which part or all are halogenated, allyl Selected from the group consisting of a group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group It represents at least one kind of atom or group, any one of R 5 to R 8 represents a nitrile group, the remaining three represent a hydrogen atom, and R 9 to R 16 all represent a hydrogen atom. s represents 0, t represents 1, and r represents an integer of 1 or more. Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
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