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JP2008288097A - Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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JP2008288097A
JP2008288097A JP2007133143A JP2007133143A JP2008288097A JP 2008288097 A JP2008288097 A JP 2008288097A JP 2007133143 A JP2007133143 A JP 2007133143A JP 2007133143 A JP2007133143 A JP 2007133143A JP 2008288097 A JP2008288097 A JP 2008288097A
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長之 金岡
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Abstract

【課題】従来検討されてきたフッ素系電解質膜や芳香族系電解質膜が抱える問題点を解決し、耐熱性及び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。
【解決手段】側鎖にスルホン酸基を含む含窒素複素環を有する単量体から得られるスルホン化ポリアリーレンをプロトン伝導膜として用いることにより、耐熱性及びプロトン伝導性に優れた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体を提供できる。
【選択図】なし
A membrane-electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a proton conductive membrane that solves the problems of conventional fluorine-based electrolyte membranes and aromatic electrolyte membranes and has excellent heat resistance and proton conductivity Provide a structure.
A solid polymer type having excellent heat resistance and proton conductivity by using a sulfonated polyarylene obtained from a monomer having a nitrogen-containing heterocycle containing a sulfonic acid group in the side chain as a proton conductive membrane. A membrane-electrode structure for a fuel cell can be provided.
[Selection figure] None

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、排出物も少なく、環境への負担の低い発電システムである。近年の地球環境保護、化石燃料依存からの脱却への関心の高まりにつれ、脚光を浴びている電池である。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、又はリチウムイオン電池等の二次電池に替わって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 having high power generation efficiency, low emissions, and low environmental burden. The battery has been in the limelight as the interest in global environmental protection and the departure from dependence on fossil fuels has increased in recent years. Fuel cells are expected to be installed in mobile phones and mobile PCs in place of small distributed power generation facilities, power generation devices as driving sources for moving objects such as automobiles and ships, or 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)へ供給することにより、起電力を得るものである。また、水電解は、固体高分子電解質膜を用いて水を電気分解することにより、燃料電池反応の逆反応を起こさせて水素と酸素を製造するものである。   A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conducting polymer electrolyte membrane, supplies pure hydrogen or reformed hydrogen gas as fuel to one electrode (fuel electrode), oxygen gas or An electromotive force is obtained by supplying air to the other electrode (air electrode) as an oxidant. In water electrolysis, hydrogen and oxygen are produced by electrolyzing water using a solid polymer electrolyte membrane to cause a reverse reaction of the fuel cell reaction.

しかしながら、実際の燃料電池や水電解では、これら主反応の他に副反応が起こるという問題がある。その代表的なものが過酸化水素(H)の生成反応であり、この過酸化水素に起因するラジカル種が、固体高分子電解質膜を劣化させる原因となっている。 However, actual fuel cells and water electrolysis have a problem that side reactions occur in addition to these main reactions. A typical example is a reaction for generating hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and radical species resulting from the hydrogen peroxide cause deterioration of the solid polymer electrolyte membrane.

従来、固体高分子電解質膜としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成工業株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)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、化学安定性に優れる観点から多用されてきた。   Conventionally, solid polymer electrolyte membranes are commercially available under the trade names Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Perfluorosulfonic acid-based membranes have been frequently used from the viewpoint of excellent chemical stability.

しかしながら、Nafionのようなパーフルオロスルホン酸系膜は、製造が困難で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、分子内に大量のフッ素原子を有しているため、使用後の廃棄処理に関して、環境への大きな負荷という問題を抱えている。   However, a perfluorosulfonic acid membrane such as Nafion has a problem that it is difficult to manufacture and is very expensive, which is a major obstacle to popularization in consumer applications such as fuel cell vehicles and household fuel cell power generation systems. ing. Moreover, since it has a large amount of fluorine atoms in the molecule, it has a problem of a heavy load on the environment with respect to disposal after use.

また、燃料電池は、より高温で、且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、発電出力を高めることができる。しかしながら、これらパーフルオロ酸系膜は、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ゆえ、燃料電池にこれらの膜を用いた際の発電温度を80℃以下に保たなければならず、発電出力に制限があるという問題も抱えている。また、長期に使用した際の膜厚の安定性も乏しく、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、薄膜化が困難であると考えられている。   In addition, the fuel cell has a lower membrane resistance and higher power generation output as the proton conductive membrane between the electrodes is thinner at higher temperatures. However, these perfluoro acid-based membranes have a heat distortion temperature of about 80 to 100 ° C. and creep resistance at a high temperature is very poor. Therefore, the power generation temperature when these membranes are used in a fuel cell is 80 ° C. or less. There is also a problem that power generation output is limited. Also, the stability of the film thickness when used for a long time is poor, and in order to prevent a short circuit between the electrodes, a certain degree of film thickness (50 μm or more) is necessary, and it is considered difficult to reduce the film thickness. Yes.

このような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固体高分子電解質膜が、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(例えば、非特許文献1〜3参照)。
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.42,No.3,p730(1993)
In order to solve such problems of perfluorosulfonic acid membranes, solid polymer electrolyte membranes that do not contain fluorine atoms, are cheaper, and have a heat-resistant main chain skeleton 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 (for example, Non-Patent Document 1). To 3).
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. 42, no. 3, p730 (1993)

しかしながら、これら主鎖芳香環がスルホン化されたポリマーは吸水性が大きく、耐熱水性が劣ることから、スルホン酸基等の親水基の導入量に制限がある。また、発電耐久性の尺度とされるフェントン試薬耐性(ヒドロキシラジカル耐性)に乏しい材料であった。これらの電解質膜を長期間、100℃以上の高温下に暴露した際には、スルホン酸が脱離してプロトン伝導性能が低下したり、スルホン酸基が導入されていない他の芳香環と架橋反応を起こして脆化するという問題を有していた。膜の脆化が進行すると、長期発電時に膜の破断(ピンホール)が生じて発電不能となる可能性がある。   However, these sulfonated polymers of the main chain aromatic ring have high water absorption and poor hot water resistance, so that the introduction amount of hydrophilic groups such as sulfonic acid groups is limited. Moreover, it was a material with poor Fenton reagent resistance (hydroxy radical resistance), which is a measure of power generation durability. When these electrolyte membranes are exposed to a high temperature of 100 ° C. or higher for a long period of time, the sulfonic acid is eliminated and the proton conduction performance is lowered, or the other aromatic ring having no sulfonic acid group introduced is crosslinked. It had the problem of causing embrittlement. If the membrane becomes more brittle, the membrane may be broken (pinholes) during long-term power generation, and power generation may become impossible.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来検討されてきたフッ素系電解質膜や芳香族系電解質膜が抱える問題点を解決し、耐熱性及び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 present invention has been made in view of the above problems, and its object is to solve the problems of conventional fluorine-based electrolyte membranes and aromatic-based electrolyte membranes, and to have excellent heat resistance and proton conductivity. An object of the present invention is to provide a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell including a proton conducting membrane.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、側鎖にスルホン酸基を含む含窒素複素環を有する単量体から得られるスルホン化ポリアリーレンをプロトン伝導膜として用いることにより、耐熱性及びプロトン伝導性に優れた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。   The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, a solid polymer fuel excellent in heat resistance and proton conductivity can be obtained by using a sulfonated polyarylene obtained from a monomer having a nitrogen-containing heterocycle containing a sulfonic acid group in the side chain as a proton conductive membrane. It has been found that a membrane-electrode structure for a battery can be provided, and the present invention has been completed. More specifically, the present invention provides the following.

(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(2)で表される繰り返し単位を有する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 2008288097
・・・(2)
[式(2)中、Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、及び−C(CF−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Wは、直接結合、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、−C(CF−、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Zは、直接結合、又は、−(CH−(lは、1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、−S−、−CO−、及び−SO−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。R20は、−SOH、−O(CHSOH、又は−O(CFSOH(hは、1〜12の整数)で表される置換基を少なくとも1個有する含窒素複素環を示す。pは0〜10の整数を示し、qは0〜10の整数を示し、rは1〜5の整数を示し、kは0〜4の整数を示す。] (1) 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 conducting membrane is represented by the following general formula (2): A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a repeating unit represented by:
Figure 2008288097
... (2)
Wherein (2), Y is, -CO -, - SO 2 - , - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10) And at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —. W is a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C ( CF 3 ) 2 —, —O—, and —S— represent at least one structure selected from the group consisting of —S—. Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CO—, and 1 shows at least one structure selected from the group consisting of —SO 2 —. R 20 represents at least one substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) h SO 3 H, or —O (CF 2 ) h SO 3 H (h is an integer of 1 to 12). The nitrogen-containing heterocycle which has one piece is shown. p shows the integer of 0-10, q shows the integer of 0-10, r shows the integer of 1-5, k shows the integer of 0-4. ]

(2) 前記含窒素複素環が、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、イミダゾール、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、2H−ピロール、1H−インダゾール、プリン、フタラジン、ナフチリジン、シンノリン、プテリジン、カルボリン、フェナントリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェナルサジン、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、ピラゾリン、ピラゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジンからなる含窒素複素環、及びこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物から誘導される基であることを特徴とする(1)記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。   (2) The nitrogen-containing heterocycle is pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, imidazole, imidazoline, imidazolidine, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, indole, quinoline , Isoquinoline, bryne, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline, indolizine, isoindole, 3H-indole, 2H-pyrrole, 1H-indazole, purine, phthalazine, naphthyridine, cinnoline, pteridine, carboline, feline Nanthridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, phenalsazine, phenothiazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, pyrazoline, (1) Description: A group derived from at least one compound selected from the group consisting of nitrogen-containing heterocycles consisting of zolidine, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, and derivatives thereof. A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell.

(3) さらに、下記一般式(3)で表される繰り返し単位を有することを特徴とする(1)又は(2)記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。

Figure 2008288097
・・・(3)
[式(3)中、A及びC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)、−C(CF−、−(CH−(lは、1〜10の整数である)、−C(CR’−(R’は、炭化水素基、又は環状炭化水素基を示す)、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Bは、独立に、酸素原子、又は硫黄原子を示す。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、一部又は全部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、及びニトリル基よりなる群から選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。s及びtは、それぞれ独立に0〜4の整数を示し、uは、0以上の整数を示す。] (3) The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to (1) or (2), further having a repeating unit represented by the following general formula (3).
Figure 2008288097
... (3)
Wherein (3), A and C are each independently a direct bond, -CO -, - SO 2 - , - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is , an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 -, - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (CR '2 ) 2 - (R 'Represents a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—. B independently represents 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 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 each independently represent an integer of 0 to 4, and u represents an integer of 0 or more. ]

(4) 前記Yが、−CO−、又は−SO−を示し、前記W及びZが、それぞれ独立に、直接結合、−CO−、−SO−、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示し、前記p及びqが0〜2の整数であり、前記rが1〜2の整数であることを特徴とする(1)から(3)いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。 (4) Y represents —CO— or —SO 2 —, and W and Z are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —O—, and —S—. Any one of (1) to (3), wherein at least one structure selected from the group consisting of p and q is an integer of 0 to 2 and r is an integer of 1 to 2 The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell as described.

(5) 前記R20が、−SOH、−O( CHSOH、又は−O(CFSOH(hは、1〜12の整数)で表される置換基を少なくとも1個有するピリジン、イミダゾール、トリアゾール、及びこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物から誘導される基であることを特徴とする(1)から(4)いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。 (5) Substitution wherein R 20 is represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) h SO 3 H, or —O (CF 2 ) h SO 3 H (h is an integer of 1 to 12). Any one of (1) to (4), which is a group derived from at least one compound selected from the group consisting of pyridine, imidazole, triazole, and derivatives thereof having at least one group A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell.

(6) 前記プロトン伝導膜のイオン交換容量が、0.5meq/g〜3meq/gであることを特徴とする(1)から(5)いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。   (6) The membrane-electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of (1) to (5), wherein an ion exchange capacity of the proton conducting membrane is 0.5 meq / g to 3 meq / g Structure.

本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体は、側鎖にスルホン酸基を含む含窒素複素環を有する単量体から得られるスルホン化ポリアリーレンをプロトン伝導膜として用いているため、耐熱性及びプロトン伝導性に優れるうえ、靭性及び機械的強度に優れる。また、本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、スルホン酸基の導入量を容易に制御することができるため、広い温度範囲に亘って良好なプロトン伝導性、靭性、及び機械的強度を有する固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体が得られる。   The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention uses a sulfonated polyarylene obtained from a monomer having a nitrogen-containing heterocyclic ring containing a sulfonic acid group in the side chain as a proton conductive membrane. Therefore, it is excellent in heat resistance and proton conductivity, and is excellent in toughness and mechanical strength. In addition, since the sulfonated polyarylene used in the present invention can easily control the amount of sulfonic acid groups introduced, it is a solid having good proton conductivity, toughness, and mechanical strength over a wide temperature range. A membrane-electrode structure for a polymer fuel cell is obtained.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体のプロトン伝導膜として用いられるスルホン化ポリアリーレンは、主鎖にフェニレン結合を有する重合体であって、側鎖にスルホン酸基を含む含窒素複素環を有する芳香族化合物を重合することにより得られる。   The sulfonated polyarylene used as the proton conducting membrane of the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a polymer having a phenylene bond in the main chain and containing a sulfonic acid group in the side chain. It can be obtained by polymerizing an aromatic compound having a nitrogen-containing heterocycle.

<芳香族化合物>
上記スルホン化ポリアリーレンの重合に用いられる芳香族化合物は、下記一般式(1)で表される。

Figure 2008288097
・・・(1) <Aromatic compounds>
The aromatic compound used for the polymerization of the sulfonated polyarylene is represented by the following general formula (1).
Figure 2008288097
... (1)

上記式(1)中、Xは、フッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、及び−OSORbよりなる群から選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。ここで、Rbは、アルキル基、フッ素置換アルキル基、又はアリール基を示す。具体的には、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基、フェニル基を挙げることができる。 The formula (1), X represents a halogen atom except fluorine (chlorine, bromine, iodine), and at least one atom or group selected from the group consisting of -OSO 2 Rb. Here, Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, a trifluoromethyl group, and a phenyl group.

上記式(1)中、Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、及び−C(CF−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。より好ましくは、Yは、−CO−、−SO−である。 In the above formula (1), 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 —. More preferably, Y is —CO— or —SO 2 —.

上記式(1)中、Wは、直接結合、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、−C(CF−、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。より好ましくは、Wは、直接結合、−CO−、−SO−、−O−、−S−である。 In the above formula (1), W is a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10) At least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —, —O—, and —S—. More preferably, W is a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —O—, —S—.

上記式(1)中、Zは、直接結合、又は、−(CH−(lは、1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、−S−、−CO−、及び−SO−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。より好ましくは、Zは、直接結合、−O−、−CO−、−SO−である。 In the above formula (1), Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S. -, - CO-, and -SO 2 - it represents at least one structure selected from the group consisting of. More preferably, Z is a direct bond, —O—, —CO—, or —SO 2 —.

上記式(1)中、Raは、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、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、ネオペンチル基がさらに好ましい。   In said formula (1), Ra shows a C1-C20 hydrocarbon group. More preferably, it 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, a straight chain hydrocarbon group such as 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, etc. And a hydrocarbon group having a cyclic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, and 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 more preferable. .

上記式(1)中、R20は、−SORc、−O(CHSORc、又は−O(CFSORc(hは、1〜12の整数、Rcは、炭素原子数1〜20の炭化水素基を示す)で表される置換基を少なくとも1個有する含窒素複素環を示す。この含窒素複素環は、含窒素複素環を有する含窒素複素環化合物から誘導される。含窒素複素環化合物とは、環状構造を有する有機化合物の中で、炭素原子の他、窒素を含む環状化合物のことである。窒素は、環状構造中に2個以上含んでいてもよく、さらには、酸素、硫黄を含んでいてもよい。含窒素複素環化合物としては、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、イミダゾール、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、2H−ピロール、1H−インダゾール、プリン、フタラジン、ナフチリジン、シンノリン、プテリジン、カルボリン、フェナントリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェナルサジン、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、ピラゾリン、ピラゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン等が挙げられる。これらのうち、イミダゾール、ピリジン、トリアゾールが好ましい。 In the above formula (1), R 20 is —SO 3 Rc, —O (CH 2 ) h SO 3 Rc, or —O (CF 2 ) h SO 3 Rc (h is an integer of 1 to 12, Rc is And a nitrogen-containing heterocycle having at least one substituent represented by (C 1 -C 20 hydrocarbon group). This nitrogen-containing heterocyclic ring is derived from a nitrogen-containing heterocyclic compound having a nitrogen-containing heterocyclic ring. A nitrogen-containing heterocyclic compound is a cyclic compound containing nitrogen in addition to carbon atoms among organic compounds having a cyclic structure. Two or more nitrogen atoms may be included in the cyclic structure, and further, oxygen and sulfur may be included. Nitrogen-containing heterocyclic compounds include pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, imidazole, imidazoline, imidazolidine, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, indole, quinoline, isoquinoline , Brine, Tetrazole, Tetrazine, Triazole, Carbazole, Acridine, Quinoxaline, Quinazoline, Indolizine, Isoindole, 3H-indole, 2H-pyrrole, 1H-indazole, Purine, Phthalazine, Naphthyridine, Cinnoline, Pteridine, Carboline, Phenanthridine , Perimidine, phenanthroline, phenazine, phenalsazine, phenothiazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, pyrazoline, Zorijin, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, and the like. Of these, imidazole, pyridine, and triazole are preferable.

上記式(1)中、Rcは、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、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、ネオペンチル基がさらに好ましい。   In the above formula (1), Rc is more preferably 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, a straight chain hydrocarbon group such as 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, etc. And a hydrocarbon group having a cyclic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, and 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 more preferable. .

上記式(1)中、pは、0〜10の整数を示し、より好ましくは、0〜4の整数、さらに好ましくは0〜2の整数である。qは、0〜10の整数を示し、より好ましくは、0〜4の整数、さらに好ましくは0〜2の整数である。rは、1〜5の整数を示し、より好ましくは、1〜3の整数、さらに好ましくは1〜2の整数である。kは、0〜4の整数を示し、より好ましくは、0〜3の整数、さらに好ましくは0〜2の整数である。   In said formula (1), p shows the integer of 0-10, More preferably, it is an integer of 0-4, More preferably, it is an integer of 0-2. q shows the integer of 0-10, More preferably, it is an integer of 0-4, More preferably, it is an integer of 0-2. r shows the integer of 1-5, More preferably, it is an integer of 1-3, More preferably, it is an integer of 1-2. k shows the integer of 0-4, More preferably, it is an integer of 0-3, More preferably, it is an integer of 0-2.

上記Y、W、Z、p、q、r、kの好ましい組み合わせとしては、
(i)p=1、q=0、r=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(ii)p=1、q=0、r=1であり、Y=−CO−、Z=−S−である構造、
(iii)p=1、q=1、r=1、k=1であり、Y=−CO−、W=−CO−、Z=−O−である構造、
(iv)p=1、q=1、r=1、k=1であり、Y=−CO−、W=−CO−、Z=−S−である構造、
(v)p=1、q=1、r=1、k=1であり、Y=−CO−、W=−CO−、Z=−CO−である構造、
(vi)p=1、q=1、r=1、k=1であり、Y=−CO−、W=−SO−、Z=−O−である構造、
(vii)p=1、q=1、r=1、k=1であり、Y=−CO−、W=−SO−、Z=−CO−である構造
(viii)p=0、q=1、r=1、k=1であり、W=−CO−、Z=−O−である構造、
(ix)p=0、q=1、r=1、k=0であり、W=−CO−、Z=−O−である構造、
(x)p=0、q=1、r=1、k=1であり、W=−CO−、Z=−S−である構造、
(xi)p=0、q=1、r=1、k=0であり、W=−CO−、Z=−S−である構造、
(xii)p=0、q=0、r=1であり、Z=−CO−である構造、
(xiii)p=1、q=0、r=1であり、Y=−CO−、Z=−CO−である構造、
(xiv)p=0、q=1、r=1、k=1であり、W=−CO−、Z=−CO−である構造、
(xv)p=0、q=0、r=1であり、Zが直接結合である構造、等が挙げられる。
As a preferable combination of Y, W, Z, p, q, r, and k,
(I) p = 1, q = 0, r = 1, Y = —CO—, Z = —O—,
(Ii) a structure in which p = 1, q = 0, r = 1, Y = —CO—, and Z = —S—.
(Iii) p = 1, q = 1, r = 1, k = 1, Y = —CO—, W = —CO—, Z = —O—,
(Iv) p = 1, q = 1, r = 1, k = 1, Y = —CO—, W = —CO—, Z = —S—,
(V) a structure in which p = 1, q = 1, r = 1, k = 1, Y = -CO-, W = -CO-, Z = -CO-,
(Vi) a structure in which p = 1, q = 1, r = 1, k = 1, Y = —CO—, W = —SO 2 —, Z = —O—,
(Vii) p = 1, q = 1, r = 1, k = 1, Y = —CO—, W = —SO 2 —, Z = —CO— (viii) p = 0, q = 1, r = 1, k = 1, W = —CO—, Z = —O—,
(Ix) a structure in which p = 0, q = 1, r = 1, k = 0, W = —CO—, and Z = —O—.
(X) a structure in which p = 0, q = 1, r = 1, k = 1, W = —CO—, Z = —S—,
(Xi) p = 0, q = 1, r = 1, k = 0, W = —CO—, Z = —S—,
(Xii) a structure where p = 0, q = 0, r = 1, and Z = —CO—.
(Xiii) p = 1, q = 0, r = 1, Y = —CO—, Z = —CO—,
(Xiv) a structure where p = 0, q = 1, r = 1, k = 1, W = —CO—, Z = —CO—.
(Xv) p = 0, q = 0, r = 1, and a structure in which Z is a direct bond.

上記一般式(1)で表される芳香族化合物の具体例としては、下記の構造を有する化合物が挙げられる。

Figure 2008288097
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Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Specific examples of the aromatic compound represented by the general formula (1) include compounds having the following structures.
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
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Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097

また、上記一般式(1)で表される芳香族化合物として、上記各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られる。 In addition, examples of the aromatic compound represented by the general formula (1) include a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom in each of the above compounds, a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 —, and the like. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms are also included.

上記一般式(1)中のRa基は、1級のアルコール由来で、β炭素が3級又は4級炭素であることが、重合工程中の安定性に優れ、脱エステル化によるスルホン酸の生成に起因する重合阻害や架橋を引き起こさない点で好ましい。さらには、これらのエステル基は、1級アルコール由来でβ位が4級炭素であることがさらに好ましい。   The Ra group in the general formula (1) is derived from a primary alcohol, and the β carbon is a tertiary or quaternary carbon, which is excellent in stability during the polymerization process and produces sulfonic acid by deesterification. It is preferable at the point which does not cause the polymerization inhibition and bridge | crosslinking resulting from. Further, it is more preferable that these ester groups are derived from primary alcohol and the β-position is quaternary carbon.

上記芳香族化合物は、単一の化合物であってもよいし、複数の位置異性体の混合物であってもよい。   The aromatic compound may be a single compound or a mixture of a plurality of positional isomers.

上記一般式(1)で表される芳香族化合物は、例えば、次のような反応によって合成することができる。   The aromatic compound represented by the general formula (1) can be synthesized, for example, by the following reaction.

下記一般式(11)、(12)で表される化合物と、含窒素複素環化合物とを求核置換反応させた後、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ができる。

Figure 2008288097
・・・(11)
Figure 2008288097
・・・(12) The compound represented by the following general formulas (11) and (12) can be synthesized by nucleophilic substitution reaction with a nitrogen-containing heterocyclic compound and then sulfonation using a sulfonating agent.
Figure 2008288097
(11)
Figure 2008288097
(12)

上記式(11)、(12)中、X、Y、W、p、q、r、は、上記式(1)で示した定義と同一である。X’は、ハロゲン原子であり、フッ素原子又は塩素原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。   In the above formulas (11) and (12), X, Y, W, p, q, and r are the same as the definitions shown in the above formula (1). X ′ is a halogen atom, preferably a fluorine atom or a chlorine atom, and more preferably a fluorine atom.

上記式(11)で示される化合物の具体例としては、2,4−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−2’−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,5−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,6−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2’−フルオロフェニルスルホン等が挙げられる。これらの化合物のうち、2,5−ジクロロフェニル−4’−フルオロフェニルスルホン、2,5−ジクロロ−4’−フルオロベンゾフェノンが好ましい。   Specific examples of the compound represented by the formula (11) include 2,4-dichloro-4′-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone, and 2,6-dichloro-4′-fluorobenzophenone. 2,4-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,6-dichloro-2'-fluorobenzophenone, 2,4-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,5-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,6-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenyl Sulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluoro Enirusuruhon, and the like. Of these compounds, 2,5-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone and 2,5-dichloro-4'-fluorobenzophenone are preferable.

上記式(12)で示される化合物の具体例としては、下記の構造が挙げられる。

Figure 2008288097
Figure 2008288097
Specific examples of the compound represented by the formula (12) include the following structures.
Figure 2008288097
Figure 2008288097

また、上記一般式(12)で表される化合物として、上記各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られる。 Further, the compound represented by the general formula (12), compound chlorine atom is replaced with a bromine atom in the above compounds, -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 are also included.

含窒素複素環化合物とは、環状構造を有する有機化合物の中で、炭素原子の他、窒素を含む環状化合物のことである。なお、窒素は、環状構造中に2個以上含んでいてもよく、さらには、酸素、硫黄を含んでいてもよい。含窒素複素環化合物は、活性水素を有するものであり、この活性水素と上記一般式(11)、(12)で表される化合物のX’で表される基を置換反応させる。   A nitrogen-containing heterocyclic compound is a cyclic compound containing nitrogen in addition to carbon atoms among organic compounds having a cyclic structure. Note that two or more nitrogen atoms may be included in the cyclic structure, and further, oxygen and sulfur may be included. The nitrogen-containing heterocyclic compound has active hydrogen, and this active hydrogen is subjected to a substitution reaction with the group represented by X ′ of the compounds represented by the general formulas (11) and (12).

活性水素を有する含窒素複素環化合物としては、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、ピロール、ピロリジン、ピロリン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドール、イソインドール、インダゾール、インドリン、イソインドリン、モルホリン、トリアゾール、テトラゾール、プリン、カルバゾール、フェノチアジン、フェノオキサジン、2−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシピリジン、4−ヒドロキシピリジン、2−ヒドロキシピリミジン、2−メルカプトピリジン、3−メルカプトピリジン、4−メルカプトピリジン、3−ヒドロキシキノリン、8−ヒドロキシキノリン、2−メルカプトピリミジン、2−メルカプトベンズチアゾール等が挙げられる。   Examples of nitrogen-containing heterocyclic compounds having active hydrogen include imidazole, imidazoline, pyrazole, pyrrole, pyrrolidine, pyrroline, pyrazolidine, pyrazoline, piperidine, piperazine, indole, isoindole, indazole, indoline, isoindoline, morpholine, triazole, tetrazole, Purine, carbazole, phenothiazine, phenoxazine, 2-hydroxypyridine, 3-hydroxypyridine, 4-hydroxypyridine, 2-hydroxypyrimidine, 2-mercaptopyridine, 3-mercaptopyridine, 4-mercaptopyridine, 3-hydroxyquinoline, 8 -Hydroxyquinoline, 2-mercaptopyrimidine, 2-mercaptobenzthiazole and the like.

例えば、ヒドロキシ基、メルカプト基を有するものは、酸素、硫黄原子に結合した水素が活性水素となり、−O−、−S−結合を介して、含窒素複素環を導入する。また、含窒素複素環の窒素原子に結合した水素原子、複素環の窒素以外の原子に結合した水素原子も活性水素となる。この場合、含窒素複素環との間に直接結合を生じて、含窒素複素環が導入される。   For example, in those having a hydroxy group or a mercapto group, hydrogen bonded to an oxygen or sulfur atom becomes active hydrogen, and a nitrogen-containing heterocyclic ring is introduced via an —O— or —S— bond. In addition, a hydrogen atom bonded to a nitrogen atom of a nitrogen-containing heterocyclic ring and a hydrogen atom bonded to an atom other than nitrogen of the heterocyclic ring are also active hydrogen. In this case, a direct bond is formed between the nitrogen-containing heterocycle and the nitrogen-containing heterocycle is introduced.

これらの化合物のうち、2−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシピリジン、4−ヒドロキシピリジン、イミダゾール、トリアゾールが好ましい。   Of these compounds, 2-hydroxypyridine, 3-hydroxypyridine, 4-hydroxypyridine, imidazole, and triazole are preferable.

上記一般式(11)、(12)で表される化合物と、活性水素を有する含窒素複素環化合物との反応は、有機溶媒中で行うことが好ましい。N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒が用いられる。反応を促進するために、アルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩等が用いられる。上記一般式(11)、(12)で表される化合物と、活性水素を有する含窒素複素環化合物との比率は、等モル又は活性水素を有する含窒素複素環化合物を過剰に加えて反応させる。具体的には、活性水素を有する含窒素複素環化合物は、上記一般式(11)、(12)で表される化合物の1〜3倍モル用いられ、特に1〜1.5倍モル用いられることが好ましい。   The reaction of the compounds represented by the general formulas (11) and (12) and the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably performed in an organic solvent. Polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenyl sulfone, dimethyl sulfoxide are used. In order to accelerate the reaction, alkali metal, alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, alkali metal carbonate, or the like is used. The ratio between the compounds represented by the general formulas (11) and (12) and the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is equal to or excessively added to the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen. . Specifically, the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is used in an amount of 1 to 3 times, particularly 1 to 1.5 times, the compound represented by the general formulas (11) and (12). It is preferable.

反応温度は、0℃〜300℃であり、好ましくは10℃〜200℃である。反応時間は、15分〜100時間であり、好ましくは1時間〜24時間である。得られた生成物は、再結晶等の方法で精製して用いることが好ましい。   The reaction temperature is 0 ° C to 300 ° C, preferably 10 ° C to 200 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours. The obtained product is preferably used after being purified by a method such as recrystallization.

p=0、q=0であり、Zが直接結合以外の場合、下記一般式(13)、(14)で表される化合物を反応させた後、スルホン化剤を用いてスルホン化、あるいはクロロスルホン化することによっても合成することができる。

Figure 2008288097
・・・(13)
Figure 2008288097
・・・(14) When p = 0 and q = 0, and Z is other than a direct bond, the compounds represented by the following general formulas (13) and (14) are reacted and then sulfonated using a sulfonating agent, or chloro It can also be synthesized by sulfonation.
Figure 2008288097
(13)
Figure 2008288097
(14)

上記式(13)、(14)中、X、R20は、上記式(1)で示した定義と同一である。この場合、特にピリジン、イミダゾール、トリアゾールが好ましい。 In the above formulas (13) and (14), X and R 20 are the same as defined in the above formula (1). In this case, pyridine, imidazole, and triazole are particularly preferable.

上記式(14)中、Z’は、−COCl、−SOCl、−COOH、−SOH、−COORd、−SORd、及び−CHOよりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Rdは、炭素原子数1〜20の炭化水素基を示し、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−ブチル基等が挙げられる。好ましくはメチル基、エチル基である。 In the formula (14), Z ′ represents at least one structure selected from the group consisting of —COCl, —SO 2 Cl, —COOH, —SO 3 H, —COORd, —SO 3 Rd, and —CHO. Show. Rd represents a hydrocarbon group having 1 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 and the like. A methyl group and an ethyl group are preferred.

上記Z’が、−COCl、−SOClの場合、反応触媒として、塩化アルミニウム、塩化鉄、トリフルオロホウ素、ナフィオン等が好ましい。また、反応は、無溶媒か、又は、反応物や触媒と反応しない反応溶媒を用いればよく、例えば、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、ニトロベンゼン、ジフェニルスルホン、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ポリリン酸、ジエチルエーテル、アセトニトリル等が好ましく用いられる。反応温度は、−20℃〜300℃であり、好ましくは10℃〜200℃である。反応時間は、15分〜100時間であり、好ましくは1時間〜24時間である。必要であれば、高圧力条件下で反応を行ってもよい。圧力は、1〜10気圧であり、好ましくは1〜5気圧である。生成物は、再結晶等の方法で精製して用いることが好ましい。 When Z ′ is —COCl or —SO 2 Cl, the reaction catalyst is preferably aluminum chloride, iron chloride, trifluoroboron, or Nafion. In addition, the reaction may be performed without using a solvent or with a reaction solvent that does not react with a reactant or a catalyst. Sulfone, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, polyphosphoric acid, diethyl ether, acetonitrile and the like are preferably used. The reaction temperature is -20 ° C to 300 ° C, preferably 10 ° C to 200 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours. If necessary, the reaction may be carried out under high pressure conditions. The pressure is 1 to 10 atmospheres, preferably 1 to 5 atmospheres. The product is preferably used after being purified by a method such as recrystallization.

p=0、q=0であり、Zが直接結合の場合、下記一般式(15)、(16)で表される化合物を反応させた後、スルホン化剤を用いてスルホン化、あるいはクロロスルホン化することによっても合成することができる。

Figure 2008288097
・・・(15)
Figure 2008288097
・・・(16) When p = 0 and q = 0 and Z is a direct bond, after reacting the compounds represented by the following general formulas (15) and (16), sulfonation using a sulfonating agent or chlorosulfone Can also be synthesized.
Figure 2008288097
... (15)
Figure 2008288097
... (16)

上記式(15)、(16)中、X、R20は、上記式(1)で示した定義と同一である。この場合、特にピリジン、イミダゾール、トリアゾールが好ましい。 In the above formulas (15) and (16), X and R 20 are the same as defined in the above formula (1). In this case, pyridine, imidazole, and triazole are particularly preferable.

Z”は、−H、−F、−Cl、−Br、−I、−B(OH)、−MgBr、−Li−n−ブチル、−Li−tert−ブチルより選ばれる少なくとも1種の構造を示す。X”は、Z”が−Hの場合、炭酸カリウム、炭酸リチウム、n−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウムより選ばれる少なくとも1種により活性化されたフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Z”が−F、−Cl、−Br、−Iの場合、−B(OH)、−MgBr、−Li−n−ブチル、−Li−tert−ブチルより選ばれる少なくとも1種の構造を示し、Z”が−B(OH)、−MgBr、−Li−n−ブチル、−Li−tert−ブチルの場合、−F、−Cl、−Br、−Iより選ばれる少なくとも1種の構造を示す。 Z ″ is at least one structure selected from —H, —F, —Cl, —Br, —I, —B (OH) 2 , —MgBr, —Li-n-butyl, and —Li-tert-butyl. X ″ represents a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom activated by at least one selected from potassium carbonate, lithium carbonate, n-butyllithium and tert-butyllithium when Z ″ is —H, When at least one structure selected from iodine atoms is represented and Z ″ is —F, —Cl, —Br, —I, —B (OH) 2 , —MgBr, —Li—n-butyl, —Li— It represents at least one structure selected from tert-butyl, and when Z ″ is —B (OH) 2 , —MgBr, —Li-n-butyl, —Li-tert-butyl, —F, —Cl, — At least selected from Br and -I It represents one of the structure.

反応溶媒としては、反応物や触媒と反応しないものであればよく、例えばジクロロメタン、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が用いられる。好ましくは、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等が用いられる。反応温度は−30℃〜300℃であり、−20℃〜100℃が好ましい。反応時間は15分〜100時間であり、好ましくは1時間〜24時間である。反応時に必要であれば高圧力条件下で反応を行ってもよい。圧力としては1〜10気圧、好ましくは1〜5気圧である。生成物は、再結晶等の方法で精製して用いることが好ましい。   Any reaction solvent may be used as long as it does not react with the reactants or the catalyst. For example, a chlorinated solvent such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene or the like is used. Preferably, diethyl ether, tetrahydrofuran or the like is used. The reaction temperature is −30 ° C. to 300 ° C., preferably −20 ° C. to 100 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours. If necessary during the reaction, the reaction may be performed under high pressure conditions. The pressure is 1 to 10 atmospheres, preferably 1 to 5 atmospheres. The product is preferably used after being purified by a method such as recrystallization.

次に、上記の反応で得られた芳香族化合物をスルホン化する。スルホン化剤としては、硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸、無水硫酸等のスルホン化剤を挙げることができる。スルホン化剤の反応性や反応温度、反応時間を制御して、目的の芳香環にスルホン酸基が導入されるように反応を行う。好ましいスルホン化剤は、クロロスルホン酸、あるいは発煙硫酸である。クロロスルホン酸を用いる場合の反応温度は、80〜130℃が好ましい。   Next, the aromatic compound obtained by the above reaction is sulfonated. Examples of the sulfonating agent include sulfonating agents such as sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, and anhydrous sulfuric acid. The reaction is performed so that the sulfonic acid group is introduced into the target aromatic ring by controlling the reactivity, reaction temperature, and reaction time of the sulfonating agent. A preferred sulfonating agent is chlorosulfonic acid or fuming sulfuric acid. The reaction temperature when using chlorosulfonic acid is preferably 80 to 130 ° C.

次に、得られたスルホン酸を酸クロリドに変換する。この反応には、塩化チオニル、塩化ホスホリル、五塩化リン等を用いることができる。またスルホン化剤として、クロロスルホン酸を用いた場合には、酸クロリドの形で単離できるため、この工程は省略できる。   Next, the obtained sulfonic acid is converted into acid chloride. In this reaction, thionyl chloride, phosphoryl chloride, phosphorus pentachloride and the like can be used. When chlorosulfonic acid is used as the sulfonating agent, this step can be omitted because it can be isolated in the form of acid chloride.

最後に、各種のアルコールとエステル化反応させて上記一般式(1)で表される芳香族化合物を得る。アルコールとしては、t−ブチルアルコール、sec−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、n−ブチルアルコール、n−ペンチルアルコール、ネオペンチルアルコール、シクロペンチルアルコール、n−ヘキシルアルコール、シクロヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、2−エチルヘキシルアルコール、シクロペンチルメチルアルコール、アダマンチルアルコール、シクロヘキシルメチルアルコール、アダマンチルメチルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール、2−メチルブチルアルコール、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチルアルコール、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルアルコール、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチルアルコール等の直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基等が挙げられる。これらのうち、ネオペンチルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール、シクロペンチルメチルアルコール、シクロヘキシルメチルアルコール、アダマンチルメチルアルコール、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチルアルコールが好ましく、ネオペンチルアルコールがより好ましい。   Finally, an aromatic compound represented by the above general formula (1) is obtained by an esterification reaction with various alcohols. Examples of the alcohol include t-butyl alcohol, sec-butyl alcohol, isobutyl alcohol, n-butyl alcohol, n-pentyl alcohol, neopentyl alcohol, cyclopentyl alcohol, n-hexyl alcohol, cyclohexyl alcohol, heptyl alcohol, octyl alcohol, 2- Ethylhexyl alcohol, cyclopentylmethyl alcohol, adamantyl alcohol, cyclohexylmethyl alcohol, adamantylmethyl alcohol, tetrahydrofurfuryl alcohol, 2-methylbutyl alcohol, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolane methyl alcohol, bicyclo [2.2.1 ] Linear hydrocarbon group such as heptyl alcohol and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl alcohol, branched hydrocarbon , Alicyclic hydrocarbon group and the like. Among these, neopentyl alcohol, tetrahydrofurfuryl alcohol, cyclopentylmethyl alcohol, cyclohexylmethyl alcohol, adamantylmethyl alcohol, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl alcohol are preferable, and neopentyl alcohol is more preferable.

エステル化反応には、ピリジン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリオクチルアミン等の塩基を共存させることが好ましい。   In the esterification reaction, a base such as pyridine, triethylamine, tripropylamine, or trioctylamine is preferably present together.

<スルホン化ポリアリーレン>
本発明で用いられる、側鎖にスルホン酸基を含む含窒素複素環を有するスルホン化ポリアリーレンは、下記一般式(I)で表されるスルホン酸基を有する繰り返し単位(スルホン酸ユニット)を有する。具体的には、下記一般式(III)で表される重合体である。
<Sulfonated polyarylene>
The sulfonated polyarylene having a nitrogen-containing heterocyclic ring containing a sulfonic acid group in the side chain used in the present invention has a repeating unit (sulfonic acid unit) having a sulfonic acid group represented by the following general formula (I). . Specifically, it is a polymer represented by the following general formula (III).

[スルホン酸ユニット]

Figure 2008288097
・・・(I) [Sulfonic acid unit]
Figure 2008288097
... (I)

上記一般式(I)において、Y、Z、W、p、q、r、k、R20は、上記式(2)で示した定義と同一である。 In the general formula (I), Y, Z, W, p, q, r, k, and R 20 are the same as the definition shown in the above formula (2).

より好ましくは、上記スルホン化ポリアリーレンは、上記スルホン酸ユニットと、下記一般式(II)で表されるスルホン酸基を有さない繰り返し単位(疎水ユニット)とを有する。   More preferably, the sulfonated polyarylene has the sulfonic acid unit and a repeating unit (hydrophobic unit) having no sulfonic acid group represented by the following general formula (II).

[疎水性ユニット]

Figure 2008288097
・・・(II) [Hydrophobic unit]
Figure 2008288097
... (II)

上記一般式(II)中、A及びCは、それぞれ独立に、直接結合、又は、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、−C(CF−、−(CH−(lは、1〜10の整数である)、−C(CR’−(R’は、炭化水素基、又は環状炭化水素基を示す)、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。ここで、−C(CR’−で表される構造のうち、R’が環状炭化水素基であるものの具体的な例としては、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基等が挙げられる。これらのうち、直接結合、又は、−CO−、−SO−、−C( CF−、−C(CR’−(R’は、炭化水素基、又は環状炭化水素基を示す)、−O−が好ましい。 In the general formula (II), A and C are each independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (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), - C (CR '2 ) 2 -(R 'represents a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of -O- and -S-. Here, specific examples of the structure represented by —C (CR ′ 2 ) 2 — in which R ′ is a cyclic hydrocarbon group include a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group. Among these, a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ is a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group. -O- is preferable.

上記一般式(II)中、Bは、独立に酸素原子又は硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。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、一部又は全部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、ニトリル基よりなる群から選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。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る。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。 In the general formula (II), 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 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, 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. Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

上記一般式(II)中、s及びtは、0〜4の整数を示す。uは、0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80の整数である。   In said general formula (II), s and t show the integer of 0-4. u represents 0 or an integer of 1 or more, and the upper limit is usually 100, preferably an integer of 1 to 80.

s及びtの値と、A、B、C、R〜R16の構造についての好ましい組み合わせとしては、
(i)s=1、t=1であり、Aが−C(CF−、又は−C(CR’−(R’は、炭化水素基又は環状炭化水素基を示す)であり、Bが酸素原子であり、Cが−CO−、又は−SO−であり、R〜R16が水素原子又はフッ素原子である構造、
(ii)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Cが−CO−、又は−SO−であり、R〜R16が水素原子又はフッ素原子である構造、
(iii)s=0、t=1であり、Aが−C(CF−、又は−C(CR’−(R’は、炭化水素基又は環状炭化水素基を示す)であり、Bが酸素原子であり、R〜R16が水素原子、フッ素原子、又はニトリル基である構造、
(iv)s=1、t=1、2であり、Aが−C(CF−、又は−C(CR’−(R’は、炭化水素基又は環状炭化水素基を示す)であり、Bが酸素原子であり、R〜R16が水素原子又はフッ素原子である構造、
(v)s=0、t=1、2であり、Aが−C(CF−、又は−C(CR’−(R’は、炭化水素基又は環状炭化水素基を示す)であり、Bが酸素原子であり、R〜R16が水素原子、フッ素原子、又はニトリル基である構造、が挙げられる。
Preferred values for the values of s and t and the structures of A, B, C, R 1 to R 16 are as follows:
(I) s = 1, t = 1, and A is —C (CF 3 ) 2 —, or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ represents a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group) Wherein B is an oxygen atom, C is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(Ii) a structure in which s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, C is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(Iii) s = 0, t = 1, and A is —C (CF 3 ) 2 —, or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ represents 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,
(Iv) s = 1, t = 1, 2 and A is —C (CF 3 ) 2 —, or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ represents a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group. A structure in which B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(V) s = 0, t = 1, 2 and A is —C (CF 3 ) 2 — or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ represents a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group. And a structure in which B is an oxygen atom and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group.

[ポリマー構造]
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、具体的には下記一般式(III)で表される。

Figure 2008288097
・・・(III) [Polymer structure]
The sulfonated polyarylene used in the present invention is specifically represented by the following general formula (III).
Figure 2008288097
... (III)

上記一般式(III)中、A、B、C、W,Y,Z,k、p、q、r、s、t、u、R20、及びR〜R16は、それぞれ上記一般式(I)及び(II)中のA、B、C、W,Y,Z,k、p、q、r、s、t、u、R20、及びR〜R16と同義である。x、yはx+y=100モル%とした場合のモル比を示す。 In the general formula (III), A, B, C, W, Y, Z, k, p, q, r, s, t, u, R 20 , and R 1 to R 16 are each represented by the above general formula ( It is synonymous with A, B, C, W, Y, Z, k, p, q, r, s, t, u, R 20 , and R 1 to R 16 in I) and (II). x and y represent molar ratios when x + y = 100 mol%.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、上記一般式(2)で表される繰り返し構成単位、即ち上記一般式(III)におけるxのユニットを0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で含有し、上記一般式(3)で表される繰り返し構成単位、即ち上記一般式(III)におけるyのユニットを99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有する。   The sulfonated polyarylene used in the present invention contains 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99, of the repeating structural unit represented by the general formula (2), that is, the unit x in the general formula (III). The repeating structural unit represented by the general formula (3), that is, the y unit in the general formula (III) is 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.00 mol. It is contained at a ratio of 001 mol%.

[ポリマーの製造方法]
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法、B法の2通りの方法を用いることができる。
[Method for producing polymer]
For the production of the sulfonated polyarylene used in the present invention, for example, the following two methods A and B can be used.

(A法)
例えば、特開2004−137444に記載の方法で、上記一般式(I)で表される構造単位となり得るスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(II)で表される構造単位となり得るモノマー、又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し、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変換することにより合成することができる。
(Method A)
For example, by the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the general formula (I) and a structural unit represented by the general formula (II) can be obtained. It can be synthesized by copolymerizing a monomer or oligomer, producing a polyarylene having a sulfonate group, deesterifying the sulfonate group, and converting the sulfonate group to a sulfonate group. it can.

(B法)
例えば、特開2001−342241に記載の方法で、上記一般式(I)で表される骨格を有し、スルホン酸基や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(II)で表される構造単位となり得るモノマー、又はオリゴマーとを共重合させ、この共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。
(Method B)
For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the above general formula (I) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and the above general formula (II). It is also possible to synthesize by copolymerizing a monomer or oligomer that can be a structural unit, and sulfonating the copolymer using a sulfonating agent.

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、A法に示す方法により製造することが好ましい   The sulfonated polyarylene used in the present invention is preferably produced by the method shown in Method A.

上記(B法)において用いることのできる、上記一般式(I)で表される構造単位となり得るスルホン酸を有しないモノマーは、下記一般式(4)で表される。

Figure 2008288097
・・・(4) The monomer having no sulfonic acid that can be a structural unit represented by the above general formula (I) that can be used in the above (Method B) is represented by the following general formula (4).
Figure 2008288097
... (4)

上記一般式(4)において、X、Y、Z、W、p、q、及びrは、上記一般式(1)で示した定義と同一である。   In the general formula (4), X, Y, Z, W, p, q, and r are the same as the definition shown in the general formula (1).

上記一般式(4)中、R21は、含窒素複素環を示し、具体的には、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、イミダゾール、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、2H−ピロール、1H−インダゾール、プリン、フタラジン、ナフチリジン、シンノリン、プテリジン、カルボリン、フェナントリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェナルサジン、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、ピラゾリン、ピラゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジンからなる含窒素複素環、及びこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物等が挙げられる。これらのうち、イミダゾール、ピリジン、トリアゾールが好ましい。 In the general formula (4), R 21 represents a nitrogen-containing heterocyclic ring, specifically, pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, imidazole, imidazoline, imidazolidine, pyrazole, 1, 3, 5 -Triazine, pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, indole, quinoline, isoquinoline, bromine, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline, indolizine, isoindole, 3H-indole, 2H-pyrrole, 1H-indazole , Purine, phthalazine, naphthyridine, cinnoline, pteridine, carboline, phenanthridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, phenalsazine, phenothiazine, furazane, phenoxazine, pi Examples include at least one compound selected from the group consisting of nitrogen-containing heterocycles composed of loridine, pyrroline, pyrazoline, pyrazolidine, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline and quinuclidine, and derivatives thereof. Of these, imidazole, pyridine, and triazole are preferable.

上記一般式(4)で表されるモノマーの具体的な例としては、下記に示すような構造が挙げられる。

Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Specific examples of the monomer represented by the general formula (4) include structures as shown below.
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097
Figure 2008288097

上記一般式(4)で表されるモノマーとしては、上記各化合物において、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。 Examples of the monomer represented by the general formula (4) include a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom and a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 — in each of the above compounds.

スルホン化ポリアリーレンを得るためは、先ず、上記一般式(I)で表される構造単位となり得るモノマーと、上記一般式(II)で表される構造単位となり得るモノマー、又はオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。   In order to obtain a sulfonated polyarylene, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (I) and a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (II) are copolymerized. To obtain a precursor polyarylene.

(C法)
上記一般式(I)において、R30が−O(CHSOH、又は−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に記載の方法で、上記一般式(I)で表される構造単位となり得る前駆体のモノマーと、上記一般式(II)で表される構造単位となり得るモノマー、又はオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸又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。
(Method C)
In the general formula (I), when R 30 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, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (I) and a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (II), or It can also be synthesized by copolymerizing with an oligomer and then introducing an alkyl sulfonic acid or a fluorine-substituted alkyl sulfonic acid.

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。このような触媒系としては、(i)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。)、又は配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、並びに(ii)還元剤を必須成分とし、さらに重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。   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. Examples of such a catalyst system include (i) a transition metal salt and a ligand compound (hereinafter referred to as “ligand component”), or a transition metal complex coordinated with a ligand (copper salt). And (ii) a reducing agent as an essential component, and a salt may be added to further increase the polymerization rate.

これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241に記載の化合物を挙げることができる。   Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions include the compounds described in JP-A-2001-342241.

スルホン化ポリアリーレンは、この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2通りの方法がある。   The sulfonated polyarylene can be obtained by converting the precursor polyarylene into a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following two methods.

(A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に記載の方法で脱エステル化する方法。
(Method A)
A method of deesterifying a polyarylene having a sulfonate group of a precursor by a method described in JP-A-2004-137444.

(B法)
前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241に記載の方法でスルホン化する方法。
(Method B)
A method of sulfonating a precursor polyarylene by a method described in JP-A No. 2001-342241.

上記のような方法により製造される、上記一般式(III)で表されるスルホン化ポリアリーレンのイオン交換容量は、通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。   The ion exchange capacity of the sulfonated polyarylene represented by the above general formula (III) produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, Preferably it is 0.8-2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.

上記のイオン交換容量は、例えば一般式(I)で表される構造単位となり得る前駆体のモノマーと、上記一般式(II)で表される構造単位となり得るモノマー、又はオリゴマーの種類、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。   The ion exchange capacity is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (I), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (II), or the type of oligomer, and the use ratio. It can be adjusted by changing the combination.

このようにして得られるスルホン化ポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算の質量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。   The molecular weight of the sulfonated polyarylene thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

スルホン化ポリアリーレンには、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有させて使用してもよい。老化防止剤を含有することで電解質としての耐久性をより向上させることができる。   The sulfonated polyarylene may be used by containing an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more. The durability as an electrolyte can be further improved by containing an anti-aging agent.

本発明で使用することのできるヒンダードフェノール系化合物としては、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオネート](商品名:IRGANOX 245)、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX 565)、ペンタエリスリチルーテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1035)、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名:IRGANOX 1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチルー4−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)(IRGAONOX 1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX 1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイト(商品名:IRGANOX 3114)、3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA−80)等を挙げることができる。   Examples of hindered phenolic compounds that can be used in the present invention include triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) proonate] (trade name: IRGANOX 245), 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 259), 2,4-bis- (n-octylthio) -6 -(4-Hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX 565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4 -Hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010), 2,2-thio-diethylenebis [3- (3 -Di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name: IRGANOX 1076) ), N, N-hexamethylenebis (3,5-di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGAONOX 1098), 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3 , 5-Di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene (trade name: IRGANOX 1330), Tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate (trade name: IRGANOX) 3114), 3,9-bis [2- [3- (3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) Ropioniruokishi] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-spiro [5.5] undecane (trade name: Sumilizer GA-80), and the like.

本発明において、スルホン化ポリアリーレン100質量部に対して、ヒンダードフェノール系化合物は0.01〜10質量部の量で使用することが好ましい。   In this invention, it is preferable to use a hindered phenol type compound in the quantity of 0.01-10 mass parts with respect to 100 mass parts of sulfonated polyarylene.

[膜作成方法]
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、高分子電解質膜が得られる。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。
[Film creation method]
A polymer electrolyte membrane can be obtained by, for example, a casting method in which the sulfonated polyarylene is mixed in an organic solvent and cast onto 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よく、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、又は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」ともいう。)が好ましく用いられる。   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 also referred to as “NMP”) is preferably used in terms 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、ポリマー濃度、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, polymer concentration, and additive concentration of the sulfonated polyarylene. is there. 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、得られる高分子電解質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 amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane is reduced. can do.

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.

未乾燥フィルム(予備乾燥後のフィルムも含む。以下同じ。)を水に浸漬する際は、枚葉を水に浸漬するバッチ方式でもよく、基板フィルム(例えば、PET)上に成膜された状態の積層フィルムのまま、又は基板から分離した膜を水に浸漬させて、巻き取っていく連続方式でもよい。また、バッチ方式の場合は、処理後のフィルム表面に皺が形成されるのを抑制するために、未乾燥フィルムを枠にはめる等の方法で、水に浸漬させることが好ましい。   When immersing an undried film (including a pre-dried film; the same shall apply hereinafter) in water, a batch method in which a single wafer is immersed in water may be used, and the film is formed on a substrate film (for example, PET). A continuous method may be used in which the laminated film is left as it is, or the film separated from the substrate is immersed in water and wound up. In the case of the batch method, in order to suppress the formation of wrinkles on the surface of the film after treatment, it is preferable to immerse the film in water by a method such as placing an undried film on a frame.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の使用量は、未乾燥フィルム1質量部に対して、10質量部以上、好ましくは30質量部以上、より好ましくは50質量部以上の割合である。水の使用量が上記範囲であれば、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量を少なくすることができる。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られる高分子電解質膜の残存溶媒量を低減することに有効である。さらに、高分子電解質膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることが効果的である。   The amount of water used in immersing the undried film in water is 10 parts by mass or more, preferably 30 parts by mass or more, more preferably 50 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the undried film. If the amount of water used is in the above range, the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane can be reduced. In addition, the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane can be reduced by changing the water used for immersion or overflowing it so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. It is effective for. Furthermore, in order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the polymer electrolyte membrane, it is effective to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、置換速度及び取り扱いやすさの点から、通常5〜80℃、好ましくは10〜60℃の範囲である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られる高分子電解質膜の表面状態が悪化することがある。また、フィルムの浸漬時間は、初期の残存溶媒量、水の使用量及び処理温度にもよるが、通常10分〜240時間、好ましくは30分〜100時間の範囲である。   The temperature of water when the undried film is immersed in water is usually in the range of 5 to 80 ° C., preferably 10 to 60 ° C., from the viewpoint of the replacement speed and ease of handling. The higher the temperature, the faster the substitution rate of the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so the surface state of the polymer electrolyte membrane obtained after drying may deteriorate. The film immersion time is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, preferably 30 minutes to 100 hours, although it depends on the initial residual solvent amount, the amount of water used and the treatment temperature.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、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、たとえば、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 amount of residual solvent in 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分乾燥し、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。   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, and then at 50-150 ° C. The film can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.

本発明の方法により得られる高分子電解質膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。   The polymer electrolyte 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あるい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系共重合体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に係る高分子電解質膜を製造することもできる。具体的には、あるい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系共重合体を上述したような方法でフィルム状に成形した後、その膜を加水分解あるいは酸処理することによりスルホン酸基含有ポリアリーレン共重合体からなる高分子電解質膜を製造することができる。   In addition, by forming the polyarylene copolymer having the sulfonic acid ester group or the alkali metal salt of sulfonic acid into a film by the above-described method, and then performing an appropriate post-treatment such as hydrolysis or acid treatment. The polymer electrolyte membrane according to the present invention can also be produced. Specifically, a polyarylene copolymer having 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 sulfonic acid group-containing polymer. A polymer electrolyte membrane made of an arylene copolymer can be produced.

また、高分子電解質膜を製造する際に、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。   Further, when producing the polymer electrolyte membrane, in addition to the sulfonated polyarylene, inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, phosphate glass, tungstic acid, phosphate hydrate, β-alumina proton substitution product, proton Inorganic proton conductor particles such as an introduced oxide, an organic acid containing a carboxylic acid, an organic acid containing a sulfonic acid, an organic acid containing a phosphonic acid, an appropriate amount of water, or the like may be used in combination.

<電極>
本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体の電極は、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と、電極電解質とからなり、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 of the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a catalyst metal particle or an electrode catalyst in which the catalyst metal particle is supported on a conductive support, and an electrode electrolyte. Other components such as carbon fiber, a dispersant, a water repellent 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用することができる。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。このため、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る。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 catalyst metal particles are not particularly limited as long as they have catalytic activity, but metal black composed of noble metal fine particles such as platinum black can be used. The conductive carrier for supporting the catalyst metal particles is not particularly limited as long as it has conductivity and appropriate corrosion resistance. 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, and acetylene black. Activated carbon is obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms. 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が用いられるが、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より選ばれる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。   Further, platinum or a platinum alloy is used as the catalytic 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, Further, an alloy of platinum and one or more selected from the group consisting of tin and platinum is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of a metal alloyed with platinum.

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、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。   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 preferably ˜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(登録商標)やFlemion(登録商標)、Aciplex(登録商標)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 (registered trademark), Flemion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark) 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, Alternatively, an ion conductive polymer electrolyte mainly composed of an aromatic hydrocarbon compound such as a sulfonated polyarylene described in the present specification may be used.

また、上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、プロトンを電解質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. When the ion conductive binder ratio is less than 0.1, protons cannot be transmitted to the electrolyte membrane, and there is a fear that sufficient output cannot be obtained. When the ion conductive binder ratio exceeds 3.0, the ion conductive binder is not sufficient. 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を挙げることができる。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5000〜30000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.

本発明における膜−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。   The membrane-electrode structure in the present invention may consist of only the anode catalyst layer, the proton conducting membrane, and the 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、イオン交換膜の上に触媒層を直接形成し必要に応じ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イオン交換膜と接合する方法、及び平板上に触媒層を形成しこれをイオン交換膜に転写した後平板を剥離し、さらに必要に応じ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 in which a catalyst layer is directly formed on an ion exchange membrane and sandwiched between gas diffusion layers as necessary, on a base material to be a gas diffusion layer such as carbon paper A method of forming a catalyst layer and bonding it to an ion exchange membrane, a method of forming a catalyst layer on a flat plate and transferring it to the ion exchange membrane, then peeling the flat plate and further sandwiching it with a gas diffusion layer if necessary Various methods can be employed.

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 former, a thickener, A known method of adding a diluting solvent or the like to the ion exchange membrane, gas diffusion layer, or flat plate can be employed.

上記電極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。   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.

触媒層をイオン交換膜上に直接形成しない場合は、触媒層とイオン交換膜とは、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。   When the catalyst layer is not directly formed on the ion exchange membrane, the catalyst layer and the ion exchange membrane are preferably joined by a hot press method, an adhesion method (see JP-A-7-220741) or the like.

以下、実施例に基づい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。なお、本実施例において、各種測定に用いられるスルホン化ポリマーフィルムは、スルホン化ポリマーをN−メチルピロリドン/メタノール溶液に溶解させた後、キャスティング法によって製造した。また、実施例中の各種の測定項目は、下記のようにして求め、%は特に断りのない限り質量%を意味する。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to a following example. In this example, the sulfonated polymer film used for various measurements was manufactured by casting after dissolving the sulfonated polymer in an N-methylpyrrolidone / methanol solution. Further, various measurement items in the examples are determined as follows, and% means mass% unless otherwise specified.

[質量平均分子量]
ポリマーの数平均分子量(Mn)、質量平均分子量(Mw)は、溶媒にNMP緩衝溶液を用い、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質量平均分子量を求めた。NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調整した。
[Mass average molecular weight]
The number average molecular weight (Mn) and the mass average molecular weight (Mw) of the polymer were determined as the polystyrene-reduced mass average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC) using an NMP buffer solution as a solvent. The NMP buffer solution was adjusted 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マーの水洗水が中性になるまで蒸留水で洗浄して、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 resulting sulfonated polymer 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.

[破断強度及び弾性率の測定]
破断強度及び弾性率の測定は、JIS K7113に準じて行った(引っ張り速度:50mm/min)。ただし、弾性率は、標線間距離をチャック間距離とし算出した。JIS K7113に従い、温度23±2℃、相対湿度50±5%の条件下で48時間、試料の状態調整を行った。ただし、試料の打ち抜きは、JIS K6251に記載の7号ダンベルを用いた。引っ張り試験測定装置は、INSTRON製5543を用いた。
[Measurement of breaking strength and elastic modulus]
The breaking strength and elastic modulus were measured according to JIS K7113 (tensile speed: 50 mm / min). However, the elastic modulus was calculated with the distance between marked lines as the distance between chucks. According to JIS K7113, the condition of the sample was adjusted for 48 hours under conditions of a temperature of 23 ± 2 ° C. and a relative humidity of 50 ± 5%. However, the No. 7 dumbbell described in JIS K6251 was used for punching the sample. As the tensile test measurement device, 5543 manufactured by INSTRON was used.

[プロトン伝導度の測定]
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。即ち、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。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗Rを下記数式(1)に従って算出し、比抵抗の逆数からプロトン伝導度を算出した。

Figure 2008288097
・・・数式(1) [Measurement of 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. From the distance between the lines and the resistance gradient, the specific resistance R of the membrane was calculated according to the following formula (1), and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance.
Figure 2008288097
... Formula (1)

[耐熱試験]
2cm×3cmにカットしたフィルムを、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。加熱したフィルムを、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)製HCL−8220)で分子量及びエリア面積(A24)を求めた。加熱前のフィルム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緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調整した。

Figure 2008288097
・・・数式(2) [Heat resistance test]
A film 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 film 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) (HCL-8220 manufactured by Tosoh Corporation). The film 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 solution was adjusted at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).
Figure 2008288097
... Formula (2)

[発電特性の評価]
本発明の膜−電極構造体を用いて、温度70℃、燃料極側/酸素極側の相対湿度を50%/73%、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120℃、燃料極側/酸素極側の相対湿度を50%/50%、0CVの条件下で発電耐久テストを実施し、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500時間以上だったものを良として「○」で表示し、500時間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 membrane-electrode structure of the present invention, power generation performance was evaluated under power generation conditions of a temperature of 70 ° C., a fuel electrode side / oxygen electrode side relative humidity of 50% / 73%, and a current density of 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 power generation durability test was performed using the membrane-electrode structure under the conditions of a temperature of 120 ° C., a relative humidity of the fuel electrode side / oxygen electrode side of 50% / 50%, and 0 CV. The time to cross leak was measured. The case where the time until the cross leak was 500 hours or more was indicated as “Good” as good, and the case where it was less than 500 hours was indicated as “Poor” as bad.

<実施例1>
[スルホン酸ユニットの合成]
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの3口フラスコにフルオロベンゼン2306.4g(24mol)を取り、氷浴で10℃まで冷却し、2,5−ジクロロ安息香酸クロライド1005.4g(4.8mol)、塩化アルミニウム832.1g(6.3mol)を反応温度が40℃を超えないように徐々に添加した。添加後、40℃で8時間撹拌した。反応終了後、氷水に滴下し、酢酸エチルから抽出を行った。1%炭酸水素ナトリウム水溶液により中和した後、飽和食塩水で洗浄し、濃縮を行った。メタノールから再結晶を行うことにより、下記(30−1)を得た。収量は、1033gであった。
<Example 1>
[Synthesis of sulfonic acid unit]
2306.4 g (24 mol) of fluorobenzene was placed in a 2 L three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, cooled to 10 ° C. in an ice bath, and 1005.4 g of 2,5-dichlorobenzoic acid chloride ( 4.8 mol) and 832.1 g (6.3 mol) of aluminum chloride were gradually added so that the reaction temperature did not exceed 40 ° C. After the addition, the mixture was stirred at 40 ° C. for 8 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was added dropwise to ice water and extracted from ethyl acetate. The mixture was neutralized with 1% aqueous sodium hydrogen carbonate solution, washed with saturated brine, and concentrated. The following (30-1) was obtained by recrystallization from methanol. Yield was 1033 g.

撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた7Lの3口フラスコに下記式(30−1)1323.6.4g(4.9mol)、2−ヒドロキシピリジン467.9g(4.9mol)、炭酸カリウム748.0g(5.4mol)、を取り、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)5L、トルエン1Lをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。その後、大部分のトルエンを除去し、130℃で10時間反応を続けた。得られた反応液を放冷後、濾液を20Lの水/メタノール(9/1)中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥した。撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた7Lの3口フラスコに乾燥物を取り、トルエン5L中で100℃で撹拌し、残留した水分を留去し溶解させた。放冷後、結晶化物を濾過することにより目的物(30−2)を得た。収量は、1300gであった。   The following formula (30-1) 132.6.4 g (4.9 mol), 2-hydroxypyridine was added to a 7 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube, and nitrogen-introduced three-way cock. 467.9 g (4.9 mol) and 748.0 g (5.4 mol) of potassium carbonate were taken, 5 L of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 1 L of toluene were taken, heated in an oil bath under a nitrogen atmosphere, and stirred. The reaction was carried out at 130 ° C. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. Thereafter, most of the toluene was removed, and the reaction was continued at 130 ° C. for 10 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the filtrate was put into 20 L of water / methanol (9/1). The precipitated product was filtered off, collected and dried. Take the dried product in a 7 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube and nitrogen-introduced three-way cock, stir at 100 ° C. in 5 L of toluene, and distill off the remaining water. Dissolved. After allowing to cool, the crystallized product was filtered to obtain the desired product (30-2). Yield was 1300 g.

撹拌機、温度計、冷却管、窒素導入の三方コックを取り付けた5Lの3口フラスコに下記式(30−2)585.1g(1.7mol)を濃硫酸387gに溶解させ、20℃で氷冷した。発煙硫酸(60%)1062.5gを徐々に加え、90℃で8時間撹拌した。反応終了後、氷中に溶解させた後、水酸化ナトリウム水溶液で中和した。濃縮により水を除去し、ジメチルスルホキシドに溶解した。不溶物をろ過で取り除き、可溶部分を濃縮した。少量のジメチルスルホキシドに溶解し、アセトン中に凝固し、固化物を濾過することにより目的物(30−3)を得た。収量は、745gであった。   The following formula (30-2) 585.1 g (1.7 mol) was dissolved in 387 g of concentrated sulfuric acid in a 5 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, and nitrogen-introduced three-way cock, and iced at 20 ° C. Chilled. 1062.5 g of fuming sulfuric acid (60%) was gradually added and stirred at 90 ° C. for 8 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dissolved in ice and neutralized with an aqueous sodium hydroxide solution. The water was removed by concentration and dissolved in dimethyl sulfoxide. Insoluble matter was removed by filtration, and the soluble portion was concentrated. The compound (30-3) was obtained by dissolving in a small amount of dimethyl sulfoxide, coagulating in acetone, and filtering the solidified product. The yield was 745g.

撹拌機、温度計、冷却管、窒素導入の三方コックを取り付けた5Lの3口フラスコに下記(30−3)1054g(1.9mol)をスルホラン1Lに溶解させた後、塩化ホスホリル920gを徐々に滴下した。滴下終了後、70℃で8時間撹拌した後、反応溶液を氷中に滴下、酢酸エチルにより抽出した。炭酸水素ナトリウム水溶液で中和し、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶媒を濃縮後、ヘキサンに凝固することにより目的の化合物(30−4)を得た。収量は、373gであった。   After dissolving 1054 g (1.9 mol) of the following (30-3) in 1 L of sulfolane in a 5 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, and nitrogen-introduced three-way cock, gradually add 920 g of phosphoryl chloride. It was dripped. After completion of the dropwise addition, the mixture was stirred at 70 ° C. for 8 hours, and then the reaction solution was dropped into ice and extracted with ethyl acetate. The mixture was neutralized with an aqueous sodium hydrogen carbonate solution, washed with saturated brine, and dried over magnesium sulfate. After concentrating the solvent, the objective compound (30-4) was obtained by coagulating in hexane. The yield was 373g.

撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた1Lの3口フラスコに下記(30−4)324.7g(0.6mol)、ネオペンチルアルコール105.8g(1.2mol)をピリジン378gに溶解させ、5〜10℃で8時間反応させた。反応終了後、1%塩酸・氷水に滴下した後、酢酸エチルから抽出を行った。1%炭酸水素ナトリウム水溶液により中和した後、飽和食塩水で洗浄し、濃縮を行った。酢酸エチル/メタノールから再結晶を行うことにより、下記(30−5)を得た。収量は、193gであった。

Figure 2008288097
The following (30-4) 324.7 g (0.6 mol) and neopentyl alcohol 105.8 g (1.2 mol) were dissolved in 378 g of pyridine in a 1 L three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen inlet tube. The reaction was carried out at 5 to 10 ° C. for 8 hours. After completion of the reaction, the mixture was added dropwise to 1% hydrochloric acid / ice water, followed by extraction from ethyl acetate. The mixture was neutralized with 1% aqueous sodium hydrogen carbonate solution, washed with saturated brine, and concentrated. The following (30-5) was obtained by recrystallization from ethyl acetate / methanol. The yield was 193g.
Figure 2008288097

[疎水性ユニットの合成]
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、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67.3g(0.20mol)、4,4’−ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DCBP)60.3g(0.24mol)、炭酸カリウム71.9g(0.52mol)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)300mL、トルエン150mLをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げた。その後、反応温度を徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150℃で10時間反応を続けた後、4,4’−DCBP10.0g(0.040mol)を加え、さらに5時間反応した。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン300mLに溶解した。これをメタノール4Lに再沈殿し、目的の化合物95g(収率85%)を得た。
[Synthesis of hydrophobic units]
To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling pipe, Dean-Stark pipe and nitrogen-introduced three-way cock, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3 , 3,3-hexafluoropropane 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0.24 mol), potassium carbonate 71.9 g (0.52 mol) ), 300 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 150 mL of toluene were taken and heated in an oil bath in a nitrogen atmosphere and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. The reaction temperature was gradually increased from 130 ° C to 150 ° C. Thereafter, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 ° C. for 10 hours. Then, 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added, and another 5 hours. Reacted. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 4 L of methanol to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.

得られた化合物のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算のMnは、11,200であった。得られた化合物は、下記(30−6)のオリゴマーであった。

Figure 2008288097
・・・(30−6) The Mn in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained compound was 11,200. The obtained compound was an oligomer of the following (30-6).
Figure 2008288097
... (30-6)

[スルホン化ポリアリーレンの合成]
乾燥したDMAc239mLを、上記一般式(30−5)で表される化合物62.27g(96.6mmol)と上記(30−6)の疎水性ユニット38.08g(3.4mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド3.27g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、亜鉛15.69g(240mmol)の混合物中に窒素下で加えた。
[Synthesis of sulfonated polyarylene]
239 mL of dried DMAc was mixed with 62.27 g (96.6 mmol) of the compound represented by the above general formula (30-5) and 38.08 g (3.4 mmol) of the hydrophobic unit of the above (30-6), bis (triphenyl Phosphine) Nickel dichloride 3.27 g (5.0 mmol), triphenylphosphine 10.49 g (40 mmol), sodium iodide 0.45 g (3.0 mmol), zinc 15.69 g (240 mmol) was added under nitrogen. It was.

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DMAc 658mL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。   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 658 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.

濾液に臭化リチウム50.34g(579.6mmol)を加え、内温110℃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3.5L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1.7Kgで攪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、Mnは53,000、Mwは105,000であった。イオン交換容量は2.28meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(30−7)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(30−7) Lithium bromide (50.34 g, 579.6 mmol) was added to the filtrate, and the mixture was reacted at an internal temperature of 110 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 3.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed with stirring with 1.7 kg 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, Mn was 53,000 and Mw was 105,000. The ion exchange capacity was 2.28 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (30-7).
Figure 2008288097
... (30-7)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[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、前期触媒粒子を、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, in the perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound solution (Nafion (trade name) manufactured by Dupont) as an ion conductive binder solution, the previous catalyst particles are added in a mass ratio of ion conductive binder: catalyst particles = 8: 5. A catalyst paste was prepared by uniformly dispersing.

本実施例で得られたスルホン化ポリアリーレンを含む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、乾燥させることにより電極塗布膜(Catalyst Coated Membrane)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。 The catalyst paste is applied to both sides of the proton conductive membrane containing the sulfonated polyarylene obtained in this example by applying a bar coater so that the platinum content is 0.5 mg / cm 2, and drying to apply an electrode. A membrane (Catalyst Coated Membrane) 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 resulting mixture is uniformly dispersed in ethylene glycol is mixed on one side of carbon paper. It was applied and dried to form an underlayer, and two gas diffusion layers composed of the underlayer and carbon paper were produced.

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.

<実施例2>
[疎水性ユニットの合成]
攪拌機、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を加えて攪拌した。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時間攪拌を続けた後、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。
<Example 2>
[Synthesis of hydrophobic units]
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 and 2,2-bis (4-hydroxy) were added. (Phenyl) -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7,500であった。   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 7,500.

得られた化合物は式(30−8)で表されるオリゴマーであることを確認した。

Figure 2008288097
・・・(30−8) It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (30-8).
Figure 2008288097
... (30-8)

[スルホン化ポリマーの合成]
上記(30−5)を61.24g(95.0mmol)、上記(30−8)を37.50g(5.0mmol)、臭化リチウム49.50g(570mmol)を用いた以外は実施例1と同様に合成を行った。
[Synthesis of sulfonated polymer]
Example 1 except that 61.24 g (95.0 mmol) of the above (30-5), 37.50 g (5.0 mmol) of the above (30-8), and 49.50 g (570 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was performed in the same manner.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは41,000、Mwは84,000であった。イオン交換容量は2.30meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(30−9)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(30−9) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 41,000 and Mw was 84,000. The ion exchange capacity was 2.30 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (30-9).
Figure 2008288097
... (30-9)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例3>
[疎水性ユニットの合成]
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean−Stark管、冷却管を取り付けた1Lセパラブル3口フラスコに、4、4’−ジフルオロベンゾフェノン 52.4g(240mmol)、4−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン 14.1g(60.0mmol)、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール 70.2g(203mmol)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン 23.7g(67.5mmol)、炭酸カリウム48.5g(351mmol)をはかりとった。DMAc 430mL、トルエン 220mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean−Stark管から取り除いた。3時間後に水の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、160℃で7時間撹拌した後、4−クロロ−、4’−フルオロベンゾフェノン 7.0g(20.0mmol)を加え、さらに3時間撹拌した。
<Example 3>
[Synthesis of hydrophobic units]
To a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, a nitrogen introduction tube, a Dean-Stark tube, and a cooling tube, 42.4′-difluorobenzophenone 52.4 g (240 mmol), 4-chloro-4′-fluorobenzophenone 14.1 g (60.0 mmol), 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol 70.2 g (203 mmol), bis (4-hydroxyphenyl) fluorene 23.7 g (67.5 mmol), carbonic acid 48.5 g (351 mmol) of potassium was weighed. DMAc 430mL and toluene 220mL were added, and it heated and refluxed at 150 degreeC by nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotropy with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 160 ° C. for 7 hours. Then, 7.0 g (20.0 mmol) of 4-chloro-4′-fluorobenzophenone was added, The mixture was further stirred for 3 hours.

放冷後、反応溶液に不溶の無機物を、セライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少量のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン200mLに再溶解した。この溶液をメタノール2.0Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過し、真空乾燥して、110g(収率80%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算のMnは、6,000であった。得られた化合物は下記式(30−10)で表されるオリゴマーであることを確認した。

Figure 2008288097
・・・(30−10) After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 200 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 2.0 L of methanol and reprecipitated. The coagulated product was filtered and dried under vacuum to obtain 110 g (yield 80%) of the desired product. The polystyrene-converted Mn obtained by GPC was 6,000. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the following formula (30-10).
Figure 2008288097
... (30-10)

[スルホン化ポリマーの合成]
上記(30−5)を60.46g(93.8mmol)、上記(30−10)を37.20g(6.2mmol)、臭化リチウム48.88g(563mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
[Synthesis of sulfonated polymer]
Example 1 except that 60.46 g (93.8 mmol) of the above (30-5), 37.20 g (6.2 mmol) of the above (30-10), and 48.88 g (563 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was performed in the same manner.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは39,000、Mwは88,000であった。イオン交換容量は2.29meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(30−11)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(30−11) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 39,000 and Mw was 88,000. The ion exchange capacity was 2.29 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (30-11).
Figure 2008288097
... (30-11)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例4>
[疎水性ユニットの合成]
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean−Stark管、冷却管を取り付けた3Lセパラブル3口フラスコに4、4’−ジフルオロベンゾフェノン 207.81g(952mmol)、4−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン 42.46g(181mmol)、レゾルシノール 103.8g(943mmol)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン 36.7g(105mmol)、炭酸カリウム173.8g(1.3mol)をはかりとった。DMAc 1250mL、トルエン 500mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean−Stark管から取り除いた。3時間後に水の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、160℃で7時間撹拌した後、4−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン 12.3g(52.0mmol)を加え、さらに3時間撹拌した。
<Example 4>
[Synthesis of hydrophobic units]
In a 3 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, a nitrogen introduction tube, a Dean-Stark tube, and a condenser tube, 207.81 g (952 mmol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 4-chloro-4′-fluorobenzophenone 42 .46 g (181 mmol), resorcinol 103.8 g (943 mmol), bis (4-hydroxyphenyl) fluorene 36.7 g (105 mmol), and potassium carbonate 173.8 g (1.3 mol) were weighed. DMAc 1250mL and toluene 500mL were added, and it heated and refluxed at 150 degreeC by nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotropy with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 160 ° C. for 7 hours. Then, 12.3 g (52.0 mmol) of 4-chloro-4′-fluorobenzophenone was added, and Stir for 3 hours.

放冷後、反応溶液に不溶の無機物を、セライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール5.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少量のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン810mLに再溶解した。この溶液をメタノール3.2Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過し、真空乾燥して、261g(収率75%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算のMnは4,000であった。得られた化合物は下記式(30−12)で表されるオリゴマーであることを確認した。

Figure 2008288097
・・・(30−12)
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 5.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 810 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 3.2 L of methanol and reprecipitated. The coagulated product was filtered and dried under vacuum to obtain 261 g (yield 75%) of the desired product. The Mn in terms of polystyrene determined by GPC was 4,000. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the following formula (30-12).
Figure 2008288097
... (30-12)

[スルホン化ポリマーの合成]
上記(30−5)を58.59g(90.9mmol)、上記(30−12)を36.40g(9.1mmol)、臭化リチウム47.37g(545mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
[Synthesis of sulfonated polymer]
Example 1 except that 58.59 g (90.9 mmol) of the above (30-5), 36.40 g (9.1 mmol) of the above (30-12), and 47.37 g (545 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was performed in the same manner.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは29,000、Mwは63,000であった。イオン交換容量は2.27meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(30−13)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(30−13) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 29,000 and Mw was 63,000. The ion exchange capacity was 2.27 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (30-13).
Figure 2008288097
... (30-13)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例5>
[スルホン酸ユニットの合成]
実施例1の2−ヒドロキシピリジンをイミダゾールへ変更した以外は、同様の操作を行いモノマーを得た。得られた化合物は下記式(40−1)で表されるモノマーであることを確認した。

Figure 2008288097
・・・(40−1) <Example 5>
[Synthesis of sulfonic acid unit]
A monomer was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2-hydroxypyridine was changed to imidazole. It was confirmed that the obtained compound was a monomer represented by the following formula (40-1).
Figure 2008288097
... (40-1)

[スルホン化ポリマーの合成]
ポリマーの合成は、上記(40−1)を59.53g(96.4mmol)、上記(30−6)を40.32g(3.6mmol)、臭化リチウム50.23g(578mmol)を用い、実施例1と同様にして合成を行った。
[Synthesis of sulfonated polymer]
Polymer synthesis was performed using 59.53 g (96.4 mmol) of the above (40-1), 40.32 g (3.6 mmol) of the above (30-6), and 50.23 g (578 mmol) of lithium bromide. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは32,000、Mwは54,000であった。イオン交換容量は2.26meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−2)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(40−2) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 32,000 and Mw was 54,000. The ion exchange capacity was 2.26 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (40-2).
Figure 2008288097
... (40-2)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例6>
[スルホン化ポリマーの合成]
上記(40−1)を58.48g(94.7mmol)、上記(30−8)を39.75g(5.3mmol)、臭化リチウム49.35g(568mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
<Example 6>
[Synthesis of sulfonated polymer]
Example 1 except that 58.48 g (94.7 mmol) of the above (40-1), 39.75 g (5.3 mmol) of the above (30-8), and 49.35 g (568 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was performed in the same manner.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは40,000、Mwは73,000であった。イオン交換容量は2.27meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−3)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(40−3) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 40,000 and Mw was 73,000. The ion exchange capacity was 2.27 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (40-3).
Figure 2008288097
... (40-3)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例7>
[スルホン化ポリマーの合成]
上記(40−3)を57.68g(93.4mmol)、上記(30−10)を39.62g(6.6mmol)、臭化リチウム48.67g(560mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
<Example 7>
[Synthesis of sulfonated polymer]
Example 1 except that 57.68 g (93.4 mmol) of the above (40-3), 39.62 g (6.6 mmol) of the above (30-10), and 48.67 g (560 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was performed in the same manner.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは45,000、Mwは93,000であった。イオン交換容量は2.27meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−4)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(40−4) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 45,000 and Mw was 93,000. The ion exchange capacity was 2.27 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (40-4).
Figure 2008288097
... (40-4)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例8>
[スルホン化ポリマーの合成]
上記(40−1)を55.83g(90.4mmol)、上記(30−12)を38.40g(9.6mmol)、臭化リチウム47.11g(542mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
<Example 8>
[Synthesis of sulfonated polymer]
Example 1 except that 55.83 g (90.4 mmol) of the above (40-1), 38.40 g (9.6 mmol) of the above (30-12), and 47.11 g (542 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was performed in the same manner.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは32,000、Mwは60,000であった。イオン交換容量は2.27meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(40−5)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(40−5) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 32,000 and Mw was 60,000. The ion exchange capacity was 2.27 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (40-5).
Figure 2008288097
... (40-5)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例9>
[スルホン酸ユニットの合成]
ジクロロベンゼンとニコチン酸クロライドをニトロベンゼン中、塩化アルミニウム存在下で反応させることにより、下記一般式(50−1)で表される化合物を得た。発煙硫酸によるスルホン化、塩化ホスホリルによるクロロスルホン化、ネオペンチルアルコールによるエステル化反応は、実施例1と同様の方法で行い、下記一般式(50−2)で表される化合物を得た。

Figure 2008288097
・・・(50−1)
Figure 2008288097
・・・(50−2) <Example 9>
[Synthesis of sulfonic acid unit]
A compound represented by the following general formula (50-1) was obtained by reacting dichlorobenzene and nicotinic acid chloride in nitrobenzene in the presence of aluminum chloride. Sulfonation with fuming sulfuric acid, chlorosulfonation with phosphoryl chloride, and esterification with neopentyl alcohol were carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a compound represented by the following general formula (50-2).
Figure 2008288097
... (50-1)
Figure 2008288097
... (50-2)

[スルホン化ポリマーの合成]
ポリマー合成は、上記(50−2)を39.69g(98.7mmol)、上記(30−6)を15.12g(1.4mmol)、臭化リチウム25.70g(296mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
[Synthesis of sulfonated polymer]
Polymer synthesis was performed except that 39.69 g (98.7 mmol) of the above (50-2), 15.12 g (1.4 mmol) of the above (30-6), and 25.70 g (296 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは34,000、Mwは67,000であった。イオン交換容量は2.26meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(50−3)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(50−3) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 34,000 and Mw was 67,000. The ion exchange capacity was 2.26 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (50-3).
Figure 2008288097
... (50-3)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例10>
[スルホン化ポリマーの合成]
ポリマー合成は、上記(50−2)を39.42g(98.0mmol)、上記(30−8)を15.0g(2.0mmol)、臭化リチウム25.53g(294mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
<Example 10>
[Synthesis of sulfonated polymer]
Polymer synthesis was performed except that 39.42 g (98.0 mmol) of the above (50-2), 15.0 g (2.0 mmol) of the above (30-8), and 25.53 g (294 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは33,000、Mwは70,000であった。イオン交換容量は2.25meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(50−4)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(50−4) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 33,000 and Mw was 70,000. The ion exchange capacity was 2.25 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (50-4).
Figure 2008288097
... (50-4)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例11>
[スルホン化ポリマーの合成]
ポリマー合成は、上記(50−2)を39.22g(97.5mmol)、上記(30−10)を15.00g(2.5mmol)、臭化リチウム25.40g(293mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
<Example 11>
[Synthesis of sulfonated polymer]
Polymer synthesis was performed except that 39.22 g (97.5 mmol) of the above (50-2), 15.00 g (2.5 mmol) of the above (30-10), and 25.40 g (293 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは42,000、Mwは81,000であった。イオン交換容量は2.29meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(50−5)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(50−5) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 42,000 and Mw was 81,000. The ion exchange capacity was 2.29 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (50-5).
Figure 2008288097
... (50-5)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<実施例12>
[スルホン化ポリマーの合成]
ポリマー合成は、上記(50−2)を38.74g(96.3mmol)、上記(30−12)を14.80g(3.7mmol)、臭化リチウム25.09g(289mmol)を用いた以外は実施例1と同様にして合成を行った。
<Example 12>
[Synthesis of sulfonated polymer]
Polymer synthesis was performed except that 38.74 g (96.3 mmol) of the above (50-2), 14.80 g (3.7 mmol) of the above (30-12), and 25.09 g (289 mmol) of lithium bromide were used. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 1.

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは32,000、Mwは66,000であった。イオン交換容量は2.26meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(50−6)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(50−6) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 32,000 and Mw was 66,000. The ion exchange capacity was 2.26 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (50-6).
Figure 2008288097
... (50-6)

[プロトン伝導膜の作製]
本実施例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本実施例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this example was used.

<比較例1>
乾燥したDMAc304mLを下記一般式(60−1)で表される化合物 62.1g(96.5mmol)と上記(30−6)を39.20g(3.5mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド3.27g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン10.49g(40mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、亜鉛15.69g(240mmol)の条件で反応させた以外は、実施例1と同様の方法で合成を行った。

Figure 2008288097
・・・(60−1) <Comparative Example 1>
304 mL of dried DMAc was compounded by 62.1 g (96.5 mmol) of the compound represented by the following general formula (60-1) and 39.20 g (3.5 mmol) of the above (30-6), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride. Example 1 except that the reaction was carried out under the conditions of 3.27 g (5.0 mmol), triphenylphosphine 10.49 g (40 mmol), sodium iodide 0.45 g (3.0 mmol), and zinc 15.69 g (240 mmol). The synthesis was performed in the same manner as described above.
Figure 2008288097
... (60-1)

得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、Mnは57,000、Mwは165,000であった。イオン交換容量は2.26meq/gであった。得られたポリマーは、下記一般式(60−2)で表されるポリマーであった。

Figure 2008288097
・・・(60−2) As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, Mn was 57,000 and Mw was 165,000. The ion exchange capacity was 2.26 meq / g. The obtained polymer was a polymer represented by the following general formula (60-2).
Figure 2008288097
... (60-2)

[プロトン伝導膜の作製]
本比較例で得られたポリマーを濃度14〜16%でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、ガラス板上にキャストした後、乾燥して膜厚40μmのフィルムを得た。
[Production of proton conducting membrane]
The polymer obtained in this comparative example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 14 to 16%, cast on a glass plate, and then dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

[膜−電極接合体の作製]
本比較例で得られたプロトン伝導膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極接合体を得た。
[Production of membrane-electrode assembly]
A membrane-electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive membrane obtained in this comparative example was used.

[評価]
実施例1〜12、比較例1でそれぞれ得られたスルホン化ポリマーの特性、及びそれを用いて作製された膜−電極構造体の評価結果を表1に示す。
[Evaluation]
Table 1 shows the characteristics of the sulfonated polymers obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Example 1, respectively, and the evaluation results of the membrane-electrode structures produced using them.

Figure 2008288097
Figure 2008288097

表1に示される通り、本実施例によれば、側鎖にスルホン酸基を含む含窒素複素環を有する単量体から得られるスルホン化ポリアリーレンをプロトン伝導膜として用いることにより、発電性能と高温での発電耐久性に優れた膜−電極構造体が得られることが確認された。   As shown in Table 1, according to this example, by using a sulfonated polyarylene obtained from a monomer having a nitrogen-containing heterocycle containing a sulfonic acid group in the side chain as a proton conducting membrane, It was confirmed that a membrane-electrode structure excellent in power generation durability at high temperatures was obtained.

Claims (6)

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(2)で表される繰り返し単位を有する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 2008288097
・・・(2)
[式(2)中、Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、及び−C(CF−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Wは、直接結合、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(lは、1〜10の整数である)、−C(CF−、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Zは、直接結合、又は、−(CH−(lは、1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、−S−、−CO−、及び−SO−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。R20は、−SOH、−O(CHSOH、又は−O(CFSOH(hは、1〜12の整数)で表される置換基を少なくとも1個有する含窒素複素環を示す。pは0〜10の整数を示し、qは0〜10の整数を示し、rは1〜5の整数を示し、kは0〜4の整数を示す。]
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 has a repeating unit represented by the following general formula (2): A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell, wherein
Figure 2008288097
... (2)
Wherein (2), Y is, -CO -, - SO 2 - , - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10) And at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —. W is a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C ( CF 3 ) 2 —, —O—, and —S— represent at least one structure selected from the group consisting of —S—. Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CO—, and 1 shows at least one structure selected from the group consisting of —SO 2 —. R 20 represents at least one substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) h SO 3 H, or —O (CF 2 ) h SO 3 H (h is an integer of 1 to 12). The nitrogen-containing heterocycle which has one piece is shown. p shows the integer of 0-10, q shows the integer of 0-10, r shows the integer of 1-5, k shows the integer of 0-4. ]
前記含窒素複素環が、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、イミダゾール、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、2H−ピロール、1H−インダゾール、プリン、フタラジン、ナフチリジン、シンノリン、プテリジン、カルボリン、フェナントリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェナルサジン、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、ピラゾリン、ピラゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジンからなる含窒素複素環、及びこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物から誘導される基であることを特徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。   The nitrogen-containing heterocyclic ring is pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, imidazole, imidazoline, imidazolidine, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, indole, quinoline, isoquinoline, Brine, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline, indolizine, isoindole, 3H-indole, 2H-pyrrole, 1H-indazole, purine, phthalazine, naphthyridine, cinnoline, pteridine, carboline, phenanthridine, Perimidine, phenanthroline, phenazine, phenalsazine, phenothiazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, pyrazoline, pyrazolid 2. A group derived from at least one compound selected from the group consisting of nitrogen-containing heterocycles consisting of, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, and derivatives thereof. A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell. さらに、下記一般式(3)で表される繰り返し単位を有することを特徴とする請求項1又は2記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
Figure 2008288097
・・・(3)
[式(3)中、A及びC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)、−C(CF−、−(CH−(lは、1〜10の整数である)、−C(CR’−(R’は、炭化水素基、又は環状炭化水素基を示す)、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示す。Bは、独立に、酸素原子、又は硫黄原子を示す。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、一部又は全部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、及びニトリル基よりなる群から選ばれる少なくとも1種の原子又は基を示す。s及びtは、それぞれ独立に0〜4の整数を示し、uは、0以上の整数を示す。]
The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, further comprising a repeating unit represented by the following general formula (3).
Figure 2008288097
... (3)
Wherein (3), A and C are each independently a direct bond, -CO -, - SO 2 - , - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is , an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 -, - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (CR '2 ) 2 - (R 'Represents a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—. B independently represents 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 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 each independently represent an integer of 0 to 4, and u represents an integer of 0 or more. ]
前記Yが、−CO−、又は−SO−を示し、前記W及びZが、それぞれ独立に、直接結合、−CO−、−SO−、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を示し、前記p及びqが0〜2の整数であり、前記rが1〜2の整数であることを特徴とする請求項1から3いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。 Y represents —CO— or —SO 2 —, and W and Z are each independently selected from the group consisting of a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —O—, and —S—. The solid polymer according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid polymer represents at least one selected structure, wherein p and q are integers of 0 to 2, and r is an integer of 1 to 2. Type fuel cell membrane-electrode structure. 前記R20が、−SOH、−O( CHSOH、又は−O(CFSOH(hは、1〜12の整数)で表される置換基を少なくとも1個有するピリジン、イミダゾール、トリアゾール、及びこれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物から誘導される基であることを特徴とする請求項1から4いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。 R 20 represents at least a substituent represented by —SO 3 H, —O (CH 2 ) h SO 3 H, or —O (CF 2 ) h SO 3 H (h is an integer of 1 to 12). 5. The polymer electrolyte fuel according to claim 1, wherein the solid polymer fuel is a group derived from at least one compound selected from the group consisting of one pyridine, imidazole, triazole, and derivatives thereof. Battery membrane-electrode structure. 前記プロトン伝導膜のイオン交換容量が、0.5meq/g〜3meq/gであることを特徴とする請求項1から5いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。   6. The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the proton exchange membrane has an ion exchange capacity of 0.5 meq / g to 3 meq / g.
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