JP4713861B2 - Proton conducting solid electrolyte membrane - Google Patents
Proton conducting solid electrolyte membrane Download PDFInfo
- Publication number
- JP4713861B2 JP4713861B2 JP2004240520A JP2004240520A JP4713861B2 JP 4713861 B2 JP4713861 B2 JP 4713861B2 JP 2004240520 A JP2004240520 A JP 2004240520A JP 2004240520 A JP2004240520 A JP 2004240520A JP 4713861 B2 JP4713861 B2 JP 4713861B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solid electrolyte
- alkoxide
- organic polymer
- polymer film
- electrolyte membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、プロトン伝導性の固体電解質膜に関し、その中でも特に、水素、メタノール等を燃料とする燃料電池用の固体電解質膜として好適な性能を有するプロトン伝導性固体電解質膜に関するものである。 The present invention relates to a proton conductive solid electrolyte membrane, and more particularly to a proton conductive solid electrolyte membrane having performance suitable as a solid electrolyte membrane for a fuel cell using hydrogen, methanol or the like as a fuel.
近年、発電効率が高く、環境負荷の少ない発電装置として、各種の燃料電池が注目を集めている。これら燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池(PEFC)、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)等では、主として高分子化合物からなるプロトン伝導性の電解質膜が用いられており、この中でも特に実用的な安定性を有する電解質膜として、ナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標。以下同様)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が多く用いられている。 In recent years, various fuel cells have attracted attention as power generation devices with high power generation efficiency and low environmental load. Among these fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (PEFC), direct methanol fuel cells (DMFC), etc. use proton-conducting electrolyte membranes mainly composed of polymer compounds. As an electrolyte membrane having excellent stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont, the same applies hereinafter) is often used.
しかしながらこれらのパーフルオロカーボンスルホン酸膜は、プロトン伝導性、耐酸化性に優れているものの、製造プロセスが複雑であるため非常に高価となり、また含フッ素化合物は合成時および廃棄時の環境への負荷が大きく、将来的な環境問題を考慮した場合、燃料電池等の構成材料として必ずしも最適なものではない。 However, although these perfluorocarbon sulfonic acid membranes are excellent in proton conductivity and oxidation resistance, they are very expensive due to the complicated manufacturing process, and fluorine-containing compounds are burdened on the environment during synthesis and disposal. However, when considering future environmental problems, it is not necessarily the optimum material for a fuel cell or the like.
このような背景から、フッ素含有量を低減したスルホン化部分フッ素化膜あるいはスルホン化芳香族系高分子膜等の非パーフルオロカーボンスルホン化プロトン伝導膜が種々提案されている。その代表的なものとしては、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリスルホン等の耐熱芳香族高分子のスルホン化物や炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーからなる共重合体構造とスルホン酸基を有する芳香族系炭化水素構造とからなる、スルホン化ポリスチレン−グラフト−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体膜等が挙げられるまた安価で機械的、化学的に安定なSEBS(スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレン)のスルホン化体からなるプロトン伝導膜が提案されている。 Against this background, various non-perfluorocarbon sulfonated proton conducting membranes such as sulfonated partially fluorinated membranes or sulfonated aromatic polymer membranes with reduced fluorine content have been proposed. Typical examples include sulfonated polyetheretherketone, sulfonated products of heat-resistant aromatic polymers such as sulfonated polyethersulfone and sulfonated polysulfone, and a copolymer consisting of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer. Examples thereof include a sulfonated polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film composed of a combined structure and an aromatic hydrocarbon structure having a sulfonic acid group. Also, an inexpensive, mechanically and chemically stable SEBS ( Proton conducting membranes composed of sulfonated styrene- (ethylene-butylene) -styrene) have been proposed.
しかしながらこれらの電解質膜は、発電時の含水による膨潤による寸法変化が大きく、化学的安定性(耐酸化性)が不十分になりやすい。またメタノール燃料電池の電解質膜に適用した場合、電解質膜のメタノールへの溶解や、メタノールが高い比率で電解質膜を透過してしまうクロスオーバーによる発電出力の大きな低下を生じる問題がある。 However, these electrolyte membranes have a large dimensional change due to swelling due to water content during power generation, and chemical stability (oxidation resistance) tends to be insufficient. In addition, when applied to an electrolyte membrane of a methanol fuel cell, there is a problem in that the power generation output is greatly reduced due to dissolution of the electrolyte membrane in methanol and crossover in which methanol permeates the electrolyte membrane at a high ratio.
これら高分子系の電解質膜の抱える諸問題を解決すべく、無機系化合物からなる電解質膜がなされているが、一般的に加工性や可撓性に乏しく、ハンドリングが困難であり、自立性のある実用的な強度、柔軟性のある膜の形成は難しい。(たとえば特許文献1および非特許文献1) In order to solve the various problems of these polymer electrolyte membranes, electrolyte membranes made of inorganic compounds have been made, but generally they have poor processability and flexibility, are difficult to handle, and are self-supporting. It is difficult to form a film having a certain practical strength and flexibility. (For example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1)
前述したように無機系化合物からなる電解質膜では通常、それ単独では燃料電池の固体電解質膜の用途において自立膜としての十分な機械的強度をもつ連続膜の形成は非常に困難である。これは一般に高分子材料による固体電解質膜では所定以上の分子量や分子鎖長を有する分子鎖が相互に絡み合いつつ空間的に広がることによって自立膜としての機械的強度を実現できることに対し、無機系化合物からなる電解質材料はこうした分子量や分子鎖の絡み合いを十分に為すことが困難であることによるものである。 As described above, in general, an electrolyte membrane made of an inorganic compound alone is very difficult to form a continuous membrane having sufficient mechanical strength as a self-supporting membrane for use in a solid electrolyte membrane of a fuel cell. This is because, in general, solid electrolyte membranes made of polymer materials can realize mechanical strength as a self-supporting membrane by spatially spreading molecular chains having molecular weights and molecular chain lengths that are entangled with each other. This is because it is difficult to sufficiently entangle the molecular weight and molecular chain.
そこで、高分子系の電解質膜の有する加工性や可撓性を維持したまま、無機系化合物からなる電解質の高いプロトン伝導性をも確保しようという試みとして、高分子微多孔膜の空孔中にプロトン伝導性の固体電解質を保持させたプロトン伝導性薄膜電解質が提案されている。(特許文献2) Therefore, as an attempt to secure high proton conductivity of an electrolyte made of an inorganic compound while maintaining the workability and flexibility of a polymer electrolyte membrane, Proton-conducting thin film electrolytes that hold a proton-conducting solid electrolyte have been proposed. (Patent Document 2)
ここで用いられている方法は、高分子微多孔膜の空孔に無機質担体を充填した後、プロトン伝導性の固体電解質溶液を充填し固定化することで高分子微多孔膜の空孔に固体電解質を担持させる方法である。
しかし、このような製法の複雑さに加えて、この膜で実現したイオン伝導率は10のマイナス3乗のオーダーであり、更なる容易な製法と高いイオン伝導率を有するプロトン伝導性固定電解質膜の登場が望まれている。
The method used here is that the pores of the microporous polymer membrane are filled with an inorganic carrier and then solidified in the pores of the microporous polymer membrane by filling and immobilizing a proton conductive solid electrolyte solution. This is a method of supporting an electrolyte.
However, in addition to the complexity of such a manufacturing method, the ionic conductivity realized with this membrane is on the order of 10 to the third power, and a proton conductive fixed electrolyte membrane having a further easier manufacturing method and high ionic conductivity. The appearance of is desired.
燃料電池用の固体電解質膜として、自立膜としての十分な機械的強度と可撓性を有し高いプロトン伝導性を有する固体電解質膜とその製造方法を提供する。 As a solid electrolyte membrane for a fuel cell, a solid electrolyte membrane having sufficient mechanical strength and flexibility as a self-supporting membrane and having high proton conductivity and a method for producing the same are provided.
本発明の発明者は、機械的強度の不足や内部応力による破断等により、単独では機械的強度が不十分な為に膜化が困難な無機酸化物系固体電解質とりわけ(D)チタニウムアルコキシドまたはアルミニウムアルコキシドである金属アルコキシド、および/または(F)ケイ素アルコキシドおよび/またはケイ素塩化物の縮合物からなり、かつ該縮合物は(E)スルホン基もしくはスルホン基およびホスフォン酸基を有する固体電解質を、適切な大きさの多数の空隙を有する補強基材の空隙部に含浸、複合化することにより、固体電解質膜が製造できることに着目し、自立膜として使用可能な機械的強度と高いプロトン伝導性を有した固体電解質膜を実現したものである。 The inventor of the present invention provides an inorganic oxide solid electrolyte, particularly ( D) titanium alkoxide or aluminum, which is difficult to form into a film due to insufficient mechanical strength alone due to insufficient mechanical strength or fracture due to internal stress. A metal alkoxide which is an alkoxide, and / or (F) a condensate of silicon alkoxide and / or silicon chloride, and the condensate is suitable for (E) a solid electrolyte having a sulfone group or a sulfone group and a phosphonic acid group. Focusing on the fact that a solid electrolyte membrane can be manufactured by impregnating and compositing into the voids of a reinforcing substrate having a large number of voids, it has mechanical strength and high proton conductivity that can be used as a free-standing membrane. The solid electrolyte membrane is realized.
すなわち本発明は、
1.空隙を有する補強基材と該補強基材の空隙部に担持された固体電解質とからなる固体電解質膜であって、
(1)該補強基材が多孔性有機高分子フィルムであり、
(2)該多孔性有機高分子フィルムは、(A)厚みが5〜300μm、(B)平均孔径が0.1〜10μm、最大孔径が100μm以下で、かつ(C)透気度(JIS P8117)が20秒以内の多孔性有機高分子フィルムであり、そして
(3)該固体電解質は、(D)チタニウムアルコキシドまたはアルミニウムアルコキシドである金属アルコキシド、および/または(F)ケイ素アルコキシドおよび/またはケイ素塩化物の縮合物からなり、かつ該縮合物は(E)スルホン基またはスルホン基およびホスフォン酸基を有し、
(4)該固体電解質膜は、該固体電解質を60〜90体積部含有する
ことを特徴とするプロトン伝導性固体電解質膜。
That is, the present invention
1. A solid electrolyte membrane comprising a reinforcing substrate having voids and a solid electrolyte carried in the voids of the reinforcing substrate,
(1) The reinforcing substrate is a porous organic polymer film,
(2) The porous organic polymer film has (A) a thickness of 5 to 300 μm, (B) an average pore diameter of 0.1 to 10 μm, a maximum pore diameter of 100 μm or less, and (C) air permeability (JIS P8117). ) Is a porous organic polymer film within 20 seconds, and (3) the solid electrolyte is (D) a metal alkoxide that is titanium alkoxide or aluminum alkoxide, and / or (F) silicon alkoxide and / or silicon chloride It consists condensates of goods, and the fused Gobutsu has (E) a sulfone group or a sulfone group and a phosphonic acid group,
(4) The proton conductive solid electrolyte membrane, wherein the solid electrolyte membrane contains 60 to 90 parts by volume of the solid electrolyte.
さらに本発明には以下の態様も含まれる。
2.該多孔性有機高分子フィルムが、分子量1×105 〜1×107の超高分子量ポリエチレンからなる多孔性フィルムである上記発明1に記載のプロトン伝導性固体電解質膜。
3.多孔性有機高分子フィルムの片面に固体電解質の前駆材料である(D)チタニウムアルコキシドまたはアルミニウムアルコキシドである金属アルコキシド、および/または(F)ケイ素アルコキシドおよび/またはケイ素塩化物、およびスルホン基を有するケイ素アルコキシドおよび/またはケイ素塩化物を含む液体、または当該前駆材料の縮合物を含む液体もしくは液体流を接触させ、多孔性有機高分子フィルムの他面に水分を有する気体もしくは気体流を接触させた状態で、固体電解質の前駆材料を含む溶液を多孔性有機高分子フィルムの孔内部に浸透させる工程を含む上記発明1または2に記載のプロトン伝導性固体電解質膜の作製方法。
Furthermore, the following aspects are also included in the present invention.
2. 2. The proton conductive solid electrolyte membrane according to the invention 1, wherein the porous organic polymer film is a porous film made of ultrahigh molecular weight polyethylene having a molecular weight of 1 × 10 5 to 1 × 10 7 .
3. (D) Titanium alkoxide or aluminum alkoxide metal alkoxide and / or (F) silicon alkoxide and / or silicon chloride, and silicon having a sulfonic group on one side of the porous organic polymer film A state in which a liquid containing an alkoxide and / or silicon chloride, or a liquid or liquid stream containing a condensate of the precursor is brought into contact with a gas or gas stream having moisture on the other surface of the porous organic polymer film in the
以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明で用いる固体電解質は後述する無機酸化物を主体とする固体電解質であり、プロトン伝導性や化学的安定性等に優れた性能を有する一方で、自立膜を形成した場合には外力(曲げや引張り等)に対する機械的強度が不足しており、膜の破壊、破断、クラック等が起こりやすい。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The solid electrolyte used in the present invention is a solid electrolyte mainly composed of an inorganic oxide, which will be described later, and has excellent performance in proton conductivity, chemical stability, etc. And the mechanical strength against tension, etc.) is insufficient, and film breakage, breakage, cracks, etc. are likely to occur.
しかしながら固体電解質が空隙を有する補強基材に担持された場合、すなわち好適な大きさのドメインに分割された状態で担持されている場合には、固体電解質からなるドメインは多少の外力に対しても大きな耐性を示し、ドメインの破壊は生じにくい。これは比較的小さなドメインに分割されることにより、応力や歪のエネルギーの集中が回避される結果として説明される。
このように応力エネルギーの集中を回避して破壊を生じにくくするといった効果を十分に得るためにはドメインの大きさ、すなわち空隙の大きさに上限が存在する。
However, when the solid electrolyte is supported on a reinforcing substrate having voids, that is, when it is supported in a state of being divided into domains having a suitable size, the domain made of the solid electrolyte is resistant to some external force. It shows great resistance, and domain destruction is unlikely to occur. This is explained as a result of avoiding stress and strain energy concentration by being divided into relatively small domains.
Thus, there is an upper limit on the size of the domain, that is, the size of the gap, in order to sufficiently obtain the effect of avoiding stress energy concentration and making it difficult to cause breakage.
またその一方で、固体電解質の前駆材料液を空隙に十分に浸透させる上では、空隙の大きさに下限が存在する。
これらの要件を満たすため、本発明に用いる補強基材は、平均孔径が0.1〜10μm、最大孔径が100μm以下の多孔性有機高分子フィルムであることが好ましく、より好ましくは平均孔径が0.1〜5μm、最大孔径が20μm以下である。
On the other hand, there is a lower limit on the size of the void in order to sufficiently penetrate the solid electrolyte precursor material liquid into the void.
In order to satisfy these requirements, the reinforcing substrate used in the present invention is preferably a porous organic polymer film having an average pore diameter of 0.1 to 10 μm and a maximum pore diameter of 100 μm or less, more preferably an average pore diameter of 0. .1 to 5 μm and the maximum pore size is 20 μm or less.
本願発明では、多孔性有機高分子フィルムを用いているので、空隙の大きさは多孔性有機高分子フィルムの孔の大きさで表される。
尚、ここで平均孔径および最大孔径の測定については、U.S.Patent No.4、489,593号に記載の連続容量方式ガス吸着/脱着測定法(OMNISORP法)に基づいて測定を行い、測定装置としてはBECKMAN COULTER社製の装置を用いるものとする。
In the present invention, since the porous organic polymer film is used, the size of the void is represented by the size of the pores of the porous organic polymer film.
For the measurement of the average pore size and the maximum pore size, see U.S. Pat. S. Patent No. No. 4,489,593, measurement is performed based on the continuous capacity gas adsorption / desorption measurement method (OMNISORP method) described in No. 4,489,593, and an apparatus manufactured by BECKMAN COULTER is used as the measurement apparatus.
多孔性有機高分子フィルムの空隙の割合すなわち空孔率は60〜90体積部の範囲にあることが好ましい。空孔率が60体積部未満では、担持される固体電解質の量が絶対的に不足して、十分なプロトン伝導性が得られにくく、90体積部以上では多孔性有機高分子フィルムの機械的強度が十分でなくなるために好ましくない。
そして多孔性有機高分子フィルムは、JIS P8117に基づく透気性が20秒/100cc以内であることが好ましく、より好ましくは10以下、更に好ましくは5以下である。
The void ratio of the porous organic polymer film, that is, the porosity is preferably in the range of 60 to 90 parts by volume. If the porosity is less than 60 parts by volume, the amount of the solid electrolyte supported is absolutely insufficient, and it is difficult to obtain sufficient proton conductivity, and if it is 90 parts by volume or more, the mechanical strength of the porous organic polymer film Is not preferable because it becomes insufficient.
The porous organic polymer film preferably has an air permeability based on JIS P8117 of 20 seconds / 100 cc or less, more preferably 10 or less, still more preferably 5 or less.
多孔性有機高分子フィルムの厚みは5〜300μmの範囲であることが好ましい。5μm未満では基材としての機械的強度が不足しやすく、300μm超ではプロトン伝導性の低下が著しくなるので好ましくない。 The thickness of the porous organic polymer film is preferably in the range of 5 to 300 μm. If it is less than 5 μm, the mechanical strength as a substrate tends to be insufficient, and if it exceeds 300 μm, the proton conductivity is remarkably lowered, which is not preferable.
このような多孔性有機高分子フィルムの材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン等の有機高分子が好ましく挙げられる。尚、ここで空孔率は、原料の密度(ρ0 )と多孔性フィルムの密度(ρ)とから、下記の式に基づいて算出される。
空孔率(%)=(1−ρ/ρ0 )×100
Preferred examples of the material for such a porous organic polymer film include organic polymers such as polytetrafluoroethylene, polysulfone, high molecular weight polyethylene, and polypropylene. Here, the porosity is calculated based on the following formula from the density (ρ 0 ) of the raw material and the density (ρ) of the porous film.
Porosity (%) = (1−ρ / ρ 0 ) × 100
これら有機高分子からなる多孔性フィルムの中でも特に、分子量が1×105 〜1×107 、より好ましくは5×105 〜5×106の超高分子量ポリエチレンからなり、厚さが10〜70μm程度、面内の少なくともいずれかの一方方向への引張り強度が5MPa以上、伸び率が10%以上である超高分子量ポリエチレンフィルムは、その機械的強度、孔径のコントロール性、および価格等の観点で最も好ましく用いられる。
ここで超高分子量ポリエチレンの分子量が1×107超ではフィルム成形が困難になり、1×105未満では機械的強度が低下してしまうので好ましくない。
Among these porous films made of organic polymers, in particular, it is made of ultra high molecular weight polyethylene having a molecular weight of 1 × 10 5 to 1 × 10 7 , more preferably 5 × 10 5 to 5 × 10 6 , and a thickness of 10 to 10. An ultra-high molecular weight polyethylene film having a tensile strength in at least one of the in-plane directions of about 70 μm and an elongation rate of 10% or more is in view of its mechanical strength, pore diameter controllability, price, etc. Most preferably used.
Here, when the molecular weight of ultrahigh molecular weight polyethylene exceeds 1 × 10 7 , film molding becomes difficult, and when it is less than 1 × 10 5 , the mechanical strength decreases, which is not preferable.
また超高分子量ポリエチレンは、少量の、好ましくは5モル%以下のプロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキサン、4―チメルペンテン―1、オクテンなどを共重合したものでもよく、更に、少量の、例えば25重量%以下のポリプロピレン、ポリブチレン、エチレン―プロピレンコポリマーなどを含んでいてもよい。また、該超高分子量ポリエチレンは、安定剤、着色剤、難燃剤、帯電防止剤などの通常用いられる添加剤を含んでいてもよい。 The ultra high molecular weight polyethylene may be a copolymer of a small amount, preferably 5 mol% or less of propylene, butene, pentene, hexane, 4-thympentene-1, octene, etc., and a small amount, for example, 25% by weight. The following polypropylene, polybutylene, ethylene-propylene copolymer and the like may be included. The ultra high molecular weight polyethylene may contain commonly used additives such as a stabilizer, a colorant, a flame retardant, and an antistatic agent.
このような微細孔を多数有する多孔性超高分子量ポリエチレンフィルムは、例えば、特開平2―232242号公報、特開平5―98065号公報、特開平5―239246号公報などに記載されている方法に準拠して製造することができる。例えば分子量500万の超高分子量ポリエチレンをデカリン等の溶媒に溶解した溶液(濃度2〜30重量%)を、スリット状ダイから押し出して、ゲルフイルムを形成し、次いでゲルフイルム中の溶媒を蒸発させた後、高倍率延伸する方法や、適当な粒径を有する無機微粒子、有機微粒子を分散したポリエチレンを同様に延伸して成膜後、これらの微粒子を適切な酸、アルカリ、有機溶剤等を用いて、溶解抽出する方法等により、好ましく製造することができる。
Such a porous ultra-high molecular weight polyethylene film having a large number of micropores can be obtained by, for example, the methods described in JP-A-2-232242, JP-A-5-98065, JP-A-5-239246, and the like. Can be manufactured in compliance. For example, a solution (
更にこれら超高分子量ポリエチレンによる多孔性フィルムは、その厚さ方向では、フィブリル化した不織布状を呈している場合が多いが、面内の少なくとも一方方向の引裂強力が0.05N以上であることが好ましい。 Furthermore, these ultra high molecular weight polyethylene porous films often have a fibrillated nonwoven shape in the thickness direction, but the tear strength in at least one direction in the plane may be 0.05 N or more. preferable.
尚、前述のような方法で製造される超高分子量ポリエチレンによる多孔性フィルムには、必要に応じて更に孔開け加工を施しても良い。孔開け加工としては、例えば機械的なパンチング、レーザー光、水圧による加工等を用いることができる。
また機械的強度を向上させる目的においては、熱カレンダー加工等を用いて、フィブリル化した不織布状の層間強度を向上させることもできる。
In addition, the porous film made of ultra high molecular weight polyethylene produced by the method as described above may be further perforated as necessary. As the drilling process, for example, mechanical punching, laser beam, processing by water pressure, or the like can be used.
For the purpose of improving the mechanical strength, it is also possible to improve the interlaminar strength of the fibrillated nonwoven fabric by using thermal calendaring or the like.
さて本発明で用いる固体電解質は、無機酸化物を主体とするものであり、より具体的には、スルホン基、またはスルホン酸基とホスフォン酸基は共有結合が為された、珪素アルコキシドおよびまたは珪素塩化物およびまたは金属アルコキシドの脱アルコキシド化もしくは脱塩素化により縮合してなる固体電解質が用いられる。 The solid electrolyte used in the present invention is mainly composed of an inorganic oxide, and more specifically, a sulfone group , or a silicon alkoxide and / or silicon in which a sulfonic acid group and a phosphonic acid group are covalently bonded. the need use a solid electrolyte comprising fused with de alkoxide of or dechlorination of chloride and or metal alkoxide.
本用途に好適な珪素アルコキシドとしては、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン、フェニルメチルトリメトキシシラン、フェニルメチルトリエトキシシラン、フェニルエチルトリメトキシシラン、フェニルエチルトリエトキシシラン、フェニルプロピルトリメトキシシラン、フェニルプロピルトリエトキシシラン、メルカプトメチルトリメトキシシラン、メルカプトメチルトリエトキシシラン、メルカプトエチルトリメトキシシラン、メルカプトエチルトリエトキシシラン、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、メルカプトプロピルトリエトキシシラン、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、クロルトリメトキシシラン、クロルトリエトキシシラン等が挙げられる。尚、これらは必要に応じて、1種もしくは2種以上を混合して用いても良い。 Suitable silicon alkoxides for this application include, for example, tetramethoxysilane, tetraethoxylane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, diphenyldimethoxysilane. , Diphenyldiethoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, phenylmethyldiethoxysilane, phenylmethyltrimethoxysilane, phenylmethyltriethoxysilane, phenylethyltrimethoxysilane, phenylethyltriethoxysilane, phenylpropyltrimethoxysilane, phenylpropyltriethoxysilane , Mercaptomethyltrimethoxysilane, mercaptomethyltriethoxysilane, mercaptoethyltri Toxisilane, mercaptoethyltriethoxysilane, mercaptopropyltrimethoxysilane, mercaptopropyltriethoxysilane, glycidoxypropyltrimethoxysilane, glycidoxypropyltriethoxysilane, aminopropyltrimethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, vinyltri Examples include methoxysilane, vinyltriethoxysilane, chlorotrimethoxysilane, and chlorotriethoxysilane. In addition, you may use these 1 type or in mixture of 2 or more types as needed.
また珪素塩化物としては、例えば前記種々の珪素アルコキシドのアルコキシ基を塩素基に置き換えた化合物が好ましく挙げられる。
また金属アルコキシドとしては、例えばテトライソプロポキシチタン、テトラ−n−ブトキシチタン、テトラ−t−ブトキシチタンといったチタニウムアルコキシド、トリ−イソプロポキシアルミ、トリ−n−ブトキシアルミといったアルミニウムアルコキシド、テトラ−n−ブトキシジルコニウム等を好ましく挙げることができる。
Moreover, as a silicon chloride, the compound which substituted the alkoxy group of the said various silicon alkoxide by the chlorine group is mentioned preferably, for example.
Examples of the metal alkoxide include titanium alkoxides such as tetraisopropoxy titanium, tetra-n-butoxy titanium, and tetra-t-butoxy titanium, aluminum alkoxides such as tri-isopropoxy aluminum and tri-n-butoxy aluminum, and tetra-n-butoxy. Zirconium etc. can be mentioned preferably.
これら珪素アルコキシド、珪素塩化物、金属アルコキシドは、公知の方法により、脱アルコキシド化もしくは脱塩素化を経て縮合を行い、縮合体として用いるが、本発明においては、これらの縮合体にスルホン基もしくはリン酸基を化学結合、導入させる工程が必要になる。
この工程は、脱アルコキシド、脱塩素化前の原料モノマーの段階で行っても良いし、縮合化の過程において行っても良いし、縮合化の後に行っても良い。
These silicon alkoxides, silicon chlorides, and metal alkoxides are subjected to condensation through dealkoxylation or dechlorination by a known method and used as condensates. In the present invention, these condensates have sulfone groups or phosphorous groups. A step of chemically bonding and introducing an acid group is required.
This step may be performed at the stage of the raw material monomer before dealkoxide and dechlorination, may be performed in the process of condensation, or may be performed after condensation.
スルホン基の導入は、例えばフェニル基を有する珪素アルコキシドや珪素塩化物に対し、クロル硫酸およびまたは硫酸、発煙硫酸等を混合し、所定時間反応することにより実現でき、またはメルカプト基を有する珪素アルコキシドや珪素塩化物に対し、過酸化水素を混合し、所定時間反応することによって実現することができる。 The introduction of the sulfone group can be realized, for example, by mixing chlorosulfuric acid and / or sulfuric acid, fuming sulfuric acid, etc. with silicon alkoxide or silicon chloride having a phenyl group and reacting for a predetermined time, or silicon alkoxide having a mercapto group or This can be realized by mixing hydrogen peroxide with silicon chloride and reacting for a predetermined time.
尚、前記のようにフェニル基を有する珪素アルコキシドや珪素塩化物にクロル硫酸を作用させることにより得られるクロロスルフォニルフェニル基を有する珪素アルコキシドや珪素塩化物(一部市販された材料がある)についても、本発明では好ましく用いることができる。 In addition, as described above, silicon alkoxides and silicon chlorides having chlorosulfonylphenyl groups obtained by allowing chlorosulfuric acid to act on silicon alkoxides and silicon chlorides having phenyl groups (some of them are commercially available). In the present invention, it can be preferably used.
一方、ホスフォン酸基の導入は、脱アルコキシド、脱塩素化前の原料モノマーの段階、もしくは縮合化の過程において行うことが好ましいが、リン酸基はアルコキシド基や塩素基もしくはそれらが加水分解されてなる水酸基との交換反応により縮合体のネットワークに入り込み安定に担持され得ることから、特に縮合化の過程で効率よく導入することが可能である。 On the other hand, the introduction of the phosphonic acid group is preferably carried out at the stage of the raw material monomer before dealkoxide, dechlorination, or the condensation process, but the phosphate group is an alkoxide group or chlorine group or they are hydrolyzed. Since it can enter the network of the condensate and be stably supported by the exchange reaction with the hydroxyl group, it can be efficiently introduced particularly in the condensation process.
こうしたホスフォン酸基の導入には、一般式(1)で表されるリン酸またはその誘導体、あるいは下記一般式(2)で表される亜リン酸またはその誘導体が好ましく用いられ、場合によってはリン酸を縮合してなるポリリン酸も用いることが可能である。
PO(OR)3−y(OH)y・・(1)
[但し、式中、Rは炭素数1〜6の1価の有機基を示し、yは0〜3の整数である。]
P(OR)3−z(OH)z・・・(2)
[但し、式中、Rは炭素数1〜6の1価の有機基を示し、zは0〜3の整数である。]
For introduction of such a phosphonic acid group, phosphoric acid represented by the general formula (1) or a derivative thereof, or phosphorous acid represented by the following general formula (2) or a derivative thereof is preferably used. Polyphosphoric acid obtained by condensing an acid can also be used.
PO (OR) 3-y (OH) y (1)
[In the formula, R represents a monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms, and y is an integer of 0 to 3. ]
P (OR) 3-z (OH) z (2)
[In the formula, R represents a monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms, and z represents an integer of 0 to 3. ]
一般式(1)における、炭素数1〜6の1価の有機基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、フェニル基等を挙げることができる。
一般式(1)において、yは0〜3であるが、yが0の具体的な例としては、リン酸トリメチルエステル、リン酸トリエチルエステル、リン酸トリプロピルエステル、リン酸トリブチルエステル、リン酸トリフェニルエステル等を挙げることができる。
Examples of the monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms in the general formula (1) include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an i-propyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, and a t-butyl group. Group, n-pentyl group, phenyl group and the like.
In general formula (1), y is 0 to 3, and specific examples of y being 0 are phosphoric acid trimethyl ester, phosphoric acid triethyl ester, phosphoric acid tripropyl ester, phosphoric acid tributyl ester, phosphoric acid. A triphenyl ester etc. can be mentioned.
また、一般式(1)において、yが1または2の具体的な例としては、リン酸ジメチルエステル、リン酸ジエチルエステル、リン酸ジプロピルエステル、リン酸ジブチルエステル、リン酸ジフェニルエステル、リン酸メチルエステル、リン酸エチルエステル、リン酸プロピルエステル、リン酸ブチルエステル、リン酸フェニルエステル等に加え、P2O5をメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、フェノール等に溶解することにより調製されるものが挙げられる。更にyが3の具体的な例としては、オルトリン酸を挙げることができる。 In the general formula (1), specific examples of y being 1 or 2 include phosphoric acid dimethyl ester, phosphoric acid diethyl ester, phosphoric acid dipropyl ester, phosphoric acid dibutyl ester, phosphoric acid diphenyl ester, phosphoric acid. Prepared by dissolving P 2 O 5 in methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, phenol, etc. in addition to methyl ester, phosphoric acid ethyl ester, phosphoric acid propyl ester, phosphoric acid butyl ester, phosphoric acid phenyl ester, etc. What is done. Further, as a specific example where y is 3, orthophosphoric acid can be mentioned.
一般式(2)における、炭素数1〜6の1価の有機基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、フェニル基等を挙げることができる。
一般式(2)において、zは0〜3であるが、zが0の具体的な例としては、亜リン酸トリメチルエステル、亜リン酸トリエチルエステル、亜リン酸トリプロピルエステル、亜リン酸トリブチルエステル、亜リン酸トリフェニルエステル等を挙げることができる。
Examples of the monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms in the general formula (2) include methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, sec-butyl group, and t-butyl. Group, n-pentyl group, phenyl group and the like.
In the general formula (2), z is 0 to 3, and specific examples of z being 0 are trimethyl phosphite, triethyl phosphite, tripropyl phosphite, tributyl phosphite. Examples thereof include esters and triphenyl phosphite.
また、一般式(2)において、zが1の具体的な例としては、亜リン酸ジメチルエステル、亜リン酸ジエチルエステル、亜リン酸ジプロピルエステル、亜リン酸ジブチルエステル、亜リン酸ジフェニルエステル等、また、zが2の具体的な例としては、亜リン酸メチルエステル、亜リン酸エチルエステル、亜リン酸プロピルエステル、亜リン酸ブチルエステル、亜リン酸フェニルエステル、更にzが3の具体的な例としては、亜リン酸を挙げることができる。 In the general formula (2), specific examples of z = 1 are dimethyl phosphite, diethyl phosphite, dipropyl phosphite, dibutyl phosphite, diphenyl phosphite. In addition, as specific examples of z being 2, phosphorous acid methyl ester, phosphorous acid ethyl ester, phosphorous acid propyl ester, phosphorous acid butyl ester, phosphorous acid phenyl ester, and z being 3 Specific examples include phosphorous acid.
本発明では前述のようにスルホン酸およびまたはホスフォン酸と共有結合で結合した珪素アルコキシド、珪素塩化物、金属アルコキシドの縮合物が好ましく用いられるが、これらに加えてタングストリン酸等に代表される無機固体酸を併用し、無機固体酸を前記縮合物に共有結合もしくはイオン間相互作用に基づく強い吸着作用等により実質的に固定して用いる事も必要に応じて好ましく行われる。 In the present invention, as described above, silicon alkoxide, silicon chloride, and metal alkoxide condensate covalently bonded to sulfonic acid and / or phosphonic acid are preferably used. In addition, inorganic typified by tungstophosphoric acid or the like is used. It is also preferable to use a solid acid in combination and use the inorganic solid acid substantially fixed to the condensate by a strong adsorption action based on a covalent bond or an ionic interaction.
またこれら固体電解質の前駆材料液を多孔性有機高分子フィルムの空孔に浸透させる方法としては、例えば、多孔性有機高分子フィルムの片面に固体電解質の前駆材料の液体もしくは液体流を接触させ、多孔性有機高分子フィルムの他面に気体もしくは気体流を接触させた状態で、固体電解質の前駆材料液を多孔性有機高分子フィルムの空孔内部に浸透させる方法が好ましく挙げられる。 Further, as a method of infiltrating the pores of the porous organic polymer film with these solid electrolyte precursor material liquid, for example, the liquid or liquid flow of the solid electrolyte precursor material is brought into contact with one side of the porous organic polymer film, A preferred method is to allow the solid electrolyte precursor material liquid to penetrate into the pores of the porous organic polymer film in a state where a gas or a gas flow is in contact with the other surface of the porous organic polymer film.
尚、ここで前駆材料の液体もしくは液体流は、好ましくはその温度と圧力およびまたは流速をコントロールして供給することが好ましく、気体もしくは気体流についても、好ましくはその温度と圧力およびまたは流速、ならびに水分含有率(湿度)をコントロールして供給することが好ましい。 It should be noted that the precursor liquid or liquid stream is preferably supplied with its temperature, pressure and / or flow rate controlled, and the gas or gas stream also preferably has its temperature, pressure and / or flow rate, and It is preferable to supply by controlling the moisture content (humidity).
前記の諸手段により、本発明のプロトン伝導性固体電解質膜は、燃料電池等の固体電解質膜としての実用に耐える十分な機械的強度とプロトン導電性、耐酸化性を兼ね備えることが可能となった。 By the above means, the proton conductive solid electrolyte membrane of the present invention can have sufficient mechanical strength, proton conductivity, and oxidation resistance to withstand practical use as a solid electrolyte membrane for fuel cells and the like. .
以下、本発明が実施される最良の形態の実施例を記す。しかしながら本発明は本記載の実施例に限定されるものではない。
尚、本実施例によるプロトン伝導性固体電解質膜の性能評価は以下の要領により実施した。
Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below. However, the invention is not limited to the examples described.
The performance evaluation of the proton conductive solid electrolyte membrane according to this example was performed as follows.
次に本発明の実施例および比較例を詳述する。なお、実施例、比較例に記載したプロトン伝導性固体高分子膜の各種性能評価は以下の要領で実施した。
<曲げ耐性>
サンプルの機械的強度、ハンドリング性の評価として、直径30mmの金属ロールにサンプルを巻きつける試験を行った際に、サンプルにクラックその他の異常が認められた場合を不良、認められない場合を良好と評価した。
<プロトン導電度>
白金メッキした一対の電極間(電極表面積約0.0314cm2)にサンプルを挟持してインピーダンス測定を行った。インピーダンス測定にはソーラトロン社のインピーダンスアナライザーを用い、振幅10mV、10k〜100Hzの範囲内で周波数掃引を行い、得られたcole−coleプロットから膜の抵抗成分値を求め、以下の関係式により換算を行って電解質膜の厚み方向のプロトン導電率を求めた。
プロトン導電率(S/cm)=試料の厚み(cm)/[抵抗(Ω)×電極面積(cm2)]
<メタノール水溶液溶解性、膨潤性>
4cm×4cmのサイズに切断したサンプルを90℃の真空乾燥炉内で3時間処理した後に50mol%濃度のメタノール水溶液中に25℃で3日間浸漬し、浸漬前後におけるサンプルの重量減少の割合(%)、ならびにサンプルの面積変化の割合(浸せき後の面積/浸せき前の面積、%)を測定して評価した。
尚、浸漬前後のサンプル重量の測定は、それぞれサンプルを90℃の真空乾燥炉で3時間熱処理して、サンプルに含有する水分を十分除去した状態で行った。
Next, examples and comparative examples of the present invention will be described in detail. Various performance evaluations of the proton conductive solid polymer membranes described in Examples and Comparative Examples were performed as follows.
<Bending resistance>
As an evaluation of the mechanical strength and handling property of the sample, when a sample was wound around a metal roll with a diameter of 30 mm, if the sample showed cracks or other abnormalities, it was judged as bad or not. evaluated.
<Proton conductivity>
Impedance measurement was performed by sandwiching a sample between a pair of platinum-plated electrodes (electrode surface area of about 0.0314 cm 2 ). For impedance measurement, use a Solartron impedance analyzer, perform frequency sweep within the range of amplitude 10mV, 10k to 100Hz, obtain the resistance component value of the membrane from the obtained colle-core plot, and convert it according to the following relational expression. The proton conductivity in the thickness direction of the electrolyte membrane was determined.
Proton conductivity (S / cm) = sample thickness (cm) / [resistance (Ω) × electrode area (cm 2 )]
<Methanol aqueous solution solubility, swellability>
A sample cut to a size of 4 cm × 4 cm was treated in a vacuum drying oven at 90 ° C. for 3 hours and then immersed in a 50 mol% aqueous methanol solution at 25 ° C. for 3 days. ) As well as the rate of change in area of the sample (area after immersion / area before immersion,%).
In addition, the measurement of the sample weight before and after immersion was performed in a state where each sample was heat-treated in a vacuum drying furnace at 90 ° C. for 3 hours to sufficiently remove moisture contained in the sample.
[参考例1]
チタンイソプロポキシド1mol%にリン酸4mol%を30℃下でゆっくり混合し、3時間攪拌を行った後、テトラエトキシシラン1mol%とメチルトリメトキシシラン3mol%、ジメチルジメトキシシラン1mol%、メチルアルコール10mol%を混合し、室温で24時間攪拌して、固体電解質の前駆材料液とした。
補強基材としては、分子量が1×105 〜1×107の範囲にあるオランダ国DSM社の超高分子量ポリエチレンの多孔性フィルム(商品名「Solupor 8P07A」、平均孔径0.7μm、最大孔径1.4μm、空孔率84%、厚み50μm、引張り強度15MPa、伸び率15%、透気度4秒/100cc以下)を用いた。
[ Reference Example 1 ]
After slowly mixing 4 mol% of phosphoric acid with 1 mol% of titanium isopropoxide at 30 ° C. and stirring for 3 hours, 1 mol% of tetraethoxysilane, 3 mol% of methyltrimethoxysilane, 1 mol% of dimethyldimethoxysilane, 10 mol of methyl alcohol % Was mixed and stirred at room temperature for 24 hours to obtain a precursor material solution of a solid electrolyte.
As a reinforcing base material, a porous film of ultra high molecular weight polyethylene (trade name “Solupoor 8P07A”, DSM, Netherlands) having a molecular weight in the range of 1 × 10 5 to 1 × 10 7, an average pore size of 0.7 μm, a maximum pore size of 1. 4 μm, porosity 84%, thickness 50 μm, tensile strength 15 MPa, elongation 15%, air permeability 4 sec / 100 cc or less).
まず本フィルムに酸素プラズマを用いた表面処理を施した。すなわち真空ポンプにより0.2Paまで減圧した真空槽中に酸素を分圧2Paで導入し、13.56MHzの高周波電界の印加によって発生させた酸素プラズマ中でフィルム中の気相/固相界面の表面処理を行って、該表面の親水化を図った。 First, the film was subjected to a surface treatment using oxygen plasma. That is, the surface of the gas phase / solid phase interface in the film in oxygen plasma generated by applying oxygen at a partial pressure of 2 Pa into a vacuum chamber reduced to 0.2 Pa by a vacuum pump and applying a high frequency electric field of 13.56 MHz. Treatment was performed to make the surface hydrophilic.
次に図2に模式した配置で、端面を把持し平面方向の張力を維持した状態で補強基材を配置し、その片面側には若干の圧力をかけながら前記固体電解質の前駆材料液を供給して、フィルムと液相を接触させ、他面側には30℃、75%RHにコントロールした空気流を供給してフィルムと空気相と接触させた状態を保ちながら、基材の空隙に前駆材料液を浸透せしめ、所定時間放置した。 Next, in the arrangement schematically shown in FIG. 2, the reinforcing base material is arranged in a state where the end face is held and the tension in the plane direction is maintained, and the precursor material liquid of the solid electrolyte is supplied to one side while applying a slight pressure. Then, the film and the liquid phase are brought into contact with each other, and an air flow controlled at 30 ° C. and 75% RH is supplied to the other side to keep the film and the air phase in contact with each other while the precursor is formed in the gap of the base material. The material liquid was infiltrated and left for a predetermined time.
本方法により、補強基材の空隙に浸透した固体電解質前駆材料中のチタンおよび珪素のアルコキシドは、片面で接触する空気中に含まれる水分によって徐々に加水分解され、脱アルコキシド/縮合反応によって固体化し、補強基材と固体電解質からなる複合膜が形成された。 By this method, the alkoxide of titanium and silicon in the solid electrolyte precursor material that has penetrated into the voids of the reinforcing substrate is gradually hydrolyzed by moisture contained in the air in contact with one side, and solidified by dealkoxide / condensation reaction. A composite membrane comprising a reinforcing substrate and a solid electrolyte was formed.
次にこの複合膜に70℃で1時間、100℃で1時間、130℃で5分間の順番で熱処理を施して、目的とするプロトン伝導性固体電解質膜を作成した。
このようにして得られたサンプルの外観は良好であり、クラックその他の異常は認められなかった。本サンプルの性能評価結果を表1に示す。
Next, the composite membrane was subjected to heat treatment in the order of 70 ° C. for 1 hour, 100 ° C. for 1 hour, and 130 ° C. for 5 minutes to prepare a target proton conductive solid electrolyte membrane.
The appearance of the sample thus obtained was good and no cracks or other abnormalities were observed. The performance evaluation results of this sample are shown in Table 1.
[実施例2]
固体電解質の前駆材料は以下の要領で作成した。
すなわちクロルスルフォニルフェニルエチルトリメトキシシランのメチレンクロライド50%溶液(アゾマックス製)を、還流管を備えた反応容器内に入れ、液中に30℃、75%RHにコントロールした空気を吹き込みながら攪拌し、液と空気中の水分の接触によりクロルスルホン基からスルホン基への部分転化と、アルコキシドの加水分解/脱アルコキシド反応を進め、固体状の縮合物を得た。
[Example 2]
The precursor material for the solid electrolyte was prepared as follows.
That is, a 50% solution of chlorosulfonylphenylethyltrimethoxysilane in methylene chloride (manufactured by Azomax) was placed in a reaction vessel equipped with a reflux tube and stirred while blowing air controlled at 30 ° C. and 75% RH into the solution. Then, partial conversion from chlorosulfone group to sulfone group and hydrolysis / dealkoxide reaction of alkoxide proceeded by contact of the liquid with moisture in the air to obtain a solid condensate.
次にこの固体状の縮合物を1Nの水酸化ナトリウム水溶液中に入れ、高速のミキサーを用いて縮合物を微粒化して分散した後、30℃で24時間攪拌を行い、更に1N硫酸をゆっくり加えて系を中和し、30℃で24時間攪拌を行った。
次にこの分散液をろ過して得られる固形物について、数回水洗とろ過を繰り返し、脱水の後、アセトンに溶解させて、実施例2の固体電解質の前駆材料液とした。
Next, the solid condensate is placed in a 1N aqueous sodium hydroxide solution, and the condensate is atomized and dispersed using a high-speed mixer, followed by stirring at 30 ° C. for 24 hours, and then 1N sulfuric acid is slowly added. The system was neutralized and stirred at 30 ° C. for 24 hours.
Next, the solid obtained by filtering this dispersion was repeatedly washed with water and filtered several times, dehydrated and dissolved in acetone to obtain a solid electrolyte precursor material liquid of Example 2.
補強基材は参考例1で用いたものと同様のものを用い、供給する空気流を30℃、30%RHにコントロールした空気流に変更した以外は参考例1と全く同様の方法で前駆材料液を補強基材に接触、浸透させた状態で約1時間放置して複合膜を形成後、70℃で1時間、100℃で1時間、更に130℃で5分間の熱処理を施し、目的とするプロトン伝導性固体電解質膜を作成した。
このようにして得られたサンプルの外観は良好で、クラックその他の異常は認められなかった。本サンプルの性能評価結果を表1に示す。
The same material as used in Reference Example 1 was used as the reinforcing base material, and the precursor material was the same as in Reference Example 1 except that the air flow to be supplied was changed to an air flow controlled at 30 ° C. and 30% RH. After the liquid is left in contact with and infiltrated the reinforcing substrate for about 1 hour to form a composite membrane, heat treatment is performed at 70 ° C. for 1 hour, 100 ° C. for 1 hour, and further at 130 ° C. for 5 minutes. Proton conducting solid electrolyte membrane was prepared.
The appearance of the sample thus obtained was good, and no cracks or other abnormalities were observed. The performance evaluation results of this sample are shown in Table 1.
参考例1および実施例2で得られた成膜性、曲げ耐性が良好であり、メタノール水溶液に対する溶解性・膨潤性が低く、プロトン伝導性は夫々7.9×10 −2 と4.8×10 −2 であり、特許文献1のプロトン伝導性固定電解質膜よりも高いプロトン伝導性を示している。 The film formability and bending resistance obtained in Reference Example 1 and Example 2 are good, the solubility / swellability in aqueous methanol solution is low, and the proton conductivity is 7.9 × 10 −2 and 4.8 ×, respectively. 10-2 , which indicates a higher proton conductivity than the proton conductive fixed electrolyte membrane of Patent Document 1.
また製造方法は、特許文献1のように高分子微多孔膜の空孔に無機質担体を充填した後、プロトン伝導性の固体電解質溶液を充填し固定化するという複雑なステップを踏むことなく固体電解質の前駆材料液の塗布と加水分解、縮合、固体化という一連のプロセスからなる容易な製造方法である。 In addition, as in Patent Document 1, the manufacturing method is such that the solid electrolyte is filled without taking the complicated steps of filling the pores of the polymer microporous membrane with an inorganic carrier and then filling and immobilizing the proton conductive solid electrolyte solution. It is an easy manufacturing method comprising a series of processes of application of precursor material liquid and hydrolysis, condensation and solidification.
本発明のプロトン伝導性固体電解質膜は、耐酸化性、機械的強度等に優れた特徴を有し、水素、メタノール等を燃料とする燃料電池用の固体電解質膜として、極めて有用であると考えられる。 The proton conductive solid electrolyte membrane of the present invention has excellent characteristics such as oxidation resistance and mechanical strength, and is considered to be extremely useful as a solid electrolyte membrane for fuel cells using hydrogen, methanol or the like as fuel. It is done.
1 補強基材の空隙
2 補強基材
3 固体電解質の前駆材料液
4 温度、湿度がコントロールされた空気層(空気流)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Space | gap of
Claims (3)
(1)該補強基材が多孔性有機高分子フィルムであり、
(2)該多孔性有機高分子フィルムは、(A)厚みが5〜300μm、(B)平均孔径が0.1〜10μm、最大孔径が100μm以下で、かつ(C)透気度(JIS P8117)が20秒以内の多孔性有機高分子フィルムであり、そして
(3)該固体電解質は、(D)チタニウムアルコキシドまたはアルミニウムアルコキシドである金属アルコキシド、および/または(F)ケイ素アルコキシドおよび/またはケイ素塩化物の縮合物からなり、かつ該縮合物は(E)スルホン基またはスルホン基およびホスフォン酸基を有し、
(4)該固体電解質膜は、該固体電解質を60〜90体積部含有する
ことを特徴とするプロトン伝導性固体電解質膜。 A solid electrolyte membrane comprising a reinforcing substrate having voids and a solid electrolyte carried in the voids of the reinforcing substrate,
(1) The reinforcing substrate is a porous organic polymer film,
(2) The porous organic polymer film has (A) a thickness of 5 to 300 μm, (B) an average pore diameter of 0.1 to 10 μm, a maximum pore diameter of 100 μm or less, and (C) air permeability (JIS P8117). ) Is a porous organic polymer film within 20 seconds, and (3) the solid electrolyte is (D) a metal alkoxide that is titanium alkoxide or aluminum alkoxide, and / or (F) silicon alkoxide and / or silicon chloride It consists condensates of goods, and the fused Gobutsu has (E) a sulfone group or a sulfone group and a phosphonic acid group,
(4) The proton conductive solid electrolyte membrane, wherein the solid electrolyte membrane contains 60 to 90 parts by volume of the solid electrolyte.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004240520A JP4713861B2 (en) | 2004-08-20 | 2004-08-20 | Proton conducting solid electrolyte membrane |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004240520A JP4713861B2 (en) | 2004-08-20 | 2004-08-20 | Proton conducting solid electrolyte membrane |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006059672A JP2006059672A (en) | 2006-03-02 |
JP4713861B2 true JP4713861B2 (en) | 2011-06-29 |
Family
ID=36106967
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004240520A Expired - Fee Related JP4713861B2 (en) | 2004-08-20 | 2004-08-20 | Proton conducting solid electrolyte membrane |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4713861B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5124097B2 (en) * | 2006-03-20 | 2013-01-23 | 日本ゴア株式会社 | Electrolyte membrane and polymer electrolyte fuel cell |
JP2011241361A (en) * | 2010-05-21 | 2011-12-01 | Teijin Ltd | Polyethylene microporous film |
US11165068B2 (en) * | 2018-08-08 | 2021-11-02 | Ryo Tamaki | Manufacturing of electrolytic membrane with cationic or anionic ion conducting capability comprising crosslinked inorganic-organic hybrid electrolyte in a porous support and articles comprising the same |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0765624A (en) * | 1993-08-30 | 1995-03-10 | Tonen Corp | Proton conductive thin film electrolyte |
JPH11255883A (en) * | 1998-03-09 | 1999-09-21 | Orient Chem Ind Ltd | Organic-inorganic hybrid polymer material and method for producing the same |
JP2000149965A (en) * | 1998-11-11 | 2000-05-30 | Teijin Ltd | Solid polymer electrolyte membrane |
JP2001283635A (en) * | 2000-03-31 | 2001-10-12 | Toshiba Corp | Polymer, proton conductive polymer electrolyte and fuel cell using the same |
JP2002083612A (en) * | 2000-09-07 | 2002-03-22 | Takehisa Yamaguchi | Electrolyte film and its manufacturing method, and fuel cell and its manufacturing method |
JP2002097272A (en) * | 2000-09-22 | 2002-04-02 | Tsutomu Minami | Polysiloxane, method of producing the same and proton- carrying material |
JP2002216537A (en) * | 2001-01-16 | 2002-08-02 | Kansai Research Institute | Proton conductive solid electrolyte and proton conductive solid electrolyte sheet |
JP2002245846A (en) * | 2001-02-14 | 2002-08-30 | Nippon Steel Corp | Proton conductor and method for producing the same |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0768377B2 (en) * | 1987-07-20 | 1995-07-26 | 東燃株式会社 | Electrolyte thin film |
-
2004
- 2004-08-20 JP JP2004240520A patent/JP4713861B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0765624A (en) * | 1993-08-30 | 1995-03-10 | Tonen Corp | Proton conductive thin film electrolyte |
JPH11255883A (en) * | 1998-03-09 | 1999-09-21 | Orient Chem Ind Ltd | Organic-inorganic hybrid polymer material and method for producing the same |
JP2000149965A (en) * | 1998-11-11 | 2000-05-30 | Teijin Ltd | Solid polymer electrolyte membrane |
JP2001283635A (en) * | 2000-03-31 | 2001-10-12 | Toshiba Corp | Polymer, proton conductive polymer electrolyte and fuel cell using the same |
JP2002083612A (en) * | 2000-09-07 | 2002-03-22 | Takehisa Yamaguchi | Electrolyte film and its manufacturing method, and fuel cell and its manufacturing method |
JP2002097272A (en) * | 2000-09-22 | 2002-04-02 | Tsutomu Minami | Polysiloxane, method of producing the same and proton- carrying material |
JP2002216537A (en) * | 2001-01-16 | 2002-08-02 | Kansai Research Institute | Proton conductive solid electrolyte and proton conductive solid electrolyte sheet |
JP2002245846A (en) * | 2001-02-14 | 2002-08-30 | Nippon Steel Corp | Proton conductor and method for producing the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006059672A (en) | 2006-03-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shaari et al. | Performance of crosslinked sodium alginate/sulfonated graphene oxide as polymer electrolyte membrane in DMFC application: RSM optimization approach | |
Bose et al. | Polymer membranes for high temperature proton exchange membrane fuel cell: Recent advances and challenges | |
KR101818547B1 (en) | Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same and membraneelectrode assembly comprising the same | |
KR101376362B1 (en) | Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell and Method of manufacturing the same | |
US7488559B2 (en) | Solid electrolyte | |
JP2013503436A (en) | POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
KR100833056B1 (en) | Reinforced-composite electrolyte membrane for fuel cell | |
WO2006028190A1 (en) | Solid polymer electrolyte membrane and method for producing same | |
JP2002083612A (en) | Electrolyte film and its manufacturing method, and fuel cell and its manufacturing method | |
WO2005000949A9 (en) | Polymer electrolyte membrane with high durability and method for producing same | |
CA2525233C (en) | Proton conducting membrane, method for producing the same and fuel cell using the same | |
Gong et al. | Novel anion-conducting interpenetrating polymer network of quaternized polysulfone and poly (vinyl alcohol) for alkaline fuel cells | |
KR102098639B1 (en) | Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same and membrane-electrode assembly comprising the same | |
JP4538867B2 (en) | Polymer electrolyte composite membrane | |
Simonov et al. | Modification of Nafion with silica nanoparticles in supercritical carbon dioxide for electrochemical applications | |
KR100963747B1 (en) | Polymer film manufacturing method using electric field | |
JP2002528868A (en) | Substrate binder | |
JP4713861B2 (en) | Proton conducting solid electrolyte membrane | |
JP4354937B2 (en) | Composite electrolyte membrane and method for producing the same, fuel cell | |
JP4524579B2 (en) | Proton conductive composite and electrochemical device | |
JP4534445B2 (en) | Ionic conductor, method for producing the same, and electrochemical device | |
JP2010165626A (en) | Electrolyte membrane, and method of manufacturing the same | |
WO2023247420A2 (en) | Hybrid ceramic membrane for water electrolysis application | |
Branco | Multilayer membranes for intermediate temperature polymer electrolyte fuel cells | |
WO2016185009A1 (en) | Partially fluorinated electrospun proton exchange membranes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060818 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090819 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090825 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091026 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101214 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110210 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110301 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110325 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |