JP2001143723A - Electrolyte for fuel cell and fuel cell - Google Patents

Electrolyte for fuel cell and fuel cell

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JP2001143723A
JP2001143723A JP32112999A JP32112999A JP2001143723A JP 2001143723 A JP2001143723 A JP 2001143723A JP 32112999 A JP32112999 A JP 32112999A JP 32112999 A JP32112999 A JP 32112999A JP 2001143723 A JP2001143723 A JP 2001143723A
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JP
Japan
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fuel cell
electrolyte
phosphorus pentoxide
amorphous silica
silica
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JP32112999A
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Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Nogami
正行 野上
Hiromi Matsushita
宏巳 松下
Yasushi Tsurita
寧 釣田
Tamotsu Muto
保 武藤
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Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte for a fuel cell that can be used in the temperature range up to approximately 200 deg.C degree from a room temperature without requiring a troublesome operation such as a differential pressure control, etc. SOLUTION: An electrolyte for a fuel cell which consists of 5 oxidized phosphorus : silica = 2:98-50:50 in a mole ratio and consists of an amorphous silica molding body whose electric conductivity is equal to or more than 10 mS/cm.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用電解質
及び燃料電池に関する。
[0001] The present invention relates to an electrolyte for a fuel cell and a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に燃料電池は使用する電解質によっ
て分類され、”アルカリ電解質型−AFC””固体高分
子電解質型−PEFC””リン酸型−PAFC””溶融
炭酸塩型−MCFC””固体電解質型−SOFC”に分
けられる。これら燃料電池の内、PEFCとPAFCに
ついては、電荷移動体がプロトンであるという共通点が
ある。よって一般にはあまりなされないが、「プロトン
型燃料電池」という分類も可能である。かかるプロトン
型燃料電池において、PEFCにおいてはプロトン伝導
性の材料として、フッ素を高分子骨格中に有するパーフ
ルオロアルキルスルホン酸膜[デュポン社製、商品名
ナフィオン]等の高分子膜が使用されている。また、類
似のものとして、パーフルオロビニルエーテル側鎖が異
なるパーフルオロアルキルスルホン酸膜などの提案があ
る。しかしながら、これらを燃料電池用電解質として用
いた場合、耐熱性が弱いため、高温条件下では使用でき
ないという問題を有していた。具体的には、製品の品質
面からすると、80℃以上の環境下での使用がありうる
場合は使用できなかった。また、PAFCは100℃を
越える温度でも使用可能であるが、電解質として使用さ
れているリン酸は200℃程度の高温条件下では粘度が
低下してしまうため、厳密な差圧制御等が必要であっ
た。
2. Description of the Related Art In general, fuel cells are classified according to an electrolyte to be used. "Alkaline electrolyte type-AFC""solid polymer electrolyte type-PEFC""phosphoric acid type-PAFC""molten carbonate type-MCFC""solid electrolyte Type-SOFC ". Among these fuel cells, PEFC and PAFC have in common that the charge transfer material is a proton. Therefore, although not generally performed, classification as “proton fuel cell” is also possible. In such a proton-type fuel cell, in PEFC, a perfluoroalkylsulfonic acid membrane having fluorine in a polymer skeleton [produced by DuPont, trade name
Nafion] or the like. Further, there is a similar proposal of a perfluoroalkylsulfonic acid membrane having a different perfluorovinyl ether side chain. However, when these are used as fuel cell electrolytes, they have a problem that they cannot be used under high-temperature conditions because of their low heat resistance. Specifically, from the viewpoint of product quality, it could not be used when it could be used in an environment of 80 ° C. or higher. Further, PAFC can be used even at a temperature exceeding 100 ° C. However, since the viscosity of phosphoric acid used as an electrolyte decreases at a high temperature condition of about 200 ° C., strict differential pressure control is required. there were.

【0003】[0003]

【発明の解決しようとする課題】室温から200℃程度
の温度範囲において使用可能で、かつ差圧制御等の面倒
な操作が必要のない燃料電池用電解質が求められてい
た。
There is a need for an electrolyte for a fuel cell that can be used in a temperature range from room temperature to about 200 ° C. and does not require complicated operations such as differential pressure control.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決すべく鋭意検討した結果、リン、ケイ素、酸素、水素
を含む特定の非晶質材料が燃料電池用電解質としての性
能を発揮し、かつ高温条件下においても差圧制御等の操
作なしに燃料用電解質として使用できることを見出し、
本発明を完成するに到達した。即ち本発明の要旨は、モ
ル比で五酸化リン:シリカ=2:98〜50:50から
なり、50℃における電気伝導度が10mS/cm以上
である非晶質シリカ成形体からなる燃料電池用電解質に
存する。
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, a specific amorphous material containing phosphorus, silicon, oxygen, and hydrogen exhibits performance as an electrolyte for a fuel cell. And found that it can be used as a fuel electrolyte without operation such as differential pressure control even under high temperature conditions,
The present invention has been completed. That is, the gist of the present invention is to provide a fuel cell comprising an amorphous silica molded body having a molar ratio of phosphorus pentoxide: silica = 2: 98 to 50:50 and an electric conductivity at 50 ° C. of 10 mS / cm or more. Exists in the electrolyte.

【0005】本発明の好ましい実施形態としては、五酸
化リンの含有量が、五酸化リンとシリカの合計を100
モルとした場合、2モル以上10モル未満の割合である
上記の燃料電池用電解質;五酸化リンの含有量が、五酸
化リンとシリカの合計を100モルとした場合、10モ
ル以上50モル以下の割合である上記の燃料電池用電解
質;BET法による比表面積が10m2 /g以上である
上記の燃料電池用電解質;1〜20重量%の水を含む上
記の燃料電池用電解質が挙げられる。また、本発明の別
の実施形態としては、上記の燃料電池用電解質を用いた
燃料電池が挙げられ、好ましくは80〜200℃の環境
下で使用される燃料電池である。
[0005] In a preferred embodiment of the present invention, the content of phosphorus pentoxide is 100% of the total of phosphorus pentoxide and silica.
2 moles or more and less than 10 moles of the above electrolyte for a fuel cell; the content of phosphorus pentoxide is 10 moles or more and 50 moles or less when the total of phosphorus pentoxide and silica is 100 moles The fuel cell electrolyte having a specific surface area of 10 m 2 / g or more according to the BET method; the fuel cell electrolyte containing 1 to 20% by weight of water. Further, another embodiment of the present invention includes a fuel cell using the above-described fuel cell electrolyte, and is preferably a fuel cell used in an environment of 80 to 200 ° C.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において燃料電池とは、燃料電池とは、負極に燃
料、正極に酸化剤、を供給し正負極の電位差を電圧とし
て取り出し負荷に供給する発電装置である。負極燃料
は、古くはヒドラジンが検討され技術的には一応の完成
が見られたが、出力電圧が低いこととヒドラジンが高価
なため、現在では殆ど使用されなくなった。現在では、
出力電圧が高いため水素が負極燃料として使用されるの
が最も多いが、メタノール、メタン、ブタン等の水素原
子を含む有機物を、燃料電池内に直接導入することも検
討されている。また、酸化剤としては一般的には空気中
の酸素であり、宇宙船等の特殊用途では純酸素を用い
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the present invention, a fuel cell is a power generation device that supplies fuel to a negative electrode and oxidant to a positive electrode, extracts a potential difference between the positive and negative electrodes as a voltage, and supplies the voltage to a load. Hydrazine has been studied for a long time as the negative electrode fuel, and technically completed. However, hydrazine is rarely used at present because of its low output voltage and expensive hydrazine. Currently,
Since the output voltage is high, hydrogen is most often used as the anode fuel. However, direct introduction of an organic substance containing a hydrogen atom, such as methanol, methane, and butane, into a fuel cell is also being studied. The oxidizing agent is generally oxygen in the air, and pure oxygen is used for special applications such as spacecraft.

【0007】燃料電池は、電解質を中心として一方の面
を負極として酸化触媒を配置し、もう一方の面を正極と
して還元触媒を配置する。その触媒層に負極では燃料,
正極では酸化剤を供給して電圧を発生させる。さらに、
発生した電圧を取り出すためには電子伝導体を接触させ
るが、負極では燃料,正極では酸化剤を通流させる必要
があるため、優れた電子伝導体でかつ使用雰囲気で耐久
性がある材質の多孔体を配置する。さらに、その背後に
燃料と酸化剤が飛散するのを防ぐための隔壁板が配置さ
れ単位セルを構成する。多孔体もしくは隔壁板に燃料と
酸化剤の均一供給を目的とした溝を形成する場合が多
い。
[0007] In a fuel cell, an oxidation catalyst is arranged with one surface as a negative electrode around an electrolyte, and a reduction catalyst is arranged with the other surface as a positive electrode. The fuel in the anode is
An oxidant is supplied to the positive electrode to generate a voltage. further,
In order to extract the generated voltage, an electron conductor is brought into contact. However, since it is necessary to allow fuel to flow through the negative electrode and oxidant to flow through the positive electrode, a porous material made of an excellent electronic conductor and durable in use atmosphere Position the body. Further, a partition plate for preventing the fuel and the oxidant from being scattered behind is arranged to constitute a unit cell. In many cases, grooves are formed in the porous body or the partition plate for the purpose of uniformly supplying the fuel and the oxidizing agent.

【0008】以上、隔壁板から隔壁板までが単位セルで
あるが、1セルでは電圧が1.0 V以下と低いため負荷が
必要とする電圧になるまで、数十セルから数百セルを積
層して用いるのが通常である。電解質はその表面に触媒
層を形成して使用することが殆どである。負極触媒層に
燃料としての水素ガスが到達すると電気化学的反応過程
により電子とプロトンに解離する。電解質が水分を含む
とスルホン基の水素が電離してプロトンを生成する。プ
ロトンは負極で生成したプロトンにより順次電解質中を
移動して正極に達する。電子は多孔体,隔壁板,外部負
荷を経由して正極に送られ、正極においてその電子と、
酸化剤としての空気中の酸素と、電解質中を移動してき
たプロトンが電気化学的反応過程により結合して水を生
成する。よって、プロトン伝導の早さ=プロトン伝導性
は燃料電池の性能を決定する重要な性質である。つま
り、プロトン伝導性は高い程好ましい。
[0008] As described above, the unit cell is from the partition plate to the partition plate. Since the voltage of one cell is as low as 1.0 V or less, several tens to several hundred cells are stacked until the voltage required by the load is reached. Usually used. In most cases, the electrolyte is used after forming a catalyst layer on its surface. When hydrogen gas as a fuel reaches the negative electrode catalyst layer, it is dissociated into electrons and protons by an electrochemical reaction process. When the electrolyte contains moisture, hydrogen of the sulfone group is ionized to generate protons. The protons sequentially move in the electrolyte by the protons generated at the negative electrode and reach the positive electrode. Electrons are sent to the positive electrode via the porous body, the partition plate, and an external load.
Oxygen in the air as an oxidizing agent and protons that have moved through the electrolyte are combined by an electrochemical reaction process to form water. Therefore, the speed of proton conduction = proton conductivity is an important property that determines the performance of a fuel cell. That is, the higher the proton conductivity, the better.

【0009】上記の反応過程で解る通り電解質は燃料の
水素と酸化剤の空気中の酸素が混合しないように隔壁と
して機能するつまりガスバリアー性が必要である。そし
て、電子は外部負荷を経由して正極に移動させたいため
絶縁体であることも必要である。本発明の燃料電池用電
解質は、モル比で五酸化リン:シリカ=2:98〜5
0:50からなり、50℃における電気伝導度が10m
S/cm以上である非晶質シリカ成形体からなる。
As understood from the above reaction process, the electrolyte functions as a partition so that hydrogen in the fuel and oxygen in the air as the oxidant do not mix, that is, the electrolyte needs to have a gas barrier property. The electrons need to be an insulator because they want to move to the positive electrode via an external load. The fuel cell electrolyte of the present invention has a molar ratio of phosphorus pentoxide: silica = 2: 98-5.
0:50, electric conductivity at 50 ° C. is 10 m
It is composed of an amorphous silica molded body having a S / cm or more.

【0010】本発明における非晶質シリカ成形体は、モ
ル比で五酸化リン:シリカ=2:98〜50:50から
なり、他の金属元素や高分子材料は実質構成成分として
含まないものが好ましい。五酸化リンの含有量が少なす
ぎるとプロトン伝導度が低く、多すぎるとガラスの機械
強度が低下し、取り扱い上不便になる。シリカについて
も同様に、多すぎるとプロトン伝導度が低く、少なすぎ
ると化学安定性が低下する傾向がある。好ましくはモル
比で五酸化リン:シリカ5:95〜20:80からなる
非晶質成形体である。尚、場合により、本発明では、3
0モル%以下、望ましくは5モル%以下のTiO2 、A
2 3 等を導入したものでもよい。また、リン酸は潮
解性があり含有量が増えると乾燥雰囲気で保管しなくて
はならないという観点からは、五酸化リンの含有量が、
五酸化リンとシリカの合計を100モルとした場合、2
モル以上10モル未満の割合であることが好ましく、プ
ロトン伝導性という観点からは、五酸化リンの含有量
が、五酸化リンとシリカの合計を100モルとした場
合、10モル以上50モル以下の割合であることが好ま
しい。
The amorphous silica molded article of the present invention comprises phosphorus pentoxide: silica = 2: 98 to 50:50 in a molar ratio, and contains no other metal element or polymer material as a substantial constituent. preferable. If the content of phosphorus pentoxide is too small, the proton conductivity will be low, and if it is too large, the mechanical strength of the glass will decrease, and handling will be inconvenient. Similarly, when the amount of silica is too large, the proton conductivity tends to be low, and when the amount is too small, the chemical stability tends to decrease. Preferably, it is an amorphous molded body composed of phosphorus pentoxide: silica in a molar ratio of 5:95 to 20:80. In some cases, according to the present invention, 3
0 mol% or less, desirably 5 mol% or less of TiO 2 and A
l 2 O 3, etc. may be those obtained by introducing a. Further, from the viewpoint that phosphoric acid is deliquescent and must be stored in a dry atmosphere when its content increases, the content of phosphorus pentoxide is
When the total of phosphorus pentoxide and silica is 100 mol, 2
From the viewpoint of proton conductivity, the content of phosphorus pentoxide is preferably 10 mol or more and 50 mol or less when the total of phosphorus pentoxide and silica is 100 mol. It is preferably a ratio.

【0011】本発明において「非晶質」とは、結晶性の
成分を含有しないもの、例えば粉末X線で測定した時に
明瞭な回折線ピークが存在しないもののことである。結
晶性成分はリン酸含有量に影響が出ない範囲であれば含
まれていてもよいが、結晶性成分中にはリン酸を含むこ
とができないため、できるだけ少量が望ましい。また、
本発明において「成形体」とは、燃料電池として使用す
る形状(通常シート状)に成形したものを意味し、組立
作業中および組立後の運転時に一定の形状を保つことが
できる程度の形状保持性を有していればよい。
In the present invention, the term "amorphous" refers to a substance which does not contain a crystalline component, for example, a substance which does not have a clear diffraction line peak when measured by powder X-ray. The crystalline component may be contained as long as it does not affect the phosphoric acid content. However, since the crystalline component cannot contain phosphoric acid, the crystalline component is desirably as small as possible. Also,
In the present invention, the term "formed body" means a shaped body (usually a sheet shape) used as a fuel cell, and has a shape that can maintain a certain shape during assembly work and during operation after assembly. What is necessary is just to have the property.

【0012】本発明における非晶質シリカ成形体は多孔
性を有しており、そのBET法による比表面積は10m
2 /g以上、好ましくは50m2 /g以上である。比表
面積が大きい程プロトン伝導率は高く、その最大値とし
ては900m2 /gである。600m2 /g以上ではプ
ロトン伝導率はあまり変化しない。従来の溶融法による
リン酸塩−シリカガラスでは、比表面積がほぼ0に近い
為にプロトン伝導率は非常に低かった。
The amorphous silica molded article of the present invention has porosity and has a specific surface area of 10 m
2 / g or more, preferably 50 m 2 / g or more. The larger the specific surface area, the higher the proton conductivity, and its maximum value is 900 m 2 / g. Above 600 m 2 / g, the proton conductivity does not change much. In the phosphate-silica glass obtained by the conventional melting method, the proton conductivity was very low because the specific surface area was almost zero.

【0013】本発明における非晶質シリカ成形体の50
℃における電気伝導度は、10mS/cm以上、好まし
くは15mS/cmである。本発明において電気伝導度
は、厚さ約0.1mmの板状とした非晶質シリカ成形体
を相対湿度30%以上の雰囲気下において前処理した
後、両面に銀ペースト又は金電極を真空蒸着法等で付
け、一定湿度雰囲気下で、交流インピーダンス法により
測定する。この測定温度が50℃である。50℃におけ
る電気伝導度が低すぎると電気抵抗が大となり出力電圧
の低下を招く。
In the present invention, the amorphous silica molded product 50
The electric conductivity at 0 ° C is 10 mS / cm or more, preferably 15 mS / cm. In the present invention, the electric conductivity is such that a silver paste or a gold electrode is vacuum-deposited on both surfaces after pretreating an amorphous silica molded article having a thickness of about 0.1 mm in an atmosphere having a relative humidity of 30% or more. It is measured by the AC impedance method in a constant humidity atmosphere. This measurement temperature is 50 ° C. If the electric conductivity at 50 ° C. is too low, the electric resistance increases and the output voltage decreases.

【0014】本発明における非晶質シリカ成形体は、基
本骨格中に、水素原子が酸素と結合するか、水の状態で
存在するか、あるいはプロトンとして存在する材料であ
る。非晶質シリカ成形体に対し、プロトンは0.1〜5
重量%含まれることが好ましく、水は1〜20重量%含
まれることが好ましい。プロトンの含有量は、酸素と結
合した水素の解離は量的に少ないので無視し、含有する
リン酸量×電離度で求めることができる。
The amorphous silica molded body of the present invention is a material in which a hydrogen atom is bonded to oxygen, exists in a water state, or exists as a proton in a basic skeleton. The proton is 0.1 to 5 for the amorphous silica molded body.
% By weight, and preferably 1 to 20% by weight of water. The content of the proton can be determined as (phosphoric acid content x ionization degree), ignoring the amount of dissociation of hydrogen bonded to oxygen, since it is small in quantity.

【0015】プロトンは伝導担体であることから、その
量を多くすることが望ましいが、多すぎると水の形で非
晶質シリカ成形体中に入り、基本骨格の化学安定性を低
下させることになる。また、水は非晶質シリカ成形体中
でのプロトンの移動を促進させるもので必須成分である
が、多すぎるとガラスの化学安定性を低下させることに
なる。プロトンあるいは水が少なすぎる場合には、充分
なプロトン伝導率が得られない。
Since the proton is a conductive carrier, it is desirable to increase the amount thereof. However, if the amount is too large, the proton enters the amorphous silica molded body in the form of water, and the chemical stability of the basic skeleton is reduced. Become. Water is an essential component because it promotes the transfer of protons in the amorphous silica molded article. However, if it is too much, the chemical stability of the glass is reduced. If the amount of protons or water is too small, sufficient proton conductivity cannot be obtained.

【0016】本発明における非晶質シリカ成形体の製造
方法は、例えば、通常のアルコキシシランからのゾル−
ゲル法による製造法であって、その際の原料中又はその
過程で所定のリン酸原料を添加し、所望の形状・サイズ
の容器中でゲル化するか又は得られたゲルを所望の形状
・サイズに成形し、これを乾燥、焼成するが、この際の
焼成温度を通常100〜1000℃に調節することによ
り、伝導度の高いシリカ成形体を得ることができる。こ
のシリカ成形体は非晶質であり、またプロトン及び水の
量を上記範囲に調整可能なものとなる。
The method for producing an amorphous silica molded article according to the present invention may be carried out, for example, by the method of preparing a sol-
This is a production method by a gel method, in which a predetermined phosphoric acid raw material is added in the raw material at that time or in the process, and gelled in a container having a desired shape and size, or the obtained gel is formed into a desired shape and shape. It is formed into a size, dried and fired. By adjusting the firing temperature at this time to usually 100 to 1000 ° C., a silica molded body having high conductivity can be obtained. This silica molded article is amorphous, and the amount of protons and water can be adjusted within the above range.

【0017】シリカ原料としてはケイ素アルコキシドあ
るいはそれに水と触媒を添加して、あらかじめ一部を加
水分解したケイ素アルコキシドの縮合物が好ましい。ケ
イ素アルコキシドとしては、テトラメトキシシランやテ
トラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランが特に
好ましい。リン酸原料としては、リン酸をそのまま使用
することもできるが、リン酸のアルコキシド誘導体がケ
イ素アルコキシドとの反応性をあわせ、均一な組成とす
る為に好ましい。リン酸のアルコキシド誘導体の例とし
ては、トリメトキシリン酸のようなトリアルキルリン酸
が挙げられる
The silica raw material is preferably a silicon alkoxide or a condensate of a silicon alkoxide obtained by adding water and a catalyst thereto and partially hydrolyzing it in advance. As the silicon alkoxide, a tetraalkoxysilane such as tetramethoxysilane or tetraethoxysilane is particularly preferable. As the phosphoric acid raw material, phosphoric acid can be used as it is, but an alkoxide derivative of phosphoric acid is preferable because it has a uniform composition with the reactivity with silicon alkoxide. Examples of alkoxide derivatives of phosphoric acid include trialkyl phosphoric acids such as trimethoxy phosphoric acid

【0018】上記のシリカ原料とリン酸原料を混合する
方法は、いずれを先に入れても、両方を一緒に添加して
も問題がない。これらは混合した後に溶液の状態で加熱
して、両者の反応を進行させることが好ましい。その後
にゲル化が進行するに必要な水と触媒を添加する。水の
添加量は、原料から持ち込む水分を含めて原料中のアル
コキシ基がシラノール基に置換する以上の量で、室温で
も実質ゲル化が進行する量が好ましい。従って、使用す
る原料や各種の条件により異なるが、テトラアルコキシ
シランとトリアルキルリン酸を用いた場合の水の使用量
は、テトラアルコキシシランの4倍とトリアルキルリン
酸の3倍の合計が標準であり、標準に対して例えば0.
5倍から5倍の水の量を選択する。
In the above-mentioned method of mixing the silica raw material and the phosphoric acid raw material, there is no problem even if either is added first or both are added together. It is preferable that these are mixed and then heated in the state of a solution to cause the reaction between them to proceed. Thereafter, water and a catalyst necessary for gelation to proceed are added. The amount of water to be added is not less than the amount at which the alkoxy group in the raw material is replaced by the silanol group, including the amount of water brought in from the raw material, and is preferably such that substantial gelation proceeds even at room temperature. Therefore, the amount of water used when using tetraalkoxysilane and trialkylphosphoric acid is 4 times the amount of tetraalkoxysilane and 3 times the amount of trialkylphosphoric acid, although it depends on the raw materials used and various conditions. And, for example, 0.
Choose 5 to 5 times the amount of water.

【0019】このようにして混合した組成物は所望形状
のサンプル形態となるように、所定の容器中でゲル化す
る。ゲル化を促進する為に100℃程度までの温度で加
熱することもできるが組成によってはサンプルに亀裂が
入り、その部分の使用ができなくなる。ゲル化した後の
形状をほぼそのまま生成物として使用したい場合には、
ゲル化並びにゲル化した後に室温で一定期間放置するこ
とが好ましい。
The composition thus mixed is gelled in a predetermined container so as to obtain a sample of a desired shape. Heating can be performed at a temperature of up to about 100 ° C. in order to promote gelation, but depending on the composition, cracks may occur in the sample, making that part unusable. If you want to use the gelled shape almost as it is as the product,
It is preferable to leave at room temperature for a certain period after gelation and gelation.

【0020】ゲル化後のサンプルは、通常100〜10
00℃で加熱処理して、非晶質シリカ成形体を調製す
る。加熱温度は高プロトン伝導体を使用する温度以上、
例えば200℃以上で加熱することが好ましい。また、
上限の温度は組成によって異なり、五酸化リン含有量が
多くなると、加熱温度が低くなる。加熱温度が高すぎる
場合には、細孔が消失してプロトン量が極度に低下し
て、プロトン伝導率が低下する。10モル%五酸化リン
含有組成では1000℃、50モル%五酸化リン含有組
成では700℃が上限である。
The sample after gelation is usually 100 to 10
A heat treatment is performed at 00 ° C. to prepare an amorphous silica molded body. Heating temperature is higher than the temperature using high proton conductor,
For example, it is preferable to heat at 200 ° C. or higher. Also,
The upper limit temperature varies depending on the composition. As the phosphorus pentoxide content increases, the heating temperature decreases. If the heating temperature is too high, the pores disappear, the amount of protons extremely decreases, and the proton conductivity decreases. The upper limit is 1000 ° C. for a composition containing 10 mol% phosphorus pentoxide and 700 ° C. for a composition containing 50 mol% phosphorus pentoxide.

【0021】加熱時間は加熱温度と組成により異なる
が、1時間から24時間の範囲が実質上好ましい。加熱
雰囲気は特に制限がないが、空気中が好ましい。加熱条
件は加熱後の生成物の比表面積が10m2 /g以上、好
ましくは50m2 /g以上となるように選択する。最も
好ましくは,例えば600℃から800℃の範囲を選択
することにより,比表面積として600m2 /g以上の
非晶質材料が得られ、高プロトン伝導体になると共に、
材料の機械的及び化学的な安定性も高くなる。
The heating time varies depending on the heating temperature and the composition, but is preferably in the range of 1 hour to 24 hours. The heating atmosphere is not particularly limited, but is preferably in air. The heating conditions are selected so that the specific surface area of the product after heating is at least 10 m 2 / g, preferably at least 50 m 2 / g. Most preferably, an amorphous material having a specific surface area of 600 m 2 / g or more can be obtained by selecting, for example, the range of 600 ° C. to 800 ° C., and a high proton conductor can be obtained.
The mechanical and chemical stability of the material is also increased.

【0022】本発明の非晶質シリカ成形体の形状として
は、通常、膜状、フイルム状、シート状等のものが一般
的であり、これらの厚さは、例えば0.01〜20mm
程度である。また、繊維状のものや、破砕物及びその他
の任意の形状に成形したものでも良い。
The amorphous silica molded article of the present invention is generally in the form of a film, a film, a sheet or the like, and has a thickness of, for example, 0.01 to 20 mm.
It is about. Further, a fibrous material, a crushed material, or a product formed into any other shape may be used.

【0023】上記の製造方法で得られた非晶質成形体は
ほぼそのままの形状で使用することができるが、必要で
あれば所望の形状に加工することができる。また、プロ
トン伝導体として使用する前に水を導入する前処理を実
施することにより、初期から安定した性能を得ることが
できる。この様にして得られた非晶質シリカ成形体は、
室温から200℃までのプロトン伝導性が従来の材料よ
りも高く、かつ80℃以上の温度でも安定である。ま
た、プロトンの輸率も1に近くて良好である。さらに、
本製造法によれば、任意の形状への加工が容易であり、
機械的な強度も良好である。
The amorphous compact obtained by the above-mentioned production method can be used in almost any shape, but can be processed into a desired shape if necessary. In addition, by performing a pretreatment of introducing water before using as a proton conductor, stable performance can be obtained from the beginning. The amorphous silica molded body thus obtained is
It has higher proton conductivity from room temperature to 200 ° C. than conventional materials, and is stable even at temperatures of 80 ° C. or more. In addition, the proton transport number is close to 1 and is good. further,
According to this manufacturing method, processing into an arbitrary shape is easy,
The mechanical strength is also good.

【0024】本発明における非晶質シリカ成形体は、固
体高分子電解質型の燃料電池におけるパーフルオロアル
キルスルホン酸樹脂膜の代わりに電解質として使用され
る。即ち、電解質の片側に水素ガスなどのプロトンを生
成可能な物質を流通し、その反対側にプロトンを化学反
応で消費する酸素などを流すことにより,電解質中をプ
ロトンが伝導すると共に電解質を結んだ外部回路を電子
が流れて、電池が構成される。また、水素濃淡電池で
は、電解質の片側に濃度が低い水素ガスを反対側を濃度
が濃い水素ガスを流通することにより、電解質内をプロ
トンが伝導すると共に膜を結んだ外部回路に電流が流れ
る。
The amorphous silica molded article of the present invention is used as an electrolyte instead of a perfluoroalkylsulfonic acid resin membrane in a solid polymer electrolyte type fuel cell. In other words, a substance capable of generating protons such as hydrogen gas is circulated on one side of the electrolyte, and oxygen or the like that consumes protons by a chemical reaction is flowed on the other side, so that protons are conducted in the electrolyte and the electrolyte is connected. Electrons flow through the external circuit to form a battery. In a hydrogen concentration cell, a low-concentration hydrogen gas flows on one side of the electrolyte and a high-concentration hydrogen gas flows on the other side, so that protons are conducted in the electrolyte and current flows to an external circuit connecting the membranes.

【0025】燃料電池の製造方法について説明する。性
能を決定する最も重要な構成要素は、非晶質シリカ成形
体、触媒、カーボン多孔体を一体に成型した”非晶質シ
リカ成形体−ガス拡散電極接合体”である。現在では、
カーボンブラク、アセチレンブラック、ケッチェンブラ
ック等のカーボン粒子の表面に白金の微少粒子を担持し
た「白金担持カーボン」と呼ばれる触媒を使用するのが
主流である。
A method for manufacturing a fuel cell will be described. The most important component that determines the performance is an “amorphous silica molded body-gas diffusion electrode assembly” in which an amorphous silica molded body, a catalyst, and a carbon porous body are integrally molded. Currently,
It is the mainstream to use a catalyst called "platinum-supported carbon" in which fine particles of platinum are supported on the surface of carbon particles such as carbon black, acetylene black, and Ketjen black.

【0026】この触媒をリン酸水溶液に加え混合する。
この時触媒の凝集が危惧されるなら超音波洗浄機に容器
を浸して凝集を破壊する操作をしてもよい。結着剤とし
てまた、触媒層に撥水性を付与するためにPTFE(P
olyTetraFuluoroEthyrenen)
を加えて混合するこうして出来た触媒スラリーを、吹き
付け法またはスクリーン印刷法等により非晶質シリカ成
形体、カーボン多孔体の一方または両方に塗布すること
ができる。
This catalyst is added to the phosphoric acid aqueous solution and mixed.
At this time, if there is a concern that the catalyst may aggregate, an operation may be performed in which the container is immersed in an ultrasonic cleaner to break the aggregation. As a binder, PTFE (P) is used to impart water repellency to the catalyst layer.
(OlyTetraFluoroEthyleneen)
The catalyst slurry thus obtained can be applied to one or both of the amorphous silica molded body and the carbon porous body by spraying or screen printing.

【0027】カーボン多孔体としては、カーボンペーパ
ー、カーボンクロス等が使用される。非晶質シリカ成形
体の両面に触媒層さらにその背後にカーボン多孔体とな
るように積層し、温度120〜160℃(望ましくは1
30〜150℃)、プレス圧力5〜20MPa(望まし
くは6〜12MPa)、時間5分以上(望ましくは10
分程度)の条件でプレスして非晶質シリカ成形体−ガス
拡散電極接合体ができあがる。
As the carbon porous body, carbon paper, carbon cloth or the like is used. The catalyst layer is laminated on both sides of the amorphous silica molded body so as to form a carbon porous body behind the catalyst layer, and the temperature is 120 to 160 ° C. (preferably 1 to 160 ° C.).
30 to 150 ° C.), press pressure 5 to 20 MPa (preferably 6 to 12 MPa), time 5 minutes or more (preferably 10
Min) to obtain an amorphous silica molded article-gas diffusion electrode assembly.

【0028】こうして作製した非晶質シリカ成形体−ガ
ス拡散電極接合体と、水素ガス,空気が均一に通流する
ように溝が形成された隔壁板とをガスケットを介して必
要数積層する。この積層体を所定のトルクでボルト−ナ
ットを締め付けて適宜の圧迫力を加え燃料電池が完成す
る。本発明の燃料電池は耐熱性に優れていることから、
従来の燃料電池では使用が難しい80〜200℃におけ
る環境下での使用に適しており、特に100〜200℃
における環境下での使用に適している。
The required number of the amorphous silica molded body-gas diffusion electrode assembly and the partition plate having grooves formed so that hydrogen gas and air flow uniformly are laminated via a gasket. Bolts and nuts are tightened to the laminated body with a predetermined torque, and an appropriate pressing force is applied to complete the fuel cell. Since the fuel cell of the present invention has excellent heat resistance,
Suitable for use in an environment at 80 to 200 ° C., which is difficult to use with conventional fuel cells, and especially 100 to 200 ° C.
Suitable for use in an environment.

【0029】[0029]

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。 [ 電気伝導度の測定法方]相対湿度30%の雰囲気下に
おいてサンプルを前処理した後、試料の両面に銀ペース
トあるいは白金電極を真空蒸着法等で付け、相対湿度5
4%の雰囲気下に置き、交流インピーダンス法でサンプ
ルの伝導率(mS/cm)を測定した。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. [Method of Measuring Electric Conductivity] After pretreating a sample in an atmosphere with a relative humidity of 30%, a silver paste or a platinum electrode is attached to both surfaces of the sample by a vacuum deposition method or the like, and the relative humidity is set to 5%.
The sample was placed under an atmosphere of 4%, and the conductivity (mS / cm) of the sample was measured by an AC impedance method.

【0030】実施例1 テトラエトキシシラン15.44gに、テトラエトキシ
シランに対するモル比で1:1:0.0027に調製し
た水−エタノール−塩酸の混合溶液を添加して、室温に
て1時間加水分解を行った。トリメトキシリン酸1.0
9gを上記のテトラエトキシシランの加水分解溶液に加
え、最終生成物であるシリカガラスに対するモル比で
4:4:0.011に調製した水−エタノール−塩酸の
混合溶液を添加して、室温にて1時間加水分解を行っ
た。この溶液にホルムアミド3mlを添加し、30分間
攪拌した後テフロン製の型枠に流しだし、室内に放置し
てゲル化させ、さらに放置して、固まらせた。得られた
ゲルを600℃まで10℃/hで昇温した後、600℃
で5時間加熱した。その後、電気オーブン内に室温に戻
るまで放置した。このようにして、5P2 5 ・95S
iO2 組成(モル%)の無色透明の非晶質シリカ成形体
を合成した。これは厚さ1mm、直径約5cmのガラス
状の円形サンプルであった。BET法で測定した比表面
積は650m2 /g、平均の細孔半径は約1.5nm
で、ガラス状ではあるものの多孔性を有していた。な
お、50℃における電気伝導度は0.02mS/cmで
あった。
Example 1 To 15.44 g of tetraethoxysilane, a mixed solution of water-ethanol-hydrochloric acid adjusted to a molar ratio to tetraethoxysilane of 1: 1: 0.0027 was added and hydrolyzed at room temperature for 1 hour. Decomposition was performed. Trimethoxyphosphoric acid 1.0
9 g was added to the above-mentioned hydrolysis solution of tetraethoxysilane, and a mixed solution of water-ethanol-hydrochloric acid adjusted to a molar ratio of 4: 4: 0.011 with respect to silica glass as a final product was added thereto. For 1 hour. 3 ml of formamide was added to this solution, and the mixture was stirred for 30 minutes, poured out into a Teflon mold, allowed to gel in a room, and further allowed to solidify. After heating the obtained gel to 600 ° C. at 10 ° C./h,
For 5 hours. Then, it was left in an electric oven until it returned to room temperature. Thus, 5P 2 O 5 • 95S
A colorless and transparent amorphous silica molded body having an iO 2 composition (mol%) was synthesized. This was a glass-like circular sample having a thickness of 1 mm and a diameter of about 5 cm. The specific surface area measured by the BET method is 650 m 2 / g, and the average pore radius is about 1.5 nm.
In this case, it was glassy but had porosity. The electric conductivity at 50 ° C. was 0.02 mS / cm.

【0031】実施例2 水素ガス、空気の導入前に窒素ガスによる密閉試験を行
った。200℃において、カソード室、アノード室両方
にゲージ圧で0.1MPaの窒素ガスを導入し導入口、
排出口を閉じて一定時間保持しガス漏れが無いことを確
認した。続いて、アノード室のみ解放しまた一定時間保
持してガス漏れが無いことを確認した。これにより差圧
があっても密閉を保持できることが確認された。次に、
同じく200℃において、アノード室に水素ガス、カソ
ード室に空気を導入し電圧を測定したところ、0.8V
の開回路電圧を得られた。続いて電流密度を変えて、電
圧を測定した。その結果を図1に示す。
Example 2 A sealing test was performed with nitrogen gas before introducing hydrogen gas and air. At 200 ° C., a nitrogen gas at a pressure of 0.1 MPa was introduced into both the cathode chamber and the anode chamber at a gauge pressure, and an inlet was provided.
The outlet was closed and maintained for a certain period of time to confirm that there was no gas leakage. Subsequently, only the anode chamber was released and held for a certain period of time to confirm that there was no gas leakage. Thereby, it was confirmed that the hermetic seal can be maintained even when there is a differential pressure. next,
At 200 ° C., hydrogen gas was introduced into the anode chamber and air was introduced into the cathode chamber, and the voltage was measured.
Open circuit voltage was obtained. Subsequently, the voltage was measured while changing the current density. The result is shown in FIG.

【0032】実施例3 50℃において測定した以外は実施例2と同様にしてで
夏を測定したところ、0.76Vの開回路電圧を得られ
た。続いて電流密度を変えて、電圧を測定した。その結
果を図1に示す。
Example 3 The summer was measured in the same manner as in Example 2 except that the measurement was performed at 50 ° C., and an open circuit voltage of 0.76 V was obtained. Subsequently, the voltage was measured while changing the current density. The result is shown in FIG.

【0033】比較例1 実施例1で得られた非晶性シリカ成形体のかわりに、フ
ッ素を高分子骨格中に有するパーフルオロスルホン酸膜
[デュポン社製、商品名 ナフィオン]を用いた以外は
実施例2と同様にして、200℃における電流、電圧を
測定しようとした。しかしながら、フッ素を高分子骨格
中に有するパーフルオロスルホン酸膜は茶褐色に劣化
し、電流、電圧とも測定不可能であった。
Comparative Example 1 A perfluorosulfonic acid membrane (manufactured by DuPont, trade name: Nafion) having fluorine in the polymer skeleton was used in place of the amorphous silica molded article obtained in Example 1. The current and voltage at 200 ° C. were measured in the same manner as in Example 2. However, the perfluorosulfonic acid film having fluorine in the polymer skeleton was degraded to brown, and neither current nor voltage could be measured.

【0034】考察 実施例1の非晶質シリカ成形体は、電解質として用いた
実施例2の燃料電池のモデル試験において、差圧制御等
の操作をしなくても200℃における高温条件下でも充
分な電池性能を示しており、高温条件下における使用に
耐えうる燃料電池の電解質として有用であることがわか
る。また比較例1より、フッ素を高分子骨格中に有する
パーフルオロスルホン酸膜は、高温条件下では電解質と
しての機能を発揮することができないことがわかる。
Discussion In the model test of the fuel cell of Example 2 using the electrolyte as an electrolyte, the amorphous silica molded article of Example 1 was sufficient even at a high temperature of 200 ° C. without operation such as differential pressure control. It shows excellent cell performance and is useful as an electrolyte for a fuel cell that can withstand use under high temperature conditions. Comparative Example 1 shows that the perfluorosulfonic acid film having fluorine in the polymer skeleton cannot function as an electrolyte under high temperature conditions.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明により、室温から200℃程度の
温度範囲において使用可能で、かつ差圧制御等の面倒な
操作が必用のない燃料電池用電解質を提供することがで
きる。
According to the present invention, it is possible to provide an electrolyte for a fuel cell which can be used in a temperature range from room temperature to about 200 ° C. and does not require complicated operations such as differential pressure control.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 水素−空気電池系における電流−電圧特性を
示す図
FIG. 1 is a diagram showing current-voltage characteristics in a hydrogen-air battery system.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武藤 保 神奈川県横浜市青葉区鴨志田町1000番地 三菱化学株式会社横浜総合研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA04 EE11 EE12 HH02 HH05 HH06 HH08  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tamotsu Muto 1000 Kamoshitacho, Aoba-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Mitsubishi Chemical Corporation Yokohama Research Laboratory F-term (reference) 5H026 AA04 EE11 EE12 HH02 HH05 HH06 HH08

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 モル比で五酸化リン:シリカ=2:98
〜50:50からなり、50℃における電気伝導度が1
0mS/cm以上である非晶質シリカ成形体からなる燃
料電池用電解質。
1. A molar ratio of phosphorus pentoxide: silica = 2: 98
~ 50: 50, and the electric conductivity at 50 ° C is 1
An electrolyte for a fuel cell comprising an amorphous silica molded body having a value of 0 mS / cm or more.
【請求項2】 五酸化リンの含有量が、五酸化リンとシ
リカの合計を100モルとした場合、2モル以上10モ
ル未満の割合であることを特徴とする請求項1に記載の
燃料電池用電解質。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the content of phosphorus pentoxide is a ratio of 2 mol or more and less than 10 mol when the total of phosphorus pentoxide and silica is 100 mol. For electrolyte.
【請求項3】 五酸化リンの含有量が、五酸化リンとシ
リカの合計を100モルとした場合、10モル以上50
モル以下の割合であることを特徴とする請求項1に記載
の燃料電池用電解質。
3. The content of phosphorus pentoxide is 10 moles or more and 50 moles when the total of phosphorus pentoxide and silica is 100 moles.
2. The electrolyte for a fuel cell according to claim 1, wherein the proportion is not more than mol.
【請求項4】 BET法による比表面積が10m2 /g
以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに
記載の燃料電池用電解質。
4. A specific surface area of 10 m 2 / g by a BET method.
The electrolyte for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項5】 1〜20重量%の水を含むことを特徴と
する請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用電解
質。
5. The fuel cell electrolyte according to claim 1, wherein the electrolyte contains 1 to 20% by weight of water.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電
池用電解質を用いた燃料電池。
6. A fuel cell using the fuel cell electrolyte according to claim 1.
【請求項7】 80〜200℃の環境下で使用されるこ
とを特徴とする請求項6記載の燃料電池。
7. The fuel cell according to claim 6, wherein the fuel cell is used in an environment at 80 to 200 ° C.
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