JP2004311147A - Manufacturing method of proton conductive sheet - Google Patents

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昌弘 辰巳砂
Seiji Tadanaga
清治 忠永
Atsunori Matsuda
厚範 松田
Hiroshi Yoshida
寛 吉田
Tsutomu Minami
努 南
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a flexible proton conductive sheet using an inorganic system proton conductive material as a solid electrolyte. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the proton conductive sheet includes preparing of a sol containing a polysiloxane system proton conductive material, forming of a proton conductive film 30 after deposition from the sol and putting it under heat treatment, coating the sol on the surface of a first and a second porous and conductive sheet materials 12, 22, and crimping the proton conductive film 30 while pinched by the first and the second sheet materials 12, 22 coated with the sol. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロトン伝導性に優れ、かつ柔軟なプロトン伝導性シートの製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
固体中をイオンが移動する物質は、電池をはじめとする電気化学素子を構成する材料として精力的に研究されており、現在Li、Ag、H、Fなど様々な伝導イオン種のイオン伝導材料が見出されている。中でも、プロトン(H)を伝導イオン種とするものは、燃料電池、キャパシタ、エレクトロクロミック表示素子など様々な電気化学素子への応用が期待されている。水素を燃料とした燃料電池では、以下の式(i)の反応が生じる。この反応により生成したプロトンは、電解質中を移動し、空気極で式(ii)の反応により消費される。すなわち、プロトン伝導材料を電解質として用いることにより、水素を燃料とする燃料電池を構成することができる。
【0003】
→ 2H + 2e (i)
1/2O + 2H → HO (ii)
燃料電池は、据置用、電気自動車用などの比較的大電流を発生するための電源としての用途が有望視されている。そのような用途には、大面積の固体電解質層を構成する必要がある。燃料電池の電解質として、プロトン伝導材料を用いることができる。
【0004】
プロトン伝導材料は、0℃以下の低温から100℃以上の高温において、また、低湿度から高湿度領域においても高いプロトン伝導性を示すことが理想である。現状では、プロトン伝導材料として、パーフルオロアルカン系高分子にパーフルオロスルホン酸基を含む側鎖がついた高分子イオン交換膜などの有機物、あるいはウラニルリン酸水和物またはモリブドリン酸水和物などの無機物が知られている。しかしながら、これらの材料では、上記のような広範囲にわたる環境条件下で十分なプロトン伝導度を得ることが困難である場合がある。
【0005】
例えば、上記の無機プロトン伝導材料におい
ては、結晶水中のプロトンが伝導に関与しているため、高温下、特に低湿度の条件では結晶水が脱離し、プロトン伝導度が低下するという問題点がある。
【0006】
また、無機質の物質を薄膜状に形成する方法としては、蒸着法、キャスト法などが挙げられる。しかしながら、蒸着法による薄膜形成法では、生産コストが高いうえに、大面積の薄膜を得ることが困難である。また、無機プロトン伝導材料からなる薄膜は一般に脆いため、上記用途に適用することが困難であった。
【0007】
【特許文献1】
特開平10−69817号公報
【特許文献2】
特開2002−80214号公報
【特許文献3】
特開2002−97272号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、固体電解質として無機系プロトン伝導材料を使用した、柔軟なプロトン伝導性シートの製造方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロトン伝導性シートの製造方法は、
ポリシロキサン系プロトン伝導材料を含むゾルを調製し、
前記ゾルを成膜した後熱処理を行なうことにより、プロトン伝導膜を形成し、
多孔質かつ導電性の第1および第2のシート材の表面に前記ゾルを塗工し、
前記ゾルが塗工された前記第1および第2のシート材の間に前記プロトン伝導膜を挟んだ状態で圧着させること、
を含む。
【0010】
ここで、上記製造方法において、前記第1および第2のシート材の少なくとも一方は、白金を含む炭素材からなることができる。
【0011】
また、ここで、上記製造方法において、前記プロトン伝導膜は、ポリアルコキシシランの加水分解縮合物であって、リン酸基およびスルホン酸基の少なくとも一方を有する化合物を含むことができる。
【0012】
また、ここで、上記製造方法において、前記ゾルはさらに、有機ポリマーを含むことができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本実施の形態のプロトン伝導性シート100は、図1に示すように、第1および第2のシート材12,22と、第1および第2のシート材12,22に挟まれたプロトン伝導膜30とを含む。
【0014】
第1および第2のシート材12,22は、ポリシロキサン系プロトン伝導材料を含む。具体的には、第1および第2のシート材12,22に含まれるポリシロキサン系プロトン伝導材料は、ゾル状のポリシロキサン系プロトン伝導材料を第1および第2のシート材12,22の表面に塗工した後、ゲル化させたものである。
【0015】
また、プロトン伝導膜30は、ポリシロキサン系プロトン伝導材料からなる。具体的には、このプロトン伝導膜30は、成膜後、ゾル状のポリシロキサン系プロトン伝導材料をゲル化することにより形成される。
【0016】
すなわち、第1および第2のシート材12,22に含まれるプロトン伝導材料と、プロトン伝導膜30を構成するプロトン伝導材料とは、いずれもポリシロキサン系プロトン伝導材料である。ここで、ポリシロキサン系プロトン伝導材料は、ポリアルコキシシランの縮合物である。このポリシロキサン系プロトン伝導材料は、リン酸基およびスルホン酸基の少なくとも一方を有する化合物を含むポリシロキサンからなるのが好ましい。
【0017】
[プロトン伝導材料]
具体的には、ポリシロキサン系プロトン伝導材料は、一般式(1)で表されるシラン化合物(A)と、必要に応じて一般式で表されるシラン化合物(B)と、リン酸および硫酸の少なくとも1種の酸成分(C)との混合物を加水分解縮合し、熱処理することにより得られる。
【0018】
Si(OR4−a・・・・・(1)
〔式中、Rは1価の有機基、Rは水素原子、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基を示し、aは0〜2の整数を示す。〕
Si(OR4−b・・・・・(2)
〔式中、Rは1価の有機基、Rは1価の官能基、bは1〜2の整数を示す。〕
ポリシロキサン系プロトン伝導材料は、一般式(1)で表わされる、有機性の官能基を持たず複数のアルコキシシリル基を有するシラン化合物(A)と、一般式(2)で表わされる、有機性の官能基と複数のアルコキシシリル基を有するシラン化合物(B)(必要に応じて)と、リン酸および/または硫酸からなる酸成分(C)の混合物を加水分解し、縮合することにより得られるものである。ここで、酸成分(C)は加水分解縮合反応における触媒成分として関与するほか、縮合成分としても関与し、このポリシロキサン中に取込まれていると考えられる。
【0019】
ポリシロキサン中に酸成分(C)が取込まれると、プロトン伝導性が向上し、しかも高温低湿条件下でもプロトン伝導性の低下を小さくすることができる。このポリシロキサン中への酸性分(C)の取込みは、主として上記シラン化合物(B)を用いることにより、好適に行うことがことができる。また、シラン化合物(A)および(B)を併用することにより、自立性膜を得るための架橋構造を、ポリシロキサン中に形成することができる。
【0020】
このように、ポリシロキサン系プロトン伝導材料は、プロトン伝導性に優れ、高温低湿条件下でもプロトン伝導性の低下が小さい。したがって、このポリシロキサン系プロトン伝導材料を用いることにより、優れたプロトン伝導膜を形成することができる。しかも、このポリシロキサン系プロトン伝導材料を用いることにより、自立性のプロトン伝導膜が得られる。したがって、ポリシロキサン系プロトン伝導材料を用いて形成されたプロトン伝導膜を用いることにより、フレキシブルなプロトン伝導性シートを容易に製造することができる。
【0021】
シラン化合物(A)およびシラン化合物(B)の両方を使用する場合、シラン化合物(A)とシラン化合物(B)との使用量の割合は、シラン化合物(A)が、通常10〜70モル%、好ましくは20〜95モル%、さらに好ましくは25〜90モル%(ただし、(A)+(B)=100モル%)であり、シラン化合物(B)が、通常30〜90モル%、好ましくは5〜80モル%、さらに好ましくは10〜75モル%であることが望ましい。
【0022】
硫酸の添加量は、シラン化合物(A)とシラン化合物(B)を合計したアルコキシシリル基1当量に対して、通常0.001〜3当量、好ましくは0.001〜1.5当量である。リン酸の添加量は、シラン化合物(A)とシラン化合物(B)を合計したアルコキシシリル基1当量に対して、通常0.001〜3当量、好ましくは0.001〜1.5当量である。
【0023】
(シラン化合物(A))
本発明で使用できるシラン化合物(A)としては、下記一般式(1)で表わされる化合物である。
【0024】
Si(OR4−a・・・・・(1)
〔式中、Rは1価の有機基、Rは水素原子、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基を示し、aは0〜2の整数を示す。〕
は、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基から選ばれる有機基が好ましい。Rは特に、アルキル基またはアリール基、もしくはこれらがハロゲン化された基であることが好ましい。
【0025】
このような一般式(1)で示されるシラン化合物(A)としては、具体的には、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、シクロペンチルトリメトキシシラン、シクロペンチルトリエトキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリエトキシシラン、(3−シクロペンタジエニルプロピル)トリメトキシシラン、(3−シクロペンタジエニルプロピル)トリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、トリルトリメトキシシラン、トリルトリエトキシシラン、ベンジルトリメトキシラン、ベンジルトリエトキシラン、フェネチルトリメトキシシラン、フェネチルトリエトキシシラン、ブロモフェニルトリメトキシシラン、ブロモフェニルトリエトキシシラン、3−ブロモプロピルトリメトキシシラン、3−ブロモプロピルトリエトキシシラン、11−ブロモウンデシルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、クロロフェニルトリメトキシシラン、クロロフェニルトリエトキシシラン、クロロプロピルトリメトキシシラン、クロロプロピルトリエトキシシラン、クロロフェニルトリメトキシシラン、((クロロメチル)フェニルエチル)トリメトキシシラン、((クロロメチル)フェニルエチル)トリエトキシシラン、(トリデカフルオロ−1、1、2、2−テトラヒドロオクチル)トリメトキシシラン、(トリデカフルオロ−1、1、2、2−テトラヒドロオクチル)トリエトキシシランなどのトリアルコキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、1,3―ジメチルテトラメトキシジシロキサン、1,3―ジメチルテトラエトキシジシロキサン、1,3−ジオクチルテトラメトキシジロキサン、1,3−ジオクチルテトラエトキシジロキサンなどのテトラアルコキシシラン、1,3−ジビニルテトラエトキシジシロキサン、ビス(トリメトキシシリル)メタン、ビス(トリエトキシシリル)メタン、ビス(トリメトキシシリル)エタン、ビス(トリエトキシシリル)エタン、ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、ビス(トリエトキシシリル)ヘキサン、ビス(トリメトキシシリル)オクタン、ビス(トリエトキシシリル)オクタン、ビス(トリメトキシシリル)ノナン、ビス(トリエトキシシリル)ノナン、ビス(トリメトキシシリル)エチレン、ビス(トリエトキシシリル)エチレン、1,4―ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、1,4―ビス(トリエトキシシリルエチル)ベンゼンなどのヘキサアルコキシシランなどを挙げることができる。
【0026】
これらのうち、トリアルコキシシラン、テトラアルコキシシランが、ポリシロキサンのハイブリッド材料としての自立性膜を得るための架橋構造を形成するのに適している。特に、テトラアルコキシシランが好ましい。
【0027】
(シラン化合物(B))
本発明で使用できるシラン化合物(B)としては、下記一般式(2)で表わされる化合物である。
【0028】
Si(OR4−b・・・・・(2)
〔式中、Rは1価の有機基、Rは1価の官能基、bは1〜2の整数を示す。〕
は、上記一般式(1)においてRとして示したものが例示できる。Rは特に、ビニル系官能基、アリル系官能基、メタクリル系官能基、アクリル系官能基、エポキシ系官能基、メルカプト系官能基、エーテル系官能基、アセトキシ系官能基、ベンゾイル系官能基、ケトン系官能基、尿素系官能基、シアノ系官能基、チオシアネート系官能基、カーバメート系官能基、酸無水物系官能基、リン系官能基などが好ましい。
【0029】
このような一般式(2)で示されるシラン化合物(B)としては、具体的には、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ブテニルトリメトキシシラン、ブテニルトリエトキシシラン、スチリルエチルトリメトキシシラン、スチリルエチルトリエトキシシランのビニル系、アリルジメトキシシラン、アリルジエトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、アリルトリエトキシシラン、2−(クロロメチル)アリルトリメトキシシラン、2−(クロロメチル)アリルトリエトキシシランなどのアリル系、メタクリロキシメチルトリメトキシシラン、メタクリロキシメチルトリエトキシシラン、アクリロキシメチルトリメトキシシラン、アクリロキシメチルトリエトキシシラン、3―メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3―メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、(3−メタクリロキシプロピル)メチルジメトキシシラン、(3−メタクリロキシプロピル)メチルジエトキシシラン、3―アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3―アクリロキシプロピルトリエトキシシラン、(3−アクリロキシプロピル)メチルジメトキシシラン、(3−アクリロキシプロピル)メチルジエトキシシラン、O−(メタクリロオキシエチル)−N−(トリエトキシシリルプロピル)ウレタン、O−(メタクリロオキシエチル)−N−(トリメトキシシリルプロピル)ウレタン、O−(アクリロオキシエチル)−N−(トリエトキシシリルプロピル)ウレタン、O−(アクリロオキシエチル)−N−(トリメトキシシリルプロピル)ウレタンなどのメタクリル、またはアクリル系、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、5,6−エポキシヘキシルトリメトキシシラン、5,6−エポキシヘキシルトリエトキシシランなどのエポキシ系、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、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシランなどのメルカプト系、3−メトキシプロピルトリメトキシシラン、3−メトキシプロピルトリエトキシシラン、(フルフリルオキシメチル)トリメトキシシラン、(フルフリルオキシメチル)トリエトキシシラン、3−(ヘプタフルオロイソプロポキシ)プロピルトリメトキシシラン、3−(ヘプタフルオロイソプロポキシ)プロピルトリエトキシシランなどのエーテル系、アセトキシメチルトリメトキシシラン、アセトキシメチルトリエトキシシラン、アセトキシプロピルトリメトキシシラン、アセトキシプロピルトリエトキシシランなどのアセトキシ系、ベンゾイルオキシプロピルトリメトキシシラン、ベンゾイルオキシプロピルトリエトキシシランなどのベンゾイル系、2−ヒドロキシ−4−(3−トリメトキシプロポキシ)ジフェニルケトン、2−ヒドロキシ−4−(3−トリエトキシプロポキシ)ジフェニルケトンなどのケトン系、ビス(3−(トリメトキシシリル)プロピル)尿素、ビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)尿素などの尿素系、2−シアノエチルトリメトキシシラン、2−シアノエチルトリエトキシシラン、2−シアノプロピルトリメトキシシラン、2−シアノプロピルトリエトキシシラン、11−シアノウンデシルトリメトキシシラン、11−シアノウンデシルトリエトキシシランなどのシアノ系、3−チオシアネートプロピルトリメトキシシラン、3−チオシアネートプロピルトリエトキシシランなどのチオシアネート系、(3−トリメトキシシリルプロピル)―t−ブチルカーバメート、(3−トリメトキシシリルプロピル)―t−ブチルカーバメートなどのカーバメート系、3−(トリメトキシシリル)プロピルコハク酸無水物、3−(トリエトキシシリル)プロピルコハク酸無水物などの酸無水物系、2−(ジフェニルホスフィノ)エチルトリメトキシシラン、2−(ジフェニルホスフィノ)エチルトリエトキシシランなどのリン系などが挙げられる。
【0030】
これらの有機性官能基を有するアルコキシシランのうち、ポリシロキサン中に酸成分を取り込みやすい、ビニル系、アリル系、メタクリル系、アクリル系、エポキシ系が好ましい。とりわけ、メタクリル系、アクリル系、エポキシ系が特に好ましい。
【0031】
[第1および第2のシート材]
第1および第2のシート材12,22は、多孔質かつ導電性の材質からなる。第1および第2のシート材12,22が多孔質の材質からなることにより、ゾル状のポリシロキサン系プロトン伝導材料を、第1および第2のシート材12,22の表面に十分に含浸させることができる。さらに、第1および第2のシート材12,22が導電性の材質からなることにより、このプロトン伝導性シート100を、燃料電池セルなどの電気化学素子の電極間に設置した場合、導電性を高めることができる。
【0032】
第1および第2のシート材12,22の材質としては、具体的には、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛および膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示できる。これらの材質の形態は特に限定されないが、繊維状あるいは粒子状などが例示でき、繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)特に炭素繊維が好ましい。
【0033】
第1および第2のシート材12,22が、無機導電性繊維を用いた多孔質導電性シートである場合、織布または不織布のいずれの構造も使用可能である。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されることなく用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法など、特に限定されることなく用いられる。また、織布および不織布のかわりに、編物であってもよい。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化または黒鉛化して得られた織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによって不織布加工をした後に炭化または黒鉛化して得られた不織布、耐炎化糸または黒鉛化糸を用いて抄紙法によって形成したマット不織布などが好ましく用いられる。例えば、エレクトロケム社製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが好ましく用いられる。
【0034】
第1および第2のシート材12,22はさらに、特に限定されないが、導電性向上のために、補助材として、カーボンブラックやフラーレン、カーボンナノチューブ、あるいは白金などの金属粒子のような導電性粒子や、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維を添加することもできる。
【0035】
[プロトン伝導性シートの製造方法]
次に、プロトン伝導性シート100の製造方法について、図1〜図3を参照しながら以下説明する。
【0036】
(I)ゾルの調製
まず、ポリシロキサン系プロトン伝導材料を含むゾルを形成する。ゾルは、前述したように、上記シラン化合物(A)と、必要に応じて上記シラン化合物(B)と、上記酸成分(C)との混合液に、必要に応じて酸性縮合溶媒を添加して混合して調製される。
【0037】
酸性縮合触媒としては、塩酸、硝酸、酢酸、ギ酸、リン酸、硫酸などを用いることができるが、ポリシロキサン中に取り込まれる酸成分(C)であるリン酸、硫酸が好ましい。水の酸性度はpHで0〜4程度が好ましい。シラン化合物(A)とシラン化合物(B)との混合物に添加する水の量は、シラン化合物(A)と(B)の合計のアルコキシシリル基1当量に対して、0.1〜10当量、好ましくは0.2〜8当量、さらに好ましくは0.5〜5当量、最も好ましくは0.5〜3当量である。
【0038】
シラン化合物(A)(またはシラン化合物(A)および(B))を含む溶液中に酸成分(C)を所定量添加した後、反応系を攪拌するが、このときの攪拌速度は通常10〜100rpm、好ましくは50〜100rpmである。
【0039】
(II)プロトン伝導膜の形成
次いで、プロトン伝導膜30を形成する(図1参照)。
【0040】
プロトン伝導膜は、上記(I)において溶液を攪拌終了後、得られたゾルを基体に塗工し成膜した後、室温〜50℃で風乾するかまたは真空乾燥し、次いで、熱処理することによって得られる。次いで、得られたプロトン伝導膜は、基体から剥離される。得られたプロトン伝導膜は、ポリシロキサンのゲルの自立膜である。また、ここで熱処理温度は、用いるゾルの材質によっても異なるが、通常50〜500℃、好ましくは100〜300℃である。また、熱処理時間は通常、0.2〜24時間、好ましくは0.5〜10時間である。
【0041】
なお、得られたプロトン伝導膜を、有機ポリマーに複合化させてもよい。有機ポリマーとしては、例えば、有機高分子系のプロトン伝導材料や、ポリイミド樹脂などが例示できる。
【0042】
(III)第1および第2のシート材の表面へのプロトン伝導材料の塗工
次いで、第1および第2のシート材12,22の表面に、上記(I)で得られたゾルを塗工する(図2参照)。上述したように、第1および第2のシート材12,22は多孔質の材質からなる。このため、図2に示すように、上記(I)で得られたゾルを、第1および第2のシート材12,22の表面に塗工することにより、第1および第2のシート材12,22の孔に前記ゾルが侵入する。これにより、第1および第2のシート材12,22上に前記ゾルを確実に保持させることができる。
【0043】
なお、ここでは、プロトン伝導膜30の原料であるゾルと、第1および第2のシート材12,22の表面に塗工するゲルとが同じ材質である場合について示したが、密着性および導電性に問題がない限り、異なる材質であってもよい。
【0044】
(IV)第1および第2のシート材とプロトン伝導膜との圧着
次いで、前記ゾルを塗工した第1および第2のシート材12,22の間に、プロトン伝導膜30を挟んだ状態で圧着させる(図3参照)。具体的には、第1および第2のシート材12,22のうちゾルが塗工されている面がプロトン伝導膜30に接合した状態で、第1および第2のシート材12,22とプロトン伝導膜30とを圧着させる。
【0045】
圧着の方法は特に限定されないが、例えばホットプレス法が挙げられる。また、圧着時の圧力および圧着に要する時間は、プロトン伝導膜30およびゾルの材質や膜厚などによって適宜設定することができる。
【0046】
以上の工程により、第1および第2のシート材12,22と、第1および第2のシート材12,22の間に挟まれたプロトン伝導膜30とを含むプロトン伝導性シート100が得られる(図1参照)。
【0047】
【実施例】
以下、実施例を挙げ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。
【0048】
出発物質としては、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(CH=C(CH)−(CH−Si(OCH(チッソ株式会社製、以下TMSPMと略す)、テトラメトキシシラン(Si(OCH)(東京化成工業株式会社製、以下TMOSと略す)、テトラエトキシシラン(Si(OCHCH )(東京化成工業株式会社製、以下TEOSと略す)、エチルアルコール(和光純薬工業株式会社製)、硫酸(和光純薬工業株式会社製)、リン酸(和光純薬工業株式会社製)を用いた。水はイオン交換水を蒸留したものを用いた。
【0049】
[実施例1]
(I)プロトン伝導材料を含むゾルの調製
TMSPM1.5モル(372.5g)と、TMOS1モル(152.2g)とを室温で10分間混合した。これに、濃硫酸0.0125モル(1.23g)と水7.5モル(135g)からなる水溶液を加え、室温で2時間攪拌を行ない、プロトン伝導材料を含むゾルを調製した。
【0050】
(II)プロトン伝導膜の形成
前記(I)で得られたゾルを、テフロン(登録商標)製のシャーレに流延し、室温で1時間静置後、50℃で1昼夜保持して乾燥させ、さらに150℃で5時間熱処理を行なった。その結果、透明なゲルからなるプロトン伝導膜が得られた。このプロトン伝導膜は、膜厚100μmの自立性膜であり、肉眼ではクラックは検出されなかった。
【0051】
(III)第1および第2のシート材の表面へのプロトン伝導材料の塗工
前記(I)で得られたゾルを、第1および第2のシート材の表面に塗工した。本実施例では、第1および第2のシート材として、白金を含む炭素材(白金を担持したカーボンペーパー(エレクトロケム社製、テフロン(登録商標)処理済))を用いた。このカーボンペーパーにおいては、白金の担持量が1mg/cmであった。
【0052】
(IV)プロトン伝導性シートの形成
前記(III)でゾルを塗工した第1および第2のシート材の間に、前記(II)で得られたプロトン伝導膜を挟み、この状態で0.2MPaの圧力下、150℃で3時間ホットプレスにて圧着させた。これにより、実施例1のプロトン伝導性シートが得られた。
【0053】
得られたプロトン伝導性シートを試験用の燃料電池セルに設置して、出力電流と電池電圧の関係を調べた。この試験用燃料電池300の概略図を図4に示す。図4に示す燃料電池300は、燃料電池セル200を含む。この燃料電池セル200は、電極20,21およびプロトン伝導性シート100を含む。ここで、プロトン伝導性シート100は、燃料電池セル200の電解質膜として機能する。具体的には、図4に示すように、プロトン伝導性シート100は電極20,21の間に挟持されている。また、燃料電池セル200の温度はヒータ(図示せず)によって調節される。
【0054】
この燃料電池セル200において、電極(アノード)20に水素が、電極(カソード)21に空気が、それぞれ供給される。すなわち、この燃料電池300は、水素を燃料とする燃料電池である。
【0055】
電極20,21としては、E−Tech社製のガス拡散電極(白金担持量0.35mg/cm)を用いた。この電極20,21間に、上記工程で得られたプロトン伝導性シート100をはさみ、150℃の温度でホットプレスすることで燃料電池セル200を形成した。
【0056】
具体的には、燃料電池300は、図4で示すように、燃料電池セル200と、燃料電池セル200を挟むステンレス鋼ブロック29,39を含む。ステンレス鋼ブロック29は、Hガス導入孔23、燃料室24、およびHガス排出孔25を含む。ステンレス鋼ブロック39は、Oガス導入孔26、酸素室27、およびOガス排出孔28を含む。燃料電池300の全体は、電気絶縁性の繊維強化プラスチック製の締め付けロッド31、32によって固定されている。なお、図4において、33はHOのドレイン、34はアノード端子、35はカソード端子である。
【0057】
試験においては、温度130℃、相対湿度(RH)10%の条件にて、電極(燃料極)20には3気圧に加圧した水素、電極(空気極)21には5気圧に加圧した空気をそれぞれ通じ、出力電流と電池電圧の関係を調べた。その結果、この試験用燃料電池300においては、400mA/cmの電流を取り出した際も電池電圧は0.7V以上の電圧を維持しており、優れた高出力特性を示すことがわかった。以上のように、本実施例のプロトン伝導性シートを用いることにより、優れた特性の燃料電池が得られることがわかった。
【0058】
[実施例2]
TEOS1モル(208.3g)とエタノール8モル(368.6g)とを混合し、これに、別に塩酸0.01モル(0.09g)を用いてpH0.3の酸性条件に調製した水4モル(72g)を加え、室温で10分間攪拌した。ここに、リン酸0.5モル(49g)を加え、3時間室温で攪拌し、プロトン伝導材料を含むゾルを調整した。
【0059】
得られたゾルを、テフロン(登録商標)製のシャーレに流延し、室温で1時間静置後、50℃で1昼夜保持して乾燥させ、さらに300℃で5時間熱処理を行なった。その結果、透明なゲルからなるプロトン伝導膜が得られた。このプロトン伝導膜は、膜厚100μmの自立性膜であり、肉眼ではクラックは検出されなかった。
【0060】
以降の工程は、実施例1と同様に行なった。これにより、本実施例のプロトン伝導性シートが得られた。また、実施例1と同様の方法および条件にて、本実施例で得られたプロトン伝導性シートを用いた燃料電池の評価を行なった。その結果、本実施例のプロトン伝導性シートを用いた燃料電池においては、400mA/cmの電流を取り出した際も電池電圧は0.7V以上の電圧を維持しており、優れた高出力特性を示すことがわかった。以上のように、本実施例のプロトン伝導性シートを用いることにより、優れた特性の燃料電池が得られることがわかった。
【0061】
なお、実施例においては、プロトン伝導性シートを用いた電気化学素子として燃料電池について説明したが、その他pHセンサーや電気二重層コンデンサなど、実施例では説明しなかった電気化学素子にも本発明のプロトン伝導性シートを適用できることはいうまでもない。
【0062】
【発明の効果】
本発明のプロトン伝導性シートの製造方法によれば、高いプロトン伝導性を有し、かつ柔軟性に優れたプロトン伝導性シートを効率的に製造することができる。加えて、大面積のプロトン伝導性シートを低コストで製造することができる。
【0063】
また、第1および第2のシート材の表面にゾルを塗工した後、このシート材の間にプロトン伝導膜を挟んだ状態で圧着させることにより、シート材とプロトン伝導膜との間の密着性に優れたプロトン伝導性シートを得ることができる。さらに、第1および第2のシート材として多孔質の導電性シートを用いることにより、第1および第2のシート材の表面に、十分な量の前記ゾルを含浸させることができるとともに、プロトン伝導性シートの導電性を高めることができる。
【0064】
また、本発明の製造方法により得られるプロトン伝導性シートは、燃料電池、キャパシター、エレクトロクロミック表示素子など様々な電気化学素子の電解質膜として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態の製造方法により得られたプロトン伝導性シートを模式的に示す断面図である。
【図2】図1に示すプロトン伝導性シートの一製造工程を模式的に示す断面図である。
【図3】図1に示すプロトン伝導性シートの一製造工程を模式的に示す断面図である。
【図4】図1に示すプロトン伝導性シートを用いた燃料電池の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
12 第1のシート材
14,24 プロトン伝導材料
14a,24a ゾル
20 電極(アノード)
21 電極(カソード)
22 第2のシート材
23 Hガス導入孔
25 Hガス排出孔
26 Oガス導入孔
27 酸素室
28 Oガス排出孔
30 プロトン伝導膜
31,32 締め付けロッド
33 HOドレイン
34 アノード端子
35 カソード端子
37 燃料室
100 プロトン伝導性シート
200 燃料電池セル
300 燃料電池
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a flexible proton conductive sheet having excellent proton conductivity.
[0002]
[Prior art]
Substances in which ions move in a solid have been energetically studied as materials for electrochemical devices such as batteries.+, Ag+, H+, FFor example, ion conductive materials of various conductive ion species have been found. Among them, proton (H+) Is expected to be applied to various electrochemical devices such as fuel cells, capacitors, and electrochromic display devices. In a fuel cell using hydrogen as a fuel, a reaction represented by the following equation (i) occurs. Protons generated by this reaction move through the electrolyte and are consumed at the air electrode by the reaction of formula (ii). That is, a fuel cell using hydrogen as a fuel can be formed by using a proton conductive material as an electrolyte.
[0003]
H2  → 2H+  + 2e              (I)
1 / 2O2  + 2H+  → H2O (ii)
2. Description of the Related Art Fuel cells are expected to be used as power sources for generating relatively large currents, such as for stationary and electric vehicles. For such an application, it is necessary to form a large-area solid electrolyte layer. A proton conductive material can be used as an electrolyte of the fuel cell.
[0004]
Ideally, the proton conductive material exhibits high proton conductivity from a low temperature of 0 ° C. or lower to a high temperature of 100 ° C. or higher, and also in a low humidity to high humidity region. At present, as a proton conductive material, organic substances such as a polymer ion exchange membrane having a side chain containing a perfluorosulfonic acid group in a perfluoroalkane polymer, or uranyl phosphate hydrate or molybdo phosphate hydrate, etc. Inorganic substances are known. However, with these materials, it may be difficult to obtain sufficient proton conductivity under such a wide range of environmental conditions.
[0005]
For example, in the above-mentioned inorganic proton conductive material,
In addition, since protons in the crystallization water participate in conduction, there is a problem that the crystallization water is desorbed at high temperatures, particularly under low humidity conditions, and the proton conductivity is reduced.
[0006]
In addition, as a method of forming the inorganic substance into a thin film, a vapor deposition method, a casting method, and the like are given. However, in the thin film forming method by the vapor deposition method, the production cost is high and it is difficult to obtain a large area thin film. Further, a thin film made of an inorganic proton conductive material is generally brittle, so that it has been difficult to apply it to the above-mentioned applications.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-10-69817
[Patent Document 2]
JP-A-2002-80214
[Patent Document 3]
JP-A-2002-97272
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a method for producing a flexible proton conductive sheet using an inorganic proton conductive material as a solid electrolyte.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing a proton conductive sheet according to the present invention includes:
Prepare a sol containing a polysiloxane-based proton conductive material,
By performing a heat treatment after forming the sol, a proton conductive membrane is formed,
Coating the sol on the surface of a porous and conductive first and second sheet material,
Pressing the sol coated with the proton conductive membrane sandwiched between the first and second sheet materials,
including.
[0010]
Here, in the above manufacturing method, at least one of the first and second sheet materials may be made of a carbon material containing platinum.
[0011]
Here, in the above production method, the proton conductive membrane may be a hydrolyzed condensate of a polyalkoxysilane, and may include a compound having at least one of a phosphate group and a sulfonic acid group.
[0012]
Here, in the above production method, the sol may further include an organic polymer.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As shown in FIG. 1, a proton conductive sheet 100 according to the present embodiment has first and second sheet materials 12 and 22, and a proton conductive membrane sandwiched between the first and second sheet materials 12 and 22. 30.
[0014]
The first and second sheet materials 12 and 22 include a polysiloxane-based proton conductive material. Specifically, the polysiloxane-based proton conductive material contained in the first and second sheet materials 12 and 22 is a sol-shaped polysiloxane-based proton conductive material formed on the surface of the first and second sheet materials 12 and 22. And then gelled.
[0015]
The proton conductive membrane 30 is made of a polysiloxane-based proton conductive material. Specifically, the proton conductive film 30 is formed by gelling a sol-like polysiloxane-based proton conductive material after film formation.
[0016]
That is, the proton conductive material included in the first and second sheet materials 12 and 22 and the proton conductive material forming the proton conductive membrane 30 are both polysiloxane-based proton conductive materials. Here, the polysiloxane-based proton conductive material is a condensate of polyalkoxysilane. This polysiloxane-based proton conductive material is preferably made of a polysiloxane containing a compound having at least one of a phosphoric acid group and a sulfonic acid group.
[0017]
[Proton conductive material]
Specifically, the polysiloxane-based proton conductive material includes a silane compound (A) represented by the general formula (1), a silane compound (B) represented by the general formula, if necessary, phosphoric acid and sulfuric acid. Is obtained by subjecting a mixture with at least one kind of acid component (C) to hydrolysis condensation and heat treatment.
[0018]
R2 aSi (OR1)4-a・ ・ ・ ・ ・ (1)
[Wherein, R1Is a monovalent organic group, R2Represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group or an aryl group, and a represents an integer of 0 to 2. ]
R3 bSi (OR1)4-b・ ・ ・ ・ ・ (2)
[Wherein, R1Is a monovalent organic group, R3Represents a monovalent functional group, and b represents an integer of 1 to 2. ]
The polysiloxane-based proton conductive material includes a silane compound (A) having no organic functional group and having a plurality of alkoxysilyl groups, represented by the general formula (1), and an organic silane compound represented by the general formula (2). Obtained by hydrolyzing and condensing a mixture of a silane compound (B) having a functional group and a plurality of alkoxysilyl groups (if necessary) and an acid component (C) composed of phosphoric acid and / or sulfuric acid. Things. Here, it is considered that the acid component (C) is involved not only as a catalyst component in the hydrolysis-condensation reaction, but also as a condensation component, and is incorporated in the polysiloxane.
[0019]
When the acid component (C) is incorporated into the polysiloxane, the proton conductivity is improved, and the decrease in proton conductivity can be reduced even under high temperature and low humidity conditions. The incorporation of the acidic component (C) into the polysiloxane can be suitably performed by mainly using the silane compound (B). Further, by using the silane compounds (A) and (B) together, a crosslinked structure for obtaining a self-supporting film can be formed in polysiloxane.
[0020]
As described above, the polysiloxane-based proton conductive material is excellent in proton conductivity and has a small decrease in proton conductivity even under high temperature and low humidity conditions. Therefore, an excellent proton conductive membrane can be formed by using this polysiloxane-based proton conductive material. In addition, by using this polysiloxane-based proton conductive material, a self-supporting proton conductive membrane can be obtained. Therefore, a flexible proton conductive sheet can be easily manufactured by using a proton conductive membrane formed using a polysiloxane-based proton conductive material.
[0021]
When both the silane compound (A) and the silane compound (B) are used, the ratio of the amount of the silane compound (A) and the amount of the silane compound (B) used is usually 10 to 70 mol%. , Preferably 20 to 95 mol%, more preferably 25 to 90 mol% (however, (A) + (B) = 100 mol%), and the silane compound (B) is usually 30 to 90 mol%, preferably Is preferably 5 to 80 mol%, more preferably 10 to 75 mol%.
[0022]
The amount of sulfuric acid to be added is generally 0.001 to 3 equivalents, preferably 0.001 to 1.5 equivalents, per 1 equivalent of the alkoxysilyl group of the total of the silane compound (A) and the silane compound (B). The amount of phosphoric acid to be added is generally 0.001 to 3 equivalents, preferably 0.001 to 1.5 equivalents, relative to 1 equivalent of the alkoxysilyl group obtained by adding the silane compound (A) and the silane compound (B). .
[0023]
(Silane compound (A))
The silane compound (A) that can be used in the present invention is a compound represented by the following general formula (1).
[0024]
R2 aSi (OR1)4-a・ ・ ・ ・ ・ (1)
[Wherein, R1Is a monovalent organic group, R2Represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group or an aryl group, and a represents an integer of 0 to 2. ]
R1Is preferably an organic group selected from an alkyl group, an aryl group, and an arylalkyl group. R2In particular, is preferably an alkyl group or an aryl group, or a group obtained by halogenating them.
[0025]
Specific examples of the silane compound (A) represented by the general formula (1) include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, butyltrimethoxysilane, butyl Triethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, octyltrimethoxysilane, decyltrimethoxysilane, decyltriethoxysilane, hexadecyltrimethoxysilane, hexadecyltriethoxysilane, octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane , Cyclopentyltrimethoxysilane, cyclopentyltriethoxysilane, cyclohexyltrimethoxysilane, cyclohexyltriethoxysilane, (3-cyclopentadienylpropyl Trimethoxysilane, (3-cyclopentadienylpropyl) triethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, tolyltrimethoxysilane, tolyltriethoxysilane, benzyltrimethoxylan, benzyltriethoxysilane, phenethyltrimethoxy Silane, phenethyltriethoxysilane, bromophenyltrimethoxysilane, bromophenyltriethoxysilane, 3-bromopropyltrimethoxysilane, 3-bromopropyltriethoxysilane, 11-bromoundecyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxy Silane, 3-chloropropyltriethoxysilane, chlorophenyltrimethoxysilane, chlorophenyltriethoxysilane, chloropropyltrimethoxysilane, Propyltriethoxysilane, chlorophenyltrimethoxysilane, ((chloromethyl) phenylethyl) trimethoxysilane, ((chloromethyl) phenylethyl) triethoxysilane, (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) Trialkoxysilanes such as trimethoxysilane, (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) triethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, 1,3-dimethyl Tetraalkoxysilanes such as tetramethoxydisiloxane, 1,3-dimethyltetraethoxydisiloxane, 1,3-dioctyltetramethoxydiloxane, 1,3-dioctyltetraethoxydiloxane, 1,3-divinyltet Laethoxydisiloxane, bis (trimethoxysilyl) methane, bis (triethoxysilyl) methane, bis (trimethoxysilyl) ethane, bis (triethoxysilyl) ethane, bis (trimethoxysilyl) hexane, bis (triethoxysilyl) ) Hexane, bis (trimethoxysilyl) octane, bis (triethoxysilyl) octane, bis (trimethoxysilyl) nonane, bis (triethoxysilyl) nonane, bis (trimethoxysilyl) ethylene, bis (triethoxysilyl) ethylene And hexaalkoxysilanes such as 1,4-bis (trimethoxysilylethyl) benzene and 1,4-bis (triethoxysilylethyl) benzene.
[0026]
Among these, trialkoxysilane and tetraalkoxysilane are suitable for forming a crosslinked structure for obtaining a self-supporting film as a hybrid material of polysiloxane. Particularly, tetraalkoxysilane is preferable.
[0027]
(Silane compound (B))
The silane compound (B) that can be used in the present invention is a compound represented by the following general formula (2).
[0028]
R3 bSi (OR1)4-b・ ・ ・ ・ ・ (2)
[Wherein, R1Is a monovalent organic group, R3Represents a monovalent functional group, and b represents an integer of 1 to 2. ]
R1Is represented by R in the above general formula (1)1Can be exemplified. R3Are especially vinyl functional groups, allyl functional groups, methacrylic functional groups, acrylic functional groups, epoxy functional groups, mercapto functional groups, ether functional groups, acetoxy functional groups, benzoyl functional groups, and ketone functional groups. Preferred are a functional group, a urea-based functional group, a cyano-based functional group, a thiocyanate-based functional group, a carbamate-based functional group, an acid anhydride-based functional group, and a phosphorus-based functional group.
[0029]
Specific examples of the silane compound (B) represented by the general formula (2) include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, butenyltrimethoxysilane, butenyltriethoxysilane, and styrylethyltrimethoxy. Silane, vinyl of styrylethyltriethoxysilane, allyldimethoxysilane, allyldiethoxysilane, allyltrimethoxysilane, allyltriethoxysilane, 2- (chloromethyl) allyltrimethoxysilane, 2- (chloromethyl) allyltriethoxy Allyls such as silane, methacryloxymethyltrimethoxysilane, methacryloxymethyltriethoxysilane, acryloxymethyltrimethoxysilane, acryloxymethyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, -Methacryloxypropyltriethoxysilane, (3-methacryloxypropyl) methyldimethoxysilane, (3-methacryloxypropyl) methyldiethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-acryloxypropyltriethoxysilane, ( 3-acryloxypropyl) methyldimethoxysilane, (3-acryloxypropyl) methyldiethoxysilane, O- (methacryloxyethyl) -N- (triethoxysilylpropyl) urethane, O- (methacryloxyethyl)- Methacryls such as N- (trimethoxysilylpropyl) urethane, O- (acryloyloxyethyl) -N- (triethoxysilylpropyl) urethane, O- (acryloyloxyethyl) -N- (trimethoxysilylpropyl) urethane ,Also Acrylic, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 2- (3,4 Epoxy such as -epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltriethoxysilane, 5,6-epoxyhexyltrimethoxysilane, 5,6-epoxyhexyltriethoxysilane, and mercaptoethyl Mercapto series such as trimethoxysilane, mercaptoethyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-methoxypropyltrimethoxysilane, 3-methoxypropyltrimethoxysilane Such as ethoxysilane, (furfuryloxymethyl) trimethoxysilane, (furfuryloxymethyl) triethoxysilane, 3- (heptafluoroisopropoxy) propyltrimethoxysilane, and 3- (heptafluoroisopropoxy) propyltriethoxysilane Ether type, acetoxy type such as acetoxymethyltrimethoxysilane, acetoxymethyltriethoxysilane, acetoxypropyltrimethoxysilane, acetoxypropyltriethoxysilane, benzoyl type such as benzoyloxypropyltrimethoxysilane, benzoyloxypropyltriethoxysilane, 2 Ketones such as -hydroxy-4- (3-trimethoxypropoxy) diphenylketone and 2-hydroxy-4- (3-triethoxypropoxy) diphenylketone; Urea such as bis (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, bis (3- (triethoxysilyl) propyl) urea, 2-cyanoethyltrimethoxysilane, 2-cyanoethyltriethoxysilane, 2-cyano Cyano-based compounds such as propyltrimethoxysilane, 2-cyanopropyltriethoxysilane, 11-cyanoundecyltrimethoxysilane, and 11-cyanoundecyltriethoxysilane; 3-thiocyanatepropyltrimethoxysilane; 3-thiocyanatepropyltriethoxysilane Carbamates such as (3-trimethoxysilylpropyl) -t-butyl carbamate, (3-trimethoxysilylpropyl) -t-butyl carbamate, 3- (trimethoxysilyl) propyl succinic anhydride; - acid anhydride such as (triethoxysilyl) propyl succinic anhydride, 2- (diphenylphosphino) ethyl trimethoxysilane, 2- and the like phosphorus-based, such as (diphenylphosphino) ethyl triethoxysilane.
[0030]
Among these alkoxysilanes having an organic functional group, vinyl-based, allyl-based, methacryl-based, acrylic-based, and epoxy-based ones that easily incorporate an acid component into the polysiloxane are preferable. Above all, methacrylic, acrylic and epoxy are particularly preferred.
[0031]
[First and second sheet materials]
The first and second sheet members 12, 22 are made of a porous and conductive material. Since the first and second sheet materials 12 and 22 are made of a porous material, the surfaces of the first and second sheet materials 12 and 22 are sufficiently impregnated with the sol-like polysiloxane proton conductive material. be able to. Furthermore, since the first and second sheet materials 12 and 22 are made of a conductive material, when the proton conductive sheet 100 is placed between electrodes of an electrochemical element such as a fuel cell, the conductivity is reduced. Can be enhanced.
[0032]
Specific examples of the material of the first and second sheet materials 12 and 22 include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, carbon materials such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, titanium, and the like. Can be exemplified. Although the form of these materials is not particularly limited, fibrous or particulate forms can be exemplified, and fibrous conductive inorganic substances (inorganic conductive fibers), particularly carbon fibers, are preferred.
[0033]
When the first and second sheet materials 12 and 22 are porous conductive sheets using inorganic conductive fibers, any structure of woven fabric or nonwoven fabric can be used. As the woven fabric, plain weave, oblique weave, satin weave, crest weave, stitch weave, and the like are used without particular limitation. In addition, as the nonwoven fabric, a papermaking method, a needle punch method, a spunbond method, a water jet punch method, a melt blow method, and the like are used without particular limitation. Also, a knitted fabric may be used instead of the woven or nonwoven fabric. In these fabrics, particularly when carbon fiber is used, a woven fabric obtained by carbonizing or graphitizing a plain woven fabric using oxidized spun yarn, and oxidized yarn is processed into a nonwoven fabric by a needle punch method, a water jet punch method, or the like. After that, a nonwoven fabric obtained by carbonization or graphitization, a mat nonwoven fabric formed by a papermaking method using a flame-resistant yarn or a graphitized yarn, and the like are preferably used. For example, carbon paper TGP series and SO series manufactured by Electrochem, and carbon cloth manufactured by E-TEK are preferably used.
[0034]
The first and second sheet materials 12 and 22 are not particularly limited, but may be conductive particles such as metal particles such as carbon black, fullerene, carbon nanotube, or platinum as auxiliary materials for improving conductivity. Alternatively, conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers can be added.
[0035]
[Production method of proton conductive sheet]
Next, a method for manufacturing the proton conductive sheet 100 will be described below with reference to FIGS.
[0036]
(I) Preparation of sol
First, a sol containing a polysiloxane-based proton conductive material is formed. As described above, the sol is obtained by adding an acidic condensing solvent, if necessary, to a mixture of the silane compound (A) and, if necessary, the silane compound (B) and the acid component (C). Prepared by mixing.
[0037]
As the acidic condensation catalyst, hydrochloric acid, nitric acid, acetic acid, formic acid, phosphoric acid, sulfuric acid and the like can be used, and phosphoric acid and sulfuric acid, which are the acid components (C) incorporated into the polysiloxane, are preferred. The acidity of water is preferably about 0 to 4 in terms of pH. The amount of water added to the mixture of the silane compound (A) and the silane compound (B) is 0.1 to 10 equivalents to 1 equivalent of the total alkoxysilyl group of the silane compounds (A) and (B). Preferably it is 0.2 to 8 equivalents, more preferably 0.5 to 5 equivalents, most preferably 0.5 to 3 equivalents.
[0038]
After a predetermined amount of the acid component (C) is added to a solution containing the silane compound (A) (or the silane compounds (A) and (B)), the reaction system is stirred. It is 100 rpm, preferably 50 to 100 rpm.
[0039]
(II) Formation of proton conducting membrane
Next, a proton conductive membrane 30 is formed (see FIG. 1).
[0040]
After stirring the solution in the above (I), the resulting sol is applied to a substrate to form a film, and then the film is air-dried or vacuum-dried at room temperature to 50 ° C., and then heat-treated. can get. Next, the obtained proton conductive membrane is separated from the substrate. The obtained proton conductive membrane is a self-supporting membrane of a polysiloxane gel. In addition, the heat treatment temperature here varies depending on the material of the sol used, but is usually 50 to 500 ° C, preferably 100 to 300 ° C. The heat treatment time is usually 0.2 to 24 hours, preferably 0.5 to 10 hours.
[0041]
The obtained proton conductive membrane may be composited with an organic polymer. Examples of the organic polymer include an organic polymer-based proton conductive material and a polyimide resin.
[0042]
(III) Coating the surface of the first and second sheet materials with a proton conductive material
Next, the sol obtained in the above (I) is applied to the surfaces of the first and second sheet materials 12 and 22 (see FIG. 2). As described above, the first and second sheet materials 12, 22 are made of a porous material. For this reason, as shown in FIG. 2, the sol obtained in the above (I) is applied to the surfaces of the first and second sheet materials 12 and 22 so that the first and second sheet materials 12 and 22 are coated. , 22 enter the sol. Thereby, the sol can be reliably held on the first and second sheet materials 12 and 22.
[0043]
Here, the case where the sol as the raw material of the proton conductive membrane 30 and the gel applied to the surfaces of the first and second sheet materials 12 and 22 are the same material has been described. Different materials may be used as long as there is no problem in the properties.
[0044]
(IV) Compression bonding of first and second sheet materials and proton conductive membrane
Next, the sol is applied and pressed between the first and second sheet materials 12 and 22 with the proton conductive membrane 30 interposed therebetween (see FIG. 3). Specifically, the first and second sheet materials 12 and 22 and the first and second sheet materials 12 and 22 are bonded to the proton conductive membrane 30 while the sol-coated surfaces of the first and second sheet materials 12 and 22 are joined to the proton conductive membrane 30. The conductive film 30 is pressed.
[0045]
The method for the pressure bonding is not particularly limited, and examples thereof include a hot press method. The pressure at the time of pressing and the time required for pressing can be appropriately set depending on the materials and thickness of the proton conductive membrane 30 and the sol.
[0046]
Through the above steps, a proton conductive sheet 100 including the first and second sheet materials 12 and 22 and the proton conductive membrane 30 sandwiched between the first and second sheet materials 12 and 22 is obtained. (See FIG. 1).
[0047]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
[0048]
Starting materials include 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (CH2= C (CH3)-(CH2)3-Si (OCH3)3(Manufactured by Chisso Corporation, hereinafter abbreviated as TMSPM), tetramethoxysilane (Si (OCH3)4) (Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd .; hereinafter abbreviated as TMOS), tetraethoxysilane (Si (OCH2CH3) 4) (Manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd .; hereinafter abbreviated as TEOS), ethyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), sulfuric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and phosphoric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) Using. The water used was distilled water of ion-exchanged water.
[0049]
[Example 1]
(I) Preparation of sol containing proton conducting material
1.5 mol (372.5 g) of TMSPM and 1 mol (152.2 g) of TMOS were mixed at room temperature for 10 minutes. An aqueous solution consisting of 0.0125 mol (1.23 g) of concentrated sulfuric acid and 7.5 mol (135 g) of water was added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours to prepare a sol containing a proton conductive material.
[0050]
(II) Formation of proton conducting membrane
The sol obtained in the above (I) is cast on a Teflon (registered trademark) petri dish, allowed to stand at room temperature for 1 hour, dried at 50 ° C. for one day, and further heat-treated at 150 ° C. for 5 hours. Was performed. As a result, a proton conductive membrane made of a transparent gel was obtained. This proton conductive membrane was a self-supporting membrane having a thickness of 100 μm, and no crack was detected with the naked eye.
[0051]
(III) Coating the surface of the first and second sheet materials with a proton conductive material
The sol obtained in the above (I) was applied to the surfaces of the first and second sheet materials. In this example, a carbon material containing platinum (carbon paper carrying platinum (Teflon (registered trademark) -treated by Electrochem)) was used as the first and second sheet materials. In this carbon paper, the supported amount of platinum is 1 mg / cm.2Met.
[0052]
(IV) Formation of proton conductive sheet
The proton conductive membrane obtained in (II) is sandwiched between the first and second sheet materials coated with the sol in (III). It was pressed by a hot press for a time. Thus, the proton conductive sheet of Example 1 was obtained.
[0053]
The obtained proton conductive sheet was set on a fuel cell for testing, and the relationship between output current and battery voltage was examined. FIG. 4 shows a schematic diagram of the test fuel cell 300. The fuel cell 300 shown in FIG. The fuel cell 200 includes the electrodes 20 and 21 and the proton conductive sheet 100. Here, the proton conductive sheet 100 functions as an electrolyte membrane of the fuel cell 200. Specifically, as shown in FIG. 4, the proton conductive sheet 100 is sandwiched between the electrodes 20 and 21. The temperature of the fuel cell 200 is adjusted by a heater (not shown).
[0054]
In the fuel cell 200, hydrogen is supplied to the electrode (anode) 20 and air is supplied to the electrode (cathode) 21. That is, the fuel cell 300 is a fuel cell using hydrogen as fuel.
[0055]
As the electrodes 20 and 21, a gas diffusion electrode manufactured by E-Tech (platinum loading 0.35 mg / cm) was used.2) Was used. The fuel cell 200 was formed by sandwiching the proton conductive sheet 100 obtained in the above step between the electrodes 20 and 21 and hot pressing at a temperature of 150 ° C.
[0056]
Specifically, as shown in FIG. 4, the fuel cell 300 includes a fuel cell 200, and stainless steel blocks 29 and 39 sandwiching the fuel cell 200. The stainless steel block 29 is H2Gas inlet 23, fuel chamber 24, and H2It includes a gas discharge hole 25. The stainless steel block 39 is2Gas inlet 26, oxygen chamber 27, and O2It includes a gas exhaust hole 28. The entire fuel cell 300 is fixed by fastening rods 31 and 32 made of electrically insulating fiber reinforced plastic. In FIG. 4, 33 is H2The drain of O, 34 is an anode terminal, and 35 is a cathode terminal.
[0057]
In the test, under the condition of a temperature of 130 ° C. and a relative humidity (RH) of 10%, hydrogen (pressurized to 3 atm) was applied to the electrode (fuel electrode) 20 and 5 atm was applied to the electrode (air electrode) 21. The relationship between the output current and the battery voltage was examined through air. As a result, in this test fuel cell 300, 400 mA / cm2When the current was taken out, the battery voltage was maintained at 0.7 V or more, indicating that the battery exhibited excellent high-output characteristics. As described above, it was found that by using the proton conductive sheet of this example, a fuel cell having excellent characteristics was obtained.
[0058]
[Example 2]
1 mol (208.3 g) of TEOS and 8 mol (368.6 g) of ethanol were mixed, and 4 mol of water prepared under acidic conditions of pH 0.3 using 0.01 mol (0.09 g) of hydrochloric acid separately. (72 g) and stirred at room temperature for 10 minutes. To this, 0.5 mol (49 g) of phosphoric acid was added, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours to prepare a sol containing a proton conductive material.
[0059]
The obtained sol was cast on a Teflon (registered trademark) petri dish, allowed to stand at room temperature for 1 hour, dried at 50 ° C. for 24 hours, and further heat-treated at 300 ° C. for 5 hours. As a result, a proton conductive membrane made of a transparent gel was obtained. This proton conductive membrane was a self-supporting membrane having a thickness of 100 μm, and no crack was detected with the naked eye.
[0060]
Subsequent steps were performed in the same manner as in Example 1. As a result, a proton conductive sheet of this example was obtained. Further, a fuel cell using the proton conductive sheet obtained in this example was evaluated under the same method and conditions as in Example 1. As a result, in the fuel cell using the proton conductive sheet of this example, 400 mA / cm2When the current was taken out, the battery voltage was maintained at 0.7 V or more, indicating that the battery exhibited excellent high-output characteristics. As described above, it was found that by using the proton conductive sheet of this example, a fuel cell having excellent characteristics was obtained.
[0061]
In the examples, a fuel cell was described as an electrochemical element using a proton conductive sheet.However, the present invention also relates to an electrochemical element not described in the examples, such as a pH sensor and an electric double layer capacitor. It goes without saying that a proton conductive sheet can be applied.
[0062]
【The invention's effect】
According to the method for producing a proton conductive sheet of the present invention, a proton conductive sheet having high proton conductivity and excellent flexibility can be efficiently produced. In addition, a large-area proton conductive sheet can be manufactured at low cost.
[0063]
Further, after the sol is applied to the surfaces of the first and second sheet materials, the sol is pressed in a state where the proton conductive film is sandwiched between the sheet materials, so that the close contact between the sheet material and the proton conductive film is achieved. A proton conductive sheet having excellent properties can be obtained. Further, by using a porous conductive sheet as the first and second sheet materials, a sufficient amount of the sol can be impregnated on the surfaces of the first and second sheet materials, and the proton conductivity can be improved. The conductivity of the conductive sheet can be increased.
[0064]
Further, the proton conductive sheet obtained by the production method of the present invention is useful as an electrolyte membrane for various electrochemical devices such as a fuel cell, a capacitor, and an electrochromic display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a proton conductive sheet obtained by a manufacturing method according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the proton conductive sheet shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the proton conductive sheet shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of a fuel cell using the proton conductive sheet shown in FIG.
[Explanation of symbols]
12 First sheet material
14,24 Proton conductive material
14a, 24a sol
20 electrodes (anode)
21 electrodes (cathode)
22 Second sheet material
23 H2Gas inlet
25H2Gas outlet
26 O2Gas inlet
27 Oxygen chamber
28 O2Gas outlet
30 Proton conductive membrane
31, 32 Tightening rod
33 H2O drain
34 Anode terminal
35 Cathode terminal
37 Fuel Chamber
100 proton conductive sheet
200 fuel cell
300 fuel cell

Claims (4)

ポリシロキサン系プロトン伝導材料を含むゾルを調製し、
前記ゾルを成膜した後熱処理を行なうことにより、プロトン伝導膜を形成し、
多孔質かつ導電性の第1および第2のシート材の表面に前記ゾルを塗工し、
前記ゾルが塗工された前記第1および第2のシート材の間に前記プロトン伝導膜を挟んだ状態で圧着させること、
を含む、プロトン伝導性シートの製造方法。
Prepare a sol containing a polysiloxane-based proton conductive material,
By performing a heat treatment after forming the sol, a proton conductive membrane is formed,
Coating the sol on the surface of a porous and conductive first and second sheet material,
Pressing the sol coated with the proton conductive membrane sandwiched between the first and second sheet materials,
A method for producing a proton conductive sheet, comprising:
請求項1において、
前記第1および第2のシート材の少なくとも一方は、白金を含む炭素材からなる、プロトン伝導性シートの製造方法。
In claim 1,
A method for manufacturing a proton conductive sheet, wherein at least one of the first and second sheet members is made of a carbon material containing platinum.
請求項1または2において、
前記プロトン伝導膜は、ポリアルコキシシランの加水分解縮合物であって、リン酸基およびスルホン酸基の少なくとも一方を有する化合物を含む、プロトン伝導性シートの製造方法。
In claim 1 or 2,
The method for producing a proton conductive sheet, wherein the proton conductive membrane is a hydrolyzed condensate of a polyalkoxysilane and contains a compound having at least one of a phosphate group and a sulfonic acid group.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記ゾルはさらに、有機ポリマーを含む、プロトン伝導性シートの製造方法。
In any one of claims 1 to 3,
The method for producing a proton conductive sheet, wherein the sol further contains an organic polymer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006022158A (en) * 2004-07-06 2006-01-26 Yokohama Rubber Co Ltd:The Curable resin composition
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KR101993080B1 (en) * 2018-01-29 2019-06-25 김성근 Atypical curved tube forming apparatus

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006022158A (en) * 2004-07-06 2006-01-26 Yokohama Rubber Co Ltd:The Curable resin composition
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