JP2006134838A - Electrode, solid electrolyte membrane joined with the electrode, and electrochemical system using the solid electrolyte membrane - Google Patents

Electrode, solid electrolyte membrane joined with the electrode, and electrochemical system using the solid electrolyte membrane Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive electrode, a solid electrolyte membrane joined with the electrode and an electrochemical system in which when they are used in a direct methanol type fuel cell, the solid electrolyte does not eluate, and in which they are applicable to applications to use electrode components which could not be contacted with a strong acid. <P>SOLUTION: The electrode contains a complex compound comprising: an organic compound obtained by neutralizing at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid with an acid, or neutralizing zirconium halide or zirconium oxyhalide with an alkali, in a raw solution in which an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group coexists; at least one inorganic compound of a silicic acid compound, tungstic acid compoud, molybdic acid compound, stannic acid compound and zirconic acid compound; and water. The solid electrolyte membrane joined with the electrode, and the electrochemical system using the solid electrolyte membrane are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池等プロトン(水酸化物イオン)伝導性固体電解質を利用した電気化学システムに適用可能な電極及び該電極を接合した固体電解質膜と、この固体電解質膜を使用した燃料電池その他の電気化学システムに関するものである。   The present invention relates to an electrode applicable to an electrochemical system using a proton (hydroxide ion) conductive solid electrolyte such as a fuel cell, a solid electrolyte membrane joined with the electrode, a fuel cell using the solid electrolyte membrane, and other It relates to electrochemical systems.

従来からプロトン(水酸化物イオン)伝導性固体電解質を用いた、或いは原理的に利用し得る電気化学システムの種類は多く、例えば固体高分子型燃料電池は、下記の(1)式に示したように負極に供給される水素の電気化学的酸化反応、(2)式に示したように正極に供給される酸素の電気化学的還元反応及びその間の電解質中のプロトン移動からなる反応によって電流が流れ、電気エネルギーが取り出される。
→ 2H+2e …………………………(1)
1/2O+ 2H+2e → HO ………………(2)
Conventionally, there are many types of electrochemical systems that use proton (hydroxide ion) conductive solid electrolytes or that can be used in principle. For example, solid polymer fuel cells are shown in the following formula (1). Thus, the current is generated by the electrochemical oxidation reaction of hydrogen supplied to the negative electrode, the electrochemical reduction reaction of oxygen supplied to the positive electrode as shown in the formula (2), and the reaction consisting of proton transfer in the electrolyte therebetween. Flow and electrical energy are extracted.
H 2 → 2H + + 2e ………………………… (1)
1/2 O 2 + 2H + 2e → H 2 O (2)

負極に供給される燃料がメタノールである直接メタノール型燃料電池や、水素,メタノール等の水素以外のものを燃料として用いる燃料電池もあるが、この場合でも燃料が負極で電気化学的に酸化されてプロトンを放出する反応は同様に行われており、プロトン伝導性固体電解質を利用して作動させることができる。   There are direct methanol fuel cells in which the fuel supplied to the negative electrode is methanol, and fuel cells that use other fuels such as hydrogen and methanol as the fuel, but in this case as well, the fuel is electrochemically oxidized at the negative electrode. The reaction for releasing protons is performed in the same manner, and can be operated using a proton conductive solid electrolyte.

一般的な燃料電池は、プロトン伝導性固体電解質膜の両面に電極が接合されており、片側からは燃料、反対側からは酸素(空気)が供給され、両電極間を接合する外部回路に電流が流れるような構成になっている。固体電解質膜としては通常パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜が使用されており、電極としては白金或いは白金―ルテニウム合金が担持された電導性炭素粉末が用いられる。また、一般的に炭素粉末電極の外側には例えばカーボンペーパーやカーボンクロスのような電導性カーボン多孔体のプレート或いはシートが取り付けられている。   In general fuel cells, electrodes are bonded to both sides of a proton-conducting solid electrolyte membrane, fuel is supplied from one side, oxygen (air) is supplied from the other side, and an electric current is supplied to an external circuit that connects the two electrodes. Is configured to flow. A perfluorosulfonic acid ion exchange membrane is usually used as the solid electrolyte membrane, and a conductive carbon powder carrying platinum or a platinum-ruthenium alloy is used as the electrode. In general, a conductive carbon porous body plate or sheet such as carbon paper or carbon cloth is attached to the outside of the carbon powder electrode.

次に電解装置として例えば電気分解型水素生成装置が実用化されている。この電気分解型水素生成装置は、燃料電池における前記(1)式と(2)式の反応とは逆の反応で水素を生成するものであって、水と電力だけでオンサイトに純度の高い水素が得られるので、水素ボンベが不要になるという利点がある。又、固体電解質の利用によって電解質を含まない真水を導入するだけで容易に電気分解を行うことができる。製紙業の分野においても同様なシステムによって漂白用の過酸化水素を下記の(3)式を用いた電解法によりオンサイトに製造する試みがなされている(非特許文献1参照)。
+ HO+2e → HO + OH ……………(3)
Next, for example, an electrolysis hydrogen generator is put to practical use as an electrolysis apparatus. This electrolysis-type hydrogen generator generates hydrogen by a reaction opposite to the reaction of the above formulas (1) and (2) in a fuel cell, and has high purity on-site only with water and electric power. Since hydrogen is obtained, there is an advantage that a hydrogen cylinder is unnecessary. In addition, electrolysis can be easily performed simply by introducing fresh water not containing an electrolyte by using a solid electrolyte. In the field of paper industry, an attempt has been made to produce bleaching hydrogen peroxide on-site by an electrolytic method using the following formula (3) using a similar system (see Non-Patent Document 1).
O 2 + H 2 O + 2e → HO 2 + OH (3)

上記電解装置の構成も燃料電池と類似しており、固体電解質膜の両面に電極が取り付けられて外部回路によって接続されるのが基本構成となっている。   The structure of the electrolyzer is similar to that of the fuel cell, and the basic structure is that electrodes are attached to both surfaces of the solid electrolyte membrane and connected by an external circuit.

除湿器は燃料電池や水素生成装置と同様にプロトン伝導性固体電解質を正負両極で挟む構造であり、正負両極間に電圧を印加すると、正極では下記の(4)式の反応によって水が酸素とプロトンに分解され、固体電解質を通って負極に移動したプロトンが(5)式の反応によって再び空気中の酸素と結合して水に戻り、これらの反応の結果として正極側から負極側に水が移動したことによって正極側で除湿される。
O → 1/2O+2H+2e …………………(4)
1/2O+ 2H+2e → HO …………………(5)
A dehumidifier has a structure in which a proton-conducting solid electrolyte is sandwiched between positive and negative electrodes in the same manner as a fuel cell or hydrogen generator. When a voltage is applied between the positive and negative electrodes, water is converted into oxygen by the reaction of the following formula (4) at the positive electrode. Protons decomposed into protons and transferred to the negative electrode through the solid electrolyte are combined with oxygen in the air again by the reaction of the formula (5) and returned to water. As a result of these reactions, water is transferred from the positive electrode side to the negative electrode side. By moving, it is dehumidified on the positive electrode side.
H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e (4)
1/2 O 2 + 2H + 2e → H 2 O (5)

電気分解型水素生成装置と同様な動作原理によって水を分解して除湿することも可能であり、水分蒸発冷風機と組み合わせた空調機も提案されている(非特許文献2参照)。   Water can be decomposed and dehumidified by the same operating principle as the electrolysis-type hydrogen generator, and an air conditioner combined with a water evaporation cooler has also been proposed (see Non-Patent Document 2).

水素センサは、例えば上記(4)式,(5)式の反応において水素が導入された場合の水素濃度による電極電位の変化を利用することができる。更に電極電位の変化或いはイオン伝導度の変化を利用して湿度センサに応用することも可能である。   For example, the hydrogen sensor can use the change in electrode potential due to the hydrogen concentration when hydrogen is introduced in the reactions of the above formulas (4) and (5). Further, it can be applied to a humidity sensor by utilizing a change in electrode potential or a change in ion conductivity.

エレクトロクロミックデバイスは、例えば負極にWO等を用いて電場をかけると下記の(6)式の反応によって発色することを利用しており、表示デバイスや遮光ガラスへの用途が考えられている。このシステムも負極に対するプロトンの授受によって動作し、プロトン伝導性固体電解質が利用できる。
WO+xH+xe → HxWO(発色)………………(6)
An electrochromic device utilizes, for example, the fact that when an electric field is applied to the negative electrode using WO 3 or the like, it develops color by the reaction of the following formula (6), and is considered to be used for a display device or a light shielding glass. This system also operates by exchanging protons to the negative electrode, and a proton conductive solid electrolyte can be used.
WO 3 + xH + + xe → HxWO 3 (color development) ……………… (6)

その外にも原理的にプロトン伝導性固体電解質を利用して作動する電気化学システムとして、一次電池,二次電池,光スイッチ,電解水製造装置等が挙げられる。二次電池の例としてのニッケル水素電池は、負極に水素吸蔵合金、正極に水酸化ニッケル、電解液としてアルカリ電解液を用いており、下記の(7)式,(8)式に示したように充放電時に負極ではプロトンの電気化学的酸化還元と水素吸蔵合金への水素の吸蔵が起こる。
〔充電〕 HO + e → H(吸蔵)+ OH …………(7)
〔放電〕 H(吸蔵)+ OH → HO + e …………(8)
In addition, primary batteries, secondary batteries, optical switches, electrolyzed water production apparatuses, and the like can be cited as electrochemical systems that operate using a proton conductive solid electrolyte in principle. A nickel metal hydride battery as an example of a secondary battery uses a hydrogen storage alloy as a negative electrode, nickel hydroxide as a positive electrode, and an alkaline electrolyte as an electrolyte, as shown in the following formulas (7) and (8): At the time of charging and discharging, electrochemical oxidation-reduction of protons and storage of hydrogen in the hydrogen storage alloy occur at the negative electrode.
[Charging] H 2 O + e → H (Occlusion) + OH (7)
[Discharge] H (Occlusion) + OH → H 2 O + e (8)

正極では下記の(9)式,(10)式に示したように水酸化ニッケルの電気化学的酸化還元反応が起きる。
〔充電〕 Ni(OH)+OH→ NiOOH+HO+e ……(9)
〔放電〕 NiOOH+HO+e→Ni(OH)+OH ……(10)
この電池の充放電反応は、電解質中をプロトンもしくは水酸化物イオンが移動することによって成立し、従来は固体電解質ではないアルカリ電解液が用いられているものの原理的にはプロトン伝導性固体電解質を利用することができる。
In the positive electrode, an electrochemical oxidation-reduction reaction of nickel hydroxide occurs as shown in the following formulas (9) and (10).
[Charging] Ni (OH) 2 + OH → NiOOH + H 2 O + e (9)
[Discharge] NiOOH + H 2 O + e → Ni (OH) 2 + OH (10)
The charge / discharge reaction of this battery is established by the movement of protons or hydroxide ions in the electrolyte, and in principle, an alkaline electrolyte that is not a solid electrolyte is used, but in principle a proton conductive solid electrolyte is used. Can be used.

光スイッチとしては例えばイットリウムを負極に使用したものが提案されている(非特許文献3を参照)。これは電場をかけることによってイットリウムが下記の(11)式のように水素化されて光を透過するので、光の透過と不透過を電場により切り替えることができる。このシステムも従来は通常アルカリ電解液が用いられているが、原理的にはプロトン伝導性固体電解質を利用することができる。
Y+3/2HO+3e → YH+3OH ……………(11)
For example, an optical switch using yttrium as a negative electrode has been proposed (see Non-Patent Document 3). This is because, by applying an electric field, yttrium is hydrogenated and transmits light as shown in the following equation (11), so that transmission and non-transmission of light can be switched by the electric field. Conventionally, an alkaline electrolyte is usually used in this system, but in principle, a proton conductive solid electrolyte can be used.
Y + 3 / 2H 2 O + 3e → YH 3 + 3OH (11)

電解水は電解反応を行った水であり、還元側、酸化側で効能が異なるが、健康に良い作用,殺菌作用,洗浄作用,農作物の生育を促進する作用があり、飲料水,食品用水,洗浄水,農業用水などの様々な用途がある。電解反応は水が電解質を含むことで促進されるが、水に電解質を溶解させると、使用の際その電解質を除去する必要が生じる場合がある。固体電解質を用いた場合には電解質除去の手間が必要なくなる。   Electrolyzed water is water that has undergone an electrolytic reaction, and has different effects on the reducing side and the oxidizing side, but has health-friendly effects, bactericidal action, cleaning action, and action to promote the growth of crops. There are various uses such as washing water and agricultural water. The electrolytic reaction is promoted by the fact that water contains an electrolyte, but if the electrolyte is dissolved in water, it may be necessary to remove the electrolyte during use. When a solid electrolyte is used, there is no need to remove the electrolyte.

固体電解質を用いた電気化学システムでは、液状の電解質(電解液)を使用した場合と異なり、電解質と電極面との接触が不十分であったり、電解質が電極内部までしみ込んでいかなかったりするため、電極と電解質との界面の面積が小さくなる。電極反応は電極と電解質との界面で起こるため、固体電解質を用いた電気化学システムでは電極反応速度は小さくなる。従って、固体電解質を用いた電気化学システムにおいてもできるだけ電極と電解質との界面の面積を大きくする工夫を施すことが望まれる。例えば燃料電池用の電極において、電極は金属触媒を担持する炭素粉末を固めたものが使用されているが、電極中にも固体電解質を分散させることによって反応面積を大きくすることが行われている。例えば一次電池、二次電池なども固体電解質を用いる場合は電極中に固体電解質成分が分散した状態にし、電極物質と固体電解質との界面の面積を大きくしなければ十分な電流は得られない。現状では燃料電池、電解装置、除湿器などに使用されている固体電解質膜は多くの場合ナフィオン膜(Nafion)に代表されるパーフルオロスルホン酸系高分子であるが、電解質膜だけでなく電極内にも固体電解質を分散させるため、例えばパーフルオロスルホン酸系高分子をアルコールなどの溶媒に溶かした溶液を電極中に混合するといった方法がとられている。   In an electrochemical system using a solid electrolyte, unlike when a liquid electrolyte (electrolyte) is used, the contact between the electrolyte and the electrode surface is insufficient, or the electrolyte does not penetrate into the electrode. The area of the interface between the electrode and the electrolyte is reduced. Since the electrode reaction occurs at the interface between the electrode and the electrolyte, the electrode reaction rate is reduced in an electrochemical system using a solid electrolyte. Therefore, it is desirable to devise a method for increasing the area of the interface between the electrode and the electrolyte as much as possible even in an electrochemical system using a solid electrolyte. For example, in an electrode for a fuel cell, an electrode obtained by solidifying carbon powder supporting a metal catalyst is used, but the reaction area is increased by dispersing a solid electrolyte in the electrode. . For example, when a solid electrolyte is used in a primary battery, a secondary battery, etc., sufficient current cannot be obtained unless the solid electrolyte component is dispersed in the electrode and the area of the interface between the electrode material and the solid electrolyte is increased. At present, solid electrolyte membranes used in fuel cells, electrolyzers, dehumidifiers, etc. are often perfluorosulfonic acid polymers represented by Nafion membranes (Nafion). In addition, in order to disperse the solid electrolyte, for example, a method in which a solution in which a perfluorosulfonic acid polymer is dissolved in a solvent such as alcohol is mixed in an electrode is used.

ところでパーフルオロスルホン酸系の電解質とは別に、水酸基を有する有機高分子と各種無機化合物との複合化合物が提案されている。これは例えばポリビニルアルコールと珪酸化合物(特許文献1を参照)、ポリビニルアルコールとタングステン酸化合物(特許文献2を参照)、ポリビニルアルコールとモリブデン酸化合物(特許文献2を参照)、ポリビニルアルコールとスズ酸化合物(特許文献3を参照)、ポリビニルアルコールとジルコン酸化合物(特許文献4,5を参照)のミクロレベルでの複合化合物を基本としたものであり、他の成分としてリン,ホウ素,アルミニウム,チタン,カルシウム,ストロンチウム,バリウム化合物のうち少なくとも一種類が添加されている。これらはポリビニルアルコールの共存する溶液中で無機化合物の原料塩を中和するという簡単な工程で製造可能であり、低コストであるという特徴がある。ポリビニルアルコールの側は無機化合物との複合化によって耐水性、強度とともにプロトン伝導性が付与され、無機化合物の側はポリビニルかアルコールとの複合化によって柔軟性が付与されるため、結果として高性能な固体電解質が製造される。これらの材料はアルデヒドで処理し、ポリビニルアルコール部の水酸基をアセタール化することによって吸水による過剰な膨潤を抑えることもできる(特許文献6)。さらにこれらの材料は中和法による複合化合物作成過程において、中和後の液にリン酸,ホウ酸のうち少なくとも一種類を含有させるか、複合化合物形成後リン酸,ホウ酸のうち少なくとも一種類を含む液体に浸漬するか、該液体を塗布する処理を施すことによって、複合化合物中の水酸基を有する有機高分子の水酸基の一部或いは全部がリン酸,ホウ酸のうち少なくとも一種類と結合させることによって、特に高温での耐久性を高めることもできる(特許文献7を参照)。   By the way, apart from perfluorosulfonic acid based electrolytes, composite compounds of organic polymers having hydroxyl groups and various inorganic compounds have been proposed. For example, polyvinyl alcohol and silicic acid compound (see Patent Document 1), polyvinyl alcohol and tungstic acid compound (see Patent Document 2), polyvinyl alcohol and molybdate compound (see Patent Document 2), polyvinyl alcohol and stannic acid compound (Refer to Patent Document 3), based on a composite compound at the micro level of polyvinyl alcohol and a zirconate compound (refer to Patent Documents 4 and 5), and other components include phosphorus, boron, aluminum, titanium, At least one of calcium, strontium, and barium compounds is added. These can be produced by a simple process of neutralizing a raw material salt of an inorganic compound in a solution in which polyvinyl alcohol coexists, and are characterized by low cost. The polyvinyl alcohol side is combined with an inorganic compound to provide water resistance and proton conductivity as well as strength, and the inorganic compound side is combined with polyvinyl or alcohol to provide flexibility, resulting in high performance. A solid electrolyte is produced. These materials can be treated with aldehyde and acetalization of the hydroxyl group of the polyvinyl alcohol part can suppress excessive swelling due to water absorption (Patent Document 6). Further, these materials may contain at least one of phosphoric acid and boric acid in the neutralized solution in the process of preparing the composite compound by the neutralization method, or at least one of phosphoric acid and boric acid after the formation of the composite compound. By immersing in a liquid containing or applying the liquid, a part or all of the hydroxyl group of the organic polymer having a hydroxyl group in the composite compound is bonded to at least one of phosphoric acid and boric acid. In particular, durability at high temperatures can be increased (see Patent Document 7).

また、上記のうちポリビニルアルコールと珪酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物との複合化合物は、パーフルオロスルホン酸系など従来の固体電解質とは異なり、アルカリ型においても高いイオン伝導性を示すものがあり、特にポリビニルアルコールとジルコン酸化合物との複合化合物においてカルボキシル基を有する化合物或いはその金属塩を含むものはアルカリ型できわめて高いイオン伝導性を示す(特許文献5を参照)。アルカリ型において高いイオン伝導性を示す場合、従来は適用が困難であった一次電池,二次電池,光スイッチ等にも使用することができる。更にアルカリ型固体電解質膜が開発されることによって実用化が容易となる二次電池,即ち二価以上の多価金属を負極に用いた高エネルギー密度電池もある。例えば負極に酸化亜鉛,正極にニッケル水素電池と同じ水酸化物ニッケルを用いたニッケル亜鉛電池を挙げることができる。ニッケル亜鉛電池は下記の(12)式,(13)式に示すように負極では充電時に酸化亜鉛が還元されて金属亜鉛となり、放電時には逆に亜鉛が電気化学的に酸化されて酸化亜鉛に戻る。
〔充電〕 ZnO + HO +2e → Zn + 2OH …………(12)
〔放電〕 Zn + 2OH → ZnO + HO + 2e …………(13)
In addition, among the above, composite compounds of polyvinyl alcohol and silicic acid compounds, stannic acid compounds, and zirconic acid compounds are different from conventional solid electrolytes such as perfluorosulfonic acid-based compounds and exhibit high ionic conductivity even in alkaline types. In particular, a compound containing a carboxyl group or a metal salt thereof in a composite compound of polyvinyl alcohol and a zirconic acid compound is an alkaline type and exhibits extremely high ionic conductivity (see Patent Document 5). When the alkali type exhibits high ionic conductivity, it can also be used for primary batteries, secondary batteries, optical switches, etc., which have been difficult to apply in the past. Furthermore, there are secondary batteries that can be easily put into practical use by developing an alkaline solid electrolyte membrane, that is, a high energy density battery using a divalent or higher polyvalent metal as a negative electrode. For example, a nickel zinc battery using zinc oxide as the negative electrode and nickel hydroxide as the nickel metal hydride battery as the positive electrode can be used. In the nickel-zinc battery, as shown in the following formulas (12) and (13), in the negative electrode, zinc oxide is reduced during charging to become metallic zinc, and during discharging, zinc is electrochemically oxidized and returned to zinc oxide. .
[Charging] ZnO + H 2 O + 2e → Zn + 2OH (12)
[Discharging] Zn + 2OH - → ZnO + H 2 O + 2e - ............ (13)

ニッケル亜鉛電池は亜鉛が二価であるため高い貯蔵エネルギーを持つが、酸化亜鉛の溶出やそれに伴う金属亜鉛,即ちデンドライトの生成と短絡の問題、或いは自己放電の問題により実用化が難しいという課題がある。しかし固体電解質を用いることでこれらの課題を解決することができる。正極として空気極を用いた空気亜鉛電池においても、酸素の亜鉛極への拡散が抑制されるため、不使用時に空気の供給をカットしなくても自己放電の惧れがなく、充電可能な亜鉛空気電池も得られる。更に二価以上の金属は亜鉛以外にも銅,コバルト,鉄,マンガン,クロム,バナジウム,スズ,モリブデン,ニオブ,タングステン,珪素,ホウ素,アルミニウム等多数存在するので、固体電解質の適用によってこれらの多価金属を用いた電池の実用化が可能となる。
特開2003−007133号公報 特開2003−138084号公報 特開2003−208814号公報,特願2002−4151号 特願2002−35832号 特願2002−310093号 特願2002−86442号 特願2004−173100号 電気化学,69,No3,154−159(2001) 平成12年電気学会全国大会講演論文集,P3373(2000) J.Electrochem.Soc.,Vol.143,No.10,3348−3353(1996)
Nickel-zinc batteries have high storage energy due to the fact that zinc is divalent, but there is a problem that it is difficult to put into practical use due to the elution of zinc oxide and the accompanying formation of metal zinc, that is, dendrites and short circuits, or self-discharge problems. is there. However, these problems can be solved by using a solid electrolyte. Even in an air zinc battery using an air electrode as a positive electrode, the diffusion of oxygen to the zinc electrode is suppressed, so there is no risk of self-discharge without cutting off the air supply when not in use, and it can be charged An air battery is also obtained. In addition to zinc, there are many other metals such as copper, cobalt, iron, manganese, chromium, vanadium, tin, molybdenum, niobium, tungsten, silicon, boron, and aluminum. A battery using a valent metal can be put into practical use.
JP 2003-007133 A JP 2003-138084 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-208814, Japanese Patent Application No. 2002-4151 Japanese Patent Application No. 2002-35832 Japanese Patent Application No. 2002-310093 Japanese Patent Application No. 2002-86442 Japanese Patent Application No. 2004-173100 Electrochemistry, 69, No. 3,154-159 (2001) 2000 Annual Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, P3373 (2000) J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 10, 3348-3353 (1996).

現在、主として使用されているパーフルオロスルホン酸系の電解質は、製造工程の複雑さに起因して高価格であるという問題がある。これらの電解質の量産効果によってある程度の低価格化が期待されるものの限界があり、安価な代替材の出現が希求されているのが現状である。固体電解質の使用量としては電極間に挟まれる固体電解質膜の方が多いため、コストの問題は電極中の固体電解質よりも固体電解質膜においてより深刻であり、代替材料の検討も行われているが、電極中の電解質のコストも無視できない。また、パーフルオロスルホン酸系の電解質はそのまま直接メタノール型燃料電池に使用した場合に、高濃度のメタノール燃料を用いると電極中の電解質が溶解してしまうという問題を生じる。溶解しないように分子間を架橋させるなどの方法をとった場合、さらにコストが高くなってしまうという問題が生じる。   Currently, perfluorosulfonic acid electrolytes mainly used have a problem of high cost due to the complexity of the manufacturing process. Due to the mass production effect of these electrolytes, there is a limit to what is expected to reduce the price to some extent, and the present situation is that there is a demand for the appearance of inexpensive alternative materials. Since the amount of solid electrolyte used is larger in the solid electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, the cost problem is more serious in the solid electrolyte membrane than in the solid electrolyte in the electrode, and alternative materials are also being studied However, the cost of the electrolyte in the electrode is not negligible. Further, when the perfluorosulfonic acid type electrolyte is directly used in a methanol fuel cell as it is, if a high concentration methanol fuel is used, the electrolyte in the electrode is dissolved. When a method such as cross-linking between molecules so as not to dissolve is taken, there arises a problem that the cost is further increased.

一次電池,二次電池等の場合には、使用される電極活物質が強酸性電解質と接触すると腐食を起こしたり、更には電解質中に溶け出したりするという問題を生じる。特に従来のパーフルオロスルホン酸系の電解質は強酸であるため、これらの用途において電極中に含有させる電解質として使用することができない。この問題は前記光スイッチの用途にも当てはまり、それ以外の用途においても電極材料として耐強酸性の材料を使用しない場合に当てはまる。   In the case of a primary battery, a secondary battery, etc., when the electrode active material to be used comes into contact with a strongly acidic electrolyte, there arises a problem that it causes corrosion or further dissolves in the electrolyte. In particular, since conventional perfluorosulfonic acid electrolytes are strong acids, they cannot be used as electrolytes contained in electrodes in these applications. This problem also applies to the application of the optical switch, and applies to other applications where a strong acid-resistant material is not used as the electrode material.

一方、前記の無機/有機複合化合物からなる電解質は、安価であるとともにアルコールに不溶性であり、直接メタノール型燃料電池に使用した場合にも電極中の電解質成分がメタノール燃料に溶解することはない。又、アルカリ型でも高いプロトン伝導性を示すものがあり、一次電池,二次電池等の強酸と接触することのできない電極成分を使用する用途においても適用することができる。しかしながらこれら無機/有機複合化合物からなる電解質を電極中に含有させる方法、或いはその電極を固体電解質膜と接合させる方法についてはまったく検討されていないのが現状である。   On the other hand, the electrolyte composed of the above-mentioned inorganic / organic composite compound is inexpensive and insoluble in alcohol, and the electrolyte component in the electrode does not dissolve in the methanol fuel even when used directly in a methanol fuel cell. In addition, some alkaline types exhibit high proton conductivity, and can be applied to applications using electrode components that cannot be in contact with strong acids, such as primary batteries and secondary batteries. However, at present, no study has been made on a method for incorporating an electrolyte composed of these inorganic / organic composite compounds into an electrode, or a method for joining the electrode to a solid electrolyte membrane.

そこで本発明は燃料電池等、固体電解質を利用した電気化学システムにおいて、上記従来から提供されているパーフルオロスルホン酸系の電解質を含有した電極の課題を解決して、より安価で直接メタノール型燃料電池に使用した場合にも電極中の電解質成分がメタノール燃料に溶解することがなく、一次電池,二次電池等の強酸と接触することのできない電極成分を使用する用途においても適用できる電極及び該電極を接合した固体電解質膜並びに該固体電解質膜を使用した電気化学システムを提供することを目的とするものである。   Accordingly, the present invention solves the above-mentioned problems of electrodes containing perfluorosulfonic acid-based electrolytes that have been conventionally provided in electrochemical systems that use solid electrolytes, such as fuel cells, and is a direct and inexpensive methanol fuel. When used in a battery, the electrolyte component in the electrode is not dissolved in the methanol fuel, and the electrode can be applied in applications using an electrode component that cannot be in contact with a strong acid, such as a primary battery or a secondary battery, and the electrode An object of the present invention is to provide a solid electrolyte membrane having electrodes joined thereto and an electrochemical system using the solid electrolyte membrane.

本発明は上記目的を達成するために、水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の塩を酸で中和するか、又はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムをアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって作成される有機化合物と珪酸化合物,タングステン酸化合物,モリブデン酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物のうち少なくとも一種類の無機化合物及び水から成る複合化合物を含有している電極と、該電極を接合した固体電解質膜及びこの固体電解質膜を用いた各種の電気化学システムを提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid with an acid in a raw material solution in which an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group coexists. Organic compounds and silicic acid compounds, tungstic acid compounds, molybdic acid compounds, stannic acid compounds, zirconic acid compounds created by neutralizing or neutralizing zirconium halides or zirconium oxyhalides with alkali and removing the solvent An electrode containing a composite compound composed of at least one inorganic compound and water, a solid electrolyte membrane joined with the electrode, and various electrochemical systems using the solid electrolyte membrane are provided.

水酸基を有する有機高分子はポリビニルアルコールであり、中和前の原料液がリン酸,ホウ酸から選ばれる少なくとも一種類の塩を含有しているか、又はアルミニウム塩,チタン塩,カルシウム塩,ストロンチウム塩,バリウム塩,ホウ酸から選ばれる少なくとも一種類を含有し、複合化合物がリン,ホウ素,アルミニウム,チタン,カルシウム,ストロンチウム,バリウム化合物の少なくとも一種類を含有している。   The organic polymer having a hydroxyl group is polyvinyl alcohol, and the raw material solution before neutralization contains at least one salt selected from phosphoric acid and boric acid, or an aluminum salt, titanium salt, calcium salt, strontium salt , Barium salt and boric acid, and the composite compound contains at least one of phosphorus, boron, aluminum, titanium, calcium, strontium and barium compounds.

電極成分として金属触媒を担持した炭素を使用する場合に適用できる。電極は複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を表面に塗布し、加熱により接合して固体電解質膜を得ている。或いは複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を、予め固体電解質膜とは異なる平面上に塗布しておき、該塗布物をホットプレスによって電解質膜表面に押し付けて転写する方法によって塗布し、加熱により接合して固体電解質膜が得られる。   It can be applied when using carbon carrying a metal catalyst as an electrode component. The electrode is obtained by applying a mixture of the liquid after neutralization in the composite compound preparation process and other electrode components to the surface and joining them by heating to obtain a solid electrolyte membrane. Alternatively, the mixture of the neutralized solution and other electrode components in the composite compound preparation process is applied in advance on a different plane from the solid electrolyte membrane, and the applied product is pressed onto the electrolyte membrane surface by hot pressing to transfer. The solid electrolyte membrane is obtained by coating by heating and joining by heating.

電気化学システムとして、燃料電池,スチームポンプ,除湿機,空調機器,エレクトロクロミックデバイス,電解装置,電気分解型水素生成装置,電解過酸化水素製造装置,電解水製造装置,湿度センサ,水素センサ,一次電池,二次電池,光スイッチシステム或いは多価金属を用いた新たな電池システムに適用可能である。   Electrochemical systems include fuel cells, steam pumps, dehumidifiers, air conditioners, electrochromic devices, electrolyzers, electrolysis hydrogen generators, electrolytic hydrogen peroxide generators, electrolyzed water generators, humidity sensors, hydrogen sensors, primary The present invention can be applied to a battery, a secondary battery, an optical switch system, or a new battery system using a polyvalent metal.

本発明によれば、水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の塩を酸で中和するか、又はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムをアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって作成される有機化合物と珪酸化合物,タングステン酸化合物,モリブデン酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物のうち少なくとも一種類の無機化合物及び水から成る複合化合物を含有している電極と、該電極を接合した固体電解質膜が得られて、固体電解質膜と電極との界面の面積を十分大きくし、電極反応速度を高めた電極と固体電解質膜を安価に提供するとともに該固体電解質膜を使用した性能劣化の少ない低価格な電気化学システムを提供することができる。   According to the present invention, at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid, stannic acid is neutralized with an acid in a raw material solution in which an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group coexists, or At least one of organic compounds and silicic acid compounds, tungstic acid compounds, molybdic acid compounds, stannic acid compounds and zirconic acid compounds prepared by neutralizing zirconium halide or zirconium oxyhalide with alkali and removing the solvent Electrode containing a composite compound composed of inorganic compound and water and a solid electrolyte membrane joined with the electrode are obtained, the area of the interface between the solid electrolyte membrane and the electrode is sufficiently increased, and the electrode reaction rate is increased. Low-cost electricity with low degradation of performance and the use of solid electrolyte membranes It is possible to provide the academic system.

本発明の電極は、その中に含有している複合化合物の電解質がアルコールに対して不溶性であるため、直接メタノール型の燃料電池に用いた場合、高濃度のメタノール燃料を使用しても固体電解質成分が溶出することはない。更に本発明の電極は一次電池,二次電池等の強酸と接触することのできない電極成分を使用する用途においても適用することができる。   In the electrode of the present invention, the electrolyte of the composite compound contained therein is insoluble in alcohol. Therefore, when used in a direct methanol fuel cell, the solid electrolyte is used even when a high concentration methanol fuel is used. The component does not elute. Furthermore, the electrode of the present invention can be applied to applications using an electrode component that cannot contact with a strong acid, such as a primary battery and a secondary battery.

以下本発明にかかる電極及び該電極を接合した固体電解質膜並びに該固体電解質膜を使用した電気化学システムの最良の実施形態を説明する。本発明の電極は、水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の塩を酸で中和するか、又はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムをアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって作成される有機化合物と珪酸化合物,タングステン酸化合物,モリブデン酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物のうち少なくとも一種類の無機化合物及び水から成る複合化合物を含有する電極であることが特徴となっている。   BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of an electrode according to the present invention, a solid electrolyte membrane joined with the electrode, and an electrochemical system using the solid electrolyte membrane will be described below. The electrode of the present invention neutralizes at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid with an acid in a raw material solution in which an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group coexists, or At least one of organic compounds and silicic acid compounds, tungstic acid compounds, molybdic acid compounds, stannic acid compounds and zirconic acid compounds prepared by neutralizing zirconium halide or zirconium oxyhalide with alkali and removing the solvent It is characterized by being an electrode containing a composite compound composed of an inorganic compound and water.

上記電極は、固体電解質膜の表面に接合して使用され、接合方法としては複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を固体電解質膜表面に塗布した後、加熱する方法によるか、或いは複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を予めポリエステルのシート或いはフィルムなど固体電解質膜とは異なる平面上に塗布しておき、該塗布物をホットプレスによって電解質膜表面に押し付けて転写する方法が最適である。   The electrode is used after being joined to the surface of the solid electrolyte membrane. As a joining method, a mixture of the liquid after neutralization in the composite compound preparation process and other electrode components is applied to the surface of the solid electrolyte membrane and then heated. The mixture of the liquid after neutralization in the process of preparing the composite compound and other electrode components is applied in advance on a plane different from the solid electrolyte membrane such as a polyester sheet or film, and the applied product is heated. The method of transferring by pressing against the electrolyte membrane surface by pressing is optimal.

以下に各種実施例に基づいて本発明の具体的な実施形態を説明する。尚、本願発明はこれら実施例の記載内容に限定されるものではない。   Specific embodiments of the present invention will be described below based on various examples. In addition, this invention is not limited to the description content of these Examples.

複合化合物を作成するため、先ず平均重合度が3100〜3900でケン化度が86〜90%のポリビニルアルコールの10重量%水溶液100ccに、タングステン酸ナトリウム二水和物(NaWO・2HO)13重量%,リン酸三ナトリウム(NaPO・12HO)5.4重量%の混合水溶液11cc及び珪酸ナトリウム15重量%水溶液8ccを加えて原料水溶液とし、この原料水溶液を撹拌しながら2.4M濃度の塩酸を11ccと50重量%のリン酸12ccを滴下して中和し、粘稠な前駆体水溶液を作成した。この前駆体水溶液を密閉容器内に入れ、真空ポンプで減圧することにより脱泡処理した。 To create a complex compound, firstly the 10 wt% aqueous solution 100cc saponification degree average degree of polymerization of 3,100 to 3,900 is 86 to 90% of polyvinyl alcohol, sodium tungstate dihydrate (Na 2 WO 4 · 2H 2 O) 13 wt%, trisodium phosphate (Na 3 PO 4 · 12H 2 O) 5.4 wt% mixed aqueous solution 11 cc and sodium silicate 15 wt% aqueous solution 8 cc were added to form a raw material aqueous solution. However, 11 cc of hydrochloric acid having a concentration of 2.4 M and 12 cc of 50% by weight of phosphoric acid were added dropwise to neutralize the solution to prepare a viscous precursor aqueous solution. This precursor aqueous solution was put into a sealed container and defoamed by reducing the pressure with a vacuum pump.

作成した複合化合物液の一部は固体電解質膜を作成するために、残りは電極に含有させるために使用した。複合化合物から成る固体電解質膜は以下の方法で作成した。マイクロメータを用いて台座とのギャップを調節できるブレードが装着されたコーティング装置(R K Print Coat Instruments Ltd.製 Kコントロールコータ202)の平滑な台座の上にポリエステルフィルムを敷き、その上に脱泡処理した複合化合物液を流延した。この時台座は50℃になるように制御しながら加熱した。   A part of the prepared composite compound solution was used for preparing a solid electrolyte membrane, and the rest was used for inclusion in an electrode. The solid electrolyte membrane composed of the composite compound was prepared by the following method. A polyester film is placed on the smooth base of the coating device (K Control Coater 202, manufactured by RK Print Coat Instruments Ltd.) equipped with a blade that can adjust the gap with the base using a micrometer. The composite compound solution was cast. At this time, the pedestal was heated while being controlled to 50 ° C.

複合化合物液を台座の上に流延してすぐにギャップを0.6mmに調節したブレードを一定速度で複合化合物液上を掃引して一定の厚みにならした。そのまま50℃で加熱しながら放置することによって水分を飛ばし、流動性がほぼ消失した段階で再びその上から重ねて複合化合物液を流延し、すぐに再びブレードを一定速度で複合化合物液上を掃引し、一定の厚みにならした。その後台座の温度を105℃〜110℃まで引き上げ、その状態を保って1.5時間の加熱処理を行った。その後台座の上に生成した膜を剥離し、熱水洗浄後乾燥した。   Immediately after casting the composite compound solution on the pedestal, a blade whose gap was adjusted to 0.6 mm was swept over the composite compound solution at a constant speed to obtain a constant thickness. By leaving it at 50 ° C. as it is, the moisture is removed, and when the fluidity has almost disappeared, the composite compound liquid is cast again from above, and the blade is immediately moved over the composite compound liquid at a constant speed. Swept to a certain thickness. Thereafter, the temperature of the pedestal was raised to 105 ° C. to 110 ° C., and the heat treatment was performed for 1.5 hours while maintaining the state. Thereafter, the film formed on the pedestal was peeled off, dried after washing with hot water.

このようにして作成した固体電解質膜は100mm×100mmに切り取り、膜の膨潤を抑制するためのアルデヒドでの処理を行った。アルデヒドでの処理は、まず固体電解質膜を1.2M濃度の塩酸に常温で1時間浸漬し、その後イソブチルアルデヒド10ccを含む1.2M濃度の塩酸100ccに常温で撹拌しながら2時間浸漬した。その後70℃〜100℃の熱水で洗浄した後、乾燥した。   The solid electrolyte membrane thus prepared was cut to 100 mm × 100 mm and treated with an aldehyde for suppressing membrane swelling. In the treatment with aldehyde, the solid electrolyte membrane was first immersed in 1.2 M hydrochloric acid for 1 hour at room temperature, and then immersed in 100 cc of 1.2 M hydrochloric acid containing 10 cc of isobutyraldehyde at room temperature for 2 hours. Thereafter, it was washed with hot water at 70 ° C. to 100 ° C. and then dried.

複合化合物を含有する電極の例として燃料電池に使用されるような白金触媒を担持した炭素粉末から成る電極の作成法を示す。他の系の電極も中味の成分が異なるだけで、同様の方法で作成できる。まず、ビーカー中に水1.3ccを入れ、白金を担持した炭素微粉末0.1gを加え、超音波をかけてよく分散した。十分混合した後前記の中和法により作成した複合化合物液を0.6g加え、マグネットスターラーで攪拌混合した。この混合物を前記の固体電解質膜に塗布し、乾燥した後100℃で1時間ホットプレスした。その後、70℃〜100℃の熱水で洗浄した後、乾燥した。   As an example of an electrode containing a composite compound, a method for producing an electrode made of carbon powder carrying a platinum catalyst as used in a fuel cell will be described. Other types of electrodes can also be produced in the same manner except that the components of the contents are different. First, 1.3 cc of water was placed in a beaker, 0.1 g of fine carbon powder carrying platinum was added, and the mixture was well dispersed by applying ultrasonic waves. After sufficiently mixing, 0.6 g of the composite compound solution prepared by the neutralization method was added, and the mixture was stirred and mixed with a magnetic stirrer. This mixture was applied to the solid electrolyte membrane, dried, and hot pressed at 100 ° C. for 1 hour. Thereafter, it was washed with hot water at 70 ° C. to 100 ° C. and then dried.

加熱工程において複合化合物内の無機成分同士、或いは無機成分と有機成分の縮重合が進み、複合化合物は強固に固まっていく。即ち、電極中に含ませる固体電解質として上記複合化合物を適用した場合、単なる加熱によって簡単に電極成分を互いに結び付けたり、電極成分と固体電解質膜を結びつけることができるとともにバインダーの役割を持たせることができる。従ってこのようにして作成した電極或いは電極と固体電解質膜との接合体は、物理的な衝撃に対しても簡単に剥離することもなく、熱水中であっても劣化しないように安定化されている。このようにして作成した電極は固体電解質膜である複合化合物が電極中に分散しているため、電極と固体電解質との界面の面積が大きく、反応性にも優れている。又、複合化合物はアルコールに対して不溶性であるため、従来のパーフルオロスルホン酸系の材料と異なり、直接メタノール型燃料電池用の電極として使用した場合に架橋等の特別な処理を施さなくても溶け出すことがない。   In the heating process, the condensation polymerization of the inorganic components in the composite compound or between the inorganic component and the organic component proceeds, and the composite compound is firmly solidified. That is, when the composite compound is applied as a solid electrolyte contained in an electrode, the electrode components can be easily combined with each other by simple heating, the electrode component and the solid electrolyte membrane can be combined, and a role of a binder can be given. it can. Therefore, the electrode or the joined body of the electrode and the solid electrolyte membrane prepared in this manner is not easily peeled off against physical impact and is stabilized so as not to deteriorate even in hot water. ing. Since the composite compound, which is a solid electrolyte membrane, is dispersed in the electrode prepared in this way, the area of the interface between the electrode and the solid electrolyte is large, and the reactivity is also excellent. In addition, since the composite compound is insoluble in alcohol, unlike a conventional perfluorosulfonic acid material, there is no need to perform special treatment such as crosslinking when directly used as an electrode for a methanol fuel cell. It does not melt out.

電極と固体電解質とを接合するための別の方法を示す。実施例1と同じ白金担持炭素微粉末、水、複合化合物液より成る電極混合物を50mm×50mm、厚さ50μmのポリエステル(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に塗布した。50℃で加熱し、塗布物が概ね乾燥した状態で、塗布面を実施例1と同じ固体電解質膜と合わせて100℃で1時間ホットプレスした。ホットプレス後ポリエステルフィルムを剥がすと、ポリエステルフィルムだけがきれいに剥がれ、固体電解質膜上に電極が転写された。その後、この電極と固体電解質膜の接合体を70℃〜100℃の熱水で洗浄した後、乾燥した。このようにして作成した電極および電極と固体電解質膜の接合体も、実施例1の場合と同じく電極成分同士或いは電極と固体電解質膜とが強固に結合しており、物理的にも強くて熱水中であっても劣化せず、安定している。複合化合物が電極中に分散しているため反応性に優れ、電極中の複合化合物がアルコールに溶け出すこともない。実施例1のように電極塗布物を直接固体電解質膜に塗布した場合には、塗布物の水分によって固体電解質膜の電極塗布部分が若干膨張し、膜が変形してしまう問題が起こりやすいが、本実施例のようにあらかじめ別のフィルムに電極塗布物を塗布しておいて、それをホットプレスで転写することによってそのような問題は避けることができる。本実施例の方法では電極を取り付ける位置と電極サイズ、形状を簡単に、しかも精密に制御することができて工業的なメリットが大きい。   3 shows another method for joining an electrode and a solid electrolyte. The same electrode mixture comprising platinum-supported carbon fine powder, water, and composite compound liquid as in Example 1 was applied onto a polyester (polyethylene terephthalate) film having a size of 50 mm × 50 mm and a thickness of 50 μm. Heating was performed at 50 ° C., and the coated surface was hot-pressed at 100 ° C. for 1 hour together with the same solid electrolyte membrane as in Example 1 in a state where the coated material was almost dry. When the polyester film was peeled off after hot pressing, only the polyester film was peeled off cleanly, and the electrode was transferred onto the solid electrolyte membrane. Thereafter, the joined body of the electrode and the solid electrolyte membrane was washed with hot water at 70 ° C. to 100 ° C. and then dried. Similarly to the case of Example 1, the electrode and the electrode / solid electrolyte membrane assembly produced in this way are bonded firmly to each other, or the electrode and the solid electrolyte membrane are physically strong and heat-resistant. Even in water, it does not deteriorate and is stable. Since the composite compound is dispersed in the electrode, the reactivity is excellent, and the composite compound in the electrode does not dissolve in the alcohol. When the electrode coating is applied directly to the solid electrolyte membrane as in Example 1, the electrode coating portion of the solid electrolyte membrane is slightly expanded by the moisture of the coating, and the membrane is likely to be deformed. Such a problem can be avoided by applying an electrode coating on another film in advance as in the present embodiment and transferring it with a hot press. In the method of this embodiment, the position where the electrode is attached, the electrode size, and the shape can be controlled easily and precisely, and the industrial merit is great.

実施例1、2では複合化合物の無機成分としてタングステン酸を主成分としているが、その代わりにジルコン酸化合物、スズ酸化合物、珪酸化合物を主成分とした複合化合物はアルカリ中での安定性に優れ、アルカリ型にした場合のプロトン(或いは水酸化物イオン)伝導性が高いため、一次電池,二次電池など酸型の固体電解質が使用できない用途においても適用することができる。その場合にも実施例と同様の方法で複合化合物を含有する電極を作成し、同様の方法で固体電解質膜と接合することができる。   In Examples 1 and 2, tungstic acid is the main component as an inorganic component of the composite compound, but instead, the composite compound mainly composed of a zirconate compound, a stannic acid compound, and a silicate compound has excellent stability in an alkali. Since the proton (or hydroxide ion) conductivity is high when the alkali type is used, the present invention can be applied to applications where an acid type solid electrolyte such as a primary battery and a secondary battery cannot be used. Even in that case, an electrode containing the composite compound can be prepared by the same method as in the example, and the electrode can be joined to the solid electrolyte membrane by the same method.

本発明において水酸基を有する有機高分子としてはポリビニルアルコール,各種セルロース,ポリエチレングリコール,或いは各種有機高分子に水酸基を導入したもの、或いは水酸基をもつ有機高分子を共重合,グラフト重合したものなどがある。例えばポリビニルアルコールが本発明に対して最も代表的なものであるが、ポリビニルアルコールは完全なものである必要がなく、本質的にポリビニルアルコールとして機能するものであれば使用することができる。例えば水酸基の一部が他の基で置換されているもの、一部分に他のポリマーが共重合、或いはグラフト重合されているものもポリビニルアルコールとして機能することができる。また、反応過程でポリビニルアルコールを経由すれば同様な効果が得られるので、ポリビニルアルコールの原料となるポリ酢酸ビニル等を出発原料とすることもできる。   Examples of the organic polymer having a hydroxyl group in the present invention include polyvinyl alcohol, various celluloses, polyethylene glycol, or those obtained by introducing a hydroxyl group into various organic polymers, or those obtained by copolymerization or graft polymerization of an organic polymer having a hydroxyl group. . For example, polyvinyl alcohol is the most representative for the present invention, but polyvinyl alcohol does not need to be complete and can be used as long as it essentially functions as polyvinyl alcohol. For example, those in which a part of the hydroxyl group is substituted with another group and those in which another polymer is copolymerized or graft polymerized to a part can also function as polyvinyl alcohol. Moreover, since the same effect is acquired if it passes through polyvinyl alcohol in a reaction process, the polyvinyl acetate etc. which are the raw materials of polyvinyl alcohol can also be used as a starting material.

また、水酸基を有する有機高分子の機能が十分発現する範囲であれば、他のポリマー、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー,ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル,ポリテトラフルオロエチレン,ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー,ポリ酢酸ビニル系ポリマー,ポリスチレン系ポリマー,ポリカーボネート系ポリマー,エポキシ樹脂系ポリマー或いはその他の有機,無機添加物などを混合することもできる。   In addition, other polymers such as polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene, polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, and polyfluoride can be used as long as the function of the organic polymer having a hydroxyl group is sufficiently developed. Fluorine polymers such as vinylidene, polyvinyl acetate polymers, polystyrene polymers, polycarbonate polymers, epoxy resin polymers, or other organic and inorganic additives may be mixed.

水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で無機化合物塩を酸又はアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって有機化合物と無機化合物及び水から成る複合化合物を作成する。この場合、無機化合物塩の代表的な例は金属の酸素酸塩であって、例えば珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の金属塩を用いることができる。この場合中和には酸が用いられる。珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸の金属塩は使用する溶媒に溶解するものであればどのような種類の金属塩でもよく、金属イオンの種類,酸素,陽イオンの比率,含水率もどのようなものでもよい。また、無機化合物塩のもう1つの例はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムであり、中和にはアルカリが用いられる。ジルコニウム塩及びオキシジルコニウム塩も使用する溶媒に溶解するものであればどのような種類のものでもよく、塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウムなどが使用できる。酸素,陰イオンの比率、含水率もどのようなものでもよい。原料溶液の溶媒は原料となる金属塩及び有機高分子を溶解することができればどのようなものでもよいが、金属塩の溶解性が高い点では水が好適である。また、原料の珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸の金属塩については溶解性の点ではアルカリ金属塩が好ましい。   An inorganic compound salt is neutralized with an acid or alkali in a raw material solution in which an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group coexists, and a solvent is removed to prepare a composite compound composed of the organic compound, the inorganic compound, and water. In this case, a typical example of the inorganic compound salt is a metal oxyacid salt. For example, at least one metal salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid, and stannic acid can be used. In this case, an acid is used for neutralization. The metal salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid, and stannic acid can be any type of metal salt that dissolves in the solvent used, and any type of metal ion, oxygen, cation ratio, or moisture content. Something like that. Another example of the inorganic compound salt is zirconium halide or zirconium oxyhalide, and an alkali is used for neutralization. Zirconium salts and oxyzirconium salts may be of any kind as long as they are soluble in the solvent used, and zirconium chloride, zirconium oxychloride and the like can be used. Any ratio of oxygen and anion, and water content may be used. The solvent of the raw material solution may be any solvent as long as it can dissolve the metal salt and organic polymer as raw materials, but water is preferable in terms of the high solubility of the metal salt. In addition, the metal salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid as raw materials is preferably an alkali metal salt in terms of solubility.

固体電解質を構成する複合化合物中にリン,ホウ素,アルミニウム,チタン,カルシウム,ストロンチウム,バリウム化合物の少なくとも一種類を含ませることができるが、中和法で作成する場合これらの化合物の添加は中和前の原料液にリン酸,ホウ酸から選択された少なくとも一種類の金属塩を含ませるか、又はアルミニウム塩,チタン塩,カルシウム塩,ストロンチウム塩,バリウム塩,ホウ酸から選択された少なくとも一種類を含ませることによって行われる。リン酸,ホウ酸の金属塩は使用する溶媒に溶解するものであればどのような種類のものでもよく、金属イオンの種類,酸素,陽イオンの比率,含水率もどのようなものでもよい。しかし、金属塩の溶解性の点ではアルカリ金属塩を使用するのが好ましい。アルミニウム塩,チタン塩,カルシウム塩,ストロンチウム塩,バリウム塩も使用する溶媒に溶解するものであればどのような種類のものでもよく、陰イオンの種類,含水率はどのようなものでもよい。また、リン,ホウ素,珪素を添加する際、予めタングステン酸或いはモリブデン酸とリン酸,珪酸,ホウ酸が化合したタングストリン酸,モリブドリン酸,シリコタングステン酸,シリコモリブデン酸,タングストホウ酸,モリブドホウ酸などヘテロポリ酸或いはその塩を原料として用いることができる。   At least one of phosphorus, boron, aluminum, titanium, calcium, strontium, and barium compounds can be included in the composite compound that forms the solid electrolyte. At least one metal salt selected from phosphoric acid and boric acid is included in the previous raw material solution, or at least one selected from aluminum salt, titanium salt, calcium salt, strontium salt, barium salt and boric acid It is done by including. The metal salt of phosphoric acid and boric acid may be any kind as long as it is soluble in the solvent used, and any kind of metal ion, oxygen / cation ratio, and water content may be used. However, it is preferable to use an alkali metal salt in terms of the solubility of the metal salt. Any kind of aluminum salt, titanium salt, calcium salt, strontium salt and barium salt may be used as long as they are soluble in the solvent used, and any kind of anion and moisture content may be used. In addition, when adding phosphorus, boron, silicon, tungstophosphoric acid, molybdophosphoric acid, silicotungstic acid, silicomolybdic acid, tungstoboric acid, molybdoboric acid, etc. in which tungstic acid or molybdic acid and phosphoric acid, silicic acid, boric acid are combined in advance Heteropolyacid or its salt can be used as a raw material.

複合化合物作成における中和に用いる酸又はアルカリの種類は、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸の金属塩又は塩化ジルコニウム或いはジルコニウム塩又はオキシジルコニウム塩の中和が行えるものであればどのようなものでもよく、塩酸,硫酸,リン酸,水酸化ナトリウム,水酸化リチウム等が使用可能である。   The type of acid or alkali used for neutralization in the preparation of the composite compound is any metal that can neutralize silicic acid, tungstic acid, molybdic acid, stannic acid metal salt, zirconium chloride, zirconium salt, or oxyzirconium salt. Hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, sodium hydroxide, lithium hydroxide, etc. can be used.

本発明においては電極中に複合化合物を含有させる方法は必ずしも実施例に記載されている方法に限定されるものではなく、電極中に複合化合物を分散できるのであればどのような方法を用いてもよい。例えば電極を形成した後に複合化合物を含む液に電極を浸漬するか、或いは複合化合物を含む液を電極に塗布することによって、複合化合物を電極内に含填させることも可能である。   In the present invention, the method of incorporating the composite compound in the electrode is not necessarily limited to the method described in the examples, and any method can be used as long as the composite compound can be dispersed in the electrode. Good. For example, the composite compound can be included in the electrode by immersing the electrode in a liquid containing the composite compound after forming the electrode, or by applying a liquid containing the composite compound to the electrode.

実施例においては電極を接合させる固体電解質膜も電極中に含有させるのと同じ成分の複合化合物を用いているが、必ずしも同じにする必要はない。例えば、本発明の複合化合物含有電極を従来使用されているパーフルオロスルホン酸系などまったく異なる系の電解質膜に接合してもよい。ただし、接合する固体電解質膜も電極中に含有するのと同じ系の複合化合物から成る電解質にすることによって接合性が良くなるなどのメリットが生じる。   In the embodiment, the solid electrolyte membrane to which the electrode is joined is also a composite compound having the same component as that contained in the electrode, but it is not necessarily the same. For example, the composite compound-containing electrode of the present invention may be joined to an electrolyte membrane of a completely different system such as a perfluorosulfonic acid system that has been conventionally used. However, when the solid electrolyte membrane to be joined is made of an electrolyte composed of the same type of composite compound as contained in the electrode, there are merits such as better jointability.

本発明の固体電解質は100℃以上の温度で加熱処理することによって無機化合物及び有機化合物との結合生成を促進し、電極或いは膜―電極接合体において強度,耐水性,高温安定性を増大させることができる。その際、加熱処理における雰囲気は空気中,不活性ガス雰囲気中もしくは真空中でもよい。   The solid electrolyte of the present invention promotes bond formation with an inorganic compound and an organic compound by heat treatment at a temperature of 100 ° C. or higher, and increases strength, water resistance, and high-temperature stability in an electrode or a membrane-electrode assembly. Can do. At that time, the atmosphere in the heat treatment may be in air, in an inert gas atmosphere, or in a vacuum.

本発明においては、複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物をあらかじめ固体電解質膜とは異なるフィルム或いはシート上に塗布しておき、該塗布物をホットプレスによって電解質膜表面に押し付け、電解質膜表面上に転写する方法によって電極を固体電解質膜表面に接合させるが、このとき使用されるフィルム或いはシートの材質はホットプレス後フィルム或いはシートだけが容易に剥離して電極だけが電解質膜上に残るものであればどのようなものでもよい。しかし塗布物との親和性が低く、塗布物をはじきやすいものではフィルム或いはシート上にうまく電極を形成することができない。逆に塗布物との親和性が高すぎるとホットプレス後にフィルム或いはシートだけを剥離させることができず、電極を電解質膜上にうまく転写できない。従ってフィルム或いはシートの材質は塗布物と適度な親和性を持つことが好ましく、その点でポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルが適している。   In the present invention, the mixture of the liquid after neutralization in the composite compound preparation process and other electrode components is applied in advance on a film or sheet different from the solid electrolyte membrane, and the applied material is subjected to an electrolyte membrane by hot pressing. The electrode is bonded to the surface of the solid electrolyte membrane by a method of pressing on the surface and transferring onto the surface of the electrolyte membrane. The material of the film or sheet used at this time is the film or sheet that can be easily peeled off after hot pressing, and only the electrode Any material can be used as long as it remains on the electrolyte membrane. However, if the affinity with the coating is low and the coating is easy to repel, the electrode cannot be formed well on the film or sheet. On the other hand, if the affinity with the coating is too high, only the film or sheet cannot be peeled after hot pressing, and the electrode cannot be transferred onto the electrolyte membrane. Therefore, it is preferable that the material of the film or sheet has an appropriate affinity with the coated material, and polyester such as polyethylene terephthalate is suitable in that respect.

以上説明したように本発明は水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の塩を酸で中和するか、又はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムをアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって作成される有機化合物と珪酸化合物,タングステン酸化合物,モリブデン酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物のうち少なくとも一種類の無機化合物及び水から成る複合化合物を含有している電極と、該電極を接合した固体電解質膜及び該固体電解質膜を用いた各種の電気化学システムを提供することができる。電気化学システムとしては燃料電池,スチームポンプ,除湿機,空調機器,エレクトロクロミックデバイス,電解装置,電気分解型水素生成装置,電解過酸化水素製造装置,電解水製造装置,湿度センサ,水素センサ,一次電池,二次電池,光スイッチシステム或いは多価金属を用いた新たな電池システムに利用することができる。   As described above, the present invention can neutralize at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid with an acid in a raw material solution in which an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group coexists. Or an organic compound and a silicic acid compound, a tungstic acid compound, a molybdate compound, a stannic acid compound, and a zirconic acid compound prepared by neutralizing zirconium halide or zirconium oxyhalide with an alkali and removing the solvent. It is possible to provide an electrode containing a composite compound composed of one kind of inorganic compound and water, a solid electrolyte membrane joined with the electrode, and various electrochemical systems using the solid electrolyte membrane. Electrochemical systems include fuel cells, steam pumps, dehumidifiers, air conditioners, electrochromic devices, electrolyzers, electrolyzed hydrogen generators, electrolytic hydrogen peroxide generators, electrolyzed water generators, humidity sensors, hydrogen sensors, primary It can be used for a battery, a secondary battery, an optical switch system, or a new battery system using a polyvalent metal.

Claims (11)

水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の塩を酸で中和するか、又はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムをアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって作成される有機化合物と珪酸化合物,タングステン酸化合物,モリブデン酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物のうち少なくとも一種類の無機化合物及び水から成る複合化合物を含有していることを特徴とする電極。   Neutralize at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid with an acid in a raw material solution containing an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group, or a zirconium halide or oxyhalogen From organic compounds and silicic acid compounds, tungstic acid compounds, molybdic acid compounds, stannic acid compounds, zirconic acid compounds and water produced by neutralizing zirconium fluoride with alkali and removing the solvent An electrode comprising a composite compound comprising: 水酸基を有する有機高分子が、ポリビニルアルコールである請求項1に記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the organic polymer having a hydroxyl group is polyvinyl alcohol. 中和前の原料液が、リン酸,ホウ酸から選ばれる少なくとも一種類の塩を含有しているか、又はアルミニウム塩,チタン塩,カルシウム塩,ストロンチウム塩,バリウム塩,ホウ酸から選ばれる少なくとも一種類を含有し、複合化合物がリン,ホウ素,アルミニウム,チタン,カルシウム,ストロンチウム,バリウム化合物の少なくとも一種類を含有している請求項1又は2に記載の電極。   The raw material solution before neutralization contains at least one salt selected from phosphoric acid and boric acid, or at least one selected from aluminum salt, titanium salt, calcium salt, strontium salt, barium salt, and boric acid. The electrode according to claim 1, wherein the composite compound contains at least one of phosphorus, boron, aluminum, titanium, calcium, strontium, and barium compounds. 電極成分として金属触媒を担持した炭素を含有する請求項1,2又は3に記載の電極。   The electrode according to claim 1, 2 or 3, comprising carbon carrying a metal catalyst as an electrode component. 水酸基を有する有機高分子を含む有機化合物の共存する原料溶液中で、珪酸,タングステン酸,モリブデン酸,スズ酸のうち少なくとも一種類の塩を酸で中和するか、又はハロゲン化ジルコニウム或いはオキシハロゲン化ジルコニウムをアルカリによって中和し、溶媒を除去することによって作成される有機化合物と珪酸化合物,タングステン酸化合物,モリブデン酸化合物,スズ酸化合物,ジルコン酸化合物のうち少なくとも一種類の無機化合物及び水から成る複合化合物を含有している電極が表面に接合された電極を接合した固体電解質膜。   Neutralize at least one salt of silicic acid, tungstic acid, molybdic acid and stannic acid with an acid in a raw material solution containing an organic compound containing an organic polymer having a hydroxyl group, or a zirconium halide or oxyhalogen From organic compounds and silicic acid compounds, tungstic acid compounds, molybdic acid compounds, stannic acid compounds, zirconic acid compounds and water produced by neutralizing zirconium fluoride with alkali and removing the solvent A solid electrolyte membrane in which an electrode containing a composite compound is bonded to the surface. 複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を表面に塗布し、加熱により接合した請求項5に記載の電極を接合した固体電解質膜。   The solid electrolyte membrane to which the electrode according to claim 5 is bonded by applying a mixture of the liquid after neutralization in the composite compound preparation process and other electrode components to the surface and bonding by heating. 複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を、予め固体電解質膜とは異なる平面上に塗布しておき、該塗布物をホットプレスによって電解質膜表面に押し付けて転写する方法によって塗布し、加熱により接合した請求項5又は6に記載の電極を接合した固体電解質膜。   The mixture of the neutralized solution and other electrode components in the composite compound preparation process is applied in advance on a plane different from the solid electrolyte membrane, and the applied product is transferred to the electrolyte membrane surface by hot pressing. The solid electrolyte membrane which joined the electrode of Claim 5 or 6 apply | coated by the method and joined by heating. 複合化合物作成過程における中和後の液とその他の電極成分との混合物を、予めシート或いはフィルムの表面に塗布してから電解質膜表面に押し付けて転写する請求項5又は6に記載の電極を接合した固体電解質膜。   The electrode according to claim 5 or 6, wherein a mixture of the neutralized solution and other electrode components in the composite compound preparation process is applied to the surface of the sheet or film in advance and then transferred to the surface of the electrolyte membrane for transfer. Solid electrolyte membrane. シート或いはフィルムの主成分がポリエステルである請求項8に記載の電極を接合した固体電解質膜。   The solid electrolyte membrane to which the electrode according to claim 8 is joined is a polyester whose main component is a sheet or film. 請求項5〜9の何れかに記載の固体電解質膜を用いたことを特徴とする固体電解質膜を使用した電気化学システム。   An electrochemical system using a solid electrolyte membrane, wherein the solid electrolyte membrane according to any one of claims 5 to 9 is used. 上記電気化学システムが、燃料電池,スチームポンプ,除湿機,空調機器,エレクトロクロミックデバイス,電解装置,電気分解型水素生成装置,電解過酸化水素製造装置,電解水製造装置,湿度センサ,水素センサ,一次電池,二次電池,光スイッチシステム或いは多価金属を用いた新たな電池システムである請求項10に記載の固体電解質膜を使用した電気化学システム。   The electrochemical system is a fuel cell, a steam pump, a dehumidifier, an air conditioner, an electrochromic device, an electrolyzer, an electrolysis-type hydrogen generator, an electrolytic hydrogen peroxide production device, an electrolyzed water production device, a humidity sensor, a hydrogen sensor, The electrochemical system using a solid electrolyte membrane according to claim 10, which is a new battery system using a primary battery, a secondary battery, an optical switch system or a polyvalent metal.
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