JP2008262853A - Proton conduction film, manufacturing method for same and fuel cell - Google Patents

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JP2008262853A JP2007105706A JP2007105706A JP2008262853A JP 2008262853 A JP2008262853 A JP 2008262853A JP 2007105706 A JP2007105706 A JP 2007105706A JP 2007105706 A JP2007105706 A JP 2007105706A JP 2008262853 A JP2008262853 A JP 2008262853A
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隆広 亀井
Yuriko Kaino
由利子 貝野
Kenichi Kurihara
研一 栗原
Maiko Kunida
麻衣子 國田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conduction film with high proton conductivity, durability and mechanical strength and to provide a manufacturing method for same and a fuel cell. <P>SOLUTION: The proton conduction film is provided with a network structure with Si-O bonding. In addition, the proton conduction film is provided with an aryl group bonded to an Si atom composing the network structure or an allylene group bridging the Si atoms and the aryl group or the allylene group is provided with a proton supplying group. Furthermore, the manufacturing method and the fuel cell using the proton conductive film are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導膜およびその製造方法ならびに燃料電池に関し、特に詳しくは、有機−無機ハイブリッドプロトン伝導膜およびその製造方法ならびに燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conducting membrane, a method for producing the same, and a fuel cell, and more particularly to an organic-inorganic hybrid proton conducting membrane, a method for producing the same, and a fuel cell.

燃料電池やセンサー等には、室温から100℃以下の温度で作動するプロトン伝導膜として、フッ素を高分子骨格中に有するパーフルオロスルホン酸膜[デュポン社製、商品名ナフィオン]等の高分子膜が使用されている。また、類似のものとして、パーフルオロビニルエーテル側鎖が異なるパーフルオロスルホン酸膜などの提案がある。   For fuel cells, sensors, etc., polymer membranes such as perfluorosulfonic acid membranes (trade name Nafion, manufactured by DuPont) having fluorine in the polymer skeleton as proton conductive membranes that operate at temperatures from room temperature to 100 ° C. Is used. Further, as a similar one, there is a proposal such as a perfluorosulfonic acid membrane having different perfluorovinyl ether side chains.

また、上記パーフルオロスルホン酸膜よりも耐熱性のあるプロトン伝導膜の材料として、シリカ系材料が注目されている。上記パーフルオロスルホン酸膜にシリカからなる微細粒子を分散させて、燃料電池に用いた例も開示されている(例えば、特許文献1参照)が、この場合のシリカは膜の保湿性を向上させるための添加剤であり、プロトン伝導性には関与していない。   Silica-based materials have attracted attention as materials for proton conductive membranes that are more heat resistant than the perfluorosulfonic acid membrane. An example in which fine particles made of silica are dispersed in the perfluorosulfonic acid film and used in a fuel cell is also disclosed (for example, see Patent Document 1). In this case, silica improves the moisture retention of the film. And is not involved in proton conductivity.

燃料電池の電解質としては、室温から200℃程度の温度範囲で高いプロトン伝導率を有する非晶質シリカ成形体からなるプロトン伝導膜が提案されている(例えば、特許文献2、3参照)。   As an electrolyte for a fuel cell, a proton conductive membrane made of an amorphous silica molded body having high proton conductivity in a temperature range from room temperature to about 200 ° C. has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

また、ゾル−ゲル法で作製されたシリカガラスは、ガラスとしては高いプロトン伝導率を有することを報告されている(例えば、非特許文献1、2参照)。   Moreover, it has been reported that the silica glass produced with the sol-gel method has high proton conductivity as glass (for example, refer nonpatent literatures 1 and 2).

さらに、シリカが主たる組成の五酸化リン(P25)−酸化ジルコニウム(ZrO2)−酸化シリコン(SiO2)(P25:ZrO2:SiO2=5:5:90(モル%))からなるシリカガラスにおいて、50℃で10-3S/cm程度の高いプロトン伝導率があることが報告されている(例えば、非特許文献3、4参照)。 Further, phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) -zirconium oxide (ZrO 2 ) -silicon oxide (SiO 2 ) (P 2 O 5 : ZrO 2 : SiO 2 = 5: 5: 90 (mol%) whose composition is mainly composed of silica. )) Is reported to have a high proton conductivity of about 10 −3 S / cm at 50 ° C. (see, for example, Non-Patent Documents 3 and 4).

特開平6−111827公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-1111827 特開2000−272932公報JP 2000-272932 A 特開2001−143723公報JP 2001-143723 A 「Physical Review B」,1997年, Vol.55, p.12108`` Physical Review B '', 1997, Vol.55, p.12108 「The Journal of Physical Chemistry」1998年, Vol.102, p.5772`` The Journal of Physical Chemistry '' 1998, Vol.102, p.5772 「Journal of The Electrochemical Society」1997年, Vol.144, p.2175`` Journal of The Electrochemical Society '' 1997, Vol.144, p.2175 「Applied Physics Letters」1997年, Vol.71, p.1323"Applied Physics Letters" 1997, Vol.71, p.1323

しかしながら、上述したシリカ系材料を用いたプロトン伝導膜は、耐熱性や機械強度は高いものの、プロトン供与性が低く、プロトン伝導率が十分ではない、という問題があった。   However, although the proton conductive membrane using the silica-based material described above has high heat resistance and mechanical strength, there is a problem that proton donating property is low and proton conductivity is not sufficient.

そこで、本発明は、プロトン伝導率を向上させるとともに、耐熱性や機械強度を備えたプロトン伝導膜およびその製造方法ならびに燃料電池に関する。   Therefore, the present invention relates to a proton conductive membrane that improves proton conductivity and has heat resistance and mechanical strength, a method for manufacturing the same, and a fuel cell.

上述したような課題を解決するために、本発明のプロトン伝導膜は、Si−O結合を有するネットワーク構造で構成されたプロトン伝導膜であって、ネットワーク構造を構成するSi原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するとともに、アリール基またはアリーレン基にはプロトン供与基が結合されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the proton conducting membrane of the present invention is a proton conducting membrane composed of a network structure having a Si—O bond, and an aryl coupled to Si atoms constituting the network structure. It has an arylene group that bridges between groups or Si atoms, and is characterized in that a proton donating group is bonded to the aryl group or the arylene group.

このようなプロトン伝導膜によれば、Si−O結合を有するネットワーク構造中に、アリール基またはアリーレン基を有することから、プロトン供与基を結合させることが可能となる。これにより、従来のシリカ系材料からなるプロトン伝導膜よりもプロトン供与基を増大させることが可能となることから、プロトン伝導率を向上させることができる。また、Si−O結合を有するネットワーク構造で構成されることで、シリカ系材料と同様に耐熱性や機械的強度にも優れている。   According to such a proton conductive membrane, since the aryl group or the arylene group is included in the network structure having the Si—O bond, it is possible to bond the proton donating group. As a result, it is possible to increase the number of proton donating groups as compared with a proton conductive membrane made of a conventional silica-based material, so that proton conductivity can be improved. Moreover, by being comprised by the network structure which has a Si-O bond, it is excellent also in heat resistance and mechanical strength like a silica type material.

また、本発明のプロトン伝導膜の第1の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、少なくとも一方がアリール基を有するポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物とを含む溶液を調製する工程を行う。次に、酸素を含む雰囲気下で、上記溶液に光照射を行うことで、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有し、当該アリール基または当該アリーレン基にプロトン供与基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を生成させる工程を行う。次いで、アリール基またはアリーレン基を介してプロトン供与基が結合されたネットワーク構造を含む溶液を、基板上に塗布する工程を行う。その後、塗布後の基板に熱処理を行うことで、プロトン伝導膜を形成する工程を行う。   The first method for producing a proton conducting membrane of the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. First, a step of preparing a solution containing a polysilane compound having at least one aryl group and a proton donating group-containing compound is performed. Next, by irradiating the solution with light in an atmosphere containing oxygen, the aryl group bonded to Si atoms or the arylene group that bridges Si atoms is obtained by photopolymerization, and the aryl group or the A step of generating a network structure of Si—O bonds in which a proton donating group is bonded to an arylene group is performed. Next, a step of applying a solution containing a network structure in which a proton donating group is bonded via an aryl group or an arylene group onto a substrate is performed. Then, the process of forming a proton conductive film is performed by heat-treating the substrate after coating.

さらに、本発明のプロトン伝導膜の第2の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、アリール基を有するポリシラン化合物を含む溶液を調製する工程を行う。次に、酸素を含む雰囲気下で、溶液に光照射を行うことで、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するSi−O結合のネットワーク構造を生成させる工程を行う。次いで、ネットワーク構造を含む溶液に、プロトン供与基含有化合物を添加することで、ネットワーク構造中のアリール基またはアリーレン基にプロトン供与基を結合させる工程を行う。続いて、アリール基またはアリーレン基を介してプロトン供与基が結合されたネットワーク構造を含む溶液を、基板上に塗布する工程を行う。その後、塗布後の基板に熱処理を行うことで、プロトン伝導膜を形成する工程を行うことを特徴としている。   Furthermore, the second method for producing a proton conducting membrane of the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. First, a step of preparing a solution containing a polysilane compound having an aryl group is performed. Next, by irradiating the solution with light in an atmosphere containing oxygen, a photo-polymerization forms a network structure of Si-O bonds having aryl groups bonded to Si atoms or arylene groups that bridge Si atoms. A process of generating is performed. Next, a step of bonding the proton donating group to the aryl group or the arylene group in the network structure is performed by adding the proton donating group-containing compound to the solution containing the network structure. Then, the process of apply | coating the solution containing the network structure to which the proton donor group was couple | bonded through the aryl group or the arylene group on a board | substrate is performed. Then, the process of forming a proton conductive film is performed by heat-processing to the board | substrate after application | coating.

また、本発明のプロトン伝導膜の第3の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。少なくとも一方がアリール基を有するポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物とを含む溶液を調製する工程を行う。次に、基板上に上記溶液を塗布する工程を行う。次いで、酸素を含む雰囲気下で、塗布後の上記基板に光照射を行うことで、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有し、アリール基またはアリーレン基にプロトン供与基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を生成させる工程を行う。続いて、光照射後の基板に熱処理を行うことで、プロトン供与基が結合された上記ネットワーク構造を有するプロトン伝導膜を形成する工程を行う。   The third method for producing a proton conducting membrane of the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. A step of preparing a solution containing a polysilane compound having at least one aryl group and a proton donating group-containing compound is performed. Next, the process of apply | coating the said solution on a board | substrate is performed. Next, the substrate after coating is irradiated with light in an atmosphere containing oxygen to have an aryl group bonded to Si atoms or an arylene group that bridges Si atoms by photopolymerization. A step of generating a network structure of Si—O bonds in which a proton donating group is bonded to an arylene group is performed. Subsequently, a heat treatment is performed on the substrate after light irradiation to perform a step of forming a proton conductive membrane having the above network structure to which proton donating groups are bonded.

このようなプロトン伝導膜の第1〜第3の製造方法によれば、Si−O結合のネットワーク構造中に、アリール基またはアリーレン基を介してプロトン供与基が結合されたプロトン伝導膜が形成されるため、従来のシリカ系材料からなるプロトン伝導膜よりもプロトン供与基を増大させることが可能となる。これにより、プロトン伝導率を向上させたプロトン伝導膜が製造可能となる。また、Si−O結合を有するネットワーク構造で構成されることで、シリカ系材料と同様に耐熱性や機械的強度にも優れたプロトン伝導膜が製造可能となる。さらに、塗布法によりプロトン伝導膜を形成可能であることから、プロトン伝導膜の製造工程が簡略化される。   According to the first to third manufacturing methods of such a proton conductive membrane, a proton conductive membrane in which a proton donating group is bonded via an aryl group or an arylene group in a network structure of Si—O bonds is formed. Therefore, it is possible to increase the number of proton donating groups as compared with a conventional proton conductive membrane made of a silica-based material. As a result, a proton conducting membrane with improved proton conductivity can be manufactured. Moreover, by being comprised by the network structure which has a Si-O bond, the proton conductive film excellent also in heat resistance and mechanical strength like a silica type material can be manufactured. Furthermore, since the proton conducting membrane can be formed by a coating method, the manufacturing process of the proton conducting membrane is simplified.

また、本発明は上記プロトン伝導膜を用いた燃料電池でもあり、カソードとアノードとの間にSi−O結合のネットワーク構造を有するプロトン伝導膜からなる電解質層を挟持してなる。そして、上記ネットワーク構造を構成するSi原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するとともに、アリール基またはアリーレン基にはプロトン供与基が結合されていることを特徴としている。   The present invention is also a fuel cell using the above proton conductive membrane, in which an electrolyte layer composed of a proton conductive membrane having a Si—O bond network structure is sandwiched between a cathode and an anode. And it has the aryl group couple | bonded with Si atom which comprises the said network structure, or the arylene group which bridge | crosslinks between Si atoms, The proton donor group is couple | bonded with the aryl group or the arylene group, It is characterized by the above-mentioned.

このような燃料電池によれば、上記プロトン伝導膜を有することにより、プロトン伝導率を向上させることができるため、起電力を増大することが可能となる。
According to such a fuel cell, since the proton conductivity can be improved by having the proton conductive membrane, the electromotive force can be increased.
.

以上、説明したように、本発明のプロトン伝導膜は、プロトン伝導率を向上させることができるとともに、シリカ系材料と同様に耐熱性や機械的強度にも優れていることからプロトン伝導膜の高品質化を図ることができる。また、本発明のプロトン伝導膜の製造方法によれば、塗布法により上記プロトン伝導膜を製造することが出来るため、製造装置および製造工程の簡略化が図れ、生産性に優れている。さらに、本発明の燃料電池によれば、起電力を増大することができるため、燃料電池の高効率化および長寿命化を図ることができる。   As described above, the proton conducting membrane of the present invention can improve the proton conductivity, and is excellent in heat resistance and mechanical strength as well as the silica-based material. Quality can be improved. Further, according to the method for producing a proton conducting membrane of the present invention, the proton conducting membrane can be produced by a coating method, so that the production apparatus and the production process can be simplified and the productivity is excellent. Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, since the electromotive force can be increased, the fuel cell can be made highly efficient and have a long life.

以下、本発明のプロトン伝導膜およびその製造方法ならびにプロトン伝導膜を用いた燃料電池の一例について詳細に説明する。   Hereinafter, an example of a proton conductive membrane of the present invention, a manufacturing method thereof, and a fuel cell using the proton conductive membrane will be described in detail.

(第1実施形態)
<プロトン伝導膜>
本発明のプロトン伝導膜は、ケイ素(Si)と酸素(O)が3次元に架橋された重合体からなるSi−O結合のネットワーク構造を有している。このネットワーク構造は、ネットワーク構造を構成するSi原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するため、プロトン伝導膜は、有機−無機ハイブリット膜として構成される。ここで、プロトン伝導膜の有機成分、無機成分の割合は、後述する製造方法で詳細に説明するように、原料によって適宜規定される。
(First embodiment)
<Proton conducting membrane>
The proton conducting membrane of the present invention has a network structure of Si—O bonds made of a polymer in which silicon (Si) and oxygen (O) are three-dimensionally crosslinked. Since this network structure has an aryl group bonded to Si atoms constituting the network structure or an arylene group that bridges Si atoms, the proton conducting membrane is configured as an organic-inorganic hybrid membrane. Here, the ratio of the organic component and the inorganic component of the proton conducting membrane is appropriately determined depending on the raw material, as will be described in detail in the production method described later.

ここで、上記アリール基または上記アリーレン基としては、単環であっても、縮環されていてもよく、置換基を有していても無置換であってもよい。これらはネットワーク構造を構成するSi原子に結合、またはSi原子間を架橋するため、高分子量でない方が好ましく、例えば炭素数6〜24のアリール基、アリーレン基であることが好ましい。具体的には、アリール基がフェニル基またはナフチル基、アリーレン基がフェニレン基、ナフチレン基であることが好ましい。   Here, the aryl group or the arylene group may be monocyclic or condensed, may have a substituent, or may be unsubstituted. Since these bond to Si atoms constituting the network structure or bridge between the Si atoms, they are preferably not high molecular weight, for example, aryl groups and arylene groups having 6 to 24 carbon atoms. Specifically, the aryl group is preferably a phenyl group or a naphthyl group, and the arylene group is preferably a phenylene group or a naphthylene group.

また、上記アリール基または上記アリーレン基には、プロトン供与基が結合されている。上述したSi−O結合のネットワーク構造中に、アリール基またはアリーレン基にプロトン供与基が結合されることで、プロトン伝導率が向上する。   In addition, a proton donating group is bonded to the aryl group or the arylene group. In the above-described network structure of Si—O bonds, proton conductivity is improved by bonding a proton donating group to an aryl group or an arylene group.

上記プロトン供与基としては、pKa4以下の酸残基が好ましく、例えばスルホン酸基(−SO3H)、リン酸基(-POOH,OP(O)(OH)2)、カルボキシル基(-COOH)等が挙げられる。このうち、pKaの低いスルホン酸基(−SO3H)であることが特に好ましい。この場合には、プロトン伝導膜中のスルホン酸基の周囲に水(H2O)が配位されるため、プロトン(H+)がH3+の形で伝導される。 The proton donating group is preferably an acid residue having a pKa of 4 or less. For example, a sulfonic acid group (—SO 3 H), a phosphoric acid group (—POOH, OP (O) (OH) 2 ), a carboxyl group (—COOH) Etc. Among these, a sulfonic acid group (—SO 3 H) having a low pKa is particularly preferable. In this case, since water (H 2 O) is coordinated around the sulfonic acid group in the proton conductive membrane, proton (H + ) is conducted in the form of H 3 O + .

また、上記アリーレン基に結合されるプロトン供与基以外の置換基としては、ヒドロキシル基、ケトン基、エステル基、アルキル基、アルケニル基、アルコキシル基、アリール基、複素環基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、アミド基、チオール基等が挙げられる。   Examples of the substituent other than the proton donating group bonded to the arylene group include a hydroxyl group, a ketone group, an ester group, an alkyl group, an alkenyl group, an alkoxyl group, an aryl group, a heterocyclic group, a cyano group, a nitro group, An amino group, an amide group, a thiol group, etc. are mentioned.

ここでは、上記アリール基がフェニル基、アリーレン基がフェニレン基であるとともに、プロトン供与基がスルホン酸基(−SO3H)である場合の部分構造を下記構造式(1)に示す。ただし、アリール基またはアリーレン基のスルホン酸基と結合された以外の部位は、無置換であることとする。

Figure 2008262853
Here, the partial structure in the case where the aryl group is a phenyl group, the arylene group is a phenylene group, and the proton donating group is a sulfonic acid group (—SO 3 H) is shown in the following structural formula (1). However, parts other than those bonded to the sulfonic acid group of the aryl group or arylene group shall be unsubstituted.
Figure 2008262853

上記構造式(1)に示すように、Si−O結合のネットワーク構造を構成するSi原子に側鎖としてフェニル基が結合されており、Si原子間を架橋するフェニレン基は例えばパラ位の位置で結合されている。また、フェニル基またはフェニレン基には、スルホン酸基が結合されている。   As shown in the structural formula (1), a phenyl group is bonded as a side chain to a Si atom constituting the network structure of the Si—O bond, and a phenylene group that bridges between the Si atoms is, for example, at the para position. Are combined. In addition, a sulfonic acid group is bonded to the phenyl group or the phenylene group.

なお、上記構造式(1)においては、Si原子間を架橋するフェニレン基は例えばパラ位の位置で結合されることとしたが、オルト位、メタ位であってもよく、スルホン酸基が結合するフェニル基またはフェニレン基の結合位置や、結合数も特に限定されるものではない。   In the structural formula (1), the phenylene group that bridges the Si atoms is bonded at, for example, the para position, but may be in the ortho position or the meta position, and the sulfonic acid group is bonded. The bonding position of the phenyl group or phenylene group and the number of bonds are not particularly limited.

このようなプロトン伝導膜によれば、Si−O結合を有するネットワーク構造中に、アリール基またはアリーレン基を有することから、プロトン供与基を結合させることが可能となる。これにより、従来のシリカ系材料からなるプロトン伝導膜よりもプロトン供与基を増大させることが可能となるため、プロトン伝導率を向上させることができる。また、Si−O結合を有するネットワーク構造で構成されることで、シリカ系材料と同様に耐熱性や機械的強度にも優れている。したがって、プロトン伝導膜の高品質化を図ることができる。   According to such a proton conductive membrane, since the aryl group or the arylene group is included in the network structure having the Si—O bond, it is possible to bond the proton donating group. As a result, it is possible to increase the number of proton donating groups as compared with a proton conductive membrane made of a conventional silica-based material, so that proton conductivity can be improved. Moreover, by being comprised by the network structure which has a Si-O bond, it is excellent also in heat resistance and mechanical strength like a silica type material. Therefore, the quality of the proton conducting membrane can be improved.

<プロトン伝導膜の製造方法>
上述したプロトン伝導膜の製造方法の一例について、図1のフローチャートを用いて説明する。まず、原料として用いるポリシラン化合物と、プロトン供与基含有化合物について説明する。
<Proton conductive membrane production method>
An example of the above-described method for producing a proton conducting membrane will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the polysilane compound used as a raw material and the proton donating group-containing compound will be described.

本発明に用いられるポリシラン化合物は、下記一般式(1)に示されるものであり、環状であってもよく鎖状であってもよい。

Figure 2008262853
The polysilane compound used in the present invention is represented by the following general formula (1), and may be cyclic or chain-shaped.
Figure 2008262853

上記一般式(1)中のR1、R2は、アルキル基またはアリール基を示す。これらは置換基を有していてもよく、無置換であってもよい。上記アルキル基としては、炭素数1〜20の直鎖状、分岐鎖状または環状のアルキル基であることが好ましい。具体的には、メチル基、エチル基、イソプロピル基、n−ブチル基、2−エチルヘキシル基、n−デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等)が挙げられる。また、上記アリール基の好ましい例としては、炭素数6〜20の置換又は無置換のフェニル基、ナフチル基等が挙げられる。また、nは整数である。 R 1 and R 2 in the general formula (1) represent an alkyl group or an aryl group. These may have a substituent and may be unsubstituted. The alkyl group is preferably a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, a 2-ethylhexyl group, an n-decyl group, a cyclopropyl group, a cyclohexyl group, and a cyclododecyl group. Moreover, as a preferable example of the said aryl group, a C6-C20 substituted or unsubstituted phenyl group, a naphthyl group, etc. are mentioned. N is an integer.

また、アルキル基またはアリール基の置換基としては、ヒドロキシル基、ケトン基、エステル基、アルキル基、アルケニル基、アルコキシル基、アリール基、複素環基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、アミド基、チオール基等が挙げられる。   Examples of the substituent for the alkyl group or aryl group include hydroxyl group, ketone group, ester group, alkyl group, alkenyl group, alkoxyl group, aryl group, heterocyclic group, cyano group, nitro group, amino group, amide group, Examples include thiol groups.

ここでは、ポリシラン化合物として、下記構造式(3)に示すデカフェニルシクロペンタシランを用いることとする。

Figure 2008262853
Here, decaphenylcyclopentasilane represented by the following structural formula (3) is used as the polysilane compound.
Figure 2008262853

一方、プロトン供与基含有化合物としては、下記一般式(2)に示す化合物が用いられる。

Figure 2008262853
On the other hand, as the proton-donating group-containing compound, a compound represented by the following general formula (2) is used.
Figure 2008262853

上記一般式(2)において、プロトン供与基Aは、上述したように、pKa4以下の酸残基が好ましく、例えばスルホン酸基(−SO3H)、リン酸基(-POOH,OP(O)(OH)2)またはカルボキシル基(-COOH)からなる。また、R3は置換または無置換のアルキル基、アリール基であることとする。 In the general formula (2), the proton donating group A is preferably an acid residue having a pKa of 4 or less, as described above, such as a sulfonic acid group (—SO 3 H), a phosphoric acid group (—POOH, OP (O)). (OH) 2 ) or a carboxyl group (—COOH). R 3 is a substituted or unsubstituted alkyl group or aryl group.

このアルキル基またはアリール基の置換基としては、ヒドロキシル基、ケトン基、エステル基、アルキル基、アルケニル基、アルコキシル基、アリール基、複素環基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、アミド基、チオール基等が挙げられる。   Examples of the substituent of this alkyl group or aryl group include hydroxyl group, ketone group, ester group, alkyl group, alkenyl group, alkoxyl group, aryl group, heterocyclic group, cyano group, nitro group, amino group, amide group, thiol Groups and the like.

ここでは、プロトン供与基Aがスルホン酸基、R3がドデシル基のドデシルベンゼンスルホン酸からなるプロトン供与基含有化合物を用いることとする。 Here, a proton-donating group-containing compound comprising dodecylbenzenesulfonic acid in which proton-donating group A is a sulfonic acid group and R 3 is a dodecyl group is used.

上述したようなデカフェニルペンタシランからなるポリシラン化合物と、ドデシルベンゼンスルホン酸からなるプロトン供与基含有化合物を混合し、例えばトルエンからなる溶媒と混合することで、ポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物を含む溶液を調製する(S101)。   A polysilane compound composed of decaphenylpentasilane and a proton donating group-containing compound composed of dodecylbenzenesulfonic acid as described above are mixed, and mixed with a solvent composed of, for example, toluene, thereby including the polysilane compound and the proton donating group-containing compound. A solution is prepared (S101).

ここで、上記ポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物を混合する割合により、形成するプロトン伝導膜の組成が制御される。このため、上記ポリシラン化合物は50モル%〜90モル%、プロトン供与基含有化合物は10モル%〜50モル%の範囲で混合することが好ましい。ポリシラン化合物が50モル%より少なくなるとSi−Oのネットワーク構造が形成されず、耐熱性および機械的強度が低くなる。また、化学耐久性に優れた実用的なガラスにならない傾向がある。ポリシラン化合物が90モル%より多くなると、プロトン供与基が少なくなるため、十分なプロトン伝導率が得られない。   Here, the composition of the proton conductive membrane to be formed is controlled by the ratio of mixing the polysilane compound and the proton donating group-containing compound. For this reason, it is preferable to mix the said polysilane compound in 50 mol%-90 mol%, and a proton donor group containing compound in the range of 10 mol%-50 mol%. When the polysilane compound is less than 50 mol%, a Si—O network structure is not formed, and heat resistance and mechanical strength are lowered. Moreover, there is a tendency not to become a practical glass excellent in chemical durability. When the amount of the polysilane compound is more than 90 mol%, the number of proton donating groups decreases, so that sufficient proton conductivity cannot be obtained.

上記溶媒としては、ポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物を溶解するものであれば特に制限はないが、好ましくは、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、鎖状炭化水素化合物(ヘキサン、オクタン等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、水等を用いることができる。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。   The solvent is not particularly limited as long as it dissolves a polysilane compound and a proton donating group-containing compound, but preferably a nonpolar solvent (toluene, xylene, etc.), a chain hydrocarbon compound (hexane, octane, etc.) , Heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol) Dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene Glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile) , Benzonitrile, etc.), esters (carboxylic acid ester, phosphoric acid ester, phosphonic acid ester, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.) Etc.), water, etc. can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

次に、酸素を含む雰囲気下でこの溶液に光照射を行う(S102)。ここでは、空気中で例えば紫外線を照射する。ここで、ポリシラン化合物は、一般的に、例えば空気中等の酸素を含む雰囲気下で、紫外線を照射すると、主鎖であるSi-Si結合が開裂し、シリルラジカル等の活性種が生成する。その後、空気中の酸素と反応し、シロキサン結合を形成する。また、このシリルラジカル等の活性種は、アリール基(芳香族系炭化水素基)と反応する。これにより、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有し、このアリール基またはアリーレン基にプロトン供与基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造が生成される。   Next, this solution is irradiated with light in an atmosphere containing oxygen (S102). Here, for example, ultraviolet rays are irradiated in the air. Here, generally, when a polysilane compound is irradiated with ultraviolet rays in an atmosphere containing oxygen, such as in the air, an Si—Si bond as a main chain is cleaved to generate an active species such as a silyl radical. Thereafter, it reacts with oxygen in the air to form siloxane bonds. Moreover, active species such as this silyl radical react with an aryl group (aromatic hydrocarbon group). Thus, by photopolymerization, there is an aryl group bonded to Si atoms or an arylene group that bridges between Si atoms, and a network structure of Si—O bonds in which proton donating groups are bonded to the aryl groups or arylene groups. Generated.

上記光重合の際の反応温度は反応速度に関連し、前駆体の反応性と種類及びその量に応じて選択することができる。好ましくは50〜500℃であり、より好ましくは100〜300℃である。   The reaction temperature in the photopolymerization is related to the reaction rate, and can be selected according to the reactivity and type of the precursor and the amount thereof. Preferably it is 50-500 degreeC, More preferably, it is 100-300 degreeC.

次に、上記ネットワーク構造を含む溶液を基板上に塗布する(S103)。この基板は特に限定されるものではないが、好ましい例としては、ガラス基板、金属基板、高分子フイルム、反射板等を挙げることができる。上記高分子フイルムの例としては、TAC(トリアセチルセルロース)等のセルロース系高分子フイルム、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のエステル系高分子フイルム、PTFE(ポリトリフルオロエチレン)等のフッ素系高分子フイルム、ポリイミドフイルム等が挙げられる。   Next, a solution containing the network structure is applied on the substrate (S103). Although this board | substrate is not specifically limited, As a preferable example, a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, a reflecting plate, etc. can be mentioned. Examples of the polymer film include cellulose polymer films such as TAC (triacetyl cellulose), ester polymer films such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate), and PTFE (polytrifluoroethylene). And fluorine polymer films, polyimide films and the like.

また、塗布方式は公知の方法でよく、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を用いることができる。   The coating method may be a known method, for example, curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. be able to.

次いで、塗布後の基板に100℃〜1000℃で熱処理を行うことで、塗布膜を焼成する(S104)。加熱時間は加熱温度と組成により異なるが、1時間から24時間の範囲が実質上好ましい。加熱雰囲気は特に制限はないが、空気中で行うことで、より強固なSi−O結合のネットワーク構造が形成される。この場合の加熱条件は加熱後の生成物の比表面積が10m2/g以上、好ましくは50m2 /g以上となるように選択される。例えば600℃から800℃の範囲を選択することにより,比表面積として600m2/g以上の非晶質材料が得られ、高いプロトン伝導率を有するプロトン伝導膜が得られるとともに、機械的及び化学的な安定性も高くなる。 Next, the coated film is baked by performing heat treatment on the coated substrate at 100 ° C. to 1000 ° C. (S104). The heating time varies depending on the heating temperature and composition, but a range of 1 hour to 24 hours is substantially preferable. The heating atmosphere is not particularly limited, but a stronger Si—O bond network structure is formed by performing in air. The heating conditions in this case are selected so that the specific surface area of the product after heating is 10 m 2 / g or more, preferably 50 m 2 / g or more. For example, by selecting a range of 600 ° C. to 800 ° C., an amorphous material having a specific surface area of 600 m 2 / g or more can be obtained, and a proton conductive membrane having high proton conductivity can be obtained. Stability is also increased.

以上のようにして、フェニル基またはフェニレン基を介してスルホン酸基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を有するプロトン伝導膜が形成される。その後、得られたプロトン伝導膜を例えば相対湿度50%の雰囲気下で放置することで、このプロトン伝導膜に水分を含有させる。この場合の水分量としては、1重量%〜20重量%であることとする。   As described above, a proton conductive membrane having an Si—O bond network structure in which a sulfonic acid group is bonded via a phenyl group or a phenylene group is formed. Thereafter, the obtained proton conducting membrane is allowed to stand, for example, in an atmosphere having a relative humidity of 50%, so that the proton conducting membrane contains water. The water content in this case is 1% by weight to 20% by weight.

このようなプロトン伝導膜の第1の製造方法によれば、上述したようなプロトン伝導膜を製造可能であることから、プロトン伝導率を向上させるとともに、耐熱性や機械的強度にも優れたプロトン伝導膜を得ることができる。また、塗布法によりプロトン伝導膜を形成可能であることから、プロトン伝導膜の製造工程が簡略化される。   According to such a first method for producing a proton conducting membrane, the proton conducting membrane as described above can be produced, so that proton conductivity is improved and protons having excellent heat resistance and mechanical strength are also provided. A conductive film can be obtained. In addition, since the proton conducting membrane can be formed by a coating method, the manufacturing process of the proton conducting membrane is simplified.

なお、本実施形態のプロトン伝導膜の製造方法では、ポリシラン化合物もプロトン供与基含有化合物もアリール基を有する例で説明したが、ポリシラン化合物およびプロトン供与基含有化合物の少なくとも一方がアリール基を有していればよい。   In the method for producing a proton conducting membrane of this embodiment, the example in which both the polysilane compound and the proton donating group-containing compound have an aryl group has been described. However, at least one of the polysilane compound and the proton donating group-containing compound has an aryl group. It only has to be.

<燃料電池>
次に、上述したプロトン伝導膜を用いた燃料電池について、図2を用いて説明する。この燃料電池1は、水素濃淡電池であって、カソード2とアノード3の間に電解質層4を挟持して構成されている。カソード2とアノード3とは外部回路5に接続されている。この電解質層4は、水分を含む上記プロトン伝導膜で構成されている。
<Fuel cell>
Next, a fuel cell using the proton conductive membrane described above will be described with reference to FIG. The fuel cell 1 is a hydrogen concentration cell, and is configured by sandwiching an electrolyte layer 4 between a cathode 2 and an anode 3. The cathode 2 and the anode 3 are connected to an external circuit 5. The electrolyte layer 4 is composed of the proton conductive membrane containing moisture.

この燃料電池1はカソード2側に設けられるプロトン供給部6を水素分圧の高い状態とし、アノード3側となるプロトン消費部7を水素分圧の低い状態とする。具体的には、プロトン供給部には、例えば水素ガスを流動させ、プロトン消費部7には酸素ガスを流動させることで、プロトンを消費させる。このような構成により、上記カソード2側から電解質層4を介してアノード3側にプロトン(H+)が移動する。 In this fuel cell 1, the proton supply unit 6 provided on the cathode 2 side is set to a high hydrogen partial pressure, and the proton consumption unit 7 on the anode 3 side is set to a low hydrogen partial pressure. Specifically, for example, hydrogen gas is flowed to the proton supply unit, and oxygen gas is flowed to the proton consumption unit 7 to consume protons. With such a configuration, protons (H + ) move from the cathode 2 side to the anode 3 side through the electrolyte layer 4.

このような燃料電池によれば、電解質層4として、上記プロトン伝導膜を用いていることから、高い起電力を得ることができ、燃料電池の高効率化、長寿命化を図ることができる。   According to such a fuel cell, since the proton conductive membrane is used as the electrolyte layer 4, a high electromotive force can be obtained, and the fuel cell can be highly efficient and have a long life.

(変形例1)
また、本発明のプロトン伝導膜は、図3のフローチャートに示す方法によっても製造することができる。なお、ポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物としては、上記実施形態と同じ化合物を用いることができる。
(Modification 1)
The proton conducting membrane of the present invention can also be manufactured by the method shown in the flowchart of FIG. In addition, as a polysilane compound and a proton donating group containing compound, the same compound as the said embodiment can be used.

まず、例えばデカフェニルペンタシランからなるポリシラン化合物を例えばトルエンからなる溶媒に溶解し、ポリシラン化合物を含む溶液を調製する(S201)。   First, for example, a polysilane compound made of decaphenylpentasilane is dissolved in a solvent made of toluene, for example, to prepare a solution containing the polysilane compound (S201).

次に、この溶液に、紫外線を照射することで、光重合により、Si原子に結合されたフェニル基またはSi原子間を架橋するフェニレン基を有するSi−O結合のネットワーク構造を生成させる(S202)。   Next, by irradiating this solution with ultraviolet rays, a network structure of Si—O bonds having a phenyl group bonded to Si atoms or a phenylene group that bridges Si atoms is generated by photopolymerization (S202). .

次いで、上記溶液中に、例えばドデシルベンゼンスルホン酸からなるプロトン供与基含有化合物を添加する(S203)。これにより、上記ネットワーク構造中のフェニル基またはフェニレン基にスルホン酸基が結合される。   Next, a proton donating group-containing compound made of, for example, dodecylbenzenesulfonic acid is added to the solution (S203). Thereby, a sulfonic acid group is bonded to a phenyl group or a phenylene group in the network structure.

続いて、フェニル基またはフェニレン基を介してスルホン酸基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を含む溶液を、基板上に塗布する(S204)。   Subsequently, a solution containing a network structure of Si—O bonds in which sulfonic acid groups are bonded via phenyl groups or phenylene groups is applied on the substrate (S204).

その後、上記溶液が塗布された基板に熱処理を行うことで、塗布膜を焼成し、プロトン伝導膜を形成する(S205)。   Thereafter, the substrate coated with the above solution is subjected to a heat treatment, whereby the coating film is baked to form a proton conductive film (S205).

このようなプロトン伝導膜の第2の製造方法であっても、本発明のプロトン伝導膜は製造可能であり、第1の製造方法と同様の効果を奏する。   Even with such a second method for producing a proton conducting membrane, the proton conducting membrane of the present invention can be produced, and the same effects as those of the first producing method can be achieved.

(変形例2)
さらに、本発明のプロトン伝導膜は、図4のフローチャートに示す方法によっても製造することができる。なお、ポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物としては、上記実施形態と同じ化合物を用いることができる。
(Modification 2)
Furthermore, the proton conducting membrane of the present invention can also be manufactured by the method shown in the flowchart of FIG. In addition, as a polysilane compound and a proton donating group containing compound, the same compound as the said embodiment can be used.

まず、例えばデカフェニルペンタシランからなるポリシラン化合物と例えばドデシルベンゼンスルホン酸からなるプロトン供与基含有化合物とを例えばトルエンからなる溶媒に溶解し、ポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物を含む溶液を調製する(S301)。   First, for example, a polysilane compound made of decaphenylpentasilane and a proton donating group-containing compound made of, for example, dodecylbenzenesulfonic acid are dissolved in a solvent made of, for example, toluene to prepare a solution containing the polysilane compound and the proton donating group-containing compound ( S301).

次に、上記溶液を、基板上に塗布する(S302)。   Next, the solution is applied on the substrate (S302).

続いて、この基板に紫外線を照射することで、光重合により、Si原子に結合されたフェニル基またはSi原子間を架橋するフェニレン基を有し、フェニル基またはフェニレン基にスルホン酸基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を生成させる(S303)。   Subsequently, by irradiating the substrate with ultraviolet rays, a photopolymerization has a phenyl group bonded to Si atoms or a phenylene group that bridges Si atoms, and a sulfonic acid group is bonded to the phenyl group or phenylene group. A network structure of Si-O bonds is generated (S303).

次いで、光照射後の上記基板に熱処理を行うことで、フェニル基またはフェニレン基を介してスルホン酸基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を有するプロトン伝導膜をを形成する(S304)。   Next, the substrate after light irradiation is subjected to heat treatment to form a proton conductive membrane having a network structure of Si—O bonds in which sulfonic acid groups are bonded via phenyl groups or phenylene groups (S304).

このようなプロトン伝導膜の第3の製造方法であっても、本発明のプロトン伝導膜は製造可能であり、上述した第1の製造方法と同様の効果を奏する。   Even with such a third method for producing a proton conducting membrane, the proton conducting membrane of the present invention can be produced, and the same effects as those of the first producing method described above can be achieved.

次に、上記実施形態を実施例を用いて詳細に説明する。   Next, the above embodiment will be described in detail using examples.

<実施例1>
上述した一般式(1)中のR1、R2が下記表1に示す組み合わせで構成されたポリシラン化合物(P−1)10gと、上述した一般式(2)中のA、R3が下記表2に示す組み合わせで構成されたプロトン供与基含有化合物(G−1)5gを混合し、トルエン100gに溶解させた溶液を調整した。この溶液に紫外線を30分間照射した。次いで、スピンコート法により、得られた溶液をガラス基板上に塗布することで、成膜した。その後、ホットプレートにて、120℃にて5分間プリベークした後、300℃にて1時間焼成することで、プロトン伝導膜を0.1mmの膜厚で形成した。

Figure 2008262853
Figure 2008262853
<Example 1>
10 g of the polysilane compound (P-1) in which R 1 and R 2 in the above general formula (1) are composed of combinations shown in Table 1 below, and A and R 3 in the above general formula (2) are as follows: A solution in which 5 g of a proton-donating group-containing compound (G-1) composed of combinations shown in Table 2 was mixed and dissolved in 100 g of toluene was prepared. This solution was irradiated with ultraviolet rays for 30 minutes. Next, a film was formed by applying the obtained solution on a glass substrate by spin coating. Then, after prebaking at 120 degreeC with a hotplate for 5 minutes, it baked at 300 degreeC for 1 hour, and formed the proton conductive film with the film thickness of 0.1 mm.
Figure 2008262853
Figure 2008262853

<実施例2〜9>
上記表1に示すポリシラン化合物と上記表2に示すプロトン供与基含有化合物を、下記表3に示す組み合わせとした以外は、上記実施例1と同様の方法により、プロトン伝導膜を形成した。

Figure 2008262853
<Examples 2 to 9>
A proton conducting membrane was formed by the same method as in Example 1 except that the polysilane compound shown in Table 1 and the proton-donating group-containing compound shown in Table 2 were combined as shown in Table 3 below.
Figure 2008262853

<比較例1>
上記実施例1〜9に対する比較例1として、ポリシラン化合物(P−1)10gのみをトルエン100gに溶解させた溶液を調整した以外は、実施例1と同様の方法により、プロトン伝導膜を形成した。
<Comparative Example 1>
As Comparative Example 1 with respect to Examples 1 to 9, a proton conductive membrane was formed by the same method as Example 1 except that a solution in which only 10 g of the polysilane compound (P-1) was dissolved in 100 g of toluene was prepared. .

<比較例2>
ポリシラン化合物を上記表1に示すP−3にした以外は、比較例1と同様の方法により、プロトン伝導膜を形成した。
<Comparative example 2>
A proton conducting membrane was formed by the same method as in Comparative Example 1 except that the polysilane compound was changed to P-3 shown in Table 1 above.

(評価方法)
上記実施例1〜9および比較例1〜2のプロトン伝導膜について、相対湿度30%以上の雰囲気下においてサンプルを前処理した後、0.1mm程度の厚さの試料の両面に銀ペーストを塗布あるいは金電極を真空蒸着法等で付け、一定湿度雰囲気下に置き、交流インピーダンス法で25℃でのサンプルのプロトン伝導率(mS/cm)を測定した。実施例1〜9並びに比較例1、2のサンプルを測定した結果を上記表3に示す。この結果、実施例1〜9のプロトン伝導膜は、比較例1、2のプロトン伝導膜と比較してプロトン伝導率が1桁以上高くなることが確認された。
(Evaluation methods)
For the proton conducting membranes of Examples 1-9 and Comparative Examples 1-2, after pre-processing the sample in an atmosphere with a relative humidity of 30% or more, silver paste was applied to both sides of the sample having a thickness of about 0.1 mm Alternatively, a gold electrode was attached by a vacuum deposition method or the like, placed in a constant humidity atmosphere, and the proton conductivity (mS / cm) of the sample at 25 ° C. was measured by an AC impedance method. The results of measuring the samples of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 3 above. As a result, it was confirmed that the proton conducting membranes of Examples 1 to 9 had proton conductivity higher by one digit or more than the proton conducting membranes of Comparative Examples 1 and 2.

<実施例10>
実施例1で形成したプロトン伝導膜を用いて、図2に示す水素濃淡電池からなる燃料電池を製造した。
<Example 10>
A fuel cell comprising the hydrogen concentration cell shown in FIG. 2 was produced using the proton conducting membrane formed in Example 1.

<実施例11〜18>
実施例2〜9で形成したプロトン伝導膜を用いて、実施例10と同様に水素濃淡電池を製造した。
<Examples 11 to 18>
Using the proton conductive membranes formed in Examples 2 to 9, hydrogen concentration batteries were produced in the same manner as in Example 10.

<比較例3、4>
実施例10〜18の燃料電池に対する比較例3、4として、比較例1、2で形成したプロトン伝導膜を用いて、図2に示す水素濃淡電池を製造した。
<Comparative Examples 3 and 4>
As Comparative Examples 3 and 4 for the fuel cells of Examples 10 to 18, the proton concentration membranes formed in Comparative Examples 1 and 2 were used to manufacture the hydrogen concentration cell shown in FIG.

(評価方法2)
上記実施例10〜18および比較例3、4の燃料電池の起電力を測定した。この結果を表4に示す。この表に示すように、実施例10〜18の燃料電池は比較例3、4の燃料電池と比較して、顕著に高い起電力を示すことが確認された。

Figure 2008262853
(Evaluation method 2)
The electromotive forces of the fuel cells of Examples 10 to 18 and Comparative Examples 3 and 4 were measured. The results are shown in Table 4. As shown in this table, it was confirmed that the fuel cells of Examples 10 to 18 exhibited significantly higher electromotive force than the fuel cells of Comparative Examples 3 and 4.
Figure 2008262853

本発明のプロトン伝導膜の製造方法に係る第1実施形態を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating 1st Embodiment which concerns on the manufacturing method of the proton conductive film of this invention. 本発明のプロトン伝導膜を用いた燃料電池に係る第1実施形態を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating 1st Embodiment which concerns on the fuel cell using the proton conductive film of this invention. 本発明のプロトン伝導膜の製造方法に係る第1実施形態の変形例1を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the modification 1 of 1st Embodiment which concerns on the manufacturing method of the proton conductive film of this invention. 本発明のプロトン伝導膜の製造方法に係る第1実施形態の変形例2を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the modification 2 of 1st Embodiment which concerns on the manufacturing method of the proton conductive film of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…カソード、3…アノード、4…電解質層(プロトン伝導膜)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Cathode, 3 ... Anode, 4 ... Electrolyte layer (proton conductive membrane)

Claims (8)

Si−O結合のネットワーク構造を有するプロトン伝導膜であって、
前記ネットワーク構造を構成するSi原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するとともに、
前記アリール基または前記アリーレン基にはプロトン供与基が結合されている
ことを特徴とするプロトン伝導膜。
A proton conducting membrane having a network structure of Si-O bonds,
Having an aryl group bonded to Si atoms constituting the network structure or an arylene group that bridges Si atoms;
A proton donating group is bonded to the aryl group or the arylene group.
前記アリール基はフェニル基であり、前記アリーレン基はフェニレン基である
ことを特徴とする請求項1記載のプロトン伝導膜。
The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the aryl group is a phenyl group, and the arylene group is a phenylene group.
前記プロトン供与基は、スルホン酸基である
ことを特徴とする請求項1記載のプロトン伝導膜。
The proton conducting membrane according to claim 1, wherein the proton donating group is a sulfonic acid group.
前記プロトン伝導膜中には水分が含まれている
ことを特徴とする請求項1記載のプロトン伝導膜。
The proton conductive membrane according to claim 1, wherein moisture is contained in the proton conductive membrane.
少なくとも一方がアリール基を有するポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物とを含む溶液を調製する工程と、
酸素を含む雰囲気下で、前記溶液に光照射を行うことで、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有し、当該アリール基または当該アリーレン基にプロトン供与基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を生成させる工程と、
前記アリール基または前記アリーレン基を介して前記プロトン供与基が結合された前記ネットワーク構造を含む前記溶液を、基板上に塗布する工程と、
塗布後の前記基板に熱処理を行うことで、プロトン伝導膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とするプロトン伝導膜の製造方法。
Preparing a solution containing a polysilane compound having at least one aryl group and a proton donating group-containing compound;
By irradiating the solution with light in an atmosphere containing oxygen, it has an aryl group bonded to Si atoms or an arylene group that bridges Si atoms by photopolymerization, and the aryl group or the arylene group has Generating a network structure of Si-O bonds to which proton donating groups are bonded;
Applying the solution containing the network structure to which the proton donating group is bonded via the aryl group or the arylene group onto a substrate;
And a step of forming a proton conducting membrane by performing a heat treatment on the substrate after coating. A method for producing a proton conducting membrane.
アリール基を有するポリシラン化合物を含む溶液を調製する工程と、
酸素を含む雰囲気下で、前記溶液に光照射を行うことで、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するSi−O結合のネットワーク構造を生成させる工程と、
前記ネットワーク構造を含む前記溶液に、プロトン供与基含有化合物を添加することで、当該ネットワーク構造中の前記アリール基または前記アリーレン基にプロトン供与基を結合させる工程と、
前記アリール基または前記アリーレン基を介して前記プロトン供与基が結合された前記ネットワーク構造を含む前記溶液を、基板上に塗布する工程と、
塗布後の前記基板に熱処理を行うことで、プロトン伝導膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とするプロトン伝導膜の製造方法。
Preparing a solution containing a polysilane compound having an aryl group;
By irradiating the solution with light in an atmosphere containing oxygen, a network structure of an Si—O bond having an aryl group bonded to Si atoms or an arylene group that bridges between Si atoms is generated by photopolymerization. Process,
Adding a proton-donating group-containing compound to the solution containing the network structure to bind a proton-donating group to the aryl group or the arylene group in the network structure;
Applying the solution containing the network structure to which the proton donating group is bonded via the aryl group or the arylene group onto a substrate;
And a step of forming a proton conducting membrane by performing a heat treatment on the substrate after coating. A method for producing a proton conducting membrane.
少なくとも一方がアリール基を有するポリシラン化合物とプロトン供与基含有化合物とを含む溶液を調製する工程と、
基板上に前記溶液を塗布する工程と、
酸素を含む雰囲気下で、塗布後の前記基板に光照射を行うことで、光重合により、Si原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有し、当該アリール基または当該アリーレン基にプロトン供与基が結合されたSi−O結合のネットワーク構造を生成させる工程と、
光照射後の前記基板に熱処理を行うことで、プロトン伝導膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とするプロトン伝導膜の製造方法。
Preparing a solution containing a polysilane compound having at least one aryl group and a proton donating group-containing compound;
Applying the solution onto a substrate;
By irradiating the substrate after coating with light in an atmosphere containing oxygen, photopolymerization has an aryl group bonded to Si atoms or an arylene group that bridges Si atoms, and the aryl group or the Generating a network structure of Si-O bonds in which a proton-donating group is bonded to an arylene group;
And a step of forming a proton conducting membrane by performing a heat treatment on the substrate after the light irradiation. A method for producing a proton conducting membrane.
カソードとアノードとの間にSi−O結合のネットワーク構造を有するプロトン伝導膜からなる電解質層を挟持してなる燃料電池であって、
前記ネットワーク構造を構成するSi原子に結合されたアリール基またはSi原子間を架橋するアリーレン基を有するとともに、
前記アリール基または前記アリーレン基にはプロトン供与基が結合されている
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising an electrolyte layer composed of a proton conducting membrane having a network structure of Si-O bonds between a cathode and an anode,
Having an aryl group bonded to Si atoms constituting the network structure or an arylene group that bridges Si atoms;
A fuel cell, wherein a proton-donating group is bonded to the aryl group or the arylene group.
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