JP2009016267A - Proton conductive film and manufacturing method thereof, and fuel cell and chemical sensor using the same - Google Patents

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Masayuki Nogami
正行 野上
Yoshiaki Kuma
良明 熊
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Nagoya Institute of Technology NUC
Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
Nagoya Institute of Technology NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conductive film and a manufacturing method thereof, for more easily forming a thick proton conductive film, and to provide a fuel cell and chemical sensor using the same proton conductive film. <P>SOLUTION: The proton conductive film 100 has a frame section 110 with a through-hole 113 penetrated from one surface 111 to the opposite surface 112, and a porous section 120 filled in the through-hole 113, the porous section 120 having fine pores 121 penetrated from one surface 111 to the opposite surface 112. The proton conductive film 100 is manufactured by providing a sol filling-up process of filling-up a sol including a structure regulation agent in the through-hole 113 of the frame section 110, a gelatinization process, and a structure regulation agent removal process of forming the fine pores by removing the structure regulation agent from the gel. The fuel cell has the same proton conductive film, and the chemical sensor also has the same proton conductive film. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性膜及びその製造方法並びにこれを用いた燃料電池及び化学センサに関する。更に詳しくは、型枠部の貫通孔内に多孔質部を有するプロトン伝導性膜及びその製造方法並びにこれを用いた燃料電池及び化学センサに関する。   The present invention relates to a proton conductive membrane, a method for producing the same, a fuel cell using the same, and a chemical sensor. More specifically, the present invention relates to a proton conductive membrane having a porous part in a through hole of a mold part, a method for producing the same, a fuel cell using the same, and a chemical sensor.

微細な多孔構造を有するプロトン伝導性膜としては、高分子体を鋳型中子として用いる方法が知られている。この方法によると、鋳型中子となる高分子体を膜面に対して垂直に配列させて膜面に対して垂直な孔を有したプロトン伝導性膜が得られることが知られている(特許文献1参照)。   As a proton conductive membrane having a fine porous structure, a method using a polymer as a template core is known. According to this method, it is known that a proton conductive membrane having pores perpendicular to the membrane surface can be obtained by arranging polymer bodies serving as mold cores perpendicular to the membrane surface (patents). Reference 1).

特開2006−008505号公報JP 2006-008505 A

上記特許文献1に記載の方法は、配向された細孔を簡便に得ることができる点において優れているが、膜厚は棒状の高分子の長さに依存することとなる。このため、厚いプロトン伝導性膜を得ようとすると、分子長が長い構造規定剤を要する。しかし、分子長が長くとも棒形状を保持できる構造規定剤は少なく、また、その棒形状もゾル内で保持し難くなるという問題がある。このため、厚膜化しやすいプロトン伝導性膜の構成及び製造方法が求められている。
本発明は上記課題を解決するものであり、厚いプロトン伝導性膜をより形成しやすいプロトン伝導性膜及びその製造方法並びにこれを用いた燃料電池及び化学センサを提供することを目的とする。
The method described in Patent Document 1 is excellent in that the oriented pores can be easily obtained, but the film thickness depends on the length of the rod-like polymer. For this reason, in order to obtain a thick proton conductive membrane, a structure-directing agent having a long molecular length is required. However, there are few structure directing agents that can maintain the rod shape even if the molecular length is long, and there is a problem that the rod shape is difficult to maintain in the sol. For this reason, the structure and manufacturing method of the proton-conductive film | membrane which are easy to thicken are calculated | required.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide a proton conductive membrane that can easily form a thick proton conductive membrane, a method for producing the same, a fuel cell using the same, and a chemical sensor.

即ち、本発明は以下の通りである。
(1)一面から反対面まで貫通された複数の貫通孔を有する型枠部と、
各該貫通孔内に充填されて、該一面から該反対面まで貫通すると共に該貫通孔よりも小径の細孔を複数有する多孔質部と、を有することを特徴とするプロトン伝導性膜。
(2)上記貫通孔は上記一面から上記反対面に向かって配向して配列されている上記(1)に記載のプロトン伝導性膜。
(3)上記細孔は上記型枠部の上記一面から上記反対面へ向かって配向して配列されている上記(1)又は(2)に記載のプロトン伝導性膜。
(4)上記多孔質部は酸化ケイ素骨格を有する上記(1)乃至(3)のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜。
(5)上記多孔質部はリン酸処理されている上記(1)乃至(4)のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜。
(6)上記型枠部が陽極酸化アルミニウムである上記(1)乃至(5)のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜。
(7)上記型枠部が窒化セルロースである上記(1)に記載のプロトン伝導性膜。
(8)上記(1)に記載のプロトン伝導性膜の製造方法であって、
上記型枠部が有する上記貫通孔内に構造規定剤が含有されたゾルを充填するゾル充填工程と、
該ゾルをゲル化するゲル化工程と、
該ゲル内から該構造規定剤を除去して上記細孔を形成する構造規定剤除去工程と、を備えることを特徴とするプロトン伝導性膜の製造方法。
(9)上記多孔質部をリン酸処理するリン酸処理工程を備える上記(8)に記載のプロトン伝導体の製造方法。
(10)上記(1)乃至(7)のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜を備えることを特徴とする燃料電池。
(11)上記(1)乃至(7)のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜を備えることを特徴とする化学センサ。
That is, the present invention is as follows.
(1) a mold part having a plurality of through holes penetrating from one surface to the opposite surface;
A proton conductive membrane comprising: a porous portion filled in each through-hole and penetrating from the one surface to the opposite surface and having a plurality of pores having a smaller diameter than the through-hole.
(2) The proton conductive membrane according to (1), wherein the through holes are aligned and arranged from the one surface toward the opposite surface.
(3) The proton conductive membrane according to (1) or (2), wherein the pores are aligned and arranged from the one surface of the mold part toward the opposite surface.
(4) The proton conductive membrane according to any one of (1) to (3), wherein the porous portion has a silicon oxide skeleton.
(5) The proton conductive membrane according to any one of (1) to (4), wherein the porous portion is subjected to phosphoric acid treatment.
(6) The proton conductive membrane according to any one of (1) to (5), wherein the mold part is anodized aluminum.
(7) The proton conductive membrane according to the above (1), wherein the mold part is cellulose nitride.
(8) The method for producing a proton conductive membrane according to (1) above,
A sol filling step of filling a sol containing a structure-directing agent in the through hole of the mold part;
A gelation step of gelling the sol;
A structure-directing agent removing step of removing the structure-directing agent from the gel to form the pores.
(9) The method for producing a proton conductor according to (8), further including a phosphoric acid treatment step of phosphoric acid treating the porous portion.
(10) A fuel cell comprising the proton conductive membrane according to any one of (1) to (7) above.
(11) A chemical sensor comprising the proton conductive membrane according to any one of (1) to (7) above.

本発明のプロトン伝導性膜によれば、簡便な構成で表裏に貫通した細孔を有するプロトン伝導性膜が得られる。また、型枠部の厚さでプロトン伝導性膜の厚さを制御でき、厚いプロトン伝導性膜を形成できる。更に、型枠部にプロトン伝導性膜の強度を担保させることができ、他の支持部材を要さずプロトン伝導性膜の強度を確保できる。
貫通孔が配向して配列されている場合は、単位面積あたりの貫通孔の数を多くすることができ、より高いプロトン伝導性を得ることができる。
細孔が配向して配列されている場合は、単位面積あたりの細孔の数を多くすることができ、特に高いプロトン伝導性を得ることができる。
多孔質部が酸化ケイ素骨格である場合は、耐熱性及び耐久性に優れたプロトン伝導性膜が得られ、更には、リン酸処理等により容易にプロトン伝導性を向上させることができる。
多孔質部がリン酸処理されている場合は、リン酸処理されていない場合に比べてより優れたプロトン伝導性を得ることができる。
型枠部が陽極酸化アルミニウムである場合は、貫通孔を容易に一面から反対面に向かって配向して配列させることができ、細孔を同様に配向して配列させやすく、特に優れたプロトン伝導性を得ることができる。更に、型枠部がアルミナからなることで特に耐久性に優れたプロトン伝導性膜とすることができる。
型枠部が窒化セルロースである場合は、3次元構造の貫通孔を用いることで、3次元的に配置された細孔を得ることができる。
According to the proton conductive membrane of the present invention, it is possible to obtain a proton conductive membrane having pores penetrating front and back with a simple configuration. Moreover, the thickness of the proton conductive membrane can be controlled by the thickness of the mold part, and a thick proton conductive membrane can be formed. Furthermore, the strength of the proton conductive membrane can be secured to the mold part, and the strength of the proton conductive membrane can be ensured without the need for another support member.
When the through holes are aligned and arranged, the number of through holes per unit area can be increased, and higher proton conductivity can be obtained.
When the pores are aligned and arranged, the number of pores per unit area can be increased, and particularly high proton conductivity can be obtained.
When the porous portion has a silicon oxide skeleton, a proton conductive membrane excellent in heat resistance and durability can be obtained, and further, the proton conductivity can be easily improved by phosphoric acid treatment or the like.
When the porous portion is subjected to phosphoric acid treatment, it is possible to obtain more excellent proton conductivity as compared with the case where the porous portion is not subjected to phosphoric acid treatment.
When the formwork is anodized aluminum, the through-holes can be easily oriented and arranged from one surface to the opposite surface, and the pores can be oriented and arranged in the same way, with excellent proton conductivity. Sex can be obtained. Furthermore, when the mold part is made of alumina, a proton conductive membrane having particularly excellent durability can be obtained.
When the mold part is made of cellulose nitride, the three-dimensionally arranged pores can be obtained by using the three-dimensional through-holes.

本発明のプロトン伝導性膜の製造方法によれば、貫通孔内で構造規定剤を強制的に配向でき、用いる構造規定剤の分子長に依存することなく、表裏に貫通した細孔を有するプロトン伝導性膜を得ることができる。また、型枠部の厚さでプロトン伝導性膜の厚さを制御でき、厚いプロトン伝導性膜を形成できる。更に、型枠部自体にプロトン伝導性膜全体の強度を担保させることができ機械的強度を向上させることができる。
多孔質部をリン酸処理するリン酸処理工程を備える場合は、リン酸処理されていない場合に比べてより優れたプロトン伝導性を得ることができる。
本発明の燃料電池によれば、前記本発明のプロトン伝導性膜における効果をそのまま有する燃料電池とすることができる。
本発明の化学センサによれば、前記本発明のプロトン伝導性膜における効果をそのまま有する化学センサとすることができる。
According to the method for producing a proton conductive membrane of the present invention, the structure-directing agent can be forcibly oriented in the through-hole, and protons having pores penetrating the front and back without depending on the molecular length of the structure-directing agent used. A conductive film can be obtained. Moreover, the thickness of the proton conductive membrane can be controlled by the thickness of the mold part, and a thick proton conductive membrane can be formed. Furthermore, the strength of the entire proton conductive membrane can be secured to the mold part itself, and the mechanical strength can be improved.
When a phosphoric acid treatment step for phosphoric acid-treating the porous portion is provided, more excellent proton conductivity can be obtained as compared with a case where the porous portion is not phosphoric acid-treated.
According to the fuel cell of the present invention, a fuel cell having the same effects as the proton conductive membrane of the present invention can be obtained.
According to the chemical sensor of the present invention, the chemical sensor having the effect of the proton conductive membrane of the present invention as it is can be obtained.

以下、本発明を詳しく説明する。
[1]プロトン伝導性膜
本発明のプロトン伝導性膜(図1における100)は、
一面(111)から反対面(112)まで貫通された複数の貫通孔(113)を有する型枠部(110)と、
各貫通孔(113)内に充填されて、一面(111)から反対面(112)まで貫通すると共に貫通孔(113)よりも小径の細孔(121)を複数有する多孔質部(120)と、を有することを特徴とする。
The present invention will be described in detail below.
[1] Proton conductive membrane The proton conductive membrane of the present invention (100 in FIG. 1)
A mold part (110) having a plurality of through holes (113) penetrating from one surface (111) to the opposite surface (112);
A porous portion (120) filled in each through hole (113), penetrating from one surface (111) to the opposite surface (112) and having a plurality of pores (121) having a smaller diameter than the through hole (113); It is characterized by having.

上記「型枠部(110)」は、多孔質部の型枠となる基体であり、通常、板形状又はフィルム形状である。この型枠部としては、貫通孔を有するか又は貫通孔を形成することができる材料であれば特に限定されず用いることができる。特に予め貫通孔が設けられた基体が好ましい。例えば、各種フィルター類があげられる。型枠部を構成する材料は特に限定されず、各種無機材料及び/又は有機材料を用いることができる。無機材料としては、セラミックス、ガラス及び金属等が挙げられる。これらのなかでは絶縁性材料であることが好ましくセラミックスがより好ましい。   The “formwork part (110)” is a base body that becomes a formwork of the porous part, and is usually a plate shape or a film shape. As this mold part, any material can be used without particular limitation as long as it is a material having a through-hole or capable of forming a through-hole. In particular, a substrate on which a through hole is provided in advance is preferable. For example, various filters can be mentioned. The material which comprises a mold part is not specifically limited, Various inorganic materials and / or organic materials can be used. Examples of the inorganic material include ceramics, glass, and metal. Among these, an insulating material is preferable and ceramic is more preferable.

上記セラミックスを構成する成分は特に限定されないが、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ及びマグネシア等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。これらのなかでも特にアルミナが好ましく、更には陽極酸化アルミニウムが好ましい。陽極酸化アルミニウムは、アルミニウムを酸性電解液中で陽極酸化して得られ、基材の表面に形成された酸化アルミニウム皮膜に配向して配列された細孔(貫通孔)を有する。
一方、有機材料としては、窒化セルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン(冷延伸細孔形成など)、ポリプロピレン(冷延伸細孔形成など)等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでは特に窒化セルロースを用いることができる。窒化セルロースを用いた場合には3次元的に交絡された貫通孔を得ることができる。
Although the component which comprises the said ceramic is not specifically limited, For example, an alumina, titania, a silica, magnesia etc. are mentioned. These may use only 1 type and may use 2 or more types together. Of these, alumina is particularly preferable, and anodized aluminum is more preferable. Anodized aluminum is obtained by anodizing aluminum in an acidic electrolytic solution, and has pores (through-holes) aligned and arranged on an aluminum oxide film formed on the surface of a substrate.
On the other hand, examples of the organic material include cellulose nitride, polytetrafluoroethylene, polyethylene (such as cold stretch pore formation), and polypropylene (such as cold stretch pore formation). These may use only 1 type and may use 2 or more types together. Of these, cellulose nitride can be used. When nitrided cellulose is used, three-dimensionally entangled through holes can be obtained.

上記「貫通孔(113)」は、型枠部(110)の一面(111)から反対面(112)まで貫通された孔である。この貫通孔は、柱状孔であってもよく、連通孔(即ち、屈曲した孔)であってもよい。これらうちでは柱状孔が好ましい。柱状孔であることにより、プロトン伝導経路をより短くできる。更に、貫通孔は配向されていなくてもよいが、型枠部の一面から反対面に向かって配向して配列されていることが好ましい。これにより小さい面積でより多くの貫通孔を得ることができる。   The “through hole (113)” is a hole penetrating from one surface (111) to the opposite surface (112) of the mold part (110). The through hole may be a columnar hole or a communication hole (that is, a bent hole). Of these, columnar holes are preferred. By being a columnar hole, the proton conduction path can be made shorter. Furthermore, the through holes may not be oriented, but are preferably oriented and arranged from one surface of the mold part to the opposite surface. More through holes can be obtained with a smaller area.

型枠部の厚さは特に限定されないが、0.5〜200μmが好ましい。この範囲であれば、型枠部を用いるメリット(前記効果)が得られ、特に後述する本発明の製造方法を用いる際にはゾル充填工程(貫通孔内に構造規定剤が含有されたゾルを充填する工程)をよりスムーズに行うことができる。この型枠部の厚さは20〜100μmであることがより好ましく、60〜80μmであることが特に好ましい。   Although the thickness of a mold part is not specifically limited, 0.5-200 micrometers is preferable. If it is this range, the merit (said effect) using a mold part will be obtained, and especially when using the production method of the present invention described later, a sol filling step (a sol containing a structure-directing agent in a through-hole is used). The step of filling) can be performed more smoothly. The thickness of the mold part is more preferably 20 to 100 μm, and particularly preferably 60 to 80 μm.

貫通孔の開口形状(横断面形状)は特に限定されず、円形であってもよく、矩形であってもよく、その他の形状であってもよい。
貫通孔の平均口径(開口形状が非円形である場合には平均最大長)は特に限定されないが、0.15〜2.0μmであることが好ましい。この範囲であれば、後述する本発明の製造方法を用いる際にはゾル充填工程においてゾルを充填させ易く、貫通孔内にゾルを保持し易い。更に、後述する細孔に対して貫通孔は、10〜400倍の平均口径を有することが好ましい。
更に、貫通孔の密度は特に限定されないが、型枠部の表面(貫通孔が開口されている一面又は反対面の表面)1mmあたりに80,000〜30,000,000個(より好ましくは1,200,000〜25,000,000個、更に好ましくは1,200,000〜16,000,000個)であることが好ましい。
The opening shape (cross-sectional shape) of the through hole is not particularly limited, and may be circular, rectangular, or other shapes.
The average diameter of the through holes (average maximum length when the opening shape is non-circular) is not particularly limited, but is preferably 0.15 to 2.0 μm. If it is this range, when using the manufacturing method of this invention mentioned later, it is easy to be filled with sol in a sol filling process, and it is easy to hold | maintain sol in a through-hole. Furthermore, it is preferable that a through-hole has an average aperture of 10 to 400 times with respect to a pore described later.
Further, the density of the through holes is not particularly limited, but 80,000 to 30,000,000 per 1 mm 2 of the surface of the mold part (one surface on which the through holes are opened or the opposite surface) (more preferably 1,200,000 to 25,000,000, more preferably 1,200,000 to 16,000,000).

また、貫通孔の長さは特に限定されないが、柱状孔である場合には、型枠部の厚さに対して1〜2倍(即ち、型枠部の膜厚方向に対して0〜30度の角度範囲)の長さが好ましく、1〜1.5倍がより好ましく、1〜1.2倍が特に好ましい。即ち、型枠部の膜厚方向に対して貫通孔がより平行に近い状態に形成されていることが好ましい。このような貫通孔を有することで、後述するゾルの充填がし易く、また、得られる細孔の経路を短くできる。   In addition, the length of the through hole is not particularly limited, but in the case of a columnar hole, it is 1 to 2 times the thickness of the mold part (that is, 0 to 30 with respect to the film thickness direction of the mold part). (Angle range of degrees) is preferable, 1 to 1.5 times is more preferable, and 1 to 1.2 times is particularly preferable. That is, it is preferable that the through hole is formed in a state that is almost parallel to the film thickness direction of the mold part. By having such a through-hole, it is easy to fill the sol described later, and the path of the obtained pore can be shortened.

上記「多孔質部(120)」は、貫通孔(113)内の部位であり、型枠部(110)の一面(111)から反対面(112)まで貫通した細孔(121)を有する。この細孔(121)の平均口径(開口形状が非円形である場合には平均最大長)は特に限定されないが、通常、1〜20nm(更には1〜15nm、特に1〜10nm)である。この細孔の平均口径は、製造時に用いる構造規定剤の形状により制御できる。細孔の開口形状(横断面形状)は特に限定されず、円形であってもよく、矩形であってもよく、その他の形状であってもよい。   The “porous part (120)” is a part in the through hole (113) and has a pore (121) penetrating from one surface (111) to the opposite surface (112) of the mold part (110). The average diameter of the pores (121) (average maximum length when the opening shape is non-circular) is not particularly limited, but is usually 1 to 20 nm (further 1 to 15 nm, particularly 1 to 10 nm). The average diameter of the pores can be controlled by the shape of the structure directing agent used during production. The opening shape (cross-sectional shape) of the pores is not particularly limited, and may be circular, rectangular, or other shapes.

また、細孔は、柱状孔であってもよく、連通孔(即ち、屈曲した孔)であってもよい。このうち柱状孔が好ましい。柱状孔であることにより、プロトン伝導経路をより短くできる。但し、柱状孔はほぼ柱状であることを意味し、例えば、孔内形状が螺旋状や蛇腹状等を含む。
更に、細孔は配向されていなくてもよいが、型枠部の一面から反対面に向かって配向して配列されていることが好ましい。小さい面積でより多くの細孔が得られる。細孔が配向して配列されている場合の配列形態は特に限定されないが、ヘキサゴナル構造に配列されていることが好ましい。ヘキサゴナル構造である場合、プロトン伝導性膜のX線回折測定によるチャートにおいて(n00)面及び(n10)面のうちの少なくとも(n00)面のピークが認められる(但し、nは1〜5)。更に、細孔の細孔間距離は特に限定されないが、細孔の中心間の距離を、例えば、50nm以下(更には40nm以下、特に30nm以下、通常3nm以上)とすることができる。
Further, the pore may be a columnar hole or a communication hole (that is, a bent hole). Of these, columnar holes are preferred. By being a columnar hole, the proton conduction path can be made shorter. However, the columnar hole means a substantially columnar shape, and for example, the shape in the hole includes a spiral shape or a bellows shape.
Further, the pores may not be oriented, but are preferably oriented and arranged from one surface of the mold part to the opposite surface. More pores can be obtained with a smaller area. The arrangement form when the pores are oriented and arranged is not particularly limited, but is preferably arranged in a hexagonal structure. In the case of a hexagonal structure, a peak of at least the (n00) plane among the (n00) plane and the (n10) plane is recognized in the chart by X-ray diffraction measurement of the proton conductive membrane (where n is 1 to 5). Further, the distance between the pores is not particularly limited, but the distance between the centers of the pores can be, for example, 50 nm or less (further 40 nm or less, particularly 30 nm or less, usually 3 nm or more).

細孔の長さは特に限定されないが、柱状孔である場合、型枠部の平均厚さに対して1〜2倍(即ち、型枠部の厚さ方向に対して0〜30度の角度範囲)の長さが好ましく、1〜1.5倍がより好ましく、1〜1.2倍が特に好ましい。即ち、細孔は型枠部の厚さ方向に対してより平行に近い配置であることが好ましい。このような細孔を有することでプロトン伝導経路を短くできる。   The length of the pore is not particularly limited, but in the case of a columnar hole, it is 1 to 2 times the average thickness of the mold part (that is, an angle of 0 to 30 degrees with respect to the thickness direction of the mold part). Range) is preferable, 1 to 1.5 times is more preferable, and 1 to 1.2 times is particularly preferable. That is, it is preferable that the pores are arranged more parallel to the thickness direction of the mold part. Proton conduction paths can be shortened by having such pores.

多孔質部はどのような材料から形成されていてもよく、無機材料であってもよく、有機材料であってもよいが、後述するようにゾルゲル法に適した無機材料が好ましく、特に無機酸化物が好ましい。無機酸化物としては、Si、Zr、Ti、Al、P、W及びB等の元素を含む酸化物(SiO、ZrO、TiO、Al、P、WO及びB等)が挙げられる。これらの元素は1種のみ含有されてもよく、2種以上が併用されてもよい。これらのなかでも構造体として十分な強度を発揮でき、化学的安定性、熱的安定性に優れるためにSi(シリカ等)、Zr(ジルコニア等)、Ti(チタニア等)及びAl(アルミナ等)のうちの少なくとも1種の元素を主成分とする酸化物が好ましい。更に、これらのなかでもゾルゲル法によるゲル形成が容易であるためSiOが特に好ましい。SiOを主成分とする(即ち、酸化ケイ素骨格とする)場合、このSiOの含有量は特に限定されないが、多孔質部全体を100質量%とした場合にSiOを50質量%以上(より好ましくは80質量%以上、100質量%であってもよい)含有することが好ましい。 The porous portion may be formed of any material, may be an inorganic material, or may be an organic material. However, an inorganic material suitable for the sol-gel method is preferable as described later, and particularly an inorganic oxidation material. Things are preferred. Examples of the inorganic oxide include oxides containing elements such as Si, Zr, Ti, Al, P, W, and B (SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , P 2 O 5 , WO 5 and B 2 O 5 etc.). These elements may be contained alone or in combination of two or more. Among these, sufficient strength as a structure can be exhibited, and since it has excellent chemical stability and thermal stability, Si (silica etc.), Zr (zirconia etc.), Ti (titania etc.) and Al (alumina etc.) Of these, an oxide containing at least one element as a main component is preferable. Further, among these, SiO 2 is particularly preferable because gel formation by the sol-gel method is easy. When SiO 2 is the main component (that is, a silicon oxide skeleton), the content of SiO 2 is not particularly limited, but when the entire porous portion is 100 mass%, SiO 2 is 50 mass% or more ( More preferably, it may be 80 mass% or more and 100 mass%).

上記多孔質部は、更にプロトン伝導性を向上させるプロトン伝導性向上処理が施されていてもよい。プロトン伝導性向上処理としては、リン酸処理及びスルホン酸処理等が挙げられる。これらのなかではリン酸処理が好ましい。リン酸処理によるリン酸含有量は特に限定されないが、多孔質部全体を100質量%とした場合にP換算で30質量%以下(より好ましくは40質量%以下、通常2質量%以上)であることが好ましい。
また、他のプロトン伝導性向上処理としては、酸化マンガン結晶導入処理が挙げられる。酸化マンガン結晶導入処理は、多孔質部を構成する材料の表面(特に細孔内)に酸化マンガンを析出させる処理である。酸化マンガン結晶導入処理は、単独で施してもよいが、前記リン酸処理に加えて施すことが好ましい。これによりとりわけ優れたプロトン伝導性を得ることができる。
The porous part may be subjected to a proton conductivity improving treatment for further improving proton conductivity. Examples of the proton conductivity improving treatment include phosphoric acid treatment and sulfonic acid treatment. Of these, phosphoric acid treatment is preferred. The phosphoric acid content by the phosphoric acid treatment is not particularly limited, but is 30% by mass or less (more preferably 40% by mass or less, usually 2% by mass or more) in terms of P 2 O 5 when the entire porous portion is 100% by mass. ) Is preferable.
Further, as another proton conductivity improving treatment, a manganese oxide crystal introduction treatment can be mentioned. The manganese oxide crystal introduction treatment is a treatment for depositing manganese oxide on the surface (particularly in the pores) of the material constituting the porous portion. The manganese oxide crystal introduction treatment may be performed alone, but is preferably performed in addition to the phosphoric acid treatment. Thereby, particularly excellent proton conductivity can be obtained.

本発明のプロトン伝導性膜は、通常、型枠部及び多孔質部以外に、電極を備える。電極は、例えば、導電性金属及び固体電解質等から形成できる。本発明のプロトン伝導性膜の一面側(一面に対して直接接して電極を備えてもよく、他材を介して備えてもよい)及び反対面側(反対面に対して直接接して電極を備えてもよく、他材を介して備えてもよい)に備えることができる。   The proton conductive membrane of the present invention usually comprises an electrode in addition to the mold part and the porous part. The electrode can be formed from, for example, a conductive metal and a solid electrolyte. One side of the proton conductive membrane of the present invention (the electrode may be provided in direct contact with one side, or may be provided through another material) and the other side (the electrode in direct contact with the opposite side) Or may be provided via other materials).

[2]プロトン伝導性膜の製造方法
本発明のプロトン伝導性膜の製造方法は、ゾル充填工程と、ゲル化工程と、構造規定剤除去工程と、を備えることを特徴とする。
[2] Method for Producing Proton Conducting Membrane The method for producing a proton conducting membrane of the present invention includes a sol filling step, a gelation step, and a structure directing agent removing step.

上記「ゾル充填工程」は、型枠部が有する貫通孔内に構造規定剤が含有されたゾルを充填する工程である。
上記「ゾル」は、構造規定剤を含有する。上記「構造規定剤」は、細孔を形成する鋳型中子となるもの及び/又は細孔を形成する鋳型中子を形成するものである。鋳型中子とは、外形を形作る鋳型(型枠部の貫通孔に相当する)に対して、内形を形作るものである。即ち、鋳型中子が除去されてなる空間が細孔となる。この構造規定剤は、無機材料からなってもよいが、通常、有機高分子からなる。有機高分子からなることで、後述するように焼成による除去及び溶媒抽出による除去のいずれも行い易いからである。
The “sol filling step” is a step of filling a sol containing a structure-directing agent in the through holes of the mold part.
The “sol” contains a structure-directing agent. The “structure-directing agent” serves as a mold core that forms pores and / or forms a mold core that forms pores. A mold core forms an inner shape with respect to a mold (corresponding to a through hole in a mold frame) that forms an outer shape. That is, the space formed by removing the mold core is a pore. This structure directing agent may be made of an inorganic material, but is usually made of an organic polymer. This is because the organic polymer makes it easy to remove by baking and solvent extraction as described later.

また、有機高分子からなる構造規定剤を用いる場合、得られる鋳型中子は、1分子の有機高分子から1つの鋳型中子が形成されてもよく、複数の有機高分子が集まって1つの鋳型中子が形成されてもよい。複数の有機高分子が集まって1つの鋳型中子が形成されるものとしてはミセルが挙げられる。
構造規定剤の種類は特に限定されないが、各種界面活性剤が挙げられる。特にヘキサゴナル構造に配向して配列された柱状細孔の形成を目的とする場合には、プルロニック(Pluronic)P123、CTAB(臭化セチルトリメチルアンモニウム)、C16EO10{C1633(OCHCH10OH}、プルロニックP103、プルロニックP85、プルロニックP65等が好ましい。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
In addition, when a structure directing agent composed of an organic polymer is used, the obtained template core may be formed from a single molecule of an organic polymer, so that a plurality of organic polymers are collected to form a single template core. A mold core may be formed. A micelle is mentioned as one in which a plurality of organic polymers gather to form one template core.
Although the kind of structure-directing agent is not particularly limited, various surfactants can be mentioned. In particular, for the purpose of forming columnar pores aligned in a hexagonal structure, Pluronic P123, CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), C 16 EO 10 {C 16 H 33 (OCH 2 CH 2 ) 10 OH}, Pluronic P103, Pluronic P85, Pluronic P65 and the like are preferable. These may use only 1 type and may use 2 or more types together.

上記ゾルは、構造規定剤以外に、通常、構造材料源、ゾルゲル触媒及び水を含有する。
上記構造材料源は、プロトン伝導性膜を構成する構造材料(多孔質部における骨格)となる元素を含む化合物であり、例えば、各種アルコキシド(アルコキシシラン、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド、アルミニウムアルコキシド等)、各種金属元素の水溶性塩(珪酸ナトリウム、珪酸リチウム等)、コロイダル金属酸化物(コロイダルシリカ等)などが挙げられる。これらのなかでも各種アルコキシドが好ましく、特に主成分としてアルコキシシランを用いることが好ましい。このアルコキシシランとしては、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ビス(トリエトキシシリル)エタン等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、リン元素を含有させる場合には、P(O)(OC2n+1からなるアルコキシド等を用いることが好ましい。これらのなかでも、nが3〜5の化合物が好ましい。
In addition to the structure directing agent, the sol usually contains a structural material source, a sol-gel catalyst, and water.
The structural material source is a compound containing an element that becomes a structural material (skeleton in the porous portion) constituting the proton conductive membrane, such as various alkoxides (alkoxysilane, zirconium alkoxide, titanium alkoxide, aluminum alkoxide, etc.), Examples include water-soluble salts of various metal elements (sodium silicate, lithium silicate, etc.), colloidal metal oxides (colloidal silica, etc.), and the like. Among these, various alkoxides are preferable, and it is particularly preferable to use alkoxysilane as a main component. Examples of the alkoxysilane include tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, methyltriethoxysilane, and bis (triethoxysilyl) ethane. These may use only 1 type and may use 2 or more types together. Moreover, when a phosphorus element is contained, it is preferable to use an alkoxide made of P (O) (OC n H 2n + 1 ) 3 or the like. Among these, compounds having n of 3 to 5 are preferable.

上記ゾルゲル触媒としては、酸、塩基及びアミン化合物等を用いることができる。これらのなかでは、酸及び塩基が好ましい。酸としては塩酸、硫酸、硝酸及びこれらの水溶液等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、塩基としてはアルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物及びこれらの水溶液等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
このゾルは、構造材料源、ゾルゲル触媒及び水以外にも他の成分を含有することができる。他の成分としては、ゾルの粘度調整成分(アルコール等)、分散剤(界面活性剤等)、ゾルゲル反応促進成分等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
As the sol-gel catalyst, acids, bases, amine compounds and the like can be used. Of these, acids and bases are preferred. Examples of the acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, and aqueous solutions thereof. These may use only 1 type and may use 2 or more types together. Examples of the base include alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides, and aqueous solutions thereof. These may use only 1 type and may use 2 or more types together.
The sol can contain other components in addition to the structural material source, the sol-gel catalyst, and water. Examples of other components include a sol viscosity adjusting component (alcohol and the like), a dispersant (surfactant and the like), a sol-gel reaction promoting component, and the like. These may use only 1 type and may use 2 or more types together.

上記型枠部へ上記ゾルを充填する方法は特に限定されず種々の方法を用いることができる。即ち、例えば、ゾル内に型枠部を配置させて型枠部の貫通孔内にゾルを浸漬浸透させて充填してもよく、塗布浸透させて充填してもよい。また、充填に際しては加圧してもよく、吸入してもよい。これらの方法は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでは、浸漬浸透させる方法が好ましい。型枠部への負担を抑制しつつ確実に充填を行うことができるためである。   The method for filling the mold part with the sol is not particularly limited, and various methods can be used. That is, for example, the mold part may be disposed in the sol, and the sol may be immersed and filled in the through hole of the mold part, or may be filled by application and penetration. Further, when filling, it may be pressurized or inhaled. These methods may use only 1 type and may use 2 or more types together. Among these, the method of immersion and penetration is preferable. This is because filling can be reliably performed while suppressing a burden on the mold part.

上記「ゲル化工程」は、上記貫通孔内に充填したゾルをゲル化する工程である。ゲル化する方法は特に限定されない。各種アルコキシドをゾルの主成分として用いたゾルゲル法による場合には、ゾルゲル触媒の作用により加水分解が進行され次第にゲル化される。また、含有される水を除去(一部又は全部の除去を含む)することでゲル化することができる。ゲル化に際しては、加熱を行わなくてもよいが、加熱を行うことが好ましい。加熱を行うことでゲル化を促進できる。加熱を行う場合、例えば、40〜100℃(好ましくは45〜80℃、特に好ましくは50〜70℃)で、1〜48時間(好ましくは3〜24時間、特に好ましくは5〜15時間)加熱を行うことが好ましい。また、この加熱を行う際には、開放系で加熱を行ってもよいが、閉鎖系で加熱を行うことが好ましい。   The “gelation step” is a step of gelling the sol filled in the through hole. The method for gelation is not particularly limited. In the case of the sol-gel method using various alkoxides as the main component of the sol, the hydrolysis proceeds by the action of the sol-gel catalyst and the gel is gradually formed. Moreover, it can be gelatinized by removing the contained water (including part or all of the removal). In the gelation, it is not necessary to perform heating, but it is preferable to perform heating. Gelation can be promoted by heating. In the case of heating, for example, heating at 40 to 100 ° C. (preferably 45 to 80 ° C., particularly preferably 50 to 70 ° C.) for 1 to 48 hours (preferably 3 to 24 hours, particularly preferably 5 to 15 hours). It is preferable to carry out. Moreover, when performing this heating, you may heat by an open system, However, It is preferable to heat by a closed system.

上記「構造規定剤除去工程」は、上記ゲル化工程で得られたゲル内から構造規定剤(鋳型中子)を除去して細孔を形成する工程である。上記除去とは一部又は全部の構造規定剤の除去を意味する。この除去方法は特に限定されない。即ち、例えば、構造規定剤が有機高分子からなる場合には焼成により焼失させて除去できる。また、構造規定剤の種類によらず溶媒抽出や、構造規定剤を溶解させることにより除去できる。これらの方法は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでは、構造規定剤として有機高分子を用い、焼成により除去する方法が好ましい。これにより、構造規定剤をより確実に除去でき、また、ゲル(多孔質部)の強度を向上させることができる。   The “structure-directing agent removal step” is a step of forming pores by removing the structure-directing agent (template core) from the gel obtained in the gelation step. The above removal means removal of a part or all of the structure directing agent. This removal method is not particularly limited. That is, for example, when the structure directing agent is made of an organic polymer, it can be removed by burning. Moreover, it can be removed by solvent extraction or dissolving the structure-directing agent regardless of the type of structure-directing agent. These methods may use only 1 type and may use 2 or more types together. Among these, a method of using an organic polymer as a structure directing agent and removing it by baking is preferable. As a result, the structure-directing agent can be removed more reliably, and the strength of the gel (porous portion) can be improved.

焼成を行う場合、焼成条件は特に限定されない。大気中で行ってもよく、不活性雰囲気中で行ってもよく、還元性雰囲気中で行ってもよく、これらを組み合わせて行ってもよい。更に、焼成は、1回のみで行ってもよく、工程を区切って数回に分けて行ってもよい。工程を区切って行う場合には、連続的に行ってもよく、断続的に行ってもよい。
また、焼成温度は特に限定されないが、最高温度を通常300℃以上(好ましくは300〜600℃、より好ましく350〜450℃、通常700℃以下)とする。この範囲ではより確実に構造規定剤を焼失させつつ、細孔が塞がってしまうことを抑制できる。更に、焼成時間は1〜48時間(好ましくは3〜24時間、特に好ましくは5〜15時間)とすることができる。また、昇温速度は特に限定されないが、例えば、50℃/分以下(より好ましくは5℃/分以下、通常0.1℃/分以上)の昇温速度が好ましい。この範囲の昇温速度とすることで得られるプロトン伝導性膜中の残炭を少なくしたり無くすことができる。
When firing, the firing conditions are not particularly limited. The reaction may be performed in the air, in an inert atmosphere, in a reducing atmosphere, or a combination thereof. Furthermore, the firing may be performed only once, or may be performed in several times by dividing the process. When performing by dividing a process, you may carry out continuously and may carry out intermittently.
The firing temperature is not particularly limited, but the maximum temperature is usually 300 ° C. or higher (preferably 300 to 600 ° C., more preferably 350 to 450 ° C., usually 700 ° C. or lower). In this range, it is possible to suppress the pores from being blocked while burning the structure-directing agent more reliably. Furthermore, the firing time can be 1 to 48 hours (preferably 3 to 24 hours, particularly preferably 5 to 15 hours). Moreover, although the temperature increase rate is not specifically limited, For example, a temperature increase rate of 50 ° C./min or less (more preferably 5 ° C./min or less, usually 0.1 ° C./min or more) is preferable. By setting the heating rate within this range, it is possible to reduce or eliminate the residual carbon in the proton conductive membrane obtained.

本発明の製造方法では、上記ゾル充填工程、ゲル化工程、及び構造規定剤除去工程以外に他の工程を備えることができる。他の工程としては、プロトン伝導性を向上させるプロトン伝導性向上処理工程が挙げられる。プロトン伝導性向上処理としては、リン酸処理工程、スルホン酸処理工程等が挙げられる。これらのうちではリン酸処理工程を備えることが好ましい。リン酸処理工程は、多孔質部を構成する材料の表面(特に細孔内)にリン酸基を付加する工程である。このリン酸処理はどのように行ってもよいが、例えば、多孔質部と、有機溶媒及びオキシ塩化リン(POCl)の混合液と、を接触させて多孔質部の表面を修飾してリン酸処理を行うことができる。尚、多孔質部の表面に残存されたP−Cl結合を加水分解することで更にリン酸化を行うことができるが、160℃以下の低温で行うことが好ましい。過度に高い温度で加水分解を行うと酸化ケイ素骨格も加水分解を受けてプロトン伝導度が低下する場合がある。 In the manufacturing method of this invention, other processes can be provided in addition to the sol filling process, the gelling process, and the structure directing agent removing process. Examples of other steps include a proton conductivity improving treatment step for improving proton conductivity. Examples of the proton conductivity improving treatment include a phosphoric acid treatment step and a sulfonic acid treatment step. Among these, it is preferable to provide a phosphoric acid treatment step. The phosphoric acid treatment step is a step of adding a phosphate group to the surface (particularly in the pores) of the material constituting the porous portion. This phosphoric acid treatment may be carried out in any way. For example, the surface of the porous part is modified by bringing the porous part into contact with a mixed solution of an organic solvent and phosphorus oxychloride (POCl 3 ). Acid treatment can be performed. In addition, although phosphorylation can be further performed by hydrolyzing the P—Cl bond remaining on the surface of the porous portion, it is preferably performed at a low temperature of 160 ° C. or less. If the hydrolysis is performed at an excessively high temperature, the silicon oxide skeleton may also be hydrolyzed to lower the proton conductivity.

また、上記プロトン伝導性向上処理としては、前記リン酸処理工程及びスルホン酸処理工程以外に、酸化マンガン結晶導入処理工程が挙げられる。酸化マンガン結晶導入処理工程はどのように行ってもよいが、例えば、多孔質部とマンガンイオンが含有された溶液(水溶液など)とを接触(特に浸漬することが好ましい)させた後、乾燥して行うことができる。この際の乾燥は室温で行ってもよいが、加熱して行うことが好ましい。加熱を行う場合は100℃以下(より好ましくは90℃以下、更に好ましくは80℃以下、通常40℃以下)で行うことが好ましい。また、乾燥はどのような雰囲気内で行ってもよいが、真空で行うことが好ましい。   In addition to the phosphoric acid treatment step and the sulfonic acid treatment step, the proton conductivity improving treatment includes a manganese oxide crystal introduction treatment step. The manganese oxide crystal introduction treatment step may be carried out in any way. For example, the porous portion and a solution containing manganese ions (such as an aqueous solution) are brought into contact (particularly preferably immersed) and then dried. Can be done. The drying at this time may be performed at room temperature, but is preferably performed by heating. When heating, it is preferable to carry out at 100 degrees C or less (More preferably 90 degrees C or less, More preferably 80 degrees C or less, Usually 40 degrees C or less). Moreover, although drying may be performed in any atmosphere, it is preferably performed in a vacuum.

[3]燃料電池
本発明の燃料電池(500)は、本発明のプロトン伝導性膜を用いたことを特徴とする。この燃料電池の構成は特に限定されないが、通常、プロトン伝導性膜(511、521)及びこのプロトン伝導性膜を挟む一対の電極(512及び513、522及び523)を備える。この電極は、例えば、導電性物質及び固体電解質により形成できる(図12参照)。
[3] Fuel Cell The fuel cell (500) of the present invention is characterized by using the proton conductive membrane of the present invention. The configuration of the fuel cell is not particularly limited, but usually includes a proton conductive membrane (511, 521) and a pair of electrodes (512, 513, 522, and 523) sandwiching the proton conductive membrane. This electrode can be formed of, for example, a conductive material and a solid electrolyte (see FIG. 12).

また、このプロトン伝導性膜とこれを挟む一対の電極とを備える構成を単位セル(510、520)とした場合には、この単位セル(510、520)は、1つのみで用いてもよく、2つ以上を併用してもよい。2つ以上を併用する場合には、各単位セルは積層して使用することが好ましい。また、この際には、各単位セル間にセパレータ(530)を挟むことが好ましい。
この燃料電池で使用する燃料ガス及び支燃性ガスの種類は特に限定されないが、例えば、燃料ガスとしては水素及びメタノール等が挙げられ、支燃性ガスとしては空気及び酸素等が挙げられる。燃料ガスは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、支燃性ガスは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記セパレータ(530)を用いる場合、上記燃料ガス及び支燃性ガスは、セパレータ(530)内に設けられた燃料ガス流路(541)及び支燃性ガス流路(542)を用いて各電極表面へ供給することができる。
Further, when the unit cell (510, 520) includes the proton conductive membrane and a pair of electrodes sandwiching the proton conductive membrane, only one unit cell (510, 520) may be used. Two or more may be used in combination. When two or more are used in combination, each unit cell is preferably used by being laminated. In this case, it is preferable to sandwich a separator (530) between the unit cells.
The types of fuel gas and combustion-supporting gas used in this fuel cell are not particularly limited. Examples of the fuel gas include hydrogen and methanol, and examples of the fuel-supporting gas include air and oxygen. Only 1 type may be used for fuel gas and it may use 2 or more types together. Moreover, only 1 type may be used for a combustion-supporting gas and it may use 2 or more types together.
When the separator (530) is used, the fuel gas and the combustion-supporting gas are supplied to each electrode using the fuel gas channel (541) and the combustion-supporting gas channel (542) provided in the separator (530). Can be supplied to the surface.

[4]化学センサ
本発明の化学センサ(600)は、本発明のプロトン伝導性膜(611)を用いたことを特徴とする。この化学センサの構成は特に限定されないが、通常、プロトン伝導性膜(611)及び一対の電極(612及び613)を備える。この電極は、例えば、導電性物質及び固体電解質により形成できる。
この化学センサで検知する成分としては、水素、メタノール、一酸化炭素及び水(湿度)等が挙げられる。
[4] Chemical sensor The chemical sensor (600) of the present invention is characterized by using the proton conductive membrane (611) of the present invention. The configuration of the chemical sensor is not particularly limited, but usually includes a proton conductive membrane (611) and a pair of electrodes (612 and 613). This electrode can be formed of, for example, a conductive material and a solid electrolyte.
Examples of components detected by this chemical sensor include hydrogen, methanol, carbon monoxide, and water (humidity).

更に、本発明の化学センサは上記プロトン伝導性膜(611)及び電極(612及び613)以外にも他の部分を備えることができる。より具体的には、図13に示すような構成の化学センサとすることができる。即ち、検知ガス導入孔(607)及び検知ガス排出孔(605)が設けられた金属容器(601)と、本発明のプロトン伝導性膜(611)及びこれを挟む電極(612及び613)を備える素子部と、素子部を支持するアルミナ等からなる下側支持体(615)と、素子部及び下側支持体(615)とを金属容器(601)に固定するアルミナ等からなる上側支持体(614)と、スペーサー(602)と、各種Oリング(603)と、負極端子(608)と、正極端子(609)と、を備えることができる。尚、下側支持体(615)には、検知ガスを電極(612)に導くための拡散律速孔(604)が設けられている。更に、下側支持体(615)の図示下面には、電極(613)を金属容器(601)と電気的に接続するために、電極(613)と電気的に接続された電極(624)が形成されている。また、上側支持体(614)の表裏面には、互いに電気的に接続された電極(621及び623)が形成されている。従って、電極(612)は、電極(623)及び電極(621)を介して負極端子(608)と電気的に接続される。更に、拡散律速孔(604)を介して電極(613)側に導かれた検知ガスが電極(612)側に漏れることを防止する目的で、エポキシ等からなるシール部材(605)が備えられている。
検知ガスは、検知ガス拡散律速孔(604)を介して電極(613)側に導入され、電極(613)上で分解してイオンとなる。生成したイオンはプロトン伝導性膜(611)を介して電極(612)側にポンピングされ、電極(612)上で再びガスとなる。電極(612)上で生成したガスは上側支持体(614)に設けられた流路を介してガス排出孔(605)からセンサ(600)外部に排出される。このとき、電極(613)上で生成したイオン(例えば、プロトン)がプロトン伝導性膜(611)を伝導することによって生じた電流を測定することにより、検知ガス(例えば、水素ガス)の濃度測定を行うことができる。
Furthermore, the chemical sensor of the present invention can include other portions in addition to the proton conductive membrane (611) and the electrodes (612 and 613). More specifically, the chemical sensor can be configured as shown in FIG. That is, a metal container (601) provided with a detection gas introduction hole (607) and a detection gas discharge hole (605), a proton conductive membrane (611) of the present invention, and electrodes (612 and 613) sandwiching the proton conductive membrane (611) are provided. An element part, a lower support (615) made of alumina or the like for supporting the element part, and an upper support (made of alumina or the like for fixing the element part and the lower support (615) to the metal container (601) ( 614), a spacer (602), various O-rings (603), a negative electrode terminal (608), and a positive electrode terminal (609). The lower support (615) is provided with a diffusion-controlling hole (604) for guiding the detection gas to the electrode (612). Furthermore, an electrode (624) electrically connected to the electrode (613) is provided on the lower surface of the lower support (615) in order to electrically connect the electrode (613) to the metal container (601). Is formed. In addition, electrodes (621 and 623) that are electrically connected to each other are formed on the front and back surfaces of the upper support (614). Accordingly, the electrode (612) is electrically connected to the negative terminal (608) through the electrode (623) and the electrode (621). Further, a seal member (605) made of epoxy or the like is provided for the purpose of preventing the detection gas introduced to the electrode (613) side through the diffusion rate controlling hole (604) from leaking to the electrode (612) side. Yes.
The detection gas is introduced to the electrode (613) side through the detection gas diffusion rate controlling hole (604), and decomposes into ions on the electrode (613). The generated ions are pumped to the electrode (612) side through the proton conductive membrane (611) and become gas again on the electrode (612). The gas generated on the electrode (612) is discharged from the gas discharge hole (605) to the outside of the sensor (600) through a flow path provided in the upper support (614). At this time, the concentration of the detection gas (for example, hydrogen gas) is measured by measuring the current generated by the ions (for example, protons) generated on the electrode (613) passing through the proton conductive membrane (611). It can be performed.

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
[1]プロトン伝導性膜の作製(図2及び図3参照)
(Macroporous-template-supported Mesoporous Membranes)
(1)多孔質型枠体(Macroporous-template)の用意
厚さ(av.thickness)60μm、直径(av.diameter of template)21mmであり、平均口径(av.pore size)200nmの貫通孔を多数有し、気孔率が(Porosity)25〜50%である円板状の陽極酸化アルミニウム(Anodic aluminum oxide)を多孔質型枠体110(プロトン伝導性膜において型枠部となる)として用意した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples.
[1] Preparation of proton conductive membrane (see FIGS. 2 and 3)
(Macroporous-template-supported Mesoporous Membranes)
(1) Preparation of a porous mold (Macroporous-template) Thickness (av.thickness) of 60μm, diameter (av.diameter of template) of 21mm, and many through-holes with an average diameter (av.pore size) of 200nm A disk-shaped anodic aluminum oxide having a porosity of (Porosity) of 25 to 50% was prepared as a porous mold body 110 (to be a mold part in the proton conductive membrane).

(2)シリカゾル(Silica sol)調製(図2「P1」「P2」)
エタノール(COH)、純水(HO)、塩酸(HCl)、構造規定剤(P123)、及びシリカ源(TEOS)を、モル比(室温25℃における)がCOH:HO:HCl:P123:TEOS=1:0.11:0.002:0.002:0.1となるように各成分を添加してゾルを得た(図2「P1」−ゾル調製工程)。上記構造規定剤200には、PEO20PPO70PEO20であるABA型トリブロック構造を有する非イオン性界面活性剤(BASF社製、「Pluronic P123」、重量平均分子量Mwが5800、PEOはポリエチレンオキシド、PPOはポリプロピレンオキシド)を用いた。
上記各成分を混合した混合物を撹拌し、ゾル401内に構造規定剤200が寄り集まって形成される棒状のミセル300を形成させた(図2「P2」−ミセル形成工程)。
(2) Preparation of silica sol (FIG. 2 “P1” “P2”)
Ethanol (C 2 H 5 OH), pure water (H 2 O), hydrochloric acid (HCl), structure directing agent (P123), and silica source (TEOS) are mixed at a molar ratio (at room temperature of 25 ° C.) of C 2 H 5. Each component was added so that OH: H 2 O: HCl: P123: TEOS = 1: 0.11: 0.002: 0.002: 0.1 to obtain a sol (FIG. 2 “P1” − Sol preparation step). The structure directing agent 200 includes PEO 20 PPO 70 PEO 20 nonionic surfactant having an ABA type triblock structure (manufactured by BASF, “Pluronic P123”, weight average molecular weight Mw of 5800, PEO is polyethylene oxide , PPO was polypropylene oxide).
The mixture obtained by mixing the above components was stirred to form rod-like micelles 300 formed by the structure-directing agent 200 gathering in the sol 401 (FIG. 2 “P2” —micelle formation step).

(3)ゾル充填工程(Filling silica sol)
上記(1)で用意した多孔質型枠体110を、濾過フラスコに取り付けた濾紙上に載置した。次いで、濾過フラスコに上記(2)で得たゾル401を注ぎ入れ、多孔質型枠体110の貫通孔113(貫通孔)内にゾル401を通過させて、型枠部110にゾル401を予備浸透させた(なじませた)(図2「P3」−ゾル予備浸透工程)。
その後、同じゾル401が入れられた容器内に多孔質型枠体110を投入して室温(25℃)で20時間静置して、ゾル401を多孔質型枠体110の貫通孔113内に浸透させた(図3「P4」−ゾル浸漬浸透工程)。
(3) Filling silica sol
The porous mold body 110 prepared in (1) above was placed on the filter paper attached to the filtration flask. Next, the sol 401 obtained in (2) above is poured into the filtration flask, and the sol 401 is passed through the through-hole 113 (through-hole) of the porous mold body 110, so that the sol 401 is preliminarily placed in the mold section 110. Infiltrated (familiarized) (FIG. 2 “P3” —sol pre-infiltration step).
Thereafter, the porous mold body 110 is put into a container in which the same sol 401 is put, and left at room temperature (25 ° C.) for 20 hours, so that the sol 401 is placed in the through hole 113 of the porous mold body 110. It was infiltrated (FIG. 3 “P4” —sol immersion infiltration step).

(4)ゲル化工程及び構造規定剤除去工程
上記(3)で得られた、ゾル401が貫通孔113内に充填された多孔質型枠体110を、密閉容器801内で60℃で12時間保持してゲル化させた(図3「P5」−ゲル化工程)。
その後、更に、容器を開放して(開放容器802)400℃で12時間焼成し、ゲル402内の構造規定剤200を焼失させて除去し(図3「P6」−構造規定剤除去工程)、プロトン伝導性膜100を得た。ここで、ゲル化工程及び構造規定剤除去工程では、密閉容器801及び開放容器802の近傍に配置したヒータ700によって加熱を行った。
(4) Gelation step and structure-directing agent removal step The porous mold body 110 obtained by the above (3) and filled with the sol 401 in the through-hole 113 is sealed in a sealed container 801 at 60 ° C. for 12 hours. It was held and gelled (FIG. 3 “P5” —gelation step).
Thereafter, the container is further opened (open container 802) and baked at 400 ° C. for 12 hours to burn off and remove the structure directing agent 200 in the gel 402 (FIG. 3 “P6” —structure directing agent removing step), A proton conductive membrane 100 was obtained. Here, in the gelation step and the structure directing agent removal step, heating was performed by the heater 700 disposed in the vicinity of the sealed container 801 and the open container 802.

[2]プロトン伝導性膜(リン酸処理前)の評価
(1)プロトン伝導性膜の評価に用いる参照試料の作製
多孔質型枠体に浸透させずに、上記[1]で用いたシリカゾルそのものを上記[1](4)と同条件で固化させた参照試料を得た。この参照試料(reference sample)の形状は、厚さ(av.thickness)70〜80μm、直径(av.diameter of template)50mmである。
[2] Evaluation of proton conductive membrane (before phosphoric acid treatment) (1) Preparation of reference sample used for evaluation of proton conductive membrane Silica sol itself used in [1] above without permeating into the porous mold Was obtained by solidifying under the same conditions as [1] (4) above. The shape of the reference sample is 70 to 80 μm in thickness (av. Thickness) and 50 mm in diameter (av. Diameter of template).

(2)小角X線回折測定及び評価
上記[1]で得られたプロトン伝導性膜と、上記[2](1)で得られた参照試料との両方について、小角X線回折(SAXRD)測定を行った。その結果を、図4に示す。尚、この小角X線回折測定は、フィリップス社製、形式「X’Pert−MPD」でCu−Kα(λ=1.5406Å)を使用し、X線チューブには45kVで40mAを印加し、0.002度ステップ幅、スキャンスピード0.2度/分で測定を行った。
(2) Small-angle X-ray diffraction measurement and evaluation Small-angle X-ray diffraction (SAXRD) measurement of both the proton conductive membrane obtained in [1] above and the reference sample obtained in [2] (1) above. Went. The result is shown in FIG. In addition, this small angle X-ray diffraction measurement uses Cu-Kα (λ = 1.5406 mm) in the model “X′Pert-MPD” manufactured by Philips Co., and applied 40 mA at 45 kV to the X-ray tube. Measurements were made at a step width of .002 degrees and a scan speed of 0.2 degrees / minute.

図4より、参照試料には1.26度に(100)面に起因するピークが認められた。一方、プロトン伝導性膜には1.13度に(100)面に起因する極弱いピークが認められた。このことからいずれもヘキサゴナル構造の細孔を有することがわかる。参照試料はその全体がゲルからなるのに対して、プロトン伝導性膜は参照試料に相当する多孔質部の割合が小さく、プロトン伝導性膜における(100)面のピークが参照試料よりも弱い結果となったと推考される。また、参照試料の平均細孔間距離が8.09nmであるのに対して、プロトン伝導性膜の平均細孔間距離は9.02nmであった。これは、参照試料は焼成時に型枠を有さないために焼成収縮が多孔質部よりも大きいためであると推考される。   From FIG. 4, a peak due to the (100) plane was observed at 1.26 degrees in the reference sample. On the other hand, a very weak peak due to the (100) plane was observed at 1.13 degrees in the proton conductive membrane. From this, it can be seen that all have pores having a hexagonal structure. The reference sample consists entirely of gel, whereas the proton conductive membrane has a small proportion of the porous portion corresponding to the reference sample, and the (100) plane peak in the proton conductive membrane is weaker than the reference sample. It is thought that it became. The average interpore distance of the reference sample was 8.09 nm, whereas the average interpore distance of the proton conductive membrane was 9.02 nm. This is presumably because the reference sample does not have a mold at the time of firing, and the firing shrinkage is larger than that of the porous portion.

(3)窒素吸脱着等温線による評価
上記[1]で得られたプロトン伝導性膜と、上記[2](1)で得られた参照試料との両方について、細孔分布測定装置(Quantachrome社製、型式「Autosorb−1」、77Kで使用)を用いて、窒素吸脱着等温線を得た。この結果を図5に示した。更に、この窒素吸脱着等温線(図5)をBJH法により解析して細孔分布曲線を得た。この結果を図6に示した。
(3) Evaluation by nitrogen adsorption / desorption isotherm For both the proton conductive membrane obtained in the above [1] and the reference sample obtained in the above [2] (1), a pore distribution measuring apparatus (Quantachrome) Nitrogen adsorption / desorption isotherm was obtained using “Model“ Autosorb-1 ”, used at 77K). The results are shown in FIG. Further, the nitrogen adsorption / desorption isotherm (FIG. 5) was analyzed by the BJH method to obtain a pore distribution curve. The results are shown in FIG.

図5より、参照試料による等温線はIUPACに定義された「IV型」に帰属され、ヒステリシスを示すことから細孔の存在を示している。一方、プロトン伝導性膜による等温線もヒステリシスを示すことから細孔の存在を示している。また、このプロトン伝導性膜による等温線は、P/Pが0.4〜0.8である領域と、P/Pが0.8〜1.0である領域と、の2つの特徴的な領域を有することから2種類のメソ構造を有すると考えられる。 From FIG. 5, the isotherm by the reference sample belongs to “type IV” defined in IUPAC and shows hysteresis, indicating the presence of pores. On the other hand, the isotherm of the proton conductive membrane also shows hysteresis, indicating the presence of pores. The isotherms of this proton conducting membrane, a region P / P 0 is 0.4 to 0.8, and a region P / P 0 is 0.8 to 1.0, two features of It is thought that it has two types of mesostructures because it has a typical region.

更に、図6からは、参照試料にはプロトン伝導性膜の細孔に比べて、開口径範囲が狭くより小さな径(約3.5〜9.0nm)の細孔が認められることが分かる。特に6.4nmにピークが認められる。一方、プロトン伝導性膜には参照試料の細孔に比べて、開口径範囲が広くより大きな径(約2.0〜20nm)の細孔が認められることが分かる。特に6.7nmと9.7nmにピークが認められる。これらの開口径の関係及び先のX線回折測定の結果からも、参照試料はプロトン伝導性膜より焼成時の収縮が大きかったことが予測される。   Furthermore, it can be seen from FIG. 6 that the reference sample has pores with a narrower opening diameter range and a smaller diameter (about 3.5 to 9.0 nm) compared to the pores of the proton conducting membrane. In particular, a peak is observed at 6.4 nm. On the other hand, it can be seen that pores having a larger opening diameter range and a larger diameter (about 2.0 to 20 nm) are recognized in the proton conductive membrane as compared with the pores of the reference sample. In particular, peaks are observed at 6.7 nm and 9.7 nm. From the relationship between these opening diameters and the result of the previous X-ray diffraction measurement, it is predicted that the reference sample had a larger shrinkage during firing than the proton conductive membrane.

(4)SEM及びTEMによる
上記[1](1)で用いた多孔質型枠体の貫通孔が開口する面を11,000倍に拡大した走査型電子顕微鏡(以下、単に「SEM」という)による画像(SEM画像)を得た。このSEM画像を図7に示した。尚、上記SEMには、日本電子株式会社製、形式「JSM−6301」を使用した。
また、上記[1](4)までに得られたプロトン伝導性膜(即ち、多孔質型枠体の貫通孔内に多孔質部が充填された状態)における上記図7と同じ貫通孔が開口する面を11,000倍に拡大したSEM画像を得た。このSEM画像を図8に示した。
更に、上記[1](4)までに得られたプロトン伝導性膜における上記図7と同じ貫通孔が開口する面を43,000倍に拡大し、貫通孔内に充填された多孔質部を観察できる画像を透過型電子顕微鏡(以下、単に「TEM」という)により得た。このTEM画像を図9に示した。尚、上記TEMには、日本電子株式会社製、形式「JEM−2100F」を200kVで使用した。
(4) Scanning electron microscope (hereinafter, simply referred to as “SEM”) in which the surface of the porous mold body used in the above [1] (1) is enlarged 11,000 times by SEM and TEM. An image (SEM image) was obtained. This SEM image is shown in FIG. For the SEM, a model “JSM-6301” manufactured by JEOL Ltd. was used.
Further, in the proton conductive membrane obtained up to the above [1] (4) (that is, in the state where the porous portion is filled with the porous portion), the same through hole as in FIG. 7 is opened. An SEM image was obtained with the surface to be magnified 11,000 times. This SEM image is shown in FIG.
Further, the surface of the proton conductive membrane obtained up to the above [1] (4) where the same through hole as in FIG. 7 is opened is enlarged by 43,000 times, and the porous portion filled in the through hole is formed. An observable image was obtained with a transmission electron microscope (hereinafter simply referred to as “TEM”). This TEM image is shown in FIG. For the TEM, JEOL Co., Ltd. type “JEM-2100F” was used at 200 kV.

図7からは、本実施例で用いた陽極酸化アルミニウムには、約200nmの開口径を有する貫通孔が配向して配列されていることが分かる。
図8からは、本実施例で用いた陽極酸化アルミニウムの貫通孔に、シリカによって構成された多孔質部が充填されていることが分かる。
図9からは、1つの貫通孔内に、貫通孔の開口径に比べてはるかに小さな径(約6.0nm)の細孔が開口されていることが認められる(図9における小さな白い点像)。そして、この開口状態から貫通孔内の細孔が型枠部の一面から反対面に向かって配向して配列されていることが分かる。
From FIG. 7, it can be seen that through holes having an opening diameter of about 200 nm are aligned and arranged in the anodized aluminum used in this example.
From FIG. 8, it can be seen that the through hole of the anodized aluminum used in this example is filled with a porous portion made of silica.
From FIG. 9, it is recognized that pores having a diameter (about 6.0 nm) that is much smaller than the opening diameter of the through hole are opened in one through hole (small white dot image in FIG. 9). ). And it turns out that the pore in a through-hole is orientated and arranged toward the opposite surface from one surface of this form part from this opening state.

これら、[2](2)〜[2](4)の結果から、得られたプロトン伝導性膜は型枠部の一面から反対面まで配向して配列された貫通孔を多数(1mmあたりに約11,000,000個の密度)有する。更に、この貫通孔内には多孔質部を備え、多孔質部には、貫通孔の開口径よりも小さな細孔が一面から反対面に向かって配向して配列されている(貫通孔内における50nm四方あたりに約0.7個、型枠部全体における50nm四方あたりに約0.2個)ことが分かる。 From the results of [2] (2) to [2] (4), the obtained proton conductive membrane has a large number of through-holes aligned from one surface of the mold part to the opposite surface (per 1 mm 2). Density of about 11,000,000). Furthermore, a porous portion is provided in the through hole, and pores smaller than the opening diameter of the through hole are aligned and arranged from one surface to the opposite surface (in the through hole). It can be seen that about 0.7 per 50 nm square and about 0.2 per 50 nm square in the entire mold part).

[3]プロトン伝導性膜のリン酸処理
(1)リン酸処理工程
100mLの無水トルエンに対して5mLのオキシ塩化リン(POCl)を含む混合液を110℃に加熱保温した。この加熱保温した混合液内に、上記[1](4)までに得られたプロトン伝導性膜を4時間浸漬してリン酸処理を行った。その後、浸漬したプロトン伝導性膜を無水トルエン中で繰り返し洗浄した後、真空引きしながら一晩乾燥させてリン酸処理されたプロトン伝導性膜を得た。
[3] Phosphoric acid treatment of proton conductive membrane (1) Phosphoric acid treatment step A mixed solution containing 5 mL of phosphorus oxychloride (POCl 3 ) with respect to 100 mL of anhydrous toluene was heated and maintained at 110 ° C. The proton conductive membrane obtained up to the above [1] (4) was immersed in this heated and heat-mixed solution for 4 hours for phosphoric acid treatment. Thereafter, the immersed proton conductive membrane was repeatedly washed in anhydrous toluene, and then dried overnight under vacuum to obtain a phosphoric acid-treated proton conductive membrane.

[4]プロトン伝導性膜(リン酸処理後)及びMnOナノ結晶導入の評価
(1)リン酸処理の確認
上記[1](4)までに得られたプロトン伝導性膜(未リン酸処理)、上記[3](1)で得られたリン酸処理されたプロトン伝導性膜、の2つの試験体について、FT−IR測定を行った。その結果を図10に示す。尚、上記FT−IRには、日本分光株式会社製、形式「FT/IR 460」を使用した。
[4] Evaluation of proton conductive membrane (after phosphoric acid treatment) and introduction of MnO 2 nanocrystals (1) Confirmation of phosphoric acid treatment Proton conductive membrane obtained by [1] and (4) above (unphosphoric acid treatment) ) And FT-IR measurement was performed on the two specimens of the phosphoric acid-treated proton conductive membrane obtained in the above [3] (1). The result is shown in FIG. For the FT-IR, a model “FT / IR 460” manufactured by JASCO Corporation was used.

図10の結果より、図10(a)からは波長960cm−1にSi−OHの伸縮振動に由来するピークが認められる。このピークは図10(b)では認められないことが分かる。これはリン酸処理によりSi−OH基がSi−O−P(=0)Clx(x=1、2)に変化したことを示す。−P(=0)Clx基は更に水蒸気下で加水分解すると、リン酸基にすることができる。従って、リン酸処理はSi−OH基をプロトン伝導性の高いリン酸基へ置換することに効果的であると言える。 From the result of FIG. 10, a peak derived from the stretching vibration of Si—OH is observed at a wavelength of 960 cm −1 from FIG. It can be seen that this peak is not recognized in FIG. This indicates that the Si—OH group was changed to Si—O—P (= 0) Clx (x = 1, 2) by the phosphoric acid treatment. The —P (= 0) Clx group can be converted to a phosphate group by further hydrolysis under steam. Therefore, it can be said that the phosphoric acid treatment is effective for replacing the Si—OH group with a phosphate group having high proton conductivity.

(2)MnOナノ結晶の導入
上記[3](1)で得られたリン酸処理されたプロトン伝導性膜を、100mLのKMnO水溶液(濃度0.1M)に室温で約6時間浸漬し、取り出した後に脱イオン水で良く洗浄し、その後、70℃で乾燥してから真空乾燥することにより細孔内にMnOナノ結晶を導入したプロトン伝導性膜を得た。
(2) Introduction of MnO 2 nanocrystals The proton-treated proton conductive membrane obtained in [3] (1) above was immersed in 100 mL of a KMnO 4 aqueous solution (concentration 0.1 M) at room temperature for about 6 hours. After being taken out, it was washed well with deionized water, then dried at 70 ° C. and then vacuum dried to obtain a proton conductive membrane having MnO 2 nanocrystals introduced into the pores.

(3)プロトン伝導性の評価
上記[1](4)までに得られたプロトン伝導性膜(未リン酸処理)の一面と反対面に直径3mmの金電極を吸引してコーティングし、この金電極を純銅でできたワイヤーと各々接続してセルを形成した。その後、インピーダンスアナライザー(Solartron社製、形式「SI−1260」)を用いて、10〜1.0×10kHzの周波数範囲で50mVの交流アンプを併用して、上記セルのプロトン伝導度を測定した。最終的なプロトン伝導度は、半円ナイキストプロット(the semicircle Nyquist plots)と、伝導膜の厚さと、金電極の面積とから算出した。
同様にして、上記[1]でプロトン伝導性膜の型枠部として用いた多孔質型枠体(貫通孔内に多孔質部を有さない)と、上記[3](1)で得られたリン酸処理されたプロトン伝導性膜と、の2つの試験体についても同様の測定を行った。この結果を図11に示した。
更に、同様にして上記[4](2)得られた細孔内にMnOナノ結晶が含まれたプロトン伝導性膜の試験体についても同様の測定を行った。この結果を図11に示した。
(3) Evaluation of proton conductivity A gold electrode having a diameter of 3 mm is applied to the surface opposite to the one surface of the proton conductive membrane (unphosphoric acid treatment) obtained up to the above [1] and (4) and coated. A cell was formed by connecting each electrode to a wire made of pure copper. Then, using an impedance analyzer (Solartron, model “SI-1260”), the proton conductivity of the cell is measured using a 50 mV AC amplifier in the frequency range of 10 to 1.0 × 10 7 kHz. did. The final proton conductivity was calculated from the semicircular Nyquist plots, the thickness of the conductive membrane, and the area of the gold electrode.
Similarly, the porous mold body used as the mold part of the proton conductive membrane in [1] above (having no porous part in the through hole) and the above [3] (1) are obtained. The same measurement was performed on two test bodies, namely, a proton-conductive membrane treated with phosphoric acid. The results are shown in FIG.
Further, in the same manner, the same measurement was performed on a specimen of a proton conductive membrane in which MnO 2 nanocrystals were contained in the pores obtained in the above [4] (2). The results are shown in FIG.

図11の結果から、メソ多孔質体部を備えない多孔質型枠体のみの試験体(図11内「■」)におけるプロトン伝導度に対して、多孔質部を備えるプロトン伝導性膜(図11内「△」「□」「○」)では各温度で約4オーダーもプロトン伝導性が高いことが分かる。即ち、多孔質型枠体に多孔質部を導入することで飛躍的にプロトン伝導性を向上させられることが分かる。また、リン酸処理したプロトン伝導性膜(図11内「□」)は、測定温度50℃(1000/T≒3.09)以上の実用温度領域でのプロトン伝導度がリン酸処理していないプロトン伝導性膜(図11内「△」)に比べて向上することが分かる。更に、リン酸処理し且つMnOナノ結晶を導入したプロトン伝導性膜(図11内「○」)は、リン酸処理したプロトン伝導性膜(図11内「□」)に比べても更に測定温度の全領域においてプロトン伝導度が向上されることが分かる。 From the result of FIG. 11, the proton conductive membrane (FIG. 11) having the porous portion is compared with the proton conductivity in the test body (“■” in FIG. 11) having only the porous mold body not having the mesoporous body portion. 11, “Δ”, “□”, and “◯”) show that proton conductivity is as high as about 4 orders at each temperature. That is, it can be seen that proton conductivity can be drastically improved by introducing a porous portion into the porous mold body. In addition, the proton conductive membrane treated with phosphoric acid (“□” in FIG. 11) has a proton conductivity in a practical temperature range of 50 ° C. (1000 / T≈3.09) or higher and is not subjected to phosphoric acid treatment. It can be seen that this is improved compared to the proton conductive membrane (“Δ” in FIG. 11). Further, the proton conductive membrane treated with phosphoric acid and introduced with MnO 2 nanocrystals (“◯” in FIG. 11) is further measured compared with the proton conductive membrane treated with phosphoric acid (“□” in FIG. 11). It can be seen that proton conductivity is improved over the entire temperature range.

尚、本発明においては、上記の具体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることがでる。   In addition, in this invention, it can restrict to what is shown to said specific Example, It can be set as the Example variously changed within the range of this invention according to the objective and the use.

本発明のプロトン伝導性膜及びその製造方法は、プロトン伝導性利用分野において広く用いられる。このプロトン伝導性膜は、各種電解質膜、触媒担体及び分離膜として利用される。例えば、自動車関連分野(燃料電池、各種化学センサ、燃料ガス精製及び排ガス浄化)、合成化学関連分野(各種化学センサ、触媒担体、成分分離及び精製等)、石油関連分野(各種化学センサ、成分精製、成分分離及び触媒担体等)、家電関連分野(燃料電池、各種化学センサ、吸着、乾燥、脱臭及び抗菌等)、環境関連分野(各種化学センサ、吸着、乾燥、脱臭及び抗菌等)及び、医療関連分野等において広く利用できる。   The proton conductive membrane and the production method thereof of the present invention are widely used in the field of proton conductivity application. This proton conductive membrane is used as various electrolyte membranes, catalyst carriers, and separation membranes. For example, automobile-related fields (fuel cells, various chemical sensors, fuel gas purification and exhaust gas purification), synthetic chemistry-related fields (various chemical sensors, catalyst carriers, component separation and purification, etc.), petroleum-related fields (various chemical sensors, component purification) , Component separation and catalyst carrier, etc.), household appliances related fields (fuel cells, various chemical sensors, adsorption, drying, deodorization, antibacterials, etc.), environment related fields (various chemical sensors, adsorption, drying, deodorization, antibacterials, etc.) and medical care It can be widely used in related fields.

本発明のプロトン伝導性膜の一例の断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the cross section of an example of the proton-conductive film | membrane of this invention. 本発明の製造方法における一部の工程を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates some processes in the manufacturing method of this invention. 図2から続く工程を例示する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a process continued from FIG. 2. 本発明のプロトン伝導性膜及び実施例で用いたゲル試験体の各々X線回折チャートである。2 is an X-ray diffraction chart of each of the proton conductive membrane of the present invention and the gel specimen used in the examples. 実施例にかかるプロトン伝導性膜及びゲル試験体の窒素吸脱着等温線である。It is a nitrogen adsorption / desorption isotherm of the proton conducting membrane and the gel specimen according to the example. 実施例にかかるプロトン伝導性膜及びゲル試験体の細孔分布曲線である。It is a pore distribution curve of the proton-conductive film | membrane and gel test body concerning an Example. 実施例にかかる型枠部の貫通孔のSEM画像である。It is a SEM image of the through-hole of the mold part concerning an Example. 実施例にかかる貫通孔内に多孔質部が充填されたプロトン伝導性膜の表面のSEM画像である。It is a SEM image of the surface of the proton-conductive film | membrane with which the porous part was filled in the through-hole concerning an Example. 実施例にかかる貫通孔内の多孔質部を拡大して示すTEM画像である。It is a TEM image which expands and shows the porous part in the through-hole concerning an Example. 実施例にかかるFT−IRの反射吸収スペクトルのチャートである。It is a chart of the reflection absorption spectrum of FT-IR concerning an Example. 実施例にかかる各プロトン伝導性膜の測定温度におけるプロトン伝導度を示すグラフである。It is a graph which shows the proton conductivity in the measurement temperature of each proton conductive film concerning an Example. 本発明の燃料電池の一例の断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the cross section of an example of the fuel cell of this invention. 本発明の化学センサの一例の断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the cross section of an example of the chemical sensor of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100;プロトン伝導性膜、110;型枠部、111;型枠部の一面、112;型枠部の反対面、113;貫通孔、120;多孔質部、121;細孔、200;構造規定剤、300;ミセル、401;ゾル、402;ゲル、500;燃料電池、600;化学センサ、700;ヒータ、801;密閉容器、802;開放容器、P1;ゾル調製工程、P2;ミセル形成工程、P3;ゾル予備浸透工程、P4;ゾル浸漬浸透工程、P5;ゲル化工程、P6;構造規定剤除去工程。   100; proton conducting membrane, 110; mold part, 111; one surface of mold part, 112; opposite surface of mold part, 113; through hole, 120; porous part, 121; pore, 200; Agent, 300; micelle, 401; sol, 402; gel, 500; fuel cell, 600; chemical sensor, 700; heater, 801; sealed container, 802; open container, P1; sol preparation process, P2; P3: sol preliminary permeation step, P4: sol immersion permeation step, P5: gelation step, P6: structure directing agent removal step.

Claims (11)

一面から反対面まで貫通された複数の貫通孔を有する型枠部と、
各該貫通孔内に充填されて、該一面から該反対面まで貫通すると共に該貫通孔よりも小径の細孔を複数有する多孔質部と、を有することを特徴とするプロトン伝導性膜。
A mold part having a plurality of through holes penetrating from one surface to the opposite surface;
A proton conductive membrane comprising: a porous portion filled in each through-hole and penetrating from the one surface to the opposite surface and having a plurality of pores having a smaller diameter than the through-hole.
上記貫通孔は上記一面から上記反対面に向かって配向して配列されている請求項1に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the through holes are aligned and arranged from the one surface toward the opposite surface. 上記細孔は上記型枠部の上記一面から上記反対面へ向かって配向して配列されている請求項1又は2に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to claim 1 or 2, wherein the pores are aligned and arranged from the one surface of the mold part toward the opposite surface. 上記多孔質部は酸化ケイ素骨格を有する請求項1乃至3のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the porous portion has a silicon oxide skeleton. 上記多孔質部はリン酸処理されている請求項1乃至4のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous portion is subjected to phosphoric acid treatment. 上記型枠部が陽極酸化アルミニウムである請求項1乃至5のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜。   6. The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the mold part is anodized aluminum. 上記型枠部が窒化セルロースである請求項1に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the mold part is cellulose nitride. 請求項1に記載のプロトン伝導性膜の製造方法であって、
上記型枠部が有する上記貫通孔内に構造規定剤が含有されたゾルを充填するゾル充填工程と、
該ゾルをゲル化するゲル化工程と、
該ゲル内から該構造規定剤を除去して上記細孔を形成する構造規定剤除去工程と、を備えることを特徴とするプロトン伝導性膜の製造方法。
A method for producing a proton conducting membrane according to claim 1, comprising:
A sol filling step of filling a sol containing a structure-directing agent in the through hole of the mold part;
A gelation step of gelling the sol;
A structure-directing agent removing step of removing the structure-directing agent from the gel to form the pores.
上記多孔質部をリン酸処理するリン酸処理工程を備える請求項8に記載のプロトン伝導体の製造方法。   The method for producing a proton conductor according to claim 8, further comprising a phosphoric acid treatment step of phosphoric acid treating the porous portion. 請求項1乃至7のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜を備えることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the proton conducting membrane according to claim 1. 請求項1乃至7のうちのいずれかに記載のプロトン伝導性膜を備えることを特徴とする化学センサ。   A chemical sensor comprising the proton conductive membrane according to claim 1.
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