JP2010009851A - Electrolyte membrane for fuel cell - Google Patents

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達雄 藤波
Masayoshi Takami
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane for a fuel cell which maintains high proton conductivity and in which dimension changes caused by income and outgo of water can be suppressed. <P>SOLUTION: The electrolyte membrane for the fuel cell contains a proton conductive material in which a first electrolyte resin is filled in inorganic particulates of hollow shape having a through-hole on the surface and a second electrolyte resin. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性を高く維持し、且つ、水の収支による寸法変化を抑制することができる燃料電池用電解質膜に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell that can maintain high proton conductivity and suppress dimensional changes due to water balance.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e - ... (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.

また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e - → H 2 O ... (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside. As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.

通常用いられる固体高分子電解質型燃料電池の温度領域で作動可能な高分子電解質膜は、高分子を基本骨格又は主鎖にもつ有機高分子タイプのプロトン伝導性材料から構成されている。当該プロトン伝導性材料の課題としては、水の吸水時及び排水時に膜の伸縮を伴うこと、及び熱によりクリープ又は熱収縮が起こることといった、寸法変化が挙げられる。燃料電池の作動環境下では、水及び熱の収支が負荷や外部環境下により頻繁に変化することが知られているが、それに伴う膜の寸法変化は、電解質膜の寿命を短命化する重要な課題であると共に、現行の有機高分子タイプのプロトン伝導性材料にとっては、非常に解決困難な課題である。   A polymer electrolyte membrane operable in a temperature range of a commonly used solid polymer electrolyte fuel cell is composed of an organic polymer type proton conductive material having a polymer as a basic skeleton or main chain. Problems with the proton-conducting material include dimensional changes such as expansion and contraction of the membrane during water absorption and drainage, and creep or thermal contraction due to heat. Under the operating environment of fuel cells, it is known that the balance of water and heat changes more frequently depending on the load and the external environment, but the accompanying dimensional change of the membrane is important to shorten the life of the electrolyte membrane. This is a problem and is also a very difficult problem for the current organic polymer type proton conductive material.

一方、上記有機高分子タイプのプロトン伝導性材料を用いた電解質膜とは異なる、無機プロトン伝導体と、非プロトン伝導性ポリマーとを組み合わせた電解質膜が提案されている。特許文献1は、従来のフッ素系電解質膜の耐熱限界である100℃以上の温度においても安定なプロトン伝導度と機械強度を維持するために、酸化タングステンや酸化スズの水和物に代表される金属酸化物水和物と、非プロトン伝導性ポリマーとを含有したプロトン伝導性膜を開示している。   On the other hand, an electrolyte membrane combining an inorganic proton conductor and a non-proton conductive polymer, which is different from the electrolyte membrane using the organic polymer type proton conductive material, has been proposed. Patent Document 1 is typified by tungsten oxide or tin oxide hydrate in order to maintain stable proton conductivity and mechanical strength even at a temperature of 100 ° C. or more, which is the heat resistance limit of conventional fluorine-based electrolyte membranes. A proton conducting membrane containing a metal oxide hydrate and an aprotic conducting polymer is disclosed.

特開2002−289051号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-289051

特許文献1に開示されたプロトン伝導性膜は、燃料電池用電解質膜として用いた時に、高温下や低加湿条件下におけるプロトン伝導度は安定している。しかし、従来用いられてきた有機高分子であるナフィオンと比較すると、プロトン伝導度の値そのもの、特に燃料電池にとって最も発電効率がよい作動環境下(温度、湿度)におけるプロトン伝導度は十分なものではなかった。また、特許文献1の発明は、電解質膜の寸法安定性について着目してはいない。   When the proton conductive membrane disclosed in Patent Document 1 is used as an electrolyte membrane for a fuel cell, the proton conductivity is stable under high temperature and low humidification conditions. However, in comparison with Nafion, which is an organic polymer that has been used in the past, the value of proton conductivity itself, in particular, the proton conductivity in the operating environment (temperature, humidity) with the highest power generation efficiency for fuel cells is not sufficient. There wasn't. Further, the invention of Patent Document 1 does not pay attention to the dimensional stability of the electrolyte membrane.

本発明者らは、プロトン伝導性材料について鋭意検討した結果、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子に電解質樹脂が充填されたものを開発し、前記材料が、機械的特性や形状を損なうことなく高いプロトン伝導性を示すことを見出し、既に特許出願を行っている(特願2007−246203)。
また、上記特許出願においては、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子をスルホン酸基又はその前駆体基を有するモノマーと混合し、減圧下で前記無機微粒子内に前記モノマーを充填した後、当該モノマーを重合するプロトン伝導性材料の製造方法についても提案している。本方法によれば、無機微粒子の貫通孔から無機微粒子内部へモノマーを充填するという簡便な操作によって、続く重合反応によりポリマーを無機微粒子中に充填することで、機械的特性や形状を損なうことなく、プロトン伝導能を向上させることのできるプロトン伝導性材料を提供することができる。
As a result of intensive studies on the proton conductive material, the present inventors have developed a material in which hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are filled with an electrolyte resin, and the material impairs mechanical properties and shape. It has been found that high proton conductivity is exhibited without any patent application (Japanese Patent Application No. 2007-246203).
In the above patent application, hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are mixed with a monomer having a sulfonic acid group or a precursor group thereof, and the monomer is filled in the inorganic fine particles under reduced pressure. A method for producing a proton conductive material for polymerizing the monomer is also proposed. According to this method, the polymer is filled into the inorganic fine particles by the subsequent polymerization reaction by a simple operation of filling the inorganic fine particles into the inorganic fine particles from the through holes of the inorganic fine particles, without impairing the mechanical properties and shape. A proton conductive material capable of improving proton conductivity can be provided.

本発明者らは、さらに上記プロトン伝導性材料について研究を進め、高いプロトン伝導性及び寸法安定性を示す燃料電池用電解質膜を見出した。すなわち、本発明は、上記研究の経緯を経て成し遂げられたものであり、プロトン伝導性を高く維持し、且つ、水及び熱の収支変化による寸法変化を抑制することができる電解質膜を提供することを目的とする。   The present inventors have further studied the above proton conductive material and found an electrolyte membrane for a fuel cell exhibiting high proton conductivity and dimensional stability. That is, the present invention has been accomplished through the above-described research, and provides an electrolyte membrane that can maintain high proton conductivity and suppress dimensional changes due to changes in the balance of water and heat. With the goal.

本発明の燃料電池用電解質膜は、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子に第一の電解質樹脂が充填されたプロトン伝導性材料、及び第二の電解質樹脂を含有することを特徴とする。   An electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention includes a proton conductive material in which hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are filled with a first electrolyte resin, and a second electrolyte resin. .

このような構成の燃料電池用電解質膜は、当該電解質膜が含有する前記プロトン伝導性材料において、当該プロトン伝導性材料の外殻である前記無機微粒子の空洞内に充填された前記第一の電解質樹脂の無数のプロトン伝導性基が、前記無機微粒子表面の貫通孔から露出しているためプロトン伝導性が高く、且つ、前記第一の電解質樹脂が粒径の定まっている前記無機微粒子に閉じ込められていることから、前記プロトン伝導性材料の膨潤及び収縮が無いため、水及び熱の収支によって寸法変化が起きることがない。
また、本発明の燃料電池用電解質膜は、プロトン伝導性基を前記第一の電解質樹脂の構造中に多量に導入するというような、通常ならば流動性が高い状態であったとしても、本発明においては前記無機微粒子の空洞内に保持されるので、前記プロトン伝導性材料において形状保持性及びプロトン伝導性の両方の向上を達成することができる。
さらに、本発明の燃料電池用電解質膜は、前記第二の電解質樹脂を、製膜するためのバインダー樹脂として用いることによって、プロトン伝導性をより向上させることができる。また、本発明の燃料電池用電解質膜は、前記第二の電解質樹脂は特定の電解質樹脂に限られないため、樹脂選択の自由度が高く、当該樹脂の種類を適宜選択することによって、燃料電池の用途・目的に合わせて最適な電解質膜を得ることができる。
The electrolyte membrane for a fuel cell having such a configuration is the first electrolyte filled in a cavity of the inorganic fine particles, which is an outer shell of the proton conductive material, in the proton conductive material contained in the electrolyte membrane. Since the myriad proton conductive groups of the resin are exposed from the through-holes on the surface of the inorganic fine particles, the proton conductivity is high, and the first electrolyte resin is confined in the inorganic fine particles having a fixed particle diameter. Therefore, since the proton conductive material does not swell and contract, no dimensional change occurs due to the balance of water and heat.
Further, the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention can be used even if it is normally in a state of high fluidity such as introducing a large amount of proton conductive groups into the structure of the first electrolyte resin. In the invention, since it is held in the cavity of the inorganic fine particles, it is possible to achieve improvement in both shape retention and proton conductivity in the proton conductive material.
Furthermore, the electrolyte membrane for fuel cells of the present invention can further improve proton conductivity by using the second electrolyte resin as a binder resin for forming a membrane. In the electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention, since the second electrolyte resin is not limited to a specific electrolyte resin, the degree of freedom in selecting a resin is high. By appropriately selecting the type of the resin, the fuel cell The most suitable electrolyte membrane can be obtained according to the purpose and purpose.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記プロトン伝導性材料及び前記第二の電解質樹脂の含有量が、これら2成分の合計を100重量部としたときに、前記プロトン伝導性材料が60〜5重量部、前記第二の電解質樹脂が40〜95重量部であることが好ましい。   In the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention, when the proton conductive material and the second electrolyte resin are contained in 100 parts by weight of the total of these two components, the proton conductive material is 60-5. It is preferable that the second electrolyte resin is 40 to 95 parts by weight.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、高いプロトン伝導性、形状保持性を維持しながら、電解質膜を形成するための製膜性を十分に有することができる。   The electrolyte membrane for a fuel cell having such a configuration can sufficiently have a film forming property for forming an electrolyte membrane while maintaining high proton conductivity and shape retention.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記無機微粒子内の前記第一の電解質樹脂がSi‐O骨格を有することが好ましい。   In the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, it is preferable that the first electrolyte resin in the inorganic fine particles has a Si—O skeleton.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、当該電解質膜が含有する前記プロトン伝導性材料において、前記無機微粒子に前記第一の電解質樹脂の原料となるモノマーを充填し、重合して前記第一の電解質樹脂を合成する際に、重合反応を簡便に起こすことができるため、作製が容易である。また、本発明の燃料電池用電解質膜は、前記モノマーが、前記無機微粒子との親和性が高く充填することが容易であるため、電解質膜に含有される前記プロトン伝導性材料の合成を迅速に行うことができる。   The electrolyte membrane for a fuel cell having such a configuration is obtained by filling the inorganic fine particles with a monomer serving as a raw material for the first electrolyte resin in the proton conductive material contained in the electrolyte membrane and polymerizing the monomer. Since the polymerization reaction can be easily caused when the electrolyte resin is synthesized, the production is easy. In the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention, since the monomer has a high affinity with the inorganic fine particles and can be easily filled, the synthesis of the proton conductive material contained in the electrolyte membrane can be performed quickly. It can be carried out.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記無機微粒子がSiOであることが好ましい。 In the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, the inorganic fine particles are preferably SiO 2 .

このような構成の燃料電池用電解質膜は、前記プロトン伝導性材料の外殻である前記無機微粒子が、化学的に安定かつ剛直な無機材料であるSiOによって形成されているため、機械的特性に優れ、水及び熱の収支によって収縮/膨張することなく安定した形状を保つことができる。 The electrolyte membrane for a fuel cell having such a structure has mechanical characteristics because the inorganic fine particles, which are the outer shells of the proton conductive material, are formed of SiO 2 which is a chemically stable and rigid inorganic material. And can maintain a stable shape without contraction / expansion due to the balance of water and heat.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記プロトン伝導性材料が、前記無機微粒子のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有することが好ましい。   In the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention, the proton conductive material preferably has an ion exchange capacity larger than the ion exchange capacity of the inorganic fine particles.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、前記第一の電解質樹脂を前記無機微粒子中に充填することで、前記無機微粒子以上のプロトン伝導性を確保することができる。   The electrolyte membrane for fuel cells having such a configuration can ensure proton conductivity higher than that of the inorganic fine particles by filling the first electrolyte resin into the inorganic fine particles.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記プロトン伝導性材料のイオン交換容量が0.5meq/g以上であることが好ましい。   In the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, the proton conductive material preferably has an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、十分なプロトン伝導性を有することができる。   The fuel cell electrolyte membrane having such a configuration can have sufficient proton conductivity.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記第二の電解質樹脂のみを用いた電解質膜のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有することが好ましい。   The electrolyte membrane for fuel cells of the present invention preferably has an ion exchange capacity larger than the ion exchange capacity of the electrolyte membrane using only the second electrolyte resin.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、前記第一の電解質樹脂を前記無機微粒子中に充填した前記プロトン伝導性材料を有することで、前記第二の電解質樹脂そのもの以上のプロトン伝導性を確保することができる。   The electrolyte membrane for a fuel cell having such a configuration has a proton conductivity higher than that of the second electrolyte resin itself by including the proton conductive material in which the first electrolyte resin is filled in the inorganic fine particles. can do.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記プロトン伝導性材料の平均粒径が0.05〜10μmであることが好ましい。   In the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, the proton conductive material preferably has an average particle size of 0.05 to 10 μm.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、適切な厚さで製膜することができる。   The electrolyte membrane for a fuel cell having such a configuration can be formed with an appropriate thickness.

本発明の燃料電池用電解質膜は、前記第二の電解質樹脂が、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーであることが好ましい。   In the electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention, the second electrolyte resin is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid polymer.

このような構成の燃料電池用電解質膜は、高いプロトン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含有するため、プロトン伝導性をさらに向上させることができる。   Since the electrolyte membrane for fuel cells having such a configuration contains a perfluorocarbon sulfonic acid polymer having high proton conductivity, proton conductivity can be further improved.

本発明によれば、電解質膜が含有する前記プロトン伝導性材料において、当該プロトン伝導性材料の外殻である前記無機微粒子の空洞内に充填された前記第一の電解質樹脂の無数のプロトン伝導性基が、前記無機微粒子表面の貫通孔から露出しているためプロトン伝導性が高く、且つ、前記第一の電解質樹脂が粒径の定まっている前記無機微粒子に閉じ込められていることから、前記プロトン伝導性材料の膨潤及び収縮が無いため、水及び熱の収支によって寸法変化が起きることがない。
また、本発明によれば、プロトン伝導性基を前記第一の電解質樹脂の構造中に多量に導入するというような、通常ならば流動性が高い状態であったとしても、本発明においては前記無機微粒子の空洞内に保持されるので、前記プロトン伝導性材料において形状保持性及びプロトン伝導性の両方の向上を達成することができる。
さらに、本発明によれば、前記第二の電解質樹脂を、製膜するためのバインダー樹脂として用いることによって、プロトン伝導性をより向上させることができる。また、本発明によれば、前記第二の電解質樹脂は特定の電解質樹脂に限られないため、樹脂選択の自由度が高く、当該樹脂の種類を適宜選択することによって、燃料電池の用途・目的に合わせて最適な電解質膜を得ることができる。
According to the present invention, in the proton conductive material contained in the electrolyte membrane, the countless proton conductivity of the first electrolyte resin filled in the cavity of the inorganic fine particles, which is the outer shell of the proton conductive material. Since the group is exposed from the through-holes on the surface of the inorganic fine particles, the proton conductivity is high, and the first electrolyte resin is confined in the inorganic fine particles having a fixed particle size. Since there is no swelling and shrinkage of the conductive material, there is no dimensional change due to water and heat balance.
Further, according to the present invention, even if the fluidity is normally high, such as introducing a large amount of proton conductive groups into the structure of the first electrolyte resin, Since it is held in the cavities of the inorganic fine particles, it is possible to achieve both improvement in shape retention and proton conductivity in the proton conductive material.
Furthermore, according to the present invention, proton conductivity can be further improved by using the second electrolyte resin as a binder resin for film formation. Further, according to the present invention, since the second electrolyte resin is not limited to a specific electrolyte resin, the degree of freedom in resin selection is high, and the use / purpose of the fuel cell can be selected by appropriately selecting the type of the resin. Therefore, an optimum electrolyte membrane can be obtained.

本発明の燃料電池用電解質膜は、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子に第一の電解質樹脂が充填されたプロトン伝導性材料、及び第二の電解質樹脂を含有することを特徴とする。   An electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention includes a proton conductive material in which hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are filled with a first electrolyte resin, and a second electrolyte resin. .

以下、図面を参照しながら本発明の燃料電池用電解質膜に含有されるプロトン伝導性材料について詳しく説明する。図1は本発明の燃料電池用電解質膜に含有されるプロトン伝導性材料の典型例を示した図であり、粒子状のプロトン伝導性材料を輪切りにした図である。右下円内は断面の拡大図であり、前記第一の電解質樹脂の構造式を模式的に示した図である。右下円内のケイ素原子とスルホン酸基をつなぐ折れ線はアルキル鎖を表している。プロトン伝導性材料100は第一の電解質樹脂1と無機微粒子2とから成り、中空状の前記無機微粒子2が前記電解質樹脂1で充填されている。前記無機微粒子2は無数の貫通孔を有し、当該貫通孔を通じて前記電解質樹脂1は粒子表面に露出している。   Hereinafter, the proton conductive material contained in the fuel cell electrolyte membrane of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing a typical example of a proton conductive material contained in an electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention, and is a view obtained by cutting a particulate proton conductive material. The lower right circle is an enlarged view of the cross section, and is a diagram schematically showing the structural formula of the first electrolyte resin. The broken line connecting the silicon atom and the sulfonic acid group in the lower right circle represents an alkyl chain. The proton conductive material 100 includes a first electrolyte resin 1 and inorganic fine particles 2, and the hollow inorganic fine particles 2 are filled with the electrolyte resin 1. The inorganic fine particles 2 have innumerable through holes, and the electrolyte resin 1 is exposed on the particle surface through the through holes.

図1の右下円内に模式的に示す構造式のように、前記電解質樹脂1はSi‐O骨格を有することが好ましい。前記電解質樹脂1はスルホン酸基のようなプロトン伝導性基を有している。当該スルホン酸基が、図1の右下円内に示すように、前記無機微粒子2の貫通孔を通じて前記プロトン伝導性材料100表面に露出しているのが好ましい。   As in the structural formula schematically shown in the lower right circle of FIG. 1, the electrolyte resin 1 preferably has a Si—O skeleton. The electrolyte resin 1 has a proton conductive group such as a sulfonic acid group. The sulfonic acid group is preferably exposed on the surface of the proton conductive material 100 through the through holes of the inorganic fine particles 2 as shown in the lower right circle of FIG.

Si‐O骨格を有する電解質樹脂の典型例としては、モノマーを重合することによってSi‐O骨格が形成されたポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、前記無機微粒子に前記電解質樹脂の原料となるモノマーを充填し、重合して前記電解質樹脂を合成する際に、重合反応を簡便に起こすことができる。また前記モノマーは、前記無機微粒子との親和性が高く充填することが容易であるため、前記プロトン伝導性材料の合成を迅速に行うことができる。さらに、前記電解質樹脂がSi‐O骨格という強固なポリマー鎖を有することで、プロトン伝導性基が前記プロトン伝導性材料外へ漏れ出すことがない。
ここでいうモノマーの重合は、付加重合及び重縮合を含む。また、初めから大分子量のポリマーである樹脂は、減圧時に充填しづらいという理由から用いることはできない。したがって、充填にはモノマーを用いることができる。
A typical example of the electrolyte resin having a Si—O skeleton is a polymer in which a Si—O skeleton is formed by polymerizing a monomer. Such a polymer can easily cause a polymerization reaction when the inorganic fine particles are filled with a monomer as a raw material of the electrolyte resin and polymerized to synthesize the electrolyte resin. Further, since the monomer has a high affinity with the inorganic fine particles and can be easily filled, the proton conductive material can be synthesized quickly. Furthermore, since the electrolyte resin has a strong polymer chain called a Si—O skeleton, proton conductive groups do not leak out of the proton conductive material.
The polymerization of the monomer here includes addition polymerization and polycondensation. In addition, a resin that is a polymer having a large molecular weight from the beginning cannot be used because it is difficult to fill at the time of decompression. Therefore, a monomer can be used for filling.

モノマーとしては、中空状無機微粒子の空洞内に充填すべき電解質樹脂の繰り返し単位となる化合物が用いられる。
例えば、従来から固体高分子型燃料電池の分野で用いられているパーフルオロカーボンスルホン酸を無機微粒子に充填したい場合には、フルオロエチレン等のフルオロカーボン骨格を形成するモノマーを用いることができる。
Si‐O骨格を有する電解質樹脂を無機微粒子に充填したい場合には、スルホン酸基又はその前駆体基を有するヒドロカーボンオキシシラン化合物及び/又はシラノール化合物を用いることができる。ここで用い得るヒドロカーボンオキシシラン化合物とは、スルホン酸基又はその前駆体基がケイ素原子に直接又は間接的に結合すると共に、異種原子を含んでいてもよいヒドロカーボンオキシ基が同じケイ素原子に結合した構造を有する化合物である。ヒドロカーボンオキシ基とは、例えばアルコキシ基又はアリールオキシ基のように、脂肪族又は芳香族の炭化水素基に酸素原子が結合した構造を有し、当該酸素原子がケイ素原子に対し結合する基である。ヒドロカーボンオキシ基は異種原子を含んでいてもよい。スルホン酸基又はその前駆体基がケイ素原子に間接的に結合する場合には、例えば、脂肪族又は芳香族の炭化水素基を介して結合していてもよく、この炭化水素基は異種原子を含んでいてもよい。また、ここで用い得るシラノール化合物とは、スルホン酸基又はその前駆体基がケイ素原子に直接又は間接的に結合すると共に、水酸基が同じケイ素原子に結合した構造を有する化合物である。
上記ヒドロカーボンオキシシラン化合物及び/又は上記シラノール化合物としては、例えば、Si原子に、スルホン酸炭化水素基(異種原子を含んでいてもよい)と、水酸基(−OH)及び/又はアルコキシ基若しくはアリールオキシ基(異種原子を含んでいてもよい)とが結合したケイ素化合物が好ましく用いられる。より具体的には、下記式(1)、式(2)及び式(3)で表わされる構造を有するものが挙げられる。
As the monomer, a compound that is a repeating unit of the electrolyte resin to be filled in the cavity of the hollow inorganic fine particles is used.
For example, when it is desired to fill inorganic fine particles with perfluorocarbon sulfonic acid conventionally used in the field of polymer electrolyte fuel cells, a monomer that forms a fluorocarbon skeleton such as fluoroethylene can be used.
When it is desired to fill the inorganic fine particles with an electrolyte resin having a Si—O skeleton, a hydrocarbonoxysilane compound and / or a silanol compound having a sulfonic acid group or a precursor group thereof can be used. The hydrocarbonoxysilane compound that can be used here is a sulfonic acid group or a precursor group thereof bonded directly or indirectly to a silicon atom, and a hydrocarbonoxy group that may contain a different atom is bonded to the same silicon atom. A compound having a bonded structure. The hydrocarbonoxy group is a group in which an oxygen atom is bonded to an aliphatic or aromatic hydrocarbon group such as an alkoxy group or an aryloxy group, and the oxygen atom is bonded to a silicon atom. is there. The hydrocarbonoxy group may contain a hetero atom. When the sulfonic acid group or its precursor group is indirectly bonded to the silicon atom, it may be bonded via, for example, an aliphatic or aromatic hydrocarbon group, and the hydrocarbon group is bonded to a hetero atom. May be included. The silanol compound that can be used here is a compound having a structure in which a sulfonic acid group or a precursor group thereof is bonded directly or indirectly to a silicon atom and a hydroxyl group is bonded to the same silicon atom.
Examples of the hydrocarbonoxysilane compound and / or the silanol compound include, for example, a Si atom, a sulfonic acid hydrocarbon group (which may contain a different atom), a hydroxyl group (—OH) and / or an alkoxy group or an aryl group. A silicon compound bonded to an oxy group (which may contain a different atom) is preferably used. More specifically, those having a structure represented by the following formula (1), formula (2) and formula (3) can be mentioned.

Figure 2010009851
(式中、Rは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基であり、且つ、n=1〜4である。)
Figure 2010009851
(In the formula, R 1 is an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms or an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, and n = 1 to 4).

スルホン酸基の前駆体基を有するモノマーとしては、上述したスルホン酸基を有するモノマーに誘導可能な化合物を用いることができ、例えば、上記式(1)、式(2)及び式(3)に対応するモノマーとしては、下記式(4)、式(5)及び式(6)で表わされる構造を有するものが挙げられる。   As the monomer having a sulfonic acid group precursor group, a compound that can be derived from the above-described monomer having a sulfonic acid group can be used. For example, in the above formulas (1), (2), and (3) Examples of the corresponding monomer include those having a structure represented by the following formula (4), formula (5), and formula (6).

Figure 2010009851
(式中、R〜Rは互いに独立であり、水素原子、異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基、及び異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数6〜10の芳香族炭化水素基からなる群から選択される官能基である。また、n=1〜4である。X〜Xは互いに独立であり、チオール基、スルフィニル基、スルホン酸フルオリド、スルホン酸クロリド、スルホン酸ブロミド、スルホン酸ヨージド、スルホン酸リチウム、スルホン酸カリウム又はスルホン酸ナトリウム等のスルホン酸基の前駆体基のうちのいずれかから選択される官能基である。)
Figure 2010009851
(In the formula, R 2 to R 9 are independent of each other, and may contain a hydrogen atom, a heteroatom, or preferably an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms and a heteroatom. Is a functional group selected from the group consisting of aromatic hydrocarbon groups having 6 to 10 carbon atoms, and n = 1 to 4. X 1 to X 4 are independent of each other, and are a thiol group or a sulfinyl group. , Sulfonic acid fluoride, sulfonic acid chloride, sulfonic acid bromide, sulfonic acid iodide, lithium sulfonic acid, potassium sulfonate, sodium sulfonate, and other functional groups selected from precursor groups of sulfonic acid groups .)

なお、前記電解質樹脂の合成に際し、モノマーは2種類以上用いてもよい。   In synthesizing the electrolyte resin, two or more monomers may be used.

スルホン酸基の前駆体基をスルホン酸基に変換する方法としては、例えば当該前駆体基がチオール基、スルフィニル基の場合には過酸化水素水等の酸化剤を加えることによりスルホン酸基に変換することができ、あるいは前記前駆体基がスルホン酸フルオリド、スルホン酸クロリド、スルホン酸ブロミド、スルホン酸ヨージド、スルホン酸リチウム、スルホン酸カリウム又はスルホン酸ナトリウム等の場合には塩酸若しくは硫酸等の酸又は水酸化ナトリウム水溶液などの塩基を加えることによりスルホン酸基に変換することができる。
また、スルホン酸基の前駆体基は上記に示すものに限らず、例えば、上記式(4)乃至(6)中のX〜Xが末端オレフィンである場合も含む。この場合には、三酸化硫黄を作用させた後塩基処理することによって、末端にスルホン酸基を有するアルキル基へと変換することができる。
As a method for converting a precursor group of a sulfonic acid group into a sulfonic acid group, for example, when the precursor group is a thiol group or a sulfinyl group, it is converted into a sulfonic acid group by adding an oxidizing agent such as hydrogen peroxide. Or when the precursor group is sulfonic acid fluoride, sulfonic acid chloride, sulfonic acid bromide, sulfonic acid iodide, lithium sulfonic acid, potassium sulfonic acid, sodium sulfonic acid or the like, an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid, or It can be converted to a sulfonic acid group by adding a base such as an aqueous sodium hydroxide solution.
Further, the precursor group of the sulfonic acid group is not limited to the above, and includes, for example, the case where X 1 to X 4 in the above formulas (4) to (6) are terminal olefins. In this case, it can be converted into an alkyl group having a sulfonic acid group at the terminal by treating with sulfur trioxide and then treating with a base.

前記電解質樹脂1はその他にも、通常燃料電池において使用される高分子電解質を用いることができる。ここでいう高分子電解質とは、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入した炭化水素系高分子電解質が挙げられる。   In addition, the electrolyte resin 1 may be a polymer electrolyte usually used in a fuel cell. Polyelectrolyte here refers to polyether polymer ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, in addition to fluorine-based polymer electrolytes such as perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name). Protonic acid groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, and boronic acid groups on hydrocarbon polymers such as engineering plastics such as polyphenylene ether and polyparaphenylene, and general-purpose plastics such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene ( Hydrocarbon polymer electrolytes into which proton conductive groups) have been introduced.

前記無機微粒子2は、粒子内部に十分な充填量を確保することができ、且つ、前記電解質樹脂1の原料となるモノマーの充填時に、流動に対する内部抵抗が小さく且つ充填しやすいことが求められる。完全な中空体に限定されるわけではなく、柱上、隔壁状の内部組織を若干有していてもよい。   The inorganic fine particles 2 are required to have a sufficient filling amount inside the particles, and have a low internal resistance to flow and are easy to be filled when the monomer as the raw material of the electrolyte resin 1 is filled. It is not necessarily limited to a complete hollow body, and may have some internal structures in the form of partitions on the pillars.

また、前記無機微粒子2が表面に有する貫通孔は、前記電解質樹脂1の原料となるモノマーの充填時に流動に対する抵抗が小さくて充填しやすいこと、且つ、粒子内部でモノマーが付加重合又は重縮合されて生成した電解質樹脂が流出し難い、適切な範囲の大きさを有することが求められる。   In addition, the through-holes on the surface of the inorganic fine particles 2 have a low resistance to flow when the monomer as the raw material of the electrolyte resin 1 is filled, and the monomer is addition-polymerized or polycondensed inside the particles. It is required that the electrolyte resin produced in this way has a size in an appropriate range that does not easily flow out.

上記のような前記無機微粒子2内部及び貫通孔の性質を満たすために、当該無機微粒子2はSiOであることが好ましい。前記プロトン伝導性材料100は、SiOによる剛直な殻を有することから機械的特性に優れるという利点もある。 In order to satisfy the properties of the inside of the inorganic fine particles 2 and the through holes as described above, the inorganic fine particles 2 are preferably SiO 2 . Since the proton conductive material 100 has a rigid shell made of SiO 2, it has an advantage of excellent mechanical properties.

無機微粒子としては主成分がSiOであるマイクロカプセル(商品名:ワシンマイクロカプセル)を用いるのが好ましいが、他の無機微粒子多孔質中空体を用いてもよい。具体的には、上記SiOの他にはシルセスオキサンやゼオライト等が挙げられる。ただし、メソポーラスシリカは、粒子内部から第一の電解質樹脂が簡単に流出してしまい、当該第一の電解質樹脂を保持しにくいことから、本発明で用いられる中空状無機微粒子には該当しない。
無機微粒子の製造方法としては、カチオン界面活性基を有するビニルモノマー共存下で、スチレンモノマーを重合させて、表面にイオン性基を有するポリスチレン微粒子を得る。そのポリスチレン微粒子にテトラエトキシシランを加水分解縮合反応させ、ポリスチレン微粒子表面にシリカを形成する。次にポリスチレンを溶媒で溶解除去することによって、中空のシリカマイクロカプセルを得る。
なお、マイクロカプセルは前記プロトン伝導性材料製造前に塩酸等の酸による処理を行い、不純物を予め除くことが必要である。
As the inorganic fine particles, it is preferable to use microcapsules (trade name: Washin microcapsules) whose main component is SiO 2 , but other inorganic fine particle porous hollow bodies may be used. Specifically, in addition to the above SiO 2 , silsesoxane, zeolite, and the like can be given. However, mesoporous silica does not correspond to the hollow inorganic fine particles used in the present invention because the first electrolyte resin easily flows out from the inside of the particles and it is difficult to hold the first electrolyte resin.
As a method for producing inorganic fine particles, styrene monomer is polymerized in the presence of a vinyl monomer having a cationic surfactant group to obtain polystyrene fine particles having an ionic group on the surface. The polystyrene fine particles are subjected to a hydrolytic condensation reaction of tetraethoxysilane to form silica on the surfaces of the polystyrene fine particles. Next, hollow silica microcapsules are obtained by dissolving and removing polystyrene with a solvent.
The microcapsules must be treated with an acid such as hydrochloric acid prior to the production of the proton conductive material to remove impurities in advance.

前記プロトン伝導性材料100は、前記無機微粒子2そのもののイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有することが好ましく、前記プロトン伝導性材料100の当該イオン交換容量は0.5meq/g以上であることが好ましい。仮に前記プロトン伝導性材料100のイオン交換容量が前記無機微粒子2のイオン交換容量よりも小さいとすると、イオン伝導性基を追加してもイオン伝導能の向上は望めない。また、仮に前記プロトン伝導性材料100の前記イオン交換容量が0.5meq/g未満であるとすると、当該プロトン伝導性材料100を燃料電池の電解質膜に用いた際、十分な発電効率が望めない。
したがって、上記のようなイオン交換容量を有する前記プロトン伝導性材料は、前記第一の電解質樹脂を前記無機微粒子中に充填することで、当該無機微粒子以上のプロトン伝導能を確保することができ、且つ、燃料電池の電解質膜に用いるにあたって、十分なプロトン伝導能を発揮することができる。
The proton conductive material 100 preferably has an ion exchange capacity larger than the ion exchange capacity of the inorganic fine particles 2 itself, and the ion exchange capacity of the proton conductive material 100 is 0.5 meq / g or more. Is preferred. If the ion exchange capacity of the proton conductive material 100 is smaller than the ion exchange capacity of the inorganic fine particles 2, no improvement in ion conductivity can be expected even if an ion conductive group is added. Further, if the proton exchange capacity of the proton conductive material 100 is less than 0.5 meq / g, sufficient power generation efficiency cannot be expected when the proton conductive material 100 is used for an electrolyte membrane of a fuel cell. .
Therefore, the proton conductive material having the ion exchange capacity as described above can ensure proton conductivity higher than the inorganic fine particles by filling the first electrolyte resin in the inorganic fine particles. In addition, when used for an electrolyte membrane of a fuel cell, sufficient proton conductivity can be exhibited.

また、前記プロトン伝導性材料100の平均粒径が0.05〜10μmであることが好ましい。
仮に前記プロトン伝導性材料100の平均粒径が0.05μm未満では、十分量充填された電解質樹脂を保持するだけの十分な大きさではない。逆に前記プロトン伝導性材料100の平均粒径が10μmを超えると、適切な厚さの電解質膜に用いることが不可能になってしまう。
さらに好ましくは、粒子の破壊を回避する観点から、前記無機微粒子2のかさ密度が、当該無機微粒子2の真密度の5%以上であればよい。
The proton conductive material 100 preferably has an average particle size of 0.05 to 10 μm.
If the average particle size of the proton conductive material 100 is less than 0.05 μm, it is not large enough to hold a sufficiently filled electrolyte resin. Conversely, when the average particle size of the proton conductive material 100 exceeds 10 μm, it cannot be used for an electrolyte membrane having an appropriate thickness.
More preferably, from the viewpoint of avoiding particle destruction, the bulk density of the inorganic fine particles 2 may be 5% or more of the true density of the inorganic fine particles 2.

上述したモノマーの無機微粒子への充填条件としては、減圧度として1〜200mmHg、20〜100℃、1〜6時間行うのが好ましい。また、モノマーの無機微粒子内における重合条件としては、減圧下で80〜150℃、2〜24時間加熱処理を行うのが好ましい。   As a filling condition of the above-mentioned monomer into the inorganic fine particles, it is preferable to carry out 1 to 200 mmHg, 20 to 100 ° C., and 1 to 6 hours as the degree of vacuum. Moreover, as polymerization conditions in the inorganic fine particles of the monomer, it is preferable to perform heat treatment at 80 to 150 ° C. for 2 to 24 hours under reduced pressure.

本発明の燃料電池用電解質膜は、上述したプロトン伝導性材料と共に、第二の電解質樹脂を含有する。当該第二の電解質樹脂は特定の樹脂に限られないため、樹脂選択の自由度が高い。
第二の電解質樹脂の種類は、燃料電池の用途・目的に合わせて適宜選択することによって、最適な電解質膜を得ることができる。例えば、上述したフッ素系高分子電解質樹脂、炭化水素系高分子電解質樹脂等を用いることができる。また、これらのうち複数種類を前記プロトン伝導性材料と混合して電解質膜に用いることもできる。
The electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention contains a second electrolyte resin together with the proton conductive material described above. Since the second electrolyte resin is not limited to a specific resin, the degree of freedom in resin selection is high.
An optimal electrolyte membrane can be obtained by appropriately selecting the type of the second electrolyte resin according to the use and purpose of the fuel cell. For example, the above-described fluorine-based polymer electrolyte resin, hydrocarbon-based polymer electrolyte resin, or the like can be used. In addition, a plurality of them can be mixed with the proton conductive material and used for the electrolyte membrane.

本発明の燃料電池用電解質膜は、第二の電解質樹脂のみを用いた電解質膜のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有することが好ましい。これは、仮に本発明の燃料電池用電解質膜のイオン交換容量が、第二の電解質樹脂のみを用いた電解質膜のイオン交換容量よりも小さいとすると、上述したプロトン伝導性材料を追加して混合してもイオン伝導能の向上は望めないからである。   The electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention preferably has an ion exchange capacity that is larger than the ion exchange capacity of the electrolyte membrane using only the second electrolyte resin. If the ion exchange capacity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention is smaller than the ion exchange capacity of the electrolyte membrane using only the second electrolyte resin, the above proton conductive material is added and mixed. Even so, it is not possible to improve the ion conductivity.

上述した電解質樹脂のうち、前記第二の電解質樹脂が、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーであることが好ましい。これは、高いプロトン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含有するため、本発明の電解質膜のプロトン伝導性をさらに向上させることができるからである。   Of the electrolyte resins described above, the second electrolyte resin is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. This is because the proton conductivity of the electrolyte membrane of the present invention can be further improved because it contains a perfluorocarbon sulfonic acid polymer having high proton conductivity.

前記プロトン伝導性材料及び前記第二の電解質樹脂の含有量が、これら2成分の合計を100重量部としたときに、前記プロトン伝導性材料が60〜5重量部、前記第二の電解質樹脂が40〜95重量部であることが好ましい。前記プロトン伝導性材料が5重量部より少ない場合、本発明の効果である、高いプロトン伝導性を有する電解質膜を得ることが難しい。また、前記第二の電解質樹脂が40重量部より少ない場合、電解質膜を形成するための製膜性が不十分となる場合がある。
なお、前記プロトン伝導性材料が40〜10重量部、前記第二の電解質樹脂が60〜90重量部であることがより好ましく、前記プロトン伝導性材料が30〜15重量部、前記第二の電解質樹脂が70〜85重量部であることが最も好ましい。
When the content of the proton conductive material and the second electrolyte resin is 100 parts by weight of the total of these two components, the proton conductive material is 60 to 5 parts by weight, and the second electrolyte resin is It is preferable that it is 40-95 weight part. When the proton conductive material is less than 5 parts by weight, it is difficult to obtain an electrolyte membrane having high proton conductivity, which is an effect of the present invention. Moreover, when there is less said 2nd electrolyte resin than 40 weight part, the film forming property for forming an electrolyte membrane may become inadequate.
More preferably, the proton conductive material is 40 to 10 parts by weight and the second electrolyte resin is 60 to 90 parts by weight, and the proton conductive material is 30 to 15 parts by weight, and the second electrolyte. Most preferably, the resin is 70 to 85 parts by weight.

電解質膜の製膜方法としては、適切な溶媒に前記第二の電解質樹脂を溶解した後、前記プロトン伝導性材料を加えよく攪拌し、その溶液をガラス板等の平滑面上にほぼ均一に広げた後に、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス気流下において乾燥を行うのが好ましい。なお、溶媒が膜内に残る場合には、高温真空乾燥を行うこともできる。この時、溶媒としてはジメチルスルホキシド(DMSO)、N‐メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMA)等又はこれらの混合溶媒を用いることができる。
電解質膜の製膜方法としてはこの他にも、従来用いられている方法を採用することができ、その主なものとしては溶融押し出し法、ドクターブレード法等が挙げられる。
As a method for forming an electrolyte membrane, after dissolving the second electrolyte resin in an appropriate solvent, the proton conductive material is added and stirred well, and the solution is spread almost evenly on a smooth surface such as a glass plate. Thereafter, drying is preferably performed under an inert gas stream such as nitrogen gas or argon gas. In addition, when a solvent remains in a film | membrane, high temperature vacuum drying can also be performed. At this time, as a solvent, dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMA), or a mixed solvent thereof can be used.
In addition to this, a conventionally used method can be employed as a method for forming the electrolyte membrane, and the main methods include a melt extrusion method, a doctor blade method, and the like.

本発明によれば、本発明の電解質膜が含有するプロトン伝導性材料において、当該プロトン伝導性材料の外殻である無機微粒子の空洞内に充填された第一の電解質樹脂の無数のプロトン伝導性基が、無機微粒子表面の貫通孔から露出しているためプロトン伝導性が高く、且つ、第一の電解質樹脂が粒径の定まっている無機微粒子に閉じ込められていることから、プロトン伝導性材料の膨潤及び収縮が無いため、水及び熱の収支によって寸法変化が起きることがない。
また、本発明によれば、プロトン伝導性基を第一の電解質樹脂の構造中に多量に導入するというような、通常ならば流動性が高い状態であったとしても、本発明においては無機微粒子の空洞内に保持されるので、プロトン伝導性材料において形状保持性及びプロトン伝導性の両方の向上を達成することができる。
さらに、本発明によれば、第二の電解質樹脂を、製膜するためのバインダー樹脂として用いることによって、プロトン伝導性をより向上させることができる。また、本発明によれば、第二の電解質樹脂は特定の電解質樹脂に限られないため、樹脂選択の自由度が高く、樹脂の種類を適宜選択することによって、燃料電池の用途・目的に合わせて最適な電解質膜を得ることができる。
According to the present invention, in the proton conductive material contained in the electrolyte membrane of the present invention, the countless proton conductivity of the first electrolyte resin filled in the cavity of the inorganic fine particles, which is the outer shell of the proton conductive material. Since the group is exposed from the through-holes on the surface of the inorganic fine particles, the proton conductivity is high, and the first electrolyte resin is confined in the inorganic fine particles having a fixed particle size. Since there is no swelling and shrinkage, there is no dimensional change due to water and heat balance.
Further, according to the present invention, the inorganic fine particles are used in the present invention even if the fluidity is normally high, such as introducing a large amount of proton conductive groups into the structure of the first electrolyte resin. Therefore, both shape retention and proton conductivity can be improved in the proton conductive material.
Furthermore, according to the present invention, proton conductivity can be further improved by using the second electrolyte resin as a binder resin for film formation. Further, according to the present invention, since the second electrolyte resin is not limited to a specific electrolyte resin, there is a high degree of freedom in resin selection, and by appropriately selecting the type of resin, the second electrolyte resin can be adapted to the application and purpose of the fuel cell. And an optimum electrolyte membrane can be obtained.

1.無機微粒子の前処理
表面上に貫通孔を有する中空状の無機微粒子としてマイクロカプセル(商品名:ワシンマイクロカプセル)10.0gを、0.1Nの塩酸200mL中に加え、1日攪拌した。その後静置してマイクロカプセルを沈殿させ、上澄み液を取り除いた。蒸留水を200mL加えてよく攪拌した後、同様に静置・上澄み液の除去を行った。このように、蒸留水の追加・攪拌・上澄み液の除去を、pH=7程度になるまで繰り返した。
最後に、残った沈殿物を、120℃、真空下の条件で6時間減圧乾燥した。
1. Pretreatment of inorganic fine particles 10.0 g of microcapsules (trade name: Washin Microcapsule) as hollow inorganic fine particles having through-holes on the surface were added to 200 mL of 0.1N hydrochloric acid and stirred for one day. Thereafter, the mixture was allowed to stand to precipitate microcapsules, and the supernatant was removed. After adding 200 mL of distilled water and stirring well, it was allowed to stand and the supernatant was removed in the same manner. Thus, addition of distilled water, stirring, and removal of the supernatant were repeated until pH = 7.
Finally, the remaining precipitate was dried under reduced pressure at 120 ° C. under vacuum for 6 hours.

2.プロトン伝導性材料の製造
[合成例]
上述した前処理後のマイクロカプセル0.10gを、スルホン酸基を有するモノマーとして濃度30wt%の3‐(トリヒドロキシシリル)‐1‐プロパンスルホン酸溶液(Gelest製)1.54gに加えた。その後、マイクロカプセルに前記モノマーを充填するために減圧(100mmHg、25℃、2時間)を行った。さらに3時間減圧して、水分を除去した。続いて減圧下で80℃、12時間加熱処理を行ってモノマーの重合を行った。その後、乳鉢を用いて均一化した後、イオン交換水で3回洗浄を行い、減圧乾燥(120℃、6時間)を行った。その結果、0.36gの白色固体である、プロトン伝導性材料を得た。
2. Proton conductive material production [Synthesis example]
0.10 g of the pre-treated microcapsules described above was added to 1.54 g of a 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid solution (manufactured by Gelest) having a concentration of 30 wt% as a monomer having a sulfonic acid group. Then, pressure reduction (100 mmHg, 25 degreeC, 2 hours) was performed in order to fill the said microcapsule with the said monomer. The pressure was further reduced for 3 hours to remove moisture. Subsequently, the monomer was polymerized by heat treatment at 80 ° C. for 12 hours under reduced pressure. Then, after homogenizing using a mortar, it wash | cleaned 3 times with ion-exchange water, and dried under reduced pressure (120 degreeC, 6 hours). As a result, 0.36 g of a proton conductive material which was a white solid was obtained.

3.電解質膜の製造
[実施例1]
ナスフラスコの中で窒素下、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの一種であるナフィオン(商品名)0.10g(75重量部)をDMA1.5mLに溶解させ、上記合成例で合成したプロトン伝導性材料0.033g(25重量部、平均粒径3〜5μm)を加え、窒素下室温で1日攪拌した。
目視でよく分散していることを確認した後、攪拌を終了し、溶液をガラス板上にほぼ均一に広げた。ガラス板上の溶液を窒素気流下で60℃、24時間放置したところ、湿潤ゲル膜を得た。当該湿潤ゲル膜中の残留溶媒を除去するために、120℃、真空下の条件で12時間減圧乾燥したところ、半透明で柔軟性のある電解質膜を得た。
3. Production of electrolyte membrane [Example 1]
Under a nitrogen flask, 0.10 g (75 parts by weight) of Nafion (trade name), which is a kind of perfluorocarbon sulfonic acid polymer, was dissolved in 1.5 mL of DMA, and the proton conductive material synthesized in the above synthesis example. 033 g (25 parts by weight, average particle size 3 to 5 μm) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 1 day under nitrogen.
After confirming that it was well dispersed visually, stirring was terminated and the solution was spread almost uniformly on the glass plate. When the solution on the glass plate was allowed to stand at 60 ° C. for 24 hours under a nitrogen stream, a wet gel film was obtained. In order to remove the residual solvent in the wet gel film, it was dried under reduced pressure at 120 ° C. under vacuum for 12 hours to obtain a translucent and flexible electrolyte film.

[実施例2]
ナスフラスコの中で窒素下、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの一種であるナフィオン(商品名)0.10g(83重量部)をDMA1.5mLに溶解させ、上記合成例で合成したプロトン伝導性材料0.020g(17重量部、平均粒径3〜5μm)を加え、窒素下室温で1日攪拌した。後の電解質膜のキャスト方法及び乾燥方法は実施例1と同様である。
[Example 2]
Under a nitrogen flask, 0.10 g (83 parts by weight) of Nafion (trade name), which is a kind of perfluorocarbon sulfonic acid polymer, was dissolved in 1.5 mL of DMA, and the proton-conductive material synthesized in the above synthesis example was obtained in a 0. 020 g (17 parts by weight, average particle size 3 to 5 μm) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 1 day under nitrogen. The subsequent casting method and drying method of the electrolyte membrane are the same as in Example 1.

[実施例3]
ナスフラスコの中で窒素下、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの一種であるナフィオン(商品名)0.10g(91重量部)をDMA1.5mLに溶解させ、上記合成例で合成したプロトン伝導性材料0.010g(9重量部、平均粒径3〜5μm)を加え、窒素下室温で1日攪拌した。後の電解質膜のキャスト方法及び乾燥方法は実施例1と同様である。
[Example 3]
In an eggplant flask, 0.10 g (91 parts by weight) of Nafion (trade name), which is a kind of perfluorocarbon sulfonic acid polymer, was dissolved in 1.5 mL of DMA, and the proton conductive material synthesized in the above synthesis example was added in an oxygen flask. 010 g (9 parts by weight, average particle size 3 to 5 μm) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 1 day under nitrogen. The subsequent casting method and drying method of the electrolyte membrane are the same as in Example 1.

4.電解質膜のプロトン伝導度の測定及び評価
実施例1の電解質膜及び、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー電解質膜の一種であるナフィオン膜について、交流インピーダンス測定を行うことにより、プロトン伝導度の測定を行った。なお、本発明の電解質膜及びナフィオン膜を、相対湿度95%又は80%、80℃において3時間放置し、それぞれ平衡状態となった後にインピーダンス測定を行った。
4). Measurement and Evaluation of Proton Conductivity of Electrolyte Membrane Proton conductivity was measured by measuring AC impedance of the electrolyte membrane of Example 1 and a Nafion membrane which is a kind of perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane. The electrolyte membrane and Nafion membrane of the present invention were allowed to stand for 3 hours at a relative humidity of 95% or 80% and 80 ° C., and the impedance was measured after each was in an equilibrium state.

図2は、本発明の燃料電池用電解質膜の相対湿度95%又は80%におけるプロトン伝導度を示した棒グラフであり、ナフィオン膜との比較を行った結果を示した図である。
本発明の燃料電池用電解質膜の相対湿度95%におけるプロトン伝導度(左端の棒グラフ)は、0.09(S/cm)以上であり、同じ相対湿度におけるナフィオン膜のプロトン伝導度(左から二番目の棒グラフ)が0.04(S/cm)未満であったのと比較して、倍以上のプロトン伝導度を示すことが分かった。
また、本発明の燃料電池用電解質膜は、相対湿度80%においても0.035(S/cm)(左から三番目の棒グラフ)と、ナフィオン膜(右端の棒グラフ)と比較して、高いプロトン伝導度を示すことが分かった。
FIG. 2 is a bar graph showing the proton conductivity of the electrolyte membrane for fuel cells of the present invention at a relative humidity of 95% or 80%, showing the result of comparison with the Nafion membrane.
The proton conductivity (left bar graph) of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention at 95% relative humidity is 0.09 (S / cm) or more, and the proton conductivity of the Nafion membrane at the same relative humidity (two from the left). It was found that the proton conductivity was more than double that of the second bar graph) less than 0.04 (S / cm).
In addition, the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention has a higher proton than 0.035 (S / cm) (third bar graph from the left) and Nafion membrane (right bar graph) even at a relative humidity of 80%. It was found to show conductivity.

5.電解質膜の寸法変化の測定及び評価
実施例1の電解質膜及び、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー電解質膜の一種であるナフィオン膜について、縦10mm、横10mm、厚さ0.05mmに成形したものを2枚ずつ用意した。実施例1の電解質膜と前記ナフィオン膜とについて、条件1(80℃、水中)下に1枚ずつ、条件2(80℃、大気圧下)下に1枚ずつ、それぞれ放置した。30分後、それぞれの膜の寸法(平面方向長さ)をマイクロメーターで測定した。
条件1における寸法と、条件2における寸法との差を寸法変化量とし、当該寸法変化量を、条件1下又は条件2下に放置する前の膜の初期寸法で割った値を、寸法変化率とした。
5). Measurement and Evaluation of Dimensional Change of Electrolyte Membrane Two of the electrolyte membrane of Example 1 and a Nafion membrane, which is a kind of perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane, molded into a length of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.05 mm Prepared one by one. The electrolyte membrane of Example 1 and the Nafion membrane were allowed to stand one by one under condition 1 (80 ° C., in water) and one by one under condition 2 (80 ° C., under atmospheric pressure). After 30 minutes, the dimension (length in the planar direction) of each film was measured with a micrometer.
The difference between the dimension in condition 1 and the dimension in condition 2 is defined as the dimensional change amount, and the value obtained by dividing the dimensional change amount by the initial dimension of the film before being left under condition 1 or condition 2 is the dimensional change rate. It was.

Figure 2010009851
Figure 2010009851

表1は、本発明の燃料電池用電解質膜の面方向における寸法変化率を示した表であり、ナフィオン膜との比較を行った結果の表である。本発明の電解質膜の寸法変化率は、2%前後に留まった。これは、20%近い寸法変化率を示したナフィオン膜と比較すると明らかなように、大幅な寸法変化抑制が達成できたことを示している。   Table 1 is a table showing the dimensional change rate in the surface direction of the electrolyte membrane for fuel cells of the present invention, and is a table showing the result of comparison with the Nafion membrane. The dimensional change rate of the electrolyte membrane of the present invention remained around 2%. This shows that significant dimensional change suppression was achieved, as is clear when compared with a Nafion membrane that exhibited a dimensional change rate of nearly 20%.

6.まとめ
以上の測定結果から、本発明の電解質膜は、従来技術のパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー電解質膜と比較して、高いプロトン伝導性及び形状保持性を示すことが明らかとなった。
6). Summary From the above measurement results, it has been clarified that the electrolyte membrane of the present invention exhibits higher proton conductivity and shape retention than the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane of the prior art.

本発明の燃料電池用電解質膜に含有されるプロトン伝導性材料の典型例を示した図であり、粒子状のプロトン伝導性材料を輪切りにした図である。It is the figure which showed the typical example of the proton-conductive material contained in the electrolyte membrane for fuel cells of this invention, and is the figure which cut the particulate proton-conductive material into pieces. 本発明の燃料電池用電解質膜の相対湿度95%又は80%におけるプロトン伝導度を示した棒グラフであり、ナフィオン膜との比較を行った結果を示した図である。It is the bar graph which showed the proton conductivity in 95% or 80% of relative humidity of the electrolyte membrane for fuel cells of this invention, and is the figure which showed the result compared with the Nafion membrane.

符号の説明Explanation of symbols

1…第一の電解質樹脂
2…無機微粒子
100…プロトン伝導性材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st electrolyte resin 2 ... Inorganic fine particle 100 ... Proton conductive material

Claims (9)

表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子に第一の電解質樹脂が充填されたプロトン伝導性材料、及び第二の電解質樹脂を含有することを特徴とする、燃料電池用電解質膜。   A fuel cell electrolyte membrane, comprising: a proton conductive material in which hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are filled with a first electrolyte resin; and a second electrolyte resin. 前記プロトン伝導性材料及び前記第二の電解質樹脂の含有量が、これら2成分の合計を100重量部としたときに、前記プロトン伝導性材料が60〜5重量部、前記第二の電解質樹脂が40〜95重量部である、請求項1に記載の燃料電池用電解質膜。   When the content of the proton conductive material and the second electrolyte resin is 100 parts by weight of the total of these two components, the proton conductive material is 60 to 5 parts by weight, and the second electrolyte resin is The electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is 40 to 95 parts by weight. 前記無機微粒子内の前記第一の電解質樹脂がSi‐O骨格を有する、請求項1又は2に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the first electrolyte resin in the inorganic fine particles has a Si-O skeleton. 前記無機微粒子がSiOである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質膜。 The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the inorganic fine particles are SiO 2 . 前記プロトン伝導性材料が、前記無機微粒子のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the proton conductive material has an ion exchange capacity larger than that of the inorganic fine particles. 前記プロトン伝導性材料のイオン交換容量が0.5meq/g以上である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein an ion exchange capacity of the proton conductive material is 0.5 meq / g or more. 前記第二の電解質樹脂のみを用いた電解質膜のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, which has an ion exchange capacity larger than an ion exchange capacity of an electrolyte membrane using only the second electrolyte resin. 前記プロトン伝導性材料の平均粒径が0.05〜10μmである、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the proton conductive material has an average particle size of 0.05 to 10 µm. 前記第二の電解質樹脂が、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーである、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the second electrolyte resin is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer.
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