JP2010040252A - Ionic conductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イオン伝導体に係り、更に詳細には、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質を含有し、所定の構造を有するイオン伝導体、このイオン伝導体を適用した電気化学セル及び燃料電池に関する。
かかるイオン伝導体は、例えば、燃料電池、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、色素増感型太陽電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどの電解質として好適に用いることができる。
The present invention relates to an ionic conductor, and more specifically, an ionic conductor having two or more electrolytes having different compatibility with water and having a predetermined structure, an electrochemical cell to which the ionic conductor is applied, and The present invention relates to a fuel cell.
Such ionic conductors include, for example, fuel cells, lithium ion batteries, electric double layer capacitors, dye-sensitized solar cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors, etc. It can be suitably used as an electrolyte.
近年、エネルギーを多大に消費している国々においては、環境問題、エネルギー問題の解決が大きな課題となっている。
燃料電池は、発電効率が高く環境負荷抑制に優れており、これらの問題の解決に貢献が期待されている次世代型エネルギー供給デバイスである。
また、燃料電池は、電解質の種類により分類されるが、中でも固体高分子形燃料電池は、小型で且つ高出力を得ることができる。このため、小規模の定置型用、移動体用、携帯端末用のエネルギー供給源としての適用について研究・開発が進められている。
In recent years, in countries that consume a lot of energy, solving environmental problems and energy problems has become a major issue.
The fuel cell is a next-generation energy supply device that has high power generation efficiency and excellent environmental load suppression, and is expected to contribute to solving these problems.
Fuel cells are classified according to the type of electrolyte. Among them, polymer electrolyte fuel cells are small and can provide high output. For this reason, research and development are underway for application as an energy supply source for small stationary devices, mobile objects, and portable terminals.
このような固体高分子形燃料電池において、イオン伝導を担う固体高分子電解質には、一般に、パーフルオロカーボン系主鎖とスルホン酸基を有する側鎖とを備えるパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質が使用されている。 In such a polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte responsible for ion conduction generally includes a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte having a perfluorocarbon main chain and a side chain having a sulfonic acid group. in use.
このようなパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質は、スルホン酸基を主体とする領域とパーフルオロカーボン系主鎖を主体とする領域とにミクロ相分離していると考えられている。また、スルホン酸基を含む相において、スルホン酸基はクラスターを形成していると考えられている。
そして、このパーフルオロカーボン系主鎖が凝集している部位が、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜の化学的安定性に寄与しており、スルホン酸基が集まってクラスターを形成している部位が、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜のイオン伝導に寄与していると考えられている。
Such a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte is considered to be microphase-separated into a region mainly composed of a sulfonic acid group and a region mainly composed of a perfluorocarbon-based main chain. In addition, in the phase containing a sulfonic acid group, the sulfonic acid group is considered to form a cluster.
The site where the perfluorocarbon-based main chain aggregates contributes to the chemical stability of the perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte membrane, and the site where the sulfonic acid groups gather to form a cluster However, it is thought that it contributes to the ionic conduction of the perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane.
このような優れた化学的安定性とイオン伝導性とを兼ね備えるパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜であっても、例えば移動体用の動力源と期待される固体高分子形燃料電池への適用には種々の制約がある。また、コストが高いといった問題もある。 Even with such a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane having both excellent chemical stability and ionic conductivity, it can be applied to, for example, a solid polymer fuel cell that is expected to be a power source for moving objects. There are various restrictions on application. There is also a problem of high cost.
例えば、現状の固体高分子形燃料電池は、室温から80℃程度の比較的低い温度領域で運転されている。
このような運転温度に制約されるのは、次の(1)及び(2)のような理由による。
(1)用いられているパーフルオロスルホン酸系ポリマーが120〜130℃近傍にガラス転移点を有し、これよりも高温領域ではプロトン伝導に寄与しているイオンチャンネル構造の維持が困難となるため、実質的には100℃以下での使用が望ましいこと。
(2)水をプロトン伝導媒体として使用するため、水の沸点である100℃を超えると加圧が必要となり、装置が大がかりになること。
For example, current polymer electrolyte fuel cells are operated in a relatively low temperature range from room temperature to about 80 ° C.
The reason why the operation temperature is limited is as follows (1) and (2).
(1) The perfluorosulfonic acid polymer used has a glass transition point in the vicinity of 120 to 130 ° C., and it becomes difficult to maintain an ion channel structure that contributes to proton conduction at higher temperatures. In practice, it is desirable to use at 100 ° C or lower.
(2) Since water is used as a proton conduction medium, pressurization is required when the boiling point of water exceeds 100 ° C., and the apparatus becomes large.
また、燃料電池の運転温度が低いと、燃料電池の発電効率が低くなると共に、触媒において一酸化炭素(CO)被毒が顕著に起こることがある。 Further, when the operating temperature of the fuel cell is low, the power generation efficiency of the fuel cell is lowered, and carbon monoxide (CO) poisoning may occur remarkably in the catalyst.
一方で、燃料電池の運転温度が100℃以上になると、燃料電池の発電効率は向上する。更に、排熱利用が可能となるため、より効率的にエネルギーを活用できる。 On the other hand, when the operating temperature of the fuel cell is 100 ° C. or higher, the power generation efficiency of the fuel cell is improved. Furthermore, since exhaust heat can be used, energy can be utilized more efficiently.
燃料電池を自動車などの移動体へ適用するに当たり、運転温度を120℃まで上昇させることができると、例えば、発電効率の向上だけでなく、排熱に必要なラジエータ負荷を低減することができる。また、例えば、現行の移動体に使用されているラジエータと同等仕様のものを適用することができるため、システムをコンパクト化できる。 When the operating temperature can be raised to 120 ° C. when the fuel cell is applied to a moving body such as an automobile, for example, not only the power generation efficiency can be improved, but also the radiator load required for exhaust heat can be reduced. Further, for example, a system having the same specifications as the radiator used in the current mobile body can be applied, so that the system can be made compact.
そこで、こうした問題の解決策の一つとして、プロトン伝導体としてイオン液体を電解質として使用することが提案されている(特許文献1参照。)。
また、アニオン成分が親水性のフッ素系のアニオンから成るイオン液体が燃料電池用電解質として優れた発電特性を示すことが開示されている(非特許文献1参照。)。
更に、ジエチルメチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸の中和塩から成るイオン液体が燃料電池用電解質として優れた発電特性を示すことが開示されている(非特許文献2参照。)。
Therefore, as one of solutions to such problems, it has been proposed to use an ionic liquid as an electrolyte as a proton conductor (see Patent Document 1).
Further, it has been disclosed that an ionic liquid composed of a fluorine-based anion having a hydrophilic anion component exhibits excellent power generation characteristics as a fuel cell electrolyte (see Non-Patent Document 1).
Furthermore, it is disclosed that an ionic liquid composed of a neutralized salt of diethylmethylamine and trifluoromethanesulfonic acid exhibits excellent power generation characteristics as an electrolyte for fuel cells (see Non-Patent Document 2).
しかしながら、上記特許文献1に記載された疎水性のイオン液体を電解質として使用することで高温(120℃)で燃料電池の発電が可能であるが、燃料電池としての例えばIV特性などの性能が十分に得られていないという問題点があった。
また、上記非特許文献1及び非特許文献2に記載された親水性のイオン液体は、例えば親水性のイオン液体をゲル状に固定化して膜化した場合でも、燃料電池発電時に生成する水に溶解し、膜からイオン液体が抜け出してしまうため、耐久性のあるイオン伝導体を得ることが困難であった。
However, the use of the hydrophobic ionic liquid described in Patent Document 1 as an electrolyte enables power generation of the fuel cell at a high temperature (120 ° C.). However, the fuel cell has sufficient performance such as IV characteristics. There was a problem that it was not obtained.
In addition, the hydrophilic ionic liquid described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 described above can be used for the water generated during fuel cell power generation even when the hydrophilic ionic liquid is formed into a film by fixing it in a gel form. Since it melt | dissolves and an ionic liquid will escape from a film | membrane, it was difficult to obtain a durable ionic conductor.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発現し得るイオン伝導体、これを用いた電気化学セル及び燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an ionic conductor that can exhibit high ionic conductivity and excellent durability, and electricity using the ionic conductor. It is to provide a chemical cell and a fuel cell.
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質を含有し、所定の構造を有するイオン伝導体とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies in order to achieve the above object. As a result, the inventors have found that the above object can be achieved by containing two or more kinds of electrolytes having different compatibility with water and having an ionic conductor having a predetermined structure, thereby completing the present invention.
即ち、本発明のイオン伝導体は、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質を含有するイオン伝導体であって、当該イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、該水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質であることを特徴とする。 That is, the ionic conductor of the present invention is an ionic conductor containing two or more kinds of electrolytes having different compatibility with water, and at least a part of the electrolyte forming the surface of the ionic conductor is incompatible with the water. It is an electrolyte other than the electrolyte having the highest compatibility with water among two or more electrolytes having different compatibility.
また、本発明の電気化学セルは、上記本発明のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。 The electrochemical cell of the present invention is characterized by applying the ionic conductor of the present invention.
更に、本発明の燃料電池は、上記本発明のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。 Furthermore, the fuel cell of the present invention is characterized by applying the ionic conductor of the present invention.
本発明によれば、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質を含有し、所定の構造を有するイオン伝導体とすることなどとしたため、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発現し得るイオン伝導体、これを用いた電気化学セル及び燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, two or more kinds of electrolytes having different compatibility with water are used to form an ionic conductor having a predetermined structure. Therefore, ions that can exhibit high ionic conductivity and excellent durability. A conductor, an electrochemical cell using the same, and a fuel cell can be provided.
以下、本発明のイオン伝導体について詳細に説明する。
本発明のイオン伝導体は、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質を含有するものである。
また、かかるイオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部は、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
Hereinafter, the ion conductor of the present invention will be described in detail.
The ionic conductor of the present invention contains two or more electrolytes having different compatibility with water.
Further, at least a part of the electrolyte forming the surface of the ion conductor is an electrolyte other than the electrolyte having the highest compatibility with water among two or more electrolytes having different compatibility with water.
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
ここで、「水に対する相溶性」とは、水に対するなじみやすさの程度を示すものである。
例えば、電解質をゲル化剤により固定化し膜形状とし、この膜を一定時間水に浸漬し、浸漬前後における膜の質量変化を測定し、その変化割合(電解質の保持率)を算出する。この電解質の保持率に基づいて、水に対する相溶性を規定することができる。
具体的には、電解質の保持率は、下記の式[1]により算出することができる。
また、電解質の保持率が高いことは、水に対する相溶性が低いことを意味し、電解質の保持率が低いことは、水に対する相溶性が高いことを意味する。
Here, the “compatibility with water” indicates the degree of compatibility with water.
For example, the electrolyte is fixed with a gelling agent to form a membrane shape, the membrane is immersed in water for a certain period of time, the change in mass of the membrane before and after immersion is measured, and the rate of change (electrolyte retention) is calculated. Based on this electrolyte retention, compatibility with water can be defined.
Specifically, the electrolyte retention rate can be calculated by the following equation [1].
Moreover, a high electrolyte retention means that the compatibility with water is low, and a low electrolyte retention means that the compatibility with water is high.
本発明においては、イオン伝導体に含まれる2種以上の電解質は、水に対する相溶性が異なるものであればよい。 In the present invention, the two or more kinds of electrolytes contained in the ionic conductor may be different if they have different compatibility with water.
以下、本発明のイオン伝導体の若干の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。 Hereinafter, some embodiments of the ion conductor of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the following embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
(1)第1の実施形態
図1は、本発明のイオン伝導体の第1の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)及び断面図(b)である。なお、同図(b)は、同図(a)のI−I線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる2種の電解質11、電解質13を含有している。
本実施形態においては、電解質11が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質13が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。即ち、電解質11と電解質13の水に対する相溶性を比較した場合には、電解質11が水に対する相溶性が相対的に高いという結果を示す。
そして、イオン伝導体10は、その表面を形成する電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。なお、電解質13は、イオン伝導体10の表面に分散して点在している。
(1) 1st Embodiment FIG. 1: is the top view (a) and sectional drawing (b) which show an example of the schematic structure of 1st Embodiment of the ion conductor of this invention. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line I-I in FIG.
As shown in the figure, the
In the present embodiment, the
The
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体の表面を形成する電解質だけでなく、内部を形成する電解質が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質であるものを挙げることができる。
なお、電解質13は、イオン伝導体10の表面に分散して点在している場合に限られるものではなく、種々の形態をとることができる。例えば、以下の第2の実施形態を挙げることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
As another example of the present embodiment, although not shown, not only the electrolyte that forms the surface of the ionic conductor, but also the electrolyte that forms the interior is compatible with water among the electrolytes contained in the ionic conductor. What is electrolyte other than the highest electrolyte can be mentioned.
The
(2)第2の実施形態
図2は、本発明のイオン伝導体の第2の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)及び断面図(b)である。なお、同図(b)は、同図(a)のII−II線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる2種の電解質11、電解質13を含有している。なお、本実施形態においても、電解質11が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質13が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
そして、イオン伝導体10は、その表面を形成する電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。なお、電解質13は、イオン伝導体10の表面にある程度大きな塊を形成して局在している。
(2) Second Embodiment FIG. 2 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) showing an example of a schematic configuration of a second embodiment of the ion conductor of the present invention. In addition, the figure (b) is sectional drawing along the II-II line of the figure (a).
As shown in the figure, the
The
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体の表面を形成する電解質だけでなく、内部を形成する電解質が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質であるものを挙げることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
As another example of the present embodiment, although not shown, not only the electrolyte that forms the surface of the ionic conductor, but also the electrolyte that forms the interior is compatible with water among the electrolytes contained in the ionic conductor. What is electrolyte other than the highest electrolyte can be mentioned.
なお、上記第1及び第2の実施形態においては、イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質を含有している場合について説明したが、3種以上の電解質を含有している場合にも適用することができる。
そして、水に対する相溶性の異なる3種以上の電解質を含有している場合には、水に対する相溶性の異なる3種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質は、水に対する相溶性の異なる3種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質では必ずしもない。
このような場合、イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる3種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質であることが好ましい。
しかしながら、これに限定されるものではなく、イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、例えば水に対する相溶性が2番目に低い電解質である場合も本発明の範囲に含まれる。
In the first and second embodiments, the case where the ion conductor contains two types of electrolytes having different compatibility with water has been described. However, the ion conductor contains three or more types of electrolytes. It can also be applied to cases.
And when it contains three or more types of electrolytes with different compatibility with water, electrolytes other than the electrolyte with the highest compatibility with water among the three or more types of electrolytes with different compatibility with water Of the three or more electrolytes having different compatibility, the electrolyte is not necessarily the one having the lowest compatibility with water.
In such a case, it is preferable that at least a part of the electrolyte forming the surface of the ionic conductor is an electrolyte having the lowest compatibility with water among three or more electrolytes having different compatibility with water.
However, the present invention is not limited to this, and the case where at least a part of the electrolyte forming the surface of the ionic conductor is an electrolyte having the second lowest compatibility with water, for example, is also included in the scope of the present invention.
(3)第3の実施形態
図3は、本発明のイオン伝導体の第3の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)及び断面図(b)である。なお、同図(b)は、同図(a)のIII−III線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる2種の膜状の電解質11、膜状の電解質13を含有すると共に、膜状の電解質11(13)の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、膜状の電解質11が、イオン伝導体10に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質である。一方、膜状の電解質13が、イオン伝導体10に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である。
そして、イオン伝導体10は、膜状の電解質11(13)の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。なお、電解質13は、イオン伝導体10の表面に偏在している。
(3) Third Embodiment FIG. 3 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing an example of a schematic configuration of a third embodiment of the ion conductor of the present invention. In addition, the figure (b) is sectional drawing along the III-III line of the figure (a).
As shown in the figure, this
The
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体の表面を形成する膜状の電解質だけでなく、内部を形成する膜状の電解質が、イオン伝導体に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であるものを挙げることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Further, as another example of the present embodiment, although not shown, not only the membrane electrolyte that forms the surface of the ion conductor, but also the membrane electrolyte that forms the inside includes the membrane electrolyte that is included in the ion conductor. Among these electrolytes, those having a membrane-like electrolyte other than the membrane-like electrolyte having the highest compatibility with water can be mentioned.
なお、上記第3の実施形態においては、イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる2種の膜状の電解質を含有している場合について説明したが、3種以上の膜状の電解質を含有している場合にも適用することができる。
例えば、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であって、かかる膜状の電解質が2種以上の膜状の電解質を含有しているものを挙げることができる。
また、水に対する相溶性の異なる3種以上の膜状の電解質を含有している場合には、水に対する相溶性の異なる3種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質は、水に対する相溶性の異なる3種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質では必ずしもない。
このような場合、イオン伝導体の表面を形成する膜状の電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる3種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質であることが好ましい。
しかしながら、これに限定されるものではなく、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の少なくとも一部が、例えば水に対する相溶性が2番目に低い膜状の電解質である場合も本発明の範囲に含まれる。
In the third embodiment, the case where the ionic conductor contains two kinds of membrane-like electrolytes having different compatibility with water has been described. However, three or more kinds of membrane-like electrolytes are contained. It can also be applied when
For example, as another example of this embodiment, although not shown, in the ion conductor, a part of the membrane electrolyte that forms at least one surface in the thickness direction of the membrane electrolyte is included in the ion conductor. Among the electrolytes that can be used, there can be mentioned membrane electrolytes other than the membrane electrolyte having the highest compatibility with water, wherein the membrane electrolyte contains two or more types of membrane electrolytes. .
In addition, when three or more kinds of membrane electrolytes having different compatibility with water are contained, among the three or more kinds of membrane electrolytes with different compatibility with water, the film shape having the highest compatibility with water A membrane electrolyte other than the electrolyte is not necessarily a membrane electrolyte having the lowest compatibility with water among three or more types of membrane electrolytes having different compatibility with water.
In such a case, at least a part of the membrane electrolyte forming the surface of the ion conductor is a membrane electrolyte having the lowest compatibility with water among three or more membrane electrolytes having different compatibility with water. It is preferable that
However, the present invention is not limited to this, and in the ionic conductor, at least a part of the membrane electrolyte forming at least one surface in the thickness direction of the membrane electrolyte has, for example, the second compatibility with water. A low membrane electrolyte is also included in the scope of the present invention.
(4)第4の実施形態
図4は、本発明のイオン伝導体の第4の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)及び断面図(b)である。なお、同図(b)は、同図(a)のIV−IV線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる2種の膜状の電解質11、膜状の電解質13を含有すると共に、膜状の電解質11(13)の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、膜状の電解質11が、イオン伝導体10に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質である。一方、膜状の電解質13が、イオン伝導体10に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である。
そして、イオン伝導体10は、膜状の電解質11(13)の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。
(4) Fourth Embodiment FIG. 4 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing an example of a schematic configuration of a fourth embodiment of the ion conductor of the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
As shown in the figure, this
And the
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であって、かかる膜状の電解質が2種以上の膜状の電解質を含有しているものを挙げることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Further, as another example of the present embodiment, although not shown, in the ion conductor, a part of the membrane electrolyte that forms at least one surface in the thickness direction of the membrane electrolyte is included in the ion conductor. Among the electrolytes that can be used, there can be mentioned membrane electrolytes other than the membrane electrolyte having the highest compatibility with water, wherein the membrane electrolyte contains two or more types of membrane electrolytes. .
(5)第5の実施形態
図5は、本発明のイオン伝導体の第5の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)及び断面図(b)である。なお、同図(b)は、同図(a)のV−V線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる3種の膜状の電解質11、膜状の電解質13、膜状の電解質15を含有すると共に、膜状の電解質11(13、15)の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、膜状の電解質11が、イオン伝導体10に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質である。一方、膜状の電解質13及び膜状の電解質15が、イオン伝導体10に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である。
そして、イオン伝導体10は、膜状の電解質11(13、15)の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。
(5) Fifth Embodiment FIGS. 5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a fifth embodiment of the ion conductor of the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG.
As shown in the figure, the
The
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
なお、特に限定されるものではないが、イオン伝導体の表面を形成する膜状の電解質13が、水に対する相溶性の異なる3種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質であることが好ましい。
また、このような場合の典型例としては、図示しないが、水に対する相溶性の異なる複数種の膜状の電解質を含有し、厚み方向に対して、水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質から水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質まで水に対する相溶性についての傾斜構造を有しているものを挙げることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Although not particularly limited, the membrane-
In addition, as a typical example of such a case, although not shown, a plurality of kinds of membrane-like electrolytes having different compatibility with water are contained, and a membrane-like electrolyte having the highest compatibility with water in the thickness direction. Examples include those having a gradient structure with respect to water compatibility, from the membrane electrolyte having the lowest water compatibility.
また、上記第4及び第5の実施形態においては、特に限定されるものではないが、例えば水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質の厚みの割合は、膜状の電解質の合計厚みを1としたとき、0.3〜0.99であることが好ましく、0.5〜 0.99であることがより好ましい。
なお、かかる電解質の厚みの割合は、イオン伝導体の形態によって、適宜調整すればよく、上述した範囲内の値でない場合でも、本発明の範囲に含まれる。
Moreover, in the said 4th and 5th embodiment, although it does not specifically limit, For example, the ratio of the thickness of the electrolyte with the highest compatibility with water among 2 or more types of electrolytes with which compatibility with water differs is shown. When the total thickness of the membrane electrolyte is 1, it is preferably 0.3 to 0.99, more preferably 0.5 to 0.99.
The ratio of the thickness of the electrolyte may be adjusted as appropriate depending on the form of the ionic conductor, and is included in the scope of the present invention even when the value is not within the above-described range.
(6)第6の実施形態
図6は、本発明のイオン伝導体の第6の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)及び断面図(b)である。なお、同図(b)は、同図(a)のVI−VI線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、カソード20及びアノード30で挟持されて燃料電池に用いられる。
そして、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる2種の膜状の電解質11、膜状の電解質13を含有すると共に、膜状の電解質11(13)の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、電解質11が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質13が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
また、イオン伝導体10は、膜状の電解質11(13)の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。
更に、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質13が、カソード20側に配置されている。
なお、カソード20及びアノード30は、それぞれ触媒層21(31)及びガス拡散層23(33)から構成されている。
また、燃料電池の技術分野においては、一般的に、膜状のイオン伝導体がカソード及びアノードで挟持された状態のものを、膜電極接合体(MEA)と呼ぶ。
(6) Sixth Embodiment FIG. 6 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) showing an example of a schematic configuration of a sixth embodiment of the ion conductor of the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
As shown in the figure, the
And this
In addition, the
Furthermore, an
The
In the technical field of fuel cells, generally, a membrane-shaped ion conductor sandwiched between a cathode and an anode is called a membrane electrode assembly (MEA).
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的には、カソード側に水との相溶性の低い膜状の電解質を配置する。このような配置とすることによって、カソード側で生成する生成水の影響を受け難くすることができ、電解質の水への溶出を効果的に抑制することができる。これにより、イオン伝導体の水への溶解に対する耐久性が向上する。更に、燃料電池用電解質として優れた発電性能を有する、水との相溶性の高い膜状の電解質をアノード側に配置することによって、その特性を引き出し燃料電池として優れた発電性能を得ることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Specifically, a membrane electrolyte having low compatibility with water is disposed on the cathode side. By setting it as such an arrangement | positioning, it can be made hard to receive the influence of the produced water produced | generated by the cathode side, and the elution to the water of an electrolyte can be suppressed effectively. Thereby, durability with respect to the melt | dissolution to the water of an ion conductor improves. Furthermore, by disposing a membrane-like electrolyte that has excellent power generation performance as an electrolyte for fuel cells and is highly compatible with water on the anode side, it is possible to obtain its power generation performance as a fuel cell by drawing out its characteristics. .
(7)第7の実施形態
図7は、本発明のイオン伝導体の第7の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図(a)、断面図(b)及び断面図(c)である。なお、同図(b)は、同図(a)のVII−VII線に沿った断面図であり、同図(c)は、同図(a)のVII‘−VII‘線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体10は、カソード20及びアノード30で挟持され、更にセパレータで挟持されて燃料電池に用いられる。
そして、このイオン伝導体10は、水に対する相溶性の異なる2種の膜状の電解質11、膜状の電解質13を含有すると共に、膜状の電解質11(13)の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、電解質11が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質13が、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
また、イオン伝導体10は、膜状の電解質11(13)の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、水に対する相溶性の異なる2種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質11以外の電解質13である。
更に、イオン伝導体10に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質13が、カソード20側であって、且つ詳しくは後述するカソードガスの流れ方向の下流側に配置されている。
なお、カソード20及びアノード30は、それぞれ触媒層21(31)及びガス拡散層23(33)から構成されている。
また、セパレータ40は、カソード20側及びアノード30側にそれぞれカソードガス流路41及びアノードガス流路43が形成されている。例えば、カソードガス流路41には、カソードガス入口41aから導入されたカソードガスが矢印で示すように流れており、カソードガス出口から排出される。なお、本実施形態においては、カソードガス流路41は、いわゆるサーペンタイン形流路を形成している。
(7) Seventh Embodiment FIG. 7 is a plan view (a), a sectional view (b), and a sectional view (c) showing an example of a schematic configuration of a seventh embodiment of the ion conductor of the present invention. It is. 2B is a sectional view taken along line VII-VII in FIG. 1A, and FIG. 2C is a sectional view taken along line VII′-VII ′ in FIG. FIG.
As shown in the figure, the
And this
In addition, the
Further, an
The
In the
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的には、カソードガスの流れ方向の上流側に水との相溶性の高い膜状の電解質を配置して、下流側に水との相溶性の低い膜状の電解質を配置する。このような配置とすることによって、カソード側で生成する生成水の影響を受け易い下流側において、電解質の水への溶出を効果的に抑制することができる。これにより、イオン伝導体の水への溶解に対する耐久性が向上する。更に、燃料電池用電解質として優れた発電性能を有する、水との相溶性の高い膜状の電解質を上流側に配置することによって、その特性を引き出し燃料電池として優れた発電性能を得ることができる。
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Specifically, a membrane electrolyte having a high compatibility with water is arranged on the upstream side in the flow direction of the cathode gas, and a membrane electrolyte having a low compatibility with water is arranged on the downstream side. By adopting such an arrangement, it is possible to effectively suppress the elution of the electrolyte into the water on the downstream side that is susceptible to the generated water generated on the cathode side. Thereby, durability with respect to the melt | dissolution to the water of an ion conductor improves. Furthermore, by arranging a membrane-like electrolyte having excellent power generation performance as a fuel cell electrolyte and having high compatibility with water on the upstream side, it is possible to obtain its power generation performance as a fuel cell by drawing out its characteristics. .
なお、上記第6及び第7の実施形態においては、イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる2種の膜状の電解質を含有している場合について説明したが、3種以上の膜状の電解質を含有している場合にも適用することができる。
例えば、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部又は一部が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であって、かかる膜状の電解質が2種以上の膜状の電解質を含有しているものを挙げることができる。
また、例えば本実施形態の更に他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部又は一部が、水に対する相溶性の異なる3種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質であるものを挙げることができる。
In the sixth and seventh embodiments, the case where the ion conductor contains two kinds of membrane-like electrolytes having different compatibility with water has been described. However, three or more kinds of membrane-like electrolytes have been described. It can also be applied when an electrolyte is contained.
For example, as another example of the present embodiment, although not shown, in the ion conductor, all or part of the membrane electrolyte forming at least one surface in the thickness direction of the membrane electrolyte is an ion conductor. A membrane electrolyte other than the membrane electrolyte having the highest compatibility with water among the electrolytes contained in the electrolyte, wherein the membrane electrolyte contains two or more types of membrane electrolytes Can do.
Further, for example, as still another example of the present embodiment, although not shown, in the ion conductor, all or part of the membrane electrolyte forming at least one surface in the thickness direction of the membrane electrolyte is water. Among the three or more kinds of membrane-like electrolytes having different compatibility with respect to water, those having the lowest membrane-like electrolyte with respect to water can be mentioned.
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質がゲル状の電解質であるものを採用することができる。
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的には、ゲル化して、半固定化ないし固定化することによって、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質が相互にほぼ相溶しないようにすることができる。これにより、例えば水に対する相溶性の低い電解質をカソード側に継続的に配置させることができ、耐久性が向上する。
Moreover, in the said ion conductor, the thing whose 2 or more types of electrolyte from which compatibility with water differs, for example is a gel-like electrolyte is employable.
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Specifically, two or more types of electrolytes having different compatibility with water can be prevented from being substantially compatible with each other by gelling and semi-fixing or fixing. Thereby, for example, an electrolyte having low compatibility with water can be continuously disposed on the cathode side, and durability is improved.
ゲル状の電解質は、電解質と、この電解質を保持するポリマーとを含有する。
ポリマーとしては、例えばポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリメタクリロニトリル、ポリ4−ビニルピリジン、ポリスチレン、ポリイミドなどを挙げることができる。これらは単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。組み合わせる場合には、混合させて用いてもよく、電解質に対応させて適宜選択して用いてもよい。
The gel electrolyte contains an electrolyte and a polymer that holds the electrolyte.
Examples of the polymer include polymethyl methacrylate (PMMA), polyhydroxyethyl methacrylate, polymethacrylonitrile, poly-4-vinylpyridine, polystyrene, and polyimide. These may be used alone or in combination. When they are combined, they may be used in combination, or may be appropriately selected according to the electrolyte.
上述したイオン伝導体の製造方法の一例につき説明する。
まず、水に対する相溶性の異なる2種の電解質を用意する。
次いで、一方の電解質とポリマーの原料であるモノマーとを混合し、モノマーを重合させてゲル化することにより一方の膜状の電解質を作製する。同様の工程により他方の膜状の電解質を作製する。
しかる後、これらを重ね合わせることにより、所望のイオン伝導体を作製することができる。
また、これに限定されるものではなく、例えば水に対する相溶性の異なる2種の電解質を用意する。次いで、一方の電解質とポリマーを溶媒に溶解し、平板上に溶液をキャストし、乾燥することによって、一方の膜状の電解質を作製する。同様の工程により他方の膜状の電解質を作製する。
しかる後、これらを重ね合わせることにより、所望のイオン伝導体を作製することもできる。
An example of a method for manufacturing the above-described ion conductor will be described.
First, two types of electrolytes having different compatibility with water are prepared.
Subsequently, one electrolyte and the monomer which is a raw material of a polymer are mixed, a monomer is polymerized and gelatinized, and one membrane-like electrolyte is produced. The other membrane-like electrolyte is produced by the same process.
Thereafter, by superimposing these, a desired ionic conductor can be produced.
Moreover, it is not limited to this, For example, two types of electrolytes with which water compatibility differs are prepared. Next, one electrolyte and polymer are dissolved in a solvent, the solution is cast on a flat plate, and dried to produce one membrane-like electrolyte. The other membrane-like electrolyte is produced by the same process.
Thereafter, by superimposing these, a desired ion conductor can be produced.
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質が相互にほぼ相溶しないことが望ましい。
ここで「2種以上の電解質が相互にほぼ相溶しない」とは、2種以上の電解質が相互に相溶しない場合や、相溶、換言すれば混合しても、その生成した混合部が一部に過ぎない場合をいう。
In the ionic conductor, for example, it is desirable that two or more types of electrolytes having different compatibility with water are not substantially compatible with each other.
Here, “two or more types of electrolytes are not compatible with each other” means that when two or more types of electrolytes are not compatible with each other or in other words, even if they are mixed, the generated mixed portion is This is only a part.
なお、水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質を相互に相溶させないようにするには、上述したゲル化のように他の構成要素を利用することによって実現する方法の他に、互いに相溶しない電解質を選択して使用する方法がある。 In order to prevent two or more types of electrolytes having different compatibility with water from being mutually compatible, in addition to the method realized by using other components such as the above-described gelation, they are mutually compatible. There is a method of selecting and using an electrolyte that does not dissolve.
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、カチオン成分として、オニウムカチオンを含むことが望ましい。
また、かかるオニウムカチオンの好適例としては、例えば中心原子に直接結合した一価の置換基を有し、一価の置換基が、下記一般式(1)又は一般式(2)で表されるものを挙げることができる。
In the ionic conductor, for example, an electrolyte having the lowest compatibility with water among two or more electrolytes having different compatibility with water preferably includes an onium cation as a cation component.
Moreover, as a suitable example of this onium cation, for example, it has a monovalent substituent directly bonded to the central atom, and the monovalent substituent is represented by the following general formula (1) or general formula (2). Things can be mentioned.
(式中、R1は水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Z1は酸素原子(O)、硫黄原子(S)、NR2基(R2は水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)又はPR3基(R3は水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)を示す。) (In the formula, R 1 is a hydrogen atom, a halogen atom, or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group, Z 1 is an oxygen atom (O), a sulfur atom (S), an NR 2 group (R 2 is a hydrogen atom, a halogen atom) Or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group) or a PR 3 group (R 3 represents a hydrogen atom, a halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group).
(式中、R4は水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Z2はカルボニル基(CO)、スルホニル基(SO2)又はジフルオロメチレン基(CF2)を示す。) (In the formula, R 4 represents a hydrogen atom, a halogen atom, or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group, and Z 2 represents a carbonyl group (CO), a sulfonyl group (SO 2 ), or a difluoromethylene group (CF 2 ).)
例えば、オニウムカチオンが一般式(1)又は(2)で表される構造式を有すると、カソードでの反応で生成する水を効果的に活用することができる。
具体的には、かかるオニウムカチオンと水との間で水素結合を形成し、水から効果的にプロトン源が放出される。これにより、イオン伝導体中でのプロトン濃度が増加する。更に、かかるプロトンは、水の間を通したプロトンの伝達(ホッピング)を行なうためプロトンの移動度が増加する。
なお、イオン伝導体に水以外の極性物質を含有させ、かかる極性物質と水素結合を形成させることも可能である。
かかる極性物質としては、例えば尿素、メラミン、チオ尿素、グアニジン、アンモニア、硫化水素などを挙げることができる。
このような効果により、イオン伝導対中のプロトン伝導が向上する。更に、カソードでの酸素還元反応についても、生成水を利用することで高い反応性を得ることができる。
For example, when the onium cation has the structural formula represented by the general formula (1) or (2), water generated by the reaction at the cathode can be effectively utilized.
Specifically, a hydrogen bond is formed between the onium cation and water, and the proton source is effectively released from the water. This increases the proton concentration in the ionic conductor. Furthermore, the proton mobility increases because protons are transmitted (hopped) through water.
In addition, it is also possible to contain polar substances other than water in an ionic conductor, and to form a hydrogen bond with this polar substance.
Examples of such polar substances include urea, melamine, thiourea, guanidine, ammonia, hydrogen sulfide and the like.
Such an effect improves proton conduction in the ion conduction pair. Furthermore, also about the oxygen reduction reaction at a cathode, high reactivity can be acquired by utilizing produced | generated water.
上記ハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子などを挙げることができる。 Examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, and a bromine atom.
上記非置換の炭化水素基としては、例えば脂肪族炭化水素基や芳香族炭化水素基などを挙げることができる。 Examples of the unsubstituted hydrocarbon group include an aliphatic hydrocarbon group and an aromatic hydrocarbon group.
上記非置換の炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基等の直鎖又は分岐状アルキル基、好ましくは直鎖状のアルキル基を挙げることができる。また、直鎖又は分岐状のアルキル基は、炭素数が1〜16であることが好ましく、1〜10であることがより好ましい。 Examples of the unsubstituted hydrocarbon group include linear or branched alkyl groups such as methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, s-butyl group, and t-butyl group. Preferred examples include linear alkyl groups. Further, the linear or branched alkyl group preferably has 1 to 16 carbon atoms, and more preferably 1 to 10 carbon atoms.
また、上記非置換の炭化水素基としては、例えばシクロヘキシル基等のシクロアルキル基を挙げることができる。また、シクロアルキル基は、炭素数が3〜8であることが好ましく、3〜6であることがより好ましい。 Examples of the unsubstituted hydrocarbon group include a cycloalkyl group such as a cyclohexyl group. The cycloalkyl group preferably has 3 to 8 carbon atoms, more preferably 3 to 6 carbon atoms.
更に、上記非置換の炭化水素基としては、例えばビニル基、1−プロペニル基、イソプロペニル基等の直鎖又は分岐状のアルケニル基、好ましくは直鎖状のアルケニル基を挙げることができる。また、直鎖又は分岐状のアルケニル基は、炭素数が2〜16であることが好ましく、2〜10であることがより好ましい。 Furthermore, examples of the unsubstituted hydrocarbon group include linear or branched alkenyl groups such as vinyl group, 1-propenyl group, and isopropenyl group, preferably linear alkenyl groups. Further, the linear or branched alkenyl group preferably has 2 to 16 carbon atoms, and more preferably 2 to 10 carbon atoms.
また、上記非置換の炭化水素基としては、例えば1−シクロヘキセニル等のシクロアルケニル基を挙げることができる。また、シクロアルケニル基は、炭素数が3〜8であることが好ましく、3〜6であることがより好ましい。 Examples of the unsubstituted hydrocarbon group include cycloalkenyl groups such as 1-cyclohexenyl. The cycloalkenyl group preferably has 3 to 8 carbon atoms, more preferably 3 to 6 carbon atoms.
更にまた、上記非置換の炭化水素基としては、例えばフェニル基、ナフチル基等のアリール基を挙げることができる。また、アリール基は、炭素数が6〜10であることが好ましい。 Furthermore, examples of the unsubstituted hydrocarbon group include aryl groups such as a phenyl group and a naphthyl group. The aryl group preferably has 6 to 10 carbon atoms.
一方、上記置換の炭化水素基としては、上記非置換の炭化水素基の水素原子の全部又は一部が、例えば酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子等のヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、ハロゲン原子で置換された基、上記非置換の炭化水素基などで置換された基を挙げることができる。
また、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部が、ヘテロ原子やヘテロ原子を含む基などで置換された基を挙げることができる。
On the other hand, as the substituted hydrocarbon group, a group in which all or a part of the hydrogen atoms of the unsubstituted hydrocarbon group include a hetero atom or hetero atom such as an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, or a silicon atom. And a group substituted with a halogen atom, the above-mentioned unsubstituted hydrocarbon group, and the like.
In addition, a group in which a part of carbon atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a hetero atom or a group containing a hetero atom can be exemplified.
上記非置換の炭化水素基の水素原子の一部がヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、ハロゲン原子などで置換された基としては、より具体的には、例えば非置換の炭化水素基の水素原子の一部がオキソ基、スルフィド基、ヒドロキシル基、チオール基、アミノ基、アルキルアミノ基、エーテル基、エステル基、チオエーテル基、チオエステル基、アミド基、アルキルシリル基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子などで置換された炭化水素基を挙げることができる。また、非置換の炭化水素基の水素原子の全部がハロゲン原子などで置換された基としては、より具体的には、例えば非置換の炭化水素基の水素の全部がフッ素原子で置換された炭化水素基などを挙げることができる。例えば、パーフルオロアルキル基などがその典型例である。 More specifically, examples of the group in which part of the hydrogen atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a heteroatom, a group containing a heteroatom, a halogen atom, etc. include, for example, a hydrogen atom of an unsubstituted hydrocarbon group A part of oxo group, sulfide group, hydroxyl group, thiol group, amino group, alkylamino group, ether group, ester group, thioether group, thioester group, amide group, alkylsilyl group, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom And hydrocarbon groups substituted by the above. In addition, as a group in which all of the hydrogen atoms of the unsubstituted hydrocarbon group are substituted with halogen atoms, more specifically, for example, a carbon atom in which all of the hydrogen atoms of the unsubstituted hydrocarbon group are substituted with fluorine atoms. A hydrogen group etc. can be mentioned. For example, a perfluoroalkyl group is a typical example.
上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばブトキシ基、t−ブトキシ基等の直鎖又は分岐状のアルコキシ基を挙げることができる。また、直鎖又は分岐状のアルコキシ基は、炭素数が1〜16であることが好ましく、1〜10であることがより好ましい。 More specifically, examples of the group in which part of the carbon atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a hetero atom or a group containing a hetero atom include straight-chain or branched groups such as a butoxy group and a t-butoxy group. Can be mentioned. Further, the linear or branched alkoxy group preferably has 1 to 16 carbon atoms, and more preferably 1 to 10 carbon atoms.
また、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばシクロヘキシルオキシ基等のシクロアルキルオキシ基を挙げることができる。また、シクロアルキルオキシ基は、炭素数が3〜8であることが好ましく、3〜6であることがより好ましい。 More specifically, examples of the group in which part of the carbon atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a heteroatom or a group containing a heteroatom include a cycloalkyloxy group such as a cyclohexyloxy group. be able to. The cycloalkyloxy group preferably has 3 to 8 carbon atoms, more preferably 3 to 6 carbon atoms.
更に、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばブチルチオラート基等の直鎖又は分岐状のアルキルチオラート基を挙げることができる、また、直鎖又は分岐状のアルキルチオラート基は、炭素数が1〜16であることが好ましく、1〜10であることがより好ましい。 Furthermore, as a group in which a part of the carbon atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a heteroatom or a group containing a heteroatom, more specifically, for example, a linear or branched group such as a butylthiolate group An alkylthiolate group can be exemplified, and the linear or branched alkylthiolate group preferably has 1 to 16 carbon atoms, and more preferably 1 to 10 carbon atoms.
また、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばN,N−ジエチルアミノ基等のアルキルアミノ基を挙げることができる。また、アルキルアミノ基は、炭素数が1〜16であることが好ましく、1〜10であることがより好ましい。 More specifically, examples of the group in which part of the carbon atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a hetero atom or a group containing a hetero atom include an alkylamino group such as an N, N-diethylamino group. Can be mentioned. The alkylamino group preferably has 1 to 16 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms.
更にまた、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばフェノキシ基やp−メチルフェノキシ基等のアリールオキシ基を挙げることができる。また、アリールオキシ基は、炭素数が6〜10であることが好ましい。 Furthermore, as a group in which a part of carbon atoms of the unsubstituted hydrocarbon group is substituted with a hetero atom or a group containing a hetero atom, more specifically, for example, a phenoxy group, a p-methylphenoxy group, etc. An aryloxy group can be mentioned. The aryloxy group preferably has 6 to 10 carbon atoms.
上記オニウムカチオンは、上述した中心原子に直接結合した一価の置換基を少なくとも1つ有すればよいが、中心原子に直接結合した一価の置換基を複数有していてもよい。また、中心原子に直接結合した一価の置換基を複数有する場合には、それらは同一であっても異なっていてもよい。 The onium cation may have at least one monovalent substituent directly bonded to the central atom described above, but may have a plurality of monovalent substituents directly bonded to the central atom. Moreover, when it has two or more monovalent substituents couple | bonded directly with the central atom, they may be the same or different.
また、上記オニウムカチオンは、上述した中心原子に直接結合した一価の置換基以外に、中心原子に直接結合した水素原子、ハロゲン原子、非置換の炭化水素基又は置換の炭化水素基を有していてもよい。
ここで、ハロゲン原子、非置換の炭化水素基又は置換の炭化水素基は、上述した一価の置換基において述べたものと同様のものを挙げることができる。
The onium cation has a hydrogen atom, a halogen atom, an unsubstituted hydrocarbon group or a substituted hydrocarbon group directly bonded to the central atom, in addition to the monovalent substituent directly bonded to the central atom. It may be.
Here, the halogen atom, the unsubstituted hydrocarbon group, or the substituted hydrocarbon group may be the same as those described in the above-described monovalent substituent.
更に、上記オニウムカチオンは、上述した中心原子に直接結合した一価の置換基以外に、上記中心原子に直接結合した水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基を複数有していてもよく、この場合に、それらは同一であっても異なっていてもよい。 Further, the onium cation has a plurality of hydrogen atoms, halogen atoms, or unsubstituted or substituted hydrocarbon groups directly bonded to the central atom, in addition to the monovalent substituent directly bonded to the central atom. In this case, they may be the same or different.
上記オニウムカチオンとしては、例えば中心原子が窒素原子(N)であるアンモニウムカチオンや中心原子がリン原子(P)であるホスホニウムカチオン、中心原子が硫黄原子(S)であるスルホニウムカチオンを挙げることができる。 Examples of the onium cation include an ammonium cation having a nitrogen atom (N) as a central atom, a phosphonium cation having a phosphorus atom (P) as a central atom, and a sulfonium cation having a sulfur atom (S) as a central atom. .
上記オニウムカチオンは、より具体的には、例えば下記の一般式(3)〜(5)で表すことができる。 More specifically, the onium cation can be represented by, for example, the following general formulas (3) to (5).
(式中、R1、R4及びR5は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Z1は、それぞれ独立して酸素原子(O)、硫黄原子(S)、NR2基(R2は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)又はPR3基(R3は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)、Z2は、それぞれ独立してカルボニル基(CO)、スルホニル基(SO2)又はジフルオロメチレン基(CF2)を示し、a及びbはそれぞれ0〜4の整数を表し、0≦a≦4、0≦b≦4、1≦a+b≦4の関係を満足する。) (Wherein R 1 , R 4 and R 5 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group, Z 1 is independently an oxygen atom (O) or a sulfur atom) (S), an NR 2 group (R 2 independently represents a hydrogen atom, a halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group) or a PR 3 group (R 3 is independently a hydrogen atom, A halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.), Z 2 each independently represents a carbonyl group (CO), a sulfonyl group (SO 2 ) or a difluoromethylene group (CF 2 ), and a and b Each represents an integer of 0 to 4 and satisfies the relationship of 0 ≦ a ≦ 4, 0 ≦ b ≦ 4, 1 ≦ a + b ≦ 4.)
(式中、R1、R4及びR5は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Z1は、それぞれ独立して酸素原子(O)、硫黄原子(S)、NR2基(R2は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)又はPR3基(R3は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)、Z2は、それぞれ独立してカルボニル基(CO)、スルホニル基(SO2)又はジフルオロメチレン基(CF2)を示し、c及びdはそれぞれ0〜4の整数を表し、0≦c≦4、0≦d≦4、1≦c+d≦4の関係を満足する。) (Wherein R 1 , R 4 and R 5 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group, Z 1 is independently an oxygen atom (O) or a sulfur atom) (S), an NR 2 group (R 2 independently represents a hydrogen atom, a halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group) or a PR 3 group (R 3 is independently a hydrogen atom, A halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.), Z 2 each independently represents a carbonyl group (CO), a sulfonyl group (SO 2 ) or a difluoromethylene group (CF 2 ), and c and d Each represents an integer of 0 to 4, and satisfies the relationship of 0 ≦ c ≦ 4, 0 ≦ d ≦ 4, 1 ≦ c + d ≦ 4.)
(式中、R1、R4及びR5は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Z1は、それぞれ独立して酸素原子(O)、硫黄原子(S)、NR2基(R2は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)又はPR3基(R3は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。)、Z2は、それぞれ独立してカルボニル基(CO)、スルホニル基(SO2)又はジフルオロメチレン基(CF2)を示し、e及びfはそれぞれ0〜4の整数を表し、0≦e≦3、0≦f≦3、1≦e+f≦3の関係を満足する。) (Wherein, R 1, R 4 and R 5 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group, Z 1 is independently oxygen atom (O), sulfur atom (S), an NR 2 group (R 2 independently represents a hydrogen atom, a halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group) or a PR 3 group (R 3 is independently a hydrogen atom, A halogen atom or an unsubstituted or substituted hydrocarbon group.), Z 2 each independently represents a carbonyl group (CO), a sulfonyl group (SO 2 ) or a difluoromethylene group (CF 2 ), and e and f Each represents an integer of 0 to 4, and satisfies the relationship of 0 ≦ e ≦ 3, 0 ≦ f ≦ 3, and 1 ≦ e + f ≦ 3.)
なお、式中のハロゲン原子、非置換の炭化水素基又は置換の炭化水素基は、上述したものと同様のものを挙げることができる。
また、上記オニウムカチオンはそれぞれを単独で又は混合して用いることができる。
In addition, examples of the halogen atom, the unsubstituted hydrocarbon group, or the substituted hydrocarbon group in the formula include the same ones as described above.
Moreover, the said onium cation can be used individually or in mixture, respectively.
上記オニウムカチオンにおいては、アンモニウムカチオンの窒素原子に比べて、ホスホニウムカチオンのリン原子がプラスの電荷の偏りがより大きく、水との水素結合を形成し易く、水からプロトンを放出し易くなり、イオン伝導性が向上するため、ホスホニウムカチオンを適用することが好ましい。
また、ホスホニウムカチオンは化学的に安定であり、任意のアニオン成分との組み合わせが可能であるため好ましい。更に、ホスホニウムカチオンは工業的に多用されており、低コストであるため好ましい。
In the above onium cation, the phosphorus atom of the phosphonium cation has a larger positive charge bias than the nitrogen atom of the ammonium cation, and it is easy to form a hydrogen bond with water, and it is easy to release protons from the water. It is preferable to apply a phosphonium cation because conductivity is improved.
A phosphonium cation is preferable because it is chemically stable and can be combined with any anion component. Furthermore, phosphonium cations are preferred because they are widely used industrially and are low in cost.
上記一般式(1)等の式中のZ1は、カチオン成分の立体構造の観点や、水との水素結合の形成のし易さの観点から、酸素原子(O)や硫黄原子(S)であることが望ましい。
特に、Z1が酸素原子(O)であると、電気陰性度が大きく、水と水素結合を形成し、水からプロトンを放出し易くなりイオン伝導性が向上するため、Z1が酸素原子(O)であることが好ましい。
なお、水はイオン伝導体の使用時に含まれていればよく、含有させるに際して、その方法について特に限定されるものではなく、従来公知の方法を利用することができる。具体的には、イオン伝導体を燃料電池の電解質として使用する場合には、供給するガスに例えば水を含有させてもよい。また、イオン伝導体に水を予め含有させてもよい。更に、燃料電池発電中に生成する生成水を含有させてもよい。
一方、上記一般式(2)の式中のZ2は、カチオン成分の立体構造の観点や、水との水素結合の形成のし易さの観点から、カルボニル基(CO)やスルホニル基(SO2)であることが望ましい。
Z 1 in the formulas such as the general formula (1) is an oxygen atom (O) or a sulfur atom (S) from the viewpoint of the steric structure of the cation component and the ease of forming a hydrogen bond with water. It is desirable that
In particular, when Z 1 is an oxygen atom (O), the electronegativity is large, a hydrogen bond is formed with water, protons are easily released from water, and ion conductivity is improved, so that Z 1 is an oxygen atom ( O) is preferred.
In addition, water should just be contained at the time of use of an ion conductor, and when making it contain, it does not specifically limit about the method, A conventionally well-known method can be utilized. Specifically, when an ionic conductor is used as an electrolyte for a fuel cell, the supplied gas may contain water, for example. Further, the ion conductor may contain water in advance. Furthermore, you may contain the produced water produced | generated during fuel cell electric power generation.
On the other hand, Z 2 in the formula (2) is a carbonyl group (CO) or a sulfonyl group (SO) from the viewpoint of the steric structure of the cation component and the ease of forming a hydrogen bond with water. 2 ) is desirable.
更に、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質以外の電解質が、カチオン成分として、1級オニウムカチオン、2級オニウムカチオン若しくは3級オニウムカチオン又はこれらの任意の組み合わせに係るものを含むことが望ましい。
ここで、1級オニウムカチオンとは、オニウムカチオンの水素の一つが他の元素などによりを置換されたものであり、2級オニウムカチオン及び3級オニウムカチオンとは、それぞれオニウムカチオンの水素の2つ及び3つが他の元素などにより置換されたものである。
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的はに、プロトン伝導種が1級、2級又は3級のオニウムカチオンであることによって、高いプロトン伝導性と燃料電池反応である水素酸化反応、酸素還元反応に対する高い反応性を得ることができる。また、例えばアニオン成分がイミド酸アニオンであることで、水に対する相溶性を低くすることが容易となり、水による電解質の溶出に対して高い耐久性を得ることができる。
Furthermore, in the ionic conductor, for example, an electrolyte other than an electrolyte having the lowest compatibility with water among two or more kinds of electrolytes having different compatibility with water is a primary onium cation, a secondary onium cation, or It is desirable to include a tertiary onium cation or any combination thereof.
Here, the primary onium cation is one in which one of the hydrogens of the onium cation is replaced by another element or the like, and the secondary onium cation and the tertiary onium cation are two hydrogens of the onium cation, respectively. And three are substituted by other elements.
By adopting such a configuration, high ion conductivity and excellent durability can be exhibited.
Specifically, when the proton conducting species is a primary, secondary or tertiary onium cation, high proton conductivity and high reactivity with respect to hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction as fuel cell reactions can be obtained. it can. Further, for example, when the anion component is an imido acid anion, it becomes easy to lower the compatibility with water, and high durability can be obtained against the elution of the electrolyte by water.
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、アニオン成分として、オキソ酸型アニオン、イミド酸型アニオン、チオ酸型アニオン若しくはハロゲン化水素酸型アニオン又はこれらの任意の組み合わせに係るものを含むことが望ましい。
上記アニオン成分であると、化学的安定性や耐熱性に優れるものとなる。
In the ionic conductor, for example, an electrolyte having the lowest compatibility with water among two or more electrolytes having different compatibility with water includes an oxo acid type anion, an imido acid type anion, and a thio acid type. It is desirable to include those related to anions or hydrohalic acid type anions or any combination thereof.
When the anion component is used, the chemical stability and heat resistance are excellent.
上記アニオン成分の更に具体的な例としては、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド酸アニオン((CF3SO2)2N−)などのイミド酸型アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン(CF3SO3 −)や硫酸アルキルアニオン(ROSO3 −)、硫酸水素アニオン(HSO4 −)、リン酸二水素アニオン(H2PO4 −)などのオキソ酸型アニオンを挙げることができる。これらは単独で又は混合して用いることができる。
上記アニオン成分であると、優れたイオン伝導性が得られ、更に、水素酸化反応や酸素還元反応に対する反応性に優れるものとなる。
Specific examples of the anion component include imido acid type anions such as bis (trifluoromethanesulfonyl) imidate anion ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ), trifluoromethanesulfonate anion (CF 3 SO 3 − ), Alkyl sulfate anions (ROSO 3 − ), hydrogen sulfate anions (HSO 4 − ), and dihydrogen phosphate anions (H 2 PO 4 − ). These can be used alone or in combination.
When the anion component is used, excellent ionic conductivity is obtained, and the reactivity with respect to a hydrogen oxidation reaction or an oxygen reduction reaction is further improved.
次に、本発明の電気化学セルについて詳細に説明する。
本発明の電気化学セルは、上記本発明のイオン伝導体を用いたものであって、例えば燃料電池、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、色素増感型太陽電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどを挙げることができる。
このような電気化学セルは、イオン伝導体における例えばプロトンなどのイオン伝導性が向上し、セルの内部抵抗を低減することが可能となる。
これらの典型例としては燃料電池を挙げることができる。
Next, the electrochemical cell of the present invention will be described in detail.
The electrochemical cell of the present invention uses the above-described ion conductor of the present invention. For example, the fuel cell, lithium ion battery, electric double layer capacitor, dye-sensitized solar cell, water electrolysis, hydrohalic acid Examples include electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, and gas sensors.
In such an electrochemical cell, ion conductivity of, for example, protons in the ion conductor is improved, and the internal resistance of the cell can be reduced.
A typical example of these is a fuel cell.
次に、本発明の燃料電池について詳細に説明する。
本発明の燃料電池は、上記本発明のイオン伝導体を用いたものであって、例えば低温から中温の範囲に動作温度がある燃料電池を挙げることができる。
このような燃料電池は、イオン伝導体におけるプロトン伝導性を向上し、電池の内部抵抗を低減することができるため、燃料電池の出力を向上させることができる。
Next, the fuel cell of the present invention will be described in detail.
The fuel cell of the present invention uses the above-described ionic conductor of the present invention, and includes, for example, a fuel cell having an operating temperature in the range of low temperature to medium temperature.
Such a fuel cell can improve the proton conductivity in the ionic conductor and reduce the internal resistance of the cell, thereby improving the output of the fuel cell.
[構成材料の準備]
(1)電解質の合成
(1−1)エトキシメチル(トリ−n−ブチル)ホスホニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドの合成
クロロメチルエチルエーテルを5倍量のエタノールに溶解して、エタノール溶液を得た。エタノール溶液に、クロロメチルエチルエーテルと等モル量のトリ−n−ブチルホスフィンを加えて、混合物を得た。混合物を80℃で22時間撹拌して、反応液を得た。
反応液を室温まで冷却した後、反応液にヘキサンを加えて沈殿を析出させた。沈殿物をろ過回収し、減圧乾燥して、塩素塩を得た。
塩素塩をエタノールに溶解し、更にクロロメチルエチルエーテルと等モル量のリチウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを加えて、混合物を得た。混合物を室温で17時間撹拌して、反応液を得た。
反応液中に生成したリチウムクロライドの沈殿物をろ過により除去した。ろ液を凍結乾燥し、溶媒を除去して、オイル状の化合物を得た。
化合物をアセトンに溶解し、活性炭処理し、活性炭をろ過により除去した。ろ液をアルミナカラムにより精製し、50℃で減圧乾燥をして、エトキシメチル(トリ−n−ブチル)ホスホニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(以下、「電解質α」という。)を得た。
[Preparation of component materials]
(1) Synthesis of electrolyte (1-1) Synthesis of ethoxymethyl (tri-n-butyl) phosphonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide Chloromethyl ethyl ether was dissolved in 5 times the amount of ethanol to obtain an ethanol solution. . Chloromethyl ethyl ether and equimolar amount of tri-n-butylphosphine were added to the ethanol solution to obtain a mixture. The mixture was stirred at 80 ° C. for 22 hours to obtain a reaction solution.
After cooling the reaction solution to room temperature, hexane was added to the reaction solution to cause precipitation. The precipitate was collected by filtration and dried under reduced pressure to obtain a chlorine salt.
The chlorine salt was dissolved in ethanol, and chloromethyl ethyl ether and an equimolar amount of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide were added to obtain a mixture. The mixture was stirred at room temperature for 17 hours to obtain a reaction solution.
A precipitate of lithium chloride formed in the reaction solution was removed by filtration. The filtrate was lyophilized and the solvent was removed to give an oily compound.
The compound was dissolved in acetone, treated with activated carbon, and the activated carbon was removed by filtration. The filtrate was purified by an alumina column and dried under reduced pressure at 50 ° C. to obtain ethoxymethyl (tri-n-butyl) phosphonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (hereinafter referred to as “electrolyte α”).
(1−2)ジエチルメチルアンモニウム トリフルオロメタンスルホネートの合成
アルゴン雰囲気のグローブボックス中でジエチルメチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸とを等モル量となるよう秤量した。秤量後、液体窒素で冷却しながら、秤量したジエチルメチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸とを混合し、撹拌して、ジエチルメチルアンモニウム トリフルオロメタンスルホネート(以下、「電解質β」という。)を得た。
(1-2) Synthesis of diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate Diethylmethylamine and trifluoromethanesulfonic acid were weighed in equimolar amounts in a glove box under an argon atmosphere. After weighing, while cooling with liquid nitrogen, weighed diethylmethylamine and trifluoromethanesulfonic acid were mixed and stirred to obtain diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate (hereinafter referred to as “electrolyte β”).
(2)ゲル状の電解質の作製
(2−1)ゲル状の電解質αの作製
まず、メチルメタクリレート(MMA)に、電解質αを(MMA:電解質1=7:3(モル比)となるように加えて、混合液を調製した。
次いで、調製した混合液に、ラジカル重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリルを0.5質量%となるように加えて、ゲル状電解質前駆体溶液を調製した。
しかる後、調製したゲル状電解質前駆体溶液をガラスシャーレ上にキャストし、80℃で12時間重合反応を行った。
反応終了後、室温で3時間乾燥を行い、更に100℃で12時間減圧乾燥を行って、ゲル状の電解質膜αを作製した。
なお、膜厚は10μmのものと100μmのものを作製した。
(2) Preparation of gel electrolyte (2-1) Preparation of gel electrolyte α First, electrolyte α is added to methyl methacrylate (MMA) so that MMA: electrolyte 1 = 7: 3 (molar ratio). In addition, a mixed solution was prepared.
Next, azobisisobutyronitrile, which is a radical polymerization initiator, was added to the prepared mixed solution so as to be 0.5% by mass to prepare a gel electrolyte precursor solution.
Thereafter, the prepared gel electrolyte precursor solution was cast on a glass petri dish and polymerized at 80 ° C. for 12 hours.
After completion of the reaction, drying was performed at room temperature for 3 hours, and further, vacuum drying was performed at 100 ° C. for 12 hours to produce a gel electrolyte membrane α.
The film thicknesses were 10 μm and 100 μm.
(2−2)ゲル状の電解質βの作製
まず、メチルメタクリレート(MMA)に、電解質βを(MMA:電解質2=7:3(モル比)となるように加えて、混合液を調製した。
次いで、調製した混合液に、ラジカル重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリルを0.5質量%となるように加えて、ゲル状電解質前駆体溶液を調製した。
しかる後、調製したゲル状電解質前駆体溶液をガラスシャーレ上にキャストし、80℃で12時間重合反応を行った。
反応終了後、室温で3時間乾燥を行い、更に100℃で12時間減圧乾燥を行って、ゲル状の電解質膜βを作製した。なお、膜厚は90μmのものと100μmのものを作製した。
(2-2) Production of Gelled Electrolyte β First, electrolyte β was added to methyl methacrylate (MMA) so as to be (MMA: electrolyte 2 = 7: 3 (molar ratio)) to prepare a mixed solution.
Next, azobisisobutyronitrile, which is a radical polymerization initiator, was added to the prepared mixed solution so as to be 0.5% by mass to prepare a gel electrolyte precursor solution.
Thereafter, the prepared gel electrolyte precursor solution was cast on a glass petri dish and polymerized at 80 ° C. for 12 hours.
After completion of the reaction, drying was performed at room temperature for 3 hours, and further, vacuum drying was performed at 100 ° C. for 12 hours to produce a gel electrolyte membrane β. The film thicknesses were 90 μm and 100 μm.
(3)水に対する相溶性の評価
(3−1)ゲル状の電解質膜αにおける電解質αの保持率の測定
ゲル状の電解質膜αから試験片(1cm×3cm×100μm)を切り出し、ゲル状の電解質膜αの質量を測定した。
次いで、ゲル状の電解質膜αをイオン交換水に24時間浸漬し、取り出した後、100℃で、12時間乾燥し、ゲル状の電解質膜αの質量を測定した。電解質の保持率は下記の式[1]により算出することができる。得られた結果を図8に示す。
(3) Evaluation of compatibility with water (3-1) Measurement of retention rate of electrolyte α in gel electrolyte membrane α A test piece (1 cm × 3 cm × 100 μm) was cut out from the gel electrolyte membrane α, The mass of the electrolyte membrane α was measured.
Next, the gel electrolyte membrane α was immersed in ion-exchanged water for 24 hours, taken out, dried at 100 ° C. for 12 hours, and the mass of the gel electrolyte membrane α was measured. The retention rate of the electrolyte can be calculated by the following formula [1]. The obtained result is shown in FIG.
(3−2)ゲル状の電解質膜βにおける電解質βの保持率の測定
ゲル状の電解質膜βから試験片(1cm×3cm×100μm)を切り出し、ゲル状の電解質膜βの質量を測定した。
次いで、ゲル状の電解質膜βをイオン交換水に24時間浸漬し、取り出した後、100℃で、12時間乾燥し、ゲル状の電解質膜βの質量を測定した。電解質の保持率を式[1]により算出した。得られた結果を図8に示す。
(3-2) Measurement of retention rate of electrolyte β in gel electrolyte membrane β A test piece (1 cm × 3 cm × 100 μm) was cut out from the gel electrolyte membrane β, and the mass of the gel electrolyte membrane β was measured.
Next, the gel electrolyte membrane β was immersed in ion-exchanged water for 24 hours, taken out, dried at 100 ° C. for 12 hours, and the mass of the gel electrolyte membrane β was measured. The retention rate of the electrolyte was calculated by the formula [1]. The obtained result is shown in FIG.
(3−3)電解質α及び電解質βの水に対する相溶性の評価
図8より、電解質の保持率は、ゲル状の電解質膜βに比べてゲル状の電解質膜αの方が高いことが分かる。これより、電解質αに比べて電解質βの方が水に対する相溶性が高いことが分かる。
なお、ゲル状の電解質αでは、イオン交換水への浸漬試験から一定時間後においても、ほとんど水への電解質の溶出が観察されなかった。
一方、ゲル状の電解質βでは、イオン交換水への浸漬試験から一定時間後にはほぼすべての電解質が水へ抜け出していることが分かった。
これらの結果からも、水に対する相溶性の低いゲル(エトキシメチル(トリ−n−ブチル)ホスホニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドのゲル)をカソード側に配置することによって、燃料電池の発電試験におけるカソードでの生成水に対する高い耐久性を示すことが分かる。
(3-3) Evaluation of Compatibility of Electrolyte α and Electrolyte β with Water FIG. 8 shows that the retention rate of the electrolyte is higher in the gel electrolyte membrane α than in the gel electrolyte membrane β. From this, it can be seen that the electrolyte β is more compatible with water than the electrolyte α.
In the gel electrolyte α, almost no elution of the electrolyte into water was observed even after a certain time from the immersion test in ion-exchanged water.
On the other hand, in the gel electrolyte β, it was found that almost all of the electrolyte was released into the water after a certain time from the immersion test in ion-exchanged water.
From these results, it was found that the cathode in the fuel cell power generation test was formed by disposing a gel having low compatibility with water (gel of ethoxymethyl (tri-n-butyl) phosphonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) on the cathode side. It can be seen that it shows high durability against the generated water.
(実施例1)
[イオン伝導体の作製]
ゲル状の電解質膜α(膜厚:10μm)とゲル状の電解質膜β(膜厚:90μm)とを接触させ、本例のイオン伝導体(膜厚:100μm)を得た。
Example 1
[Production of ion conductor]
The gel electrolyte membrane α (film thickness: 10 μm) and the gel electrolyte membrane β (film thickness: 90 μm) were brought into contact with each other to obtain an ion conductor (film thickness: 100 μm) of this example.
[燃料電池の作製]
得られたイオン伝導体を用いて、図6に示すような、本例の燃料電池の単セルを得た。
具体的には、まず、電極触媒としての40質量%白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製)150質量部と、グリセロール1質量部と、5質量%ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン株式会社製)1質量とを750質量部の水に添加し、超音波処理により、分散させて、カソード側の触媒層形成用スラリー及びアノード側の触媒層形成用スラリーを作製した。
次いで、カソード側のガス拡散層及びアノード側のガス拡散層としての撥水処理済カーボンペーパー(東レ株式会社製、TGP−H090)に、それぞれカソード側の触媒層形成用スラリー及びアノード側の触媒層形成用スラリーを白金量が2mg/cm2となるようにスプレーコータ装置を用いて塗布し、焼成炉を用いて、空気雰囲気中、350℃で30分間焼成して、触媒層及びガス拡散層を有するアノード及びカソードを作製した。
なお、電極面積は4cm2とした。
しかる後、エトキシメチル(トリ−n−ブチル)ホスホニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドのゲル状の電解質膜がカソード側に配置されるように、アノード及びカソードで挟持して接触させることにより、MEAを作製した(これを単セルとした。)。
[Fabrication of fuel cell]
Using the obtained ion conductor, a single cell of the fuel cell of this example as shown in FIG. 6 was obtained.
Specifically, first, 150 parts by mass of 40% by mass platinum-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as an electrode catalyst, 1 part by mass of glycerol, and 5% by mass Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) 1) was added to 750 parts by weight of water and dispersed by ultrasonic treatment to prepare a cathode-side catalyst layer forming slurry and an anode-side catalyst layer forming slurry.
Next, the cathode-side catalyst layer forming slurry and the anode-side catalyst layer were respectively applied to water-repellent treated carbon paper (TGP-H090, manufactured by Toray Industries, Inc.) as a cathode-side gas diffusion layer and an anode-side gas diffusion layer. The slurry for formation is applied using a spray coater so that the amount of platinum is 2 mg / cm 2, and calcined in an air atmosphere at 350 ° C. for 30 minutes using a firing furnace to form a catalyst layer and a gas diffusion layer. An anode and a cathode were prepared.
The electrode area was 4 cm 2 .
Thereafter, the MEA is held in contact with the anode and the cathode so that the gel electrolyte membrane of ethoxymethyl (tri-n-butyl) phosphonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide is disposed on the cathode side. It was fabricated (this was a single cell).
(比較例1)
[イオン伝導体の作製]
ゲル状の電解質β(膜厚:100μm)を、本例のイオン伝導体(膜厚:100μm)とした。
(Comparative Example 1)
[Production of ion conductor]
The gel electrolyte β (film thickness: 100 μm) was used as the ion conductor (film thickness: 100 μm) of this example.
得られたイオン伝導体を用いたこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、図9に示すような、本例の燃料電池の単セルを得た。 Except that the obtained ionic conductor was used, the same operation as in Example 1 was repeated to obtain a single cell of the fuel cell of this example as shown in FIG.
(比較例2)
[イオン伝導体の作製]
ゲル状の電解質α(膜厚:100μm)を、本例のイオン伝導体(膜厚:100μm)とした。
(Comparative Example 2)
[Production of ion conductor]
The gel electrolyte α (film thickness: 100 μm) was used as the ion conductor (film thickness: 100 μm) of this example.
得られたイオン伝導体を用いたこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、図10に示すような、本例の燃料電池の単セルを得た。 Except that the obtained ionic conductor was used, the same operation as in Example 1 was repeated to obtain a single cell of the fuel cell of this example as shown in FIG.
[性能評価]
図11に示すように、水に対する相溶性の低い電解質膜を空気極側として、水素及び酸素をセル内にフローして、発電試験を行った。一定電流値でのセル電圧を比較した結果を図12に示す。
なお、セル電圧は、発電開始直後のものであり、実施例1のセル電圧値を基準とした相対値である。
[Performance evaluation]
As shown in FIG. 11, a power generation test was performed by flowing hydrogen and oxygen into the cell with an electrolyte membrane having low compatibility with water as the air electrode side. FIG. 12 shows the result of comparing cell voltages at a constant current value.
The cell voltage is immediately after the start of power generation, and is a relative value based on the cell voltage value of Example 1.
図12より、本発明の範囲に含まれる実施例1は、本発明外の比較例1と比較してほぼ同等の発電電圧を実現できることが分かる。また、実施例1は、本発明外の比較例2と比較して著しく高い発電電圧を実現できることが分かる。なお、図示していないが、実施例1は、図12に示した発電電圧を長時間維持できたのに対して、比較例1は、図12に示した発電電圧を極短時間しか維持することができなかった。
これは、実施例1においては、燃料電池発電により生成する水との相溶性がきわめて低いことから、生成水への溶解による電解質の抜け出しが抑制されてイオン伝導体の水への耐久性が大きく向上したためと考えられる。更に、水との相溶性の高い電解質を用いた場合とほぼ同等の発電性能が得られることから、本発明の目的としている高温・無加湿条件下で、優れた燃料電池発電特性を示し、更に耐久性の優れた燃料電池用イオン伝導体として有用であることが分かる。
From FIG. 12, it can be seen that Example 1 included in the scope of the present invention can realize substantially the same generated voltage as that of Comparative Example 1 outside the present invention. Moreover, it turns out that Example 1 can implement | achieve a remarkably high power generation voltage compared with the comparative example 2 outside this invention. Although not shown, Example 1 was able to maintain the generated voltage shown in FIG. 12 for a long time, while Comparative Example 1 was able to maintain the generated voltage shown in FIG. 12 for only a very short time. I couldn't.
This is because, in Example 1, the compatibility with water generated by fuel cell power generation is extremely low, so that the escape of the electrolyte due to dissolution in the generated water is suppressed, and the durability of the ionic conductor to water is large. This is thought to be due to the improvement. Furthermore, since almost the same power generation performance as when using an electrolyte highly compatible with water is obtained, the fuel cell power generation characteristics are excellent under the high-temperature and non-humidified conditions of the present invention. It turns out that it is useful as an ion conductor for fuel cells excellent in durability.
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated with some embodiment and an Example, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
例えば、上述の実施形態及び実施例においては、イオン伝導体を燃料電池の電解質として用いる場合について説明したが、イオン伝導体を例えばリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、色素増感型太陽電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどの電解質として用いることもできる。 For example, in the above-described embodiments and examples, the case where an ion conductor is used as an electrolyte of a fuel cell has been described. However, for example, a lithium ion battery, an electric double layer capacitor, a dye-sensitized solar cell, water It can also be used as an electrolyte for electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor and the like.
また、例えば水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解などに適用する場合には、陽極側に水との相溶性の低い膜状の電解質を配置する。このような配置とすることによって、陽極側に供給される水の影響を受け難くすることができ、電解質の水への溶出を効果的に抑制することができ、優れた耐久性を発揮することができる。即ち、耐久性に優れた電解装置となる。 For example, when applied to water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, etc., a membrane electrolyte having low compatibility with water is disposed on the anode side. By adopting such an arrangement, it can be made less susceptible to the water supplied to the anode side, can effectively suppress the elution of the electrolyte into the water, and exhibits excellent durability Can do. That is, the electrolysis apparatus is excellent in durability.
10 イオン伝導体
11,13,15 電解質
20 カソード(空気極)
21,31 触媒層
23,33 ガス拡散層
30 アノード(燃料極)
40 セパレータ
41 カソードガス流路
41a カソードガス入口
41b カソードガス出口
43 アノードガス流路
10
21, 31
40
Claims (12)
当該イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、上記水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である、ことを特徴とするイオン伝導体。 An ionic conductor containing two or more electrolytes having different compatibility with water,
Ion characterized in that at least a part of the electrolyte forming the surface of the ionic conductor is an electrolyte other than the electrolyte having the highest compatibility with water among the two or more electrolytes having different compatibility with water. Conductor.
当該イオン伝導体の上記膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の少なくとも一部が、上記水に対する相溶性の異なる2種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である、ことを特徴とする請求項1に記載のイオン伝導体。 The ion conductor contains two or more kinds of membrane electrolytes having different compatibility with water, and has a layer structure with respect to the thickness direction of the membrane electrolyte,
At least a part of the membrane electrolyte that forms at least one surface of the ion conductor in the thickness direction of the ion conductor is in water among two or more membrane electrolytes having different compatibility with water. 2. The ion conductor according to claim 1, wherein the ion conductor is a membrane electrolyte other than the membrane electrolyte having the highest compatibility.
上記水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質が、少なくともカソード側に配置される、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のイオン伝導体。 An ionic conductor used in a fuel cell sandwiched between a cathode and an anode,
3. The ion conduction according to claim 1, wherein an electrolyte other than the electrolyte having the highest compatibility with water among the two or more electrolytes having different compatibility with water is disposed on at least the cathode side. body.
上記水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質が、少なくともカソード側であって、且つカソードガスの流れ方向の下流側に配置される、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。 An ionic conductor used in a fuel cell sandwiched between a cathode and an anode,
The electrolyte other than the electrolyte having the highest compatibility with water among the two or more electrolytes having different compatibility with water is disposed at least on the cathode side and on the downstream side in the cathode gas flow direction. The ionic conductor according to any one of claims 1 to 3, wherein
上記水に対する相溶性の異なる2種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、少なくともカソード側に配置される、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。 An ionic conductor used in a fuel cell sandwiched between a cathode and an anode,
5. The electrolyte according to claim 1, wherein the electrolyte having the lowest compatibility with water among the two or more electrolytes having different compatibility with water is disposed on at least the cathode side. 6. Ionic conductor.
上記オニウムカチオンが、中心原子に直接結合した一価の置換基を有し、
上記一価の置換基が、下記一般式(1)
The onium cation has a monovalent substituent directly bonded to the central atom,
The monovalent substituent is represented by the following general formula (1)
Priority Applications (1)
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JP2008199636A JP2010040252A (en) | 2008-08-01 | 2008-08-01 | Ionic conductor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016114141A1 (en) * | 2015-01-14 | 2016-07-21 | 国立大学法人 東京大学 | Aqueous electrolyte solution for electrical storage device, and electrical storage device including said aqueous electrolyte solution |
JP7481900B2 (en) | 2020-05-19 | 2024-05-13 | 株式会社東芝 | Method for manufacturing electrolytic cells |
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2008
- 2008-08-01 JP JP2008199636A patent/JP2010040252A/en active Pending
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