JP2011150949A - Membrane electrode assembly, its manufacturing method, and fuel battery cell - Google Patents

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豊喜 国武
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茂紀 藤川
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浩樹 幅崎
Yoshihisa Aoki
芳尚 青木
Yuki Fukunaga
悠希 福永
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly which is chemically and mechanically stable under a use condition as a fuel cell and a hydrogen generation device and is applicable suitably for a medium temperature type fuel cell, and its manufacturing method, and a fuel battery cell using the same. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly (11) used in the fuel battery cell (10) has a hydrogen permeable metal foil (12) with a thickness of 1 μm or more and having self-supporting performance and an amorphous inorganic solid electrolyte membrane (13) having hydrogen ion conductivity, and is manufactured by a method which has, for example, a process to prepare a reaction liquid containing a precursor of a solid electrolyte membrane and a process in which the reaction liquid is coated on the surface of the hydrogen permeable metal foil, and the precursor is reacted while heat treating at 100-600°C and the inorganic solid electrolyte membrane (13) is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜電極接合体とその製造方法およびそれを用いた燃料電池の改良に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, a method for producing the same, and a fuel cell using the same.

水の電気分解の逆反応を利用して水素(燃料)と酸素(酸化剤)とを反応させることにより継続的に電力を得る燃料電池は、クリーンな発電技術であることに加え、運動エネルギーや熱エネルギーを経ることなく化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、発電効率に優れており、騒音や振動も少ないという利点を有している。 Fuel cells that obtain power continuously by reacting hydrogen (fuel) and oxygen (oxidant) using the reverse reaction of water electrolysis are clean power generation technologies, as well as kinetic energy and Since chemical energy is directly converted into electrical energy without passing through thermal energy, it has the advantages of excellent power generation efficiency and low noise and vibration.

これまでに、固体高分子型(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)等の様々な電解質を用いた燃料電池が提案されている。動作温度という観点から燃料電池を分類すると、低温型(例えば〜200℃)、中温型(例えば200〜500℃)および高温型(例えば500℃〜)に大別される。これらにはそれぞれ長所および短所があるが、自動車の動力源等への応用の観点からは、(1)高価な白金触媒の使用量を低温型に比べ低減できる、(2)高温型に比べ起動時間を短縮できる、(3)高耐熱性の材料を要しない、(4)水素以外の燃料を使用できる等の理由により、中温型燃料電池が有力な選択肢として注目を集めている。中温型燃料電池に好適に適用できる電解質材料の有力な候補として、イオン伝導性セラミックスが挙げられる。 So far, fuel cells using various electrolytes such as solid polymer type (PEFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC) have been proposed. When fuel cells are classified from the viewpoint of operating temperature, they are roughly classified into a low temperature type (for example, ˜200 ° C.), a medium temperature type (for example, 200 to 500 ° C.), and a high temperature type (for example, 500 ° C.). Each of these has advantages and disadvantages, but from the viewpoint of application to the power source of automobiles, (1) the amount of expensive platinum catalyst used can be reduced compared to the low temperature type, and (2) startup compared to the high temperature type The medium temperature fuel cell is attracting attention as a promising option because it can shorten the time, (3) does not require a high heat resistant material, and (4) can use a fuel other than hydrogen. As a promising candidate for an electrolyte material that can be suitably applied to a medium temperature fuel cell, ion conductive ceramics can be cited.

セラミックスを固体電解質として用いた燃料電池として、例えば、水素透過合金からなるアノード(燃料極)水素透過性金属箔12とプロトン伝導性ペロブスカイト型セラミックス電解質薄膜からなる燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1〜4、非特許文献1、2参照)。これらの燃料電池はPdをベースとする水素透過性を有する合金箔上に、ペロブスカイト型BaCe0.90.1、およびBaZr0.9In0.1等のプロトン伝導性ペロブスカイト型セラミックスの多結晶性薄膜をPLD法により蒸着製膜し、さらにその上にPtまたはLa0.9Sr0.1CoOの多孔質からなるカソード(空気極)をスクリーンプリントすることによって形成している。 As a fuel cell using ceramics as a solid electrolyte, for example, an anode (fuel electrode) hydrogen permeable metal foil 12 made of a hydrogen permeable alloy and a fuel cell made of a proton conductive perovskite ceramic electrolyte thin film have been proposed (for example, (See Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 and 2). These fuel cells are composed of Pd-based hydrogen permeable alloy foils and proton-conductive perovskites such as perovskite BaCe 0.9 Y 0.1 O 3 and BaZr 0.9 In 0.1 O 3. A polycrystalline thin film of type ceramics is formed by vapor deposition by the PLD method, and further, a cathode (air electrode) made of Pt or La 0.9 Sr 0.1 CoO 3 is formed thereon by screen printing. ing.

また、特許文献5および6において、本発明者は水素イオン伝導性や酸化物イオン伝導性を有する非晶質(アモルファス)のイオン伝導膜を提案している。 In Patent Documents 5 and 6, the present inventor has proposed an amorphous ion conductive film having hydrogen ion conductivity and oxide ion conductivity.

特開2008−4372号公報JP 2008-4372 A 特開2008−16457号公報JP 2008-16457 A 特開2008−34111号公報JP 2008-34111 A 特許公開2008−212820号公報Japanese Patent Publication No. 2008-212820 国際公開第2009/041479号パンフレットInternational Publication No. 2009/041479 Pamphlet 国際公開第2007/105422号パンフレットInternational Publication No. 2007/105422 Pamphlet

J. Power Sour., 152 (2005) 200−203.J. Power Sour., 152 (2005) 200−203. J. Power Sour., 185 (2008) 922−926.J. Power Sour., 185 (2008) 922-926.

しかしながら、上述の燃料電池のうちBaCeO系のプロトン伝導性セラミックスを用いたものは、水蒸気に曝すと、プロトン伝導性セラミックスが腐食分解してしまう。燃料電池運転環境下では必ず水が生成するため、そのような材料からなる燃料電池は長時間(数百時間)以上の運転には耐えられない。 However, if the fuel cell using the BaCeO 3 type proton conductive ceramic is exposed to water vapor, the proton conductive ceramic will be decomposed by corrosion. Since water is always generated under the fuel cell operating environment, a fuel cell made of such a material cannot withstand operation for a long time (several hundred hours).

また、BaZrO系材料の薄膜を水素透過性金属箔上に形成すると、水素透過性金属箔の垂直方向に配向した柱状結晶が成長する(例えば、J. Power Sour., 185 (2008) 922−926.参照。)。この様な材料では結晶間にボイドやピンホールを形成しやすいため、膜厚方向へのガスリークや電極物質の拡散を引き起こしやすい。電解質膜におけるガスリークは、燃料と空気との直接混合による爆発を引き起こす原因となり、電極物質の拡散は電気的ショートを引き起こすため、両者とも燃料電池への応用上重大な問題となると共に、プロトン伝導性の向上および運転温度の低下のために必要となる電解質膜の薄膜化を困難にする。 Further, when a thin film of BaZrO 3 based material is formed on a hydrogen permeable metal foil, columnar crystals oriented in the vertical direction of the hydrogen permeable metal foil grow (for example, J. Power Sour., 185 (2008) 922- 926.). In such a material, voids and pinholes are easily formed between the crystals, so that gas leakage in the film thickness direction and diffusion of the electrode material are likely to occur. Gas leaks in the electrolyte membrane cause an explosion due to direct mixing of fuel and air, and diffusion of electrode materials causes electrical shorts, both of which are serious problems in fuel cell applications and proton conductivity. It is difficult to reduce the thickness of the electrolyte membrane, which is necessary for improving the temperature and lowering the operating temperature.

さらに、水素透過合金をアノード水素透過性金属箔電極として用いる場合、合金とセラミックス電解質膜の熱膨張係数の違いおよび合金の水素化に起因する膨張により、セラミックス電解質薄膜に大きな応力がかかり、セラミックス電解質薄膜の破壊が起こるおそれがある。 Furthermore, when a hydrogen permeable alloy is used as an anode hydrogen permeable metal foil electrode, a large stress is applied to the ceramic electrolyte thin film due to the difference in the thermal expansion coefficient between the alloy and the ceramic electrolyte membrane and the expansion caused by hydrogenation of the alloy. There is a risk of film breakage.

燃料電池の作動温度の低下や燃料電池スタックの小型化のためには、固体電解質膜を可能な限り薄くする必要があるが、薄膜化と同時に、欠陥の発生の防止や自己支持性の確保も必要となる。しかしながら、特許文献1〜4および非特許文献1、2に記載の技術では欠陥の発生の防止が困難である。また、特許文献5、6には、膜電極接合体全体の薄型化や自己支持性の発現については記載がない。 In order to reduce the operating temperature of the fuel cell and to reduce the size of the fuel cell stack, it is necessary to make the solid electrolyte membrane as thin as possible. Necessary. However, it is difficult to prevent the occurrence of defects with the techniques described in Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 and 2. Patent Documents 5 and 6 do not describe the thinning of the entire membrane electrode assembly and the expression of self-supporting properties.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、燃料電池や水素生成装置としての使用条件下で化学的および機械的に安定であり、中温型燃料電池に好適に適用可能な膜電極接合体とその製造方法およびそれを用いた燃料電池セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a membrane electrode assembly that is chemically and mechanically stable under the conditions of use as a fuel cell or a hydrogen generator, and can be suitably applied to a medium temperature fuel cell. An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof and a fuel cell using the same.

前記目的に沿う本発明の第1の態様は、下記の(1)〜(7)のいずれかに記載の膜電極接合体を提供することにより上記課題を解決するものである。
(1)厚さが1μm以上であり、自己支持性を有する水素透過性金属箔と、水素イオン伝導性を有する非晶質の無機固体電解質膜とを有する膜電極接合体。
(2)前記水素透過性金属箔と前記固体電解質膜との間に前記水素透過性金属よりも水素吸蔵時の変形が小さい金属からなる中間層を有する(1)記載の膜電極接合体。
The 1st aspect of this invention in alignment with the said objective solves the said subject by providing the membrane electrode assembly in any one of following (1)-(7).
(1) A membrane / electrode assembly having a hydrogen-permeable metal foil having a thickness of 1 μm or more and having a self-supporting property and an amorphous inorganic solid electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity.
(2) The membrane electrode assembly according to (1), further comprising an intermediate layer made of a metal that is less deformed when storing hydrogen than the hydrogen permeable metal between the hydrogen permeable metal foil and the solid electrolyte membrane.

(3)前記無機固体電解質膜が、SiO、TiO、ZrO、AlおよびCeOからなる群から選択される1または複数からなる金属酸化物中に5配位以上の配位数を取り得るカチオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされ、酸素原子を介して結合した非晶質材料である(1)および(2)のいずれか1項記載の膜電極接合体。
(4)前記無機固体電解質膜が、ケイ素(Si)とアルミニウム(Al)のモル比が50:50〜99.9:0.1である非晶質アルミノシリケートである(1)および(2)のいずれか1項記載の膜電極接合体。
(3) The inorganic solid electrolyte membrane has five or more coordinations in one or more metal oxides selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and CeO 2. Any one of (1) and (2), which is an amorphous material doped with a cation that can take a number (excluding a metal ion of the same kind as that of the metal oxide) and bonded via an oxygen atom 2. The membrane electrode assembly according to item 1.
(4) The inorganic solid electrolyte membrane is an amorphous aluminosilicate having a molar ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) of 50:50 to 99.9: 0.1 (1) and (2) The membrane electrode assembly according to any one of the above.

(5)前記固体電解質膜が、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、インジウム(In)、ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)からなる群より選択される1または複数の金属と、ホウ酸、リン酸、硫酸、炭酸および硝酸からなる群より選択される1または複数の酸素酸に由来する残基とが酸素原子を介して結合した非晶質材料である(1)および(2)のいずれか1項記載の膜電極接合体。
(6)前記固体電解質膜が、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、イリジウム(Ir)、スカンジウム(Sc)およびランタノイド群(ランタン(La)を含む)からなる群より選択される1または複数の3価の金属をさらに含む(5)記載の膜電極接合体。
(7)前記金属がジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)およびハフニウム(Hf)のいずれか1または複数であり、前記酸素酸がリン酸である(5)および(6)のいずれか1項記載の膜電極接合体。
(5) the solid electrolyte membrane includes one or more metals selected from the group consisting of hafnium (Hf), titanium (Ti), indium (In), zirconium (Zr), and tin (Sn), boric acid, Any one of (1) and (2), which is an amorphous material in which a residue derived from one or more oxygen acids selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid, carbonic acid and nitric acid is bonded via an oxygen atom The membrane electrode assembly according to claim 1.
(6) The solid electrolyte membrane is one or more selected from the group consisting of yttrium (Y), aluminum (Al), iridium (Ir), scandium (Sc), and a lanthanoid group (including lanthanum (La)). The membrane / electrode assembly according to (5), further comprising a trivalent metal.
(7) The metal according to any one of (5) and (6), wherein the metal is one or more of zirconium (Zr), titanium (Ti), and hafnium (Hf), and the oxygen acid is phosphoric acid. Membrane electrode assembly.

本発明の第2の態様は、下記の(8)〜(16)のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法を提供することにより上記課題を解決するものである。
(8)無機固体電解質膜の前駆体を含む反応液を調製する工程と、
厚さが1μm以上であり、自己支持性を有する水素透過性金属箔の表面に前記反応液を塗布し、前記前駆体を反応させ、水素イオン伝導性を有する非晶質の無機固体電解質膜を形成する工程とを有する膜電極接合体の製造方法。
(9)前記無機固体電解質膜の形成をゾル−ゲル法により行う(8)記載の膜電極接合体の製造方法。
(10)前記反応液を塗布する前に、前記水素透過性金属箔の表面を表面処理して所定の表面粗さとする工程をさらに有する(8)および(9)のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。
(11)前記反応液を塗布する前に、前記水素透過性金属箔の表面に前記水素透過性金属よりも水素吸蔵時の変形の小さい金属からなる中間層を形成する工程をさらに有し、前記反応液は前記中間層の表面に塗布される(8)から(10)のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。
The second aspect of the present invention solves the above problem by providing a method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of (8) to (16) below.
(8) a step of preparing a reaction solution containing a precursor of the inorganic solid electrolyte membrane;
An amorphous inorganic solid electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity is formed by applying the reaction solution to the surface of a hydrogen-permeable metal foil having a thickness of 1 μm or more and having self-supporting properties, and reacting the precursor. The manufacturing method of the membrane electrode assembly which has a process to form.
(9) The method for producing a membrane / electrode assembly according to (8), wherein the inorganic solid electrolyte membrane is formed by a sol-gel method.
(10) The film according to any one of (8) and (9), further comprising a step of surface-treating the surface of the hydrogen-permeable metal foil to a predetermined surface roughness before applying the reaction solution. Manufacturing method of electrode assembly.
(11) before applying the reaction solution, further comprising the step of forming on the surface of the hydrogen permeable metal foil an intermediate layer made of a metal that is less deformed when storing hydrogen than the hydrogen permeable metal, The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of (8) to (10), wherein the reaction solution is applied to the surface of the intermediate layer.

(12)前記反応液が、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される1または複数の金属のアルコキシドと、少なくとも5配位以上の配位数を取り得る金属イオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)のアルコキシドを前記前駆体として含む(8)から(11)のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。
(13)前記反応液が、テトラアルコキシシランおよびアルミニウムトリアルコキシドを記前駆体として含み、該テトラアルコキシシランとアルミニウムトリアルコキシドとのモル比(Si:Al)が50:50〜99.9:0.1である(12)記載の膜電極接合体の製造方法。
(12) The reaction solution is an alkoxide of one or more metals selected from the group consisting of silicon (Si), titanium (Ti), zirconium (Zr), aluminum (Al), and cerium (Ce), and at least 5 Any one of (8) to (11), which contains, as the precursor, an alkoxide of a metal ion that can have a coordination number equal to or higher than coordination (excluding the same metal ion as that of the metal oxide). The manufacturing method of the membrane electrode assembly of description.
(13) The reaction solution contains tetraalkoxysilane and aluminum trialkoxide as a precursor, and the molar ratio (Si: Al) of the tetraalkoxysilane to aluminum trialkoxide is 50:50 to 99.9: 0. The method for producing a membrane / electrode assembly according to (12), which is 1.

(14)前記前駆体が、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、インジウム(In)、ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)からなる群より選択される1または複数の金属のアルコキシドと、ホウ酸、リン酸、硫酸、炭酸および硝酸からなる群より選択される1または複数の酸素酸またはその前駆体である(8)から(11)のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。
(15)前記反応液が、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、イリジウム(Ir)、スカンジウム(Sc)およびランタノイド群(ランタン(La)を含む)からなる群より選択される1または複数の3価の金属のアルコキシドをさらに含む(14)記載の膜電極接合体の製造方法。
(16)前記反応液が、ジルコニウムテトラアルコキシド、チタンテトラアルコキシドおよびハフニウムテトラアルコキシドのいずれか1または複数とリン酸とを前記前駆体として含む(15)記載の膜電極接合体の製造方法。
(14) The precursor is an alkoxide of one or more metals selected from the group consisting of hafnium (Hf), titanium (Ti), indium (In), zirconium (Zr), and tin (Sn), and boric acid The method for producing a membrane / electrode assembly according to any one of (8) to (11), which is one or more oxygen acids selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid, carbonic acid and nitric acid, or a precursor thereof.
(15) The reaction solution is one or more selected from the group consisting of yttrium (Y), aluminum (Al), iridium (Ir), scandium (Sc), and a lanthanoid group (including lanthanum (La)). (14) The manufacturing method of the membrane electrode assembly as described in (14) which further contains a valent metal alkoxide.
(16) The method for producing a membrane / electrode assembly according to (15), wherein the reaction solution contains one or more of zirconium tetraalkoxide, titanium tetraalkoxide, and hafnium tetraalkoxide and phosphoric acid as the precursor.

本発明の第3の態様は、
(17)本発明の第1の態様に係る膜電極接合体を含む燃料電池セルを提供することにより上記課題を解決するものである。
The third aspect of the present invention is:
(17) The above-described problem is solved by providing a fuel cell including the membrane electrode assembly according to the first aspect of the present invention.

本発明によると、燃料電池や水素生成装置としての使用条件下で化学的および機械的に安定であり、中温型燃料電池に好適に適用可能な膜電極接合体が提供される。金属酸素架橋ネットワークを基本構造としており、粒子フリーな緻密薄膜を形成する非晶質材料からなる固体電解質膜と、自己支持性を有する水素透過性金属箔を用いているため、ボイドやピンホールを形成しやすい粒界を含まない気密性の電解質薄膜を形成でき、ガスリーク、電極物質の拡散および接合界面における燃焼反応を抑制でき、薄膜化によるイオン伝導度の向上と自己支持性の両立も容易に行うことができる。
また、本発明によると、上記のような特徴を有すると共に、中温域での運転が可能で、自動車の動力源等に好適に用いることができる燃料電池セルが提供される。
さらに、本発明によると、上記のような特徴を有する膜電極接合体を安価に製造できる膜電極接合体の製造方法が提供される。固体電解質膜の形成に湿式法を用いるため、高価な真空装置が不要であると共に、大面積化も容易に行うことができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the membrane electrode assembly which is chemically and mechanically stable on the use conditions as a fuel cell or a hydrogen generator, and can be applied suitably to an intermediate temperature type fuel cell is provided. The basic structure is a metal-oxygen cross-linking network, and it uses a solid electrolyte membrane made of an amorphous material that forms a particle-free dense thin film and a hydrogen-permeable metal foil with self-supporting properties. Easy-to-form airtight electrolyte thin film that does not contain grain boundaries can be formed, gas leakage, diffusion of electrode material and combustion reaction at the bonding interface can be suppressed. It can be carried out.
In addition, according to the present invention, there is provided a fuel cell that has the above-described characteristics, can be operated in an intermediate temperature range, and can be suitably used for a power source of an automobile.
Furthermore, according to this invention, the manufacturing method of the membrane electrode assembly which can manufacture the membrane electrode assembly which has the above characteristics at low cost is provided. Since the wet method is used for forming the solid electrolyte membrane, an expensive vacuum apparatus is not required and the area can be easily increased.

(a)は本発明の一実施の形態に係る膜電極接合体を用いた燃料電池セルの概略構造を表す模式図であり、(b)は実施例1において作製した燃料電池セルの断面の透過型顕微鏡写真である。(A) is a schematic diagram showing the schematic structure of the fuel cell using the membrane electrode assembly which concerns on one embodiment of this invention, (b) is permeation | transmission of the cross section of the fuel cell produced in Example 1 It is a type | mold microscope picture. 本発明の一実施の形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on one embodiment of this invention. 実施例1において作製した燃料電池セルの種々の温度におけるインピーダンスcole-coleプロットである。2 is an impedance cole-cole plot at various temperatures of the fuel battery cell produced in Example 1. FIG. 実施例2において作製した燃料電池セルの400℃におけるインピーダンスcole-coleプロットである。4 is an impedance cole-cole plot at 400 ° C. of the fuel battery cell produced in Example 2. 実施例3において作製した燃料電池セルの400℃におけるインピーダンスcole-coleプロットである。4 is an impedance cole-cole plot at 400 ° C. of a fuel battery cell produced in Example 3. 実施例4において作製した燃料電池セルの電流−電圧曲線および電流−出力曲線である。6 is a current-voltage curve and a current-output curve of a fuel cell produced in Example 4. FIG. 実施例4において作製した燃料電池セルの開回路条件下でのインピーダンスcole-coleプロットである。FIG. 6 is an impedance cole-cole plot of the fuel battery cell produced in Example 4 under an open circuit condition.

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係る燃料電池セル10に用いられている膜電極接合体11は、図1(a)に示すように、水素透過性金属箔(燃料電池10において燃料極として作用する。)12と、水素イオン伝導性を有する非晶質の無機固体電解質膜13とを有している。燃料電池10において、無機固体電解質膜13の水素透過性金属箔12と反対側の面上には、空気極14が形成されている。なお、燃料電池セル10において、水素透過性金属箔12と無機固体電解質膜13との間には、水素透過性金属箔12よりも水素吸蔵時の膨張が小さい金属からなる中間層15が形成されている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
A membrane electrode assembly 11 used in a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention functions as a hydrogen permeable metal foil (a fuel electrode in the fuel cell 10) as shown in FIG. .) 12 and an amorphous inorganic solid electrolyte membrane 13 having hydrogen ion conductivity. In the fuel cell 10, an air electrode 14 is formed on the surface of the inorganic solid electrolyte membrane 13 opposite to the hydrogen permeable metal foil 12. In the fuel cell 10, an intermediate layer 15 made of a metal having a smaller expansion during hydrogen storage than the hydrogen permeable metal foil 12 is formed between the hydrogen permeable metal foil 12 and the inorganic solid electrolyte membrane 13. ing.

燃料電池セル10は、固体電解質膜13の前駆体を含む反応液を調製する工程と、水素透過性金属箔12の表面に中間層15を形成する工程と、中間層15の表面に反応液を塗布し、100〜600℃で熱処理しながら前駆体を反応させ固体電解質膜13を形成する工程とを有する方法によって製造される。 The fuel cell 10 includes a step of preparing a reaction solution containing a precursor of the solid electrolyte membrane 13, a step of forming the intermediate layer 15 on the surface of the hydrogen permeable metal foil 12, and a reaction solution on the surface of the intermediate layer 15. And a step of forming a solid electrolyte membrane 13 by reacting a precursor while applying heat treatment at 100 to 600 ° C.

水素透過性金属箔12としては、パラジウム(Pd)、またはパラジウム−銀(Pd−Ag)、パラジウム−白金(Pd−Pt)、パラジウム−銅(Pd−Cu)等のPd合金からなる金属箔が挙げられる。あるいはバナジウム(V)、ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)から選ばれるいずれかを含んだ金属膜の両面に、上記のようなPdを含んだ膜を成膜したもの等も用いることができる。水素透過性金属箔12の厚さは、20μm以上であることが好ましい。厚さが20μmを下回ると、ピンホール等の欠陥や、無機固体電解質膜13の形成時にしわ等が発生するおそれがあると共に、得られる膜電極接合体11の機械的強度が不十分になるおそれがある。水素透過性金属箔12の厚さの上限は特にないが、無機固体電解質膜13に十分な水素が供給されるよう適宜調節される。 As the hydrogen permeable metal foil 12, a metal foil made of Pd alloy such as palladium (Pd), palladium-silver (Pd-Ag), palladium-platinum (Pd-Pt), palladium-copper (Pd-Cu) or the like is used. Can be mentioned. Alternatively, a film in which a film containing Pd as described above is formed on both surfaces of a metal film containing any one selected from vanadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta) can also be used. The thickness of the hydrogen permeable metal foil 12 is preferably 20 μm or more. If the thickness is less than 20 μm, defects such as pinholes and wrinkles may occur when the inorganic solid electrolyte membrane 13 is formed, and the mechanical strength of the resulting membrane electrode assembly 11 may be insufficient. There is. The upper limit of the thickness of the hydrogen permeable metal foil 12 is not particularly limited, but is appropriately adjusted so that sufficient hydrogen is supplied to the inorganic solid electrolyte membrane 13.

無機固体電解質膜13が形成される側の水素透過性金属箔12の表面に対して、所定の表面粗さとなるよう表面処理を行ってもよい。表面粗さは、無機固体電解質膜13との間に十分な接合強度が得られるよう適宜調節されるが、例えば2〜5μmである。表面処理は、所定の表面粗さが達成できる任意の方法を、水素透過性金属箔12の材質や厚さ等に応じて適宜選択できるが、酸素プラズマ処理、RIE等のドライエッチング、バフ加工、研磨剤による機械的研磨等が挙げられる。研磨剤としては、日本磨料株式会社製の「ピカール(登録商標)」等が挙げられる。 The surface of the hydrogen permeable metal foil 12 on the side where the inorganic solid electrolyte membrane 13 is formed may be subjected to a surface treatment so as to have a predetermined surface roughness. The surface roughness is appropriately adjusted so as to obtain a sufficient bonding strength between the inorganic solid electrolyte membrane 13 and is, for example, 2 to 5 μm. As the surface treatment, an arbitrary method capable of achieving a predetermined surface roughness can be appropriately selected according to the material and thickness of the hydrogen permeable metal foil 12, but oxygen plasma treatment, dry etching such as RIE, buffing, Examples thereof include mechanical polishing with an abrasive. Examples of the abrasive include “Pical (registered trademark)” manufactured by Nippon Polishing Co., Ltd.

膜電極接合体11において、水素透過性金属箔12と無機固体電解質膜13との間に、水素透過性金属箔12よりも水素吸蔵時の変形が小さい金属からなる中間層15を形成すると、水素の吸蔵−放出に伴う水素透過性金属箔12の膨張および収縮により、両者の接合面に加わる応力を緩和し、膜電極接合体11の寿命を向上できる。また、中間層15として、熱膨張率が水素透過性金属箔12と無機固体電解質膜13の中間であるものを選択することにより、熱ショックによる水素透過性金属箔12と無機固体電解質膜13の接合面への応力集中に対する緩衝層として中間層15を機能させることができ、膜電極接合体11の熱に対する安定性を向上させることもできる。 In the membrane electrode assembly 11, when an intermediate layer 15 made of a metal that is less deformed when storing hydrogen than the hydrogen permeable metal foil 12 is formed between the hydrogen permeable metal foil 12 and the inorganic solid electrolyte membrane 13, Due to the expansion and contraction of the hydrogen permeable metal foil 12 that accompanies occlusion-release, the stress applied to the joint surface between the two can be relaxed and the life of the membrane electrode assembly 11 can be improved. Further, by selecting the intermediate layer 15 having a thermal expansion coefficient intermediate between the hydrogen permeable metal foil 12 and the inorganic solid electrolyte membrane 13, the hydrogen permeable metal foil 12 and the inorganic solid electrolyte membrane 13 caused by heat shock The intermediate layer 15 can function as a buffer layer against stress concentration on the bonding surface, and the stability of the membrane electrode assembly 11 against heat can also be improved.

中間層15に用いることができる金属は、無機固体電解質膜13に水素を供給するために水素透過性を有していると好都合である。このような金属の具体例としては、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)およびこれらの合金が挙げられる。 The metal that can be used for the intermediate layer 15 advantageously has hydrogen permeability in order to supply hydrogen to the inorganic solid electrolyte membrane 13. Specific examples of such metals include nickel (Ni), platinum (Pt), niobium (Nb), zirconium (Zr), vanadium (V), and alloys thereof.

中間層15の厚さは、0.5〜500nmであることが好ましい。中間層15の形成は、高周波スパッタ蒸着法等の任意の方法を用いて行うことができる。 The thickness of the intermediate layer 15 is preferably 0.5 to 500 nm. The intermediate layer 15 can be formed by using an arbitrary method such as a high-frequency sputter deposition method.

無機固体電解質膜13として、非晶質材料からなる膜を用いることにより、膜電極接合体11およびそれを用いた燃料電池セル10において、ガスリークおよび接合界面燃焼反応を抑えることができる。また、膜厚を小さくしてもガスリークや電極物質の拡散を抑制できるため、イオン伝導度を向上させることができる。そのため、従来の固体酸化物型燃料電池よりも作動温度を低下させることができ、中温型燃料電池用の電解質膜として好適に用いることができる。 By using a film made of an amorphous material as the inorganic solid electrolyte film 13, gas leakage and bonded interface combustion reaction can be suppressed in the membrane electrode assembly 11 and the fuel battery cell 10 using the same. Further, even if the film thickness is reduced, gas leakage and electrode material diffusion can be suppressed, so that ionic conductivity can be improved. Therefore, the operating temperature can be lowered as compared with the conventional solid oxide fuel cell, and it can be suitably used as an electrolyte membrane for an intermediate temperature fuel cell.

本発明において、「非晶質材料」には、非晶質(アモルファス)材料以外のものが全く含まれていないもの以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、非晶質材料以外の成分を含んでいるものも含まれる。非晶質材料以外の成分としては、例えば、製造工程で混入する不純物等が挙げられる。また、無機固体電解質膜13は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、結晶構造を含んでいてもよい。この場合の結晶構造は、非晶質材料の体積全体の、例えば20%以下、より好ましくは10%以下である。 In the present invention, the “amorphous material” includes, in addition to those that do not contain anything other than an amorphous material, other than an amorphous material, as long as they do not depart from the spirit of the present invention. The thing containing the component of is included. Examples of components other than the amorphous material include impurities mixed in the manufacturing process. Further, the inorganic solid electrolyte membrane 13 may include a crystal structure within a range not departing from the gist of the present invention. The crystal structure in this case is, for example, 20% or less, more preferably 10% or less of the entire volume of the amorphous material.

無機固体電解質膜13は、水素イオン伝導性を有している。本発明において、「水素イオン伝導性(プロトン伝導性)」とは、外部電場又は化学ポテンシャルによりプロトン(H)のみを伝導させ、電子またはその他のイオンの伝度および水素分子の透過を起こさない固体材料をいう。 The inorganic solid electrolyte membrane 13 has hydrogen ion conductivity. In the present invention, “hydrogen ion conductivity (proton conductivity)” means that only proton (H + ) is conducted by an external electric field or chemical potential, and does not cause electron or other ion conductivity and permeation of hydrogen molecules. Solid material.

無機固体電解質膜13に用いられる材料としては、
(1)SiO、TiO、ZrO、AlおよびCeOからなる群から選択される1または複数の金属酸化物中に少なくとも5配位以上の配位数を取り得る金属イオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされ、酸素原子を介して結合した非晶質材料、またはケイ素(Si)とアルミニウム(Al)のモル比が50:50〜99.9:0.1である非晶質アルミノシリケート(以下、「金属酸化物系材料」という。)、および
(2)ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、インジウム(In)、ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)からなる群より選択される1または複数の金属と、ホウ酸、リン酸、硫酸、炭酸および硝酸からなる群より選択される1または複数の酸素酸に由来する残基とが酸素原子を介して結合した非晶質材料(以下、「金属酸化物−酸素酸系材料」という。)が挙げられる。
As a material used for the inorganic solid electrolyte membrane 13,
(1) a metal ion capable of taking a coordination number of at least five or more in one or more metal oxides selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and CeO 2 ( However, an amorphous material doped with an oxygen atom or a molar ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) is 50:50. To 99.9: 0.1 amorphous aluminosilicate (hereinafter referred to as “metal oxide material”), and (2) hafnium (Hf), titanium (Ti), indium (In), zirconium ( Derived from one or more metals selected from the group consisting of Zr) and tin (Sn) and one or more oxygen acids selected from the group consisting of boric acid, phosphoric acid, sulfuric acid, carbonic acid and nitric acid And an amorphous material in which a residue is bonded through an oxygen atom (hereinafter referred to as “metal oxide-oxygen acid material”).

(1)金属酸化物系材料
金属酸化物系材料の一例としては、SiO、TiO、ZrO、AlおよびCeOからなる群から選択される1または複数ならびにAlからなる金属酸化物中に5配位以上の配位数を取り得るカチオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされたものが挙げられ、SiOおよびAlからなるアルミノシリケート中に5配位以上の配位数を取り得るカチオンがドープされたものがさらに好ましい。尚、カチオンは、金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンではない。
(1) Metal oxide material As an example of the metal oxide material, one or more selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and CeO 2 and Al 2 O 3 And a metal oxide doped with a cation capable of taking a coordination number of 5 or more (excluding the same metal ion as the metal oxide), SiO 2 and Al 2 More preferably, the aluminosilicate composed of O 3 is doped with a cation capable of taking a coordination number of five or more. The cation is not the same kind of metal ion as the metal contained in the metal oxide.

シリカ等の金属酸化物を主成分として採用し、かつ、5配位以上の配位数を取り得るカチオン特定のカチオンをドープすることにより、水素イオン伝導性を発現させることができる。ここで、「ドープ」とは、5配位以上の配位数を取り得る金属カチオン原子が分散して、SiO、TiO、ZrO、Al、CeO等の金属酸化物中に存在していることをいう。なお、金属酸化物は、1種類のみであってもよいし、任意の2種類以上であってもよい。 By adopting a metal oxide such as silica as a main component and doping with a specific cation capable of taking a coordination number of 5 or more, hydrogen ion conductivity can be expressed. Here, “dope” means that metal cation atoms having a coordination number of five or more coordinations are dispersed and in a metal oxide such as SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , or CeO 2. Means that it exists. In addition, only one type of metal oxide may be sufficient, and arbitrary two or more types may be sufficient.

なお、無機固体電解質膜13において、酸素がイオン等の状態で、SiO、TiO、ZrO、AlまたはCeOの組成を超えて含まれている場合があるが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、このような酸化物イオン等が含まれていることを排除するものではない。 In the inorganic solid electrolyte membrane 13, oxygen may be contained in an ion state or the like in excess of the composition of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 or CeO 2 . It is not excluded that such oxide ions and the like are included within a range not departing from the spirit.

5配位以上の配位数を取り得るカチオンは、6配位以上の配位数を取り得るカチオンであることが好ましく、6〜12の配位数を取り得るカチオンであることがより好ましい。より具体的には、本発明で用いるカチオンは、金属イオンであることが好ましく、希土類金属イオン、アルミニウム(Al)イオン、ジルコニウム(Zr)イオン、ニオブ(Nb)イオン、ハフニウム(Hf)イオン、タンタル(Ta)イオンまたは第一遷移金属イオンであることがより好ましく、セリウム(Ce)イオン、アルミニウム(Al)イオン、チタン(Ti)イオン、ジルコニウム(Zr)イオン、ニオブ(Nb)イオン、イットリウム(Y)イオン、ランタン(La)イオン、ハフニウム(Hf)イオンまたはタンタル(Ta)イオンであることがさらに好ましく、ハフニウム(Hf)イオン、アルミニウム(Al)イオン、ジルコニウム(Zr)イオンであることが特に好ましい。
また、カチオンは1種類のみ含まれていてもよいし、任意の2種類以上が含まれていてもよい。
The cation capable of taking a coordination number of 5 or more is preferably a cation capable of taking a coordination number of 6 or more, and more preferably a cation capable of taking a coordination number of 6 to 12. More specifically, the cation used in the present invention is preferably a metal ion, such as a rare earth metal ion, an aluminum (Al) ion, a zirconium (Zr) ion, a niobium (Nb) ion, a hafnium (Hf) ion, or tantalum. (Ta) ion or first transition metal ion is more preferable, and cerium (Ce) ion, aluminum (Al) ion, titanium (Ti) ion, zirconium (Zr) ion, niobium (Nb) ion, yttrium (Y ) Ions, lanthanum (La) ions, hafnium (Hf) ions, or tantalum (Ta) ions, more preferably hafnium (Hf) ions, aluminum (Al) ions, and zirconium (Zr) ions. .
Further, only one kind of cation may be contained, or two or more kinds of cations may be contained.

金属酸化物系材料中の、金属酸化物中の金属(例えば、ケイ素):カチオンの比(モル比)は、99.9:0.1〜70:30であることが好ましく、99:1〜50:50であることがより好ましく、95〜75:5〜25であることがさらに好ましく、90:10〜80:20であることが特に好ましい。 The metal (for example, silicon): cation ratio (molar ratio) in the metal oxide-based material is preferably 99.9: 0.1 to 70:30, and 99: 1 to It is more preferably 50:50, further preferably 95 to 75: 5 to 25, and particularly preferably 90:10 to 80:20.

プロトン伝導性の向上のためには、金属酸化物系材料の他の例である、SiOおよびAlからなるアルミノシリケート系材料を用いることが好ましい。アルミノシリケートは、−O−Si4+−O−Al3+−O−結合上の負電荷により、多くのプロトンを含有するため、強いプロンステッド酸性を示す。従って、結晶性のアルミノシリケート化合物であるゼオライトはプロトン伝導性を示すことが知られている。しかしながらゼオライトはそのチャンネル構造により、HやOガスを透過しやすい。また、ゼオライトは難焼結性の材料であるため、均一な薄膜を作製することは非常に困難である。しかしながら、アルミノシリケート骨格をもつ非晶質材料を採用することにより、ガスバリア性と優れたプロトン伝導性とを両立できる。アルミノシリケート系材料におけるケイ素とアルミニウムのモル比は、例えば、50:50〜99.9:0.1、好ましくは90:10〜99.9:0.1であり、膜電極接合体11および燃料電池セル10の用途等に応じて適宜調節される。 In order to improve proton conductivity, it is preferable to use an aluminosilicate material made of SiO 2 and Al 2 O 3 , which is another example of a metal oxide material. Aluminosilicates exhibit strong Pronsted acidity because they contain many protons due to the negative charge on the —O—Si 4+ —O—Al 3+ —O— bond. Therefore, it is known that zeolite which is a crystalline aluminosilicate compound exhibits proton conductivity. However, zeolite is easy to permeate H 2 and O 2 gas due to its channel structure. Also, since zeolite is a hardly sinterable material, it is very difficult to produce a uniform thin film. However, by adopting an amorphous material having an aluminosilicate skeleton, both gas barrier properties and excellent proton conductivity can be achieved. The molar ratio of silicon and aluminum in the aluminosilicate material is, for example, 50:50 to 99.9: 0.1, preferably 90:10 to 99.9: 0.1, and the membrane electrode assembly 11 and the fuel It adjusts suitably according to the use of the battery cell 10, etc.

金属酸化物系材料からなる無機固体電解質膜13は、無機固体電解質膜13の前駆体を含む反応液を調製後、水素透過性金属箔12あるいはその上に形成された中間層15の表面に反応液を塗布し、100〜600℃で熱処理しながら前駆体を反応させることにより形成される。以下、シリカにカチオンがドープされたアモルファス材料を用いた膜状のイオン伝導性材料(伝導性膜)を製造する場合を例にして説明するが、他の金属酸化物を用いる場合も同様に行うことができる。このように、従来の真空プロセスに代わって溶液プロセスで無機固体電解質膜13の形成を行うことにより、大面積表面をもつ燃料電池セル10を安価に作製できる。 The inorganic solid electrolyte membrane 13 made of a metal oxide material reacts on the surface of the hydrogen permeable metal foil 12 or the intermediate layer 15 formed thereon after preparing a reaction solution containing the precursor of the inorganic solid electrolyte membrane 13. It is formed by applying a liquid and reacting the precursor while heat-treating at 100 to 600 ° C. Hereinafter, a case where a film-like ion conductive material (conductive film) using an amorphous material in which a cation is doped in silica is manufactured will be described as an example, but the same process is performed when another metal oxide is used. be able to. Thus, by forming the inorganic solid electrolyte membrane 13 by a solution process instead of the conventional vacuum process, the fuel cell 10 having a large area surface can be manufactured at low cost.

無機固体電解質膜13は、例えば、図2に示すように、金属酸化物の一例であるシリカ前駆体とカチオンを含む化合物を含む反応液を調製し、得られた反応液を水素透過性金属箔12の表面(中間層が形成されている場合は中間層15の表面。以下本実施形態の説明において同様である。)に薄層状に塗布し、塗膜に含まれる前駆体を加水分解して、好ましくはゾル−ゲル法により反応させ、焼成することにより形成される。必要に応じて、焼成後の無機固体電解質膜13をアニーリング処理してもよい。塗布および焼成ならびにアニーリング処理は、必要に応じて複数回反復してもよい。 For example, as shown in FIG. 2, the inorganic solid electrolyte membrane 13 is prepared by preparing a reaction solution containing a compound containing a silica precursor and a cation, which is an example of a metal oxide, and the obtained reaction solution is a hydrogen-permeable metal foil. 12 is applied to the surface of 12 (the surface of the intermediate layer 15 when an intermediate layer is formed; the same applies to the description of the present embodiment hereinafter), and the precursor contained in the coating film is hydrolyzed. It is preferably formed by reacting and baking by a sol-gel method. If necessary, the fired inorganic solid electrolyte membrane 13 may be annealed. The application and baking and the annealing treatment may be repeated a plurality of times as necessary.

水素透過性金属箔12上への塗布方法としては、スピンコーティング法等の公知の方法を採用できる。スピンコーティング法を採用することにより、塗布の回数が制御でき、膜厚を調整できるため好ましい。さらに、本発明では、薄層を積層した積層体であることが好ましい。このような構成とすることにより、膜がより均一に作製され、より伝導性に優れた薄膜が得られる。
このとき、反応液中のカチオンを含む化合物の濃度が、2mM〜100mMであることが好ましい。また、ケイ素:カチオンの比は、最終的に製造されるイオン伝導性材料の比から換算して決定される。
As a coating method on the hydrogen permeable metal foil 12, a known method such as a spin coating method can be employed. Employing the spin coating method is preferable because the number of coatings can be controlled and the film thickness can be adjusted. Furthermore, in this invention, it is preferable that it is a laminated body which laminated | stacked the thin layer. By setting it as such a structure, a film | membrane is produced more uniformly and the thin film excellent in conductivity is obtained.
At this time, it is preferable that the density | concentration of the compound containing the cation in a reaction liquid is 2 mM-100 mM. The ratio of silicon: cation is determined by conversion from the ratio of the finally produced ion conductive material.

加水分解は、それによりシリカ前駆体をシリカとし、該シリカ中にカチオンがドープされた状態となる限り特に定めるものではない。例えば、反応液を吸着させた固体を水蒸気処理、水処理または湿潤空気中で加熱処理するのが好ましい。この場合の水は、不純物等の混入を防止し、高純度の反応液からなる薄層を形成するために、イオン交換水を用いることが好ましい。 Hydrolysis is not particularly defined as long as the silica precursor is silica and the cation is doped in the silica. For example, it is preferable to heat-treat the solid on which the reaction liquid has been adsorbed in steam treatment, water treatment or wet air. In this case, it is preferable to use ion-exchanged water in order to prevent contamination of impurities and the like and to form a thin layer made of a highly pure reaction solution.

加水分解後、必要により、窒素ガス等の乾燥用ガスにより表面を乾燥させてもよい。さらに、酸や塩基などの触媒を用いることで、これらの工程に必要な時間を大幅に短縮することも可能である。 After hydrolysis, if necessary, the surface may be dried with a drying gas such as nitrogen gas. Furthermore, by using a catalyst such as an acid or a base, the time required for these steps can be significantly shortened.

焼成は、100〜500℃で、10秒〜24時間行うことが好ましい。
なお、すべての工程を500℃以下で行うことができるため、他の電池構成材料との反応による性能劣化を抑止できるという点からも好ましい。
Firing is preferably performed at 100 to 500 ° C. for 10 seconds to 24 hours.
In addition, since all processes can be performed at 500 degrees C or less, it is preferable also from the point that the performance degradation by reaction with another battery constituent material can be suppressed.

ここで、シリカ前駆体とは、加水分解後にシリカとなるものをいう。シリカ前駆体としては、具体的には、アルコキシシラン、ハロゲン化シラン、水ガラスおよびシランイソシアネートが好ましく、ゾル−ゲル法を採用する場合にはアルコキシシランがより好ましい。 Here, a silica precursor means what becomes silica after hydrolysis. Specifically, alkoxysilane, halogenated silane, water glass and silane isocyanate are preferable as the silica precursor, and alkoxysilane is more preferable when the sol-gel method is adopted.

アルコキシシランとしては、テトラアルコキシシランが好ましく、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、トリブトキシシラノール、メチルトリエトキシシランがより好ましい。
また、TiO、ZrO、AlまたはCeOを用いる場合も、ぞれぞれ、対応する金属を含有するハロゲン化物またはアルコキシ化合物を採用することが好ましい。
As the alkoxysilane, tetraalkoxysilane is preferable, and tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, tributoxysilanol, and methyltriethoxysilane are more preferable.
Further, when TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 or CeO 2 is used, it is preferable to employ a halide or an alkoxy compound each containing a corresponding metal.

カチオンを含む化合物としては、金属アルコキシド、イソシアネート金属化合物、ハロゲン化物、キレート錯体、有機金属錯体等加水分解により、金属酸化物を生成しうる全ての試薬が挙げられる。
金属アルコキシドとしては、例えば、M(OR)で表されるものが好ましい。ここで、Mは希土類金属原子、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)または第一遷移金属原子であり、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)またはタンタル(Ta)であることが好ましい。ここで、Rは、アルキル基を含む基であり、炭素原子数1〜7のアルキル基、アルキルカルボニル基、アルキルケトン基、アルキルジケトン基が好ましい。なお、nは1〜6の整数であることが好ましい。
Examples of the compound containing a cation include all reagents capable of forming a metal oxide by hydrolysis, such as metal alkoxide, isocyanate metal compound, halide, chelate complex, and organometallic complex.
As a metal alkoxide, what is represented by M (OR) n is preferable, for example. Here, M is a rare earth metal atom, aluminum (Al), zirconium (Zr), niobium (Nb), hafnium (Hf), tantalum (Ta) or a first transition metal atom, cerium (Ce), aluminum (Al ), Titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), yttrium (Y), lanthanum (La), hafnium (Hf), or tantalum (Ta). Here, R is a group containing an alkyl group, preferably an alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, an alkylcarbonyl group, an alkyl ketone group, or an alkyl diketone group. In addition, it is preferable that n is an integer of 1-6.

M(OR)の具体例として、Ce(OCOCH、Hf(OC、Ta(OC、Zr(OC、Al(OCH(CH、La(OCOCH、Nb(OC、Ti(OC等が挙げられる。ハロゲン化金属化合物としては、具体的には、CeCl、ZrCl、TiCl、LaCl、AlCl、TaCl等が挙げられる。また、M(OR):シリカ前駆体のモル比は、1〜50:99〜50となるよう調製することが好ましい。 Specific examples of M (OR) n include Ce (OC 2 H 4 OCH 3 ) 3 , Hf (OC 4 H 9 ) 4 , Ta (OC 2 H 5 ) 5 , Zr (OC 4 H 9 ) 4 , Al ( OCH (CH 3 ) 2 ) 3 , La (OC 2 H 4 OCH 3 ) 3 , Nb (OC 2 H 5 ) 5 , Ti (OC 4 H 9 ) 4 and the like can be mentioned. Specific examples of the metal halide compound include CeCl 3 , ZrCl 4 , TiCl 4 , LaCl 3 , AlCl 3 , TaCl 5 and the like. Moreover, it is preferable to prepare so that the molar ratio of M (OR) n : silica precursor may be 1-50: 99-50.

(2)金属酸化物−酸素酸系材料
金属酸化物−酸素酸系材料としては、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、インジウム(In)、ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)からなる群より選択される1または複数の金属と、ホウ酸、リン酸、硫酸、炭酸および硝酸からなる群より選択される1または複数の酸素酸に由来する残基とが酸素原子を介して結合した非晶質材料が挙げられる。金属酸化物−酸素酸系材料は、通常、金属酸化物前駆体と、酸素酸またはその前駆体とをゾル−ゲル反応させた後、加熱して焼成することにより製造される。
(2) Metal oxide-oxygen-based material The metal oxide-oxygen-based material is selected from the group consisting of hafnium (Hf), titanium (Ti), indium (In), zirconium (Zr), and tin (Sn). Amorphous in which one or more selected metals are bonded to a residue derived from one or more oxygen acids selected from the group consisting of boric acid, phosphoric acid, sulfuric acid, carbonic acid and nitric acid via an oxygen atom Quality materials. The metal oxide-oxygen acid-based material is usually produced by subjecting a metal oxide precursor and oxyacid or a precursor thereof to a sol-gel reaction, and then heating and baking.

(金属酸化物前駆体)
本発明における金属酸化物前駆体としては、ゾル−ゲル反応により、金属酸化物を生成しうる全ての化合物が挙げられる。具体的には、金属アルコキシド、イソシアネート金属化合物、ハロゲン化物、キレート錯体、有機金属錯体等が挙げられ、金属アルコキシドが好ましい。
(Metal oxide precursor)
Examples of the metal oxide precursor in the present invention include all compounds capable of generating a metal oxide by a sol-gel reaction. Specific examples include metal alkoxides, isocyanate metal compounds, halides, chelate complexes, and organometallic complexes, and metal alkoxides are preferred.

(酸素酸またはその前駆体)
本発明における酸素酸とは、特に定めるものではないが、ホウ酸、硫酸、リン酸、炭酸および硝酸が好ましく、リン酸が最も好ましい。酸素酸およびその前駆体は、1種類のみを用いてもよいし、任意の2種類以上を用いてもよい。また、酸素酸の前駆体とは、ゾル−ゲル反応において、実質的に酸素酸と同様の働きをするものをいい、例えば、P、ポリリン酸、SOなどが挙げられる。
(Oxygen acid or its precursor)
The oxygen acid in the present invention is not particularly defined, but boric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, carbonic acid and nitric acid are preferable, and phosphoric acid is most preferable. Only one type of oxygen acid and its precursor may be used, or two or more types may be used. In addition, the oxygen acid precursor means a substance that has substantially the same function as oxygen acid in the sol-gel reaction, and examples thereof include P 2 O 5 , polyphosphoric acid, and SO 3 .

金属酸化物前駆体の金属成分の主成分としては、ハフニウム(Hf)イオン、チタン(Ti)イオン、インジウム(In)イオン、ジルコニウム(Zr)イオンおよびスズ(Sn)イオンから選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、ジルコニウム(Zr)イオン、チタン(Ti)イオンまたはハフニウム(Hf)イオンを含むものがさらに好ましい。ここで、主成分とは、金属成分のうち、含量(モル%)が最も多い成分をいう。 The main component of the metal component of the metal oxide precursor is at least one selected from hafnium (Hf) ions, titanium (Ti) ions, indium (In) ions, zirconium (Zr) ions, and tin (Sn) ions. It is more preferable that it contains zirconium (Zr) ions, titanium (Ti) ions, or hafnium (Hf) ions. Here, the main component means a component having the largest content (mol%) among metal components.

さらに、金属酸化物前駆体は、上記の金属イオンに併せて、3価の金属イオンを含むことが好ましい。3価の金属イオンとしては、イットリウム(Y)イオン、アルミニウム(Al)イオン、インジウム(In)イオン、スカンジウム(Sc)イオンおよびランタノイドイオン群(ランタン(La)イオンを含む)から選択される少なくとも1種であることが好ましく、イットリウムがより好ましい。このような3価の金属イオンは、上記の金属イオン1モルに対し、0.03〜0.20モルの割合で含まれることが好ましく、金属イオン1モルに対し、0.03〜0.10モルの割合で含まれることがより好ましい。このように金属酸化物前駆体中に3価の金属イオンを含ませることにより、プロトン伝導性をより向上させる場合があり、好ましい。 Further, the metal oxide precursor preferably contains a trivalent metal ion in addition to the above metal ions. The trivalent metal ions are at least one selected from yttrium (Y) ions, aluminum (Al) ions, indium (In) ions, scandium (Sc) ions, and lanthanoid ion groups (including lanthanum (La) ions). A seed is preferred, and yttrium is more preferred. Such trivalent metal ions are preferably contained in a proportion of 0.03 to 0.20 mol per 1 mol of the metal ions, and 0.03 to 0.10 per mol of metal ions. More preferably, it is contained in a molar ratio. Thus, by including a trivalent metal ion in the metal oxide precursor, proton conductivity may be further improved, which is preferable.

金属酸化物前駆体として、金属アルコキシドを用いる場合、M(OR)で表される金属アルコキシドがより好ましい。ここで、Mは希土類金属原子、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)または第一遷移金属原子であり、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)またはタンタル(Ta)であることが好ましい。ここで、Rは、アルキル基を含む基であり、炭素原子数1〜7のアルキル基、アルキルカルボニル基、アルキルケトン基、アルキルジケトン基が好ましい。また、nは1〜6の整数であることが好ましい。 When a metal alkoxide is used as the metal oxide precursor, a metal alkoxide represented by M (OR) n is more preferable. Here, M is a rare earth metal atom, aluminum (Al), zirconium (Zr), niobium (Nb), hafnium (Hf), tantalum (Ta) or a first transition metal atom, cerium (Ce), aluminum (Al ), Titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), yttrium (Y), lanthanum (La), hafnium (Hf), or tantalum (Ta). Here, R is a group containing an alkyl group, preferably an alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, an alkylcarbonyl group, an alkyl ketone group, or an alkyl diketone group. Moreover, it is preferable that n is an integer of 1-6.

M(OR)の具体例として、Ce(OCOCH、Hf(OC、Ta(OC、Zr(OC、Al(OCH(CH、La(OCOCH、Y(OCOCH、Nb(OC、Ti(OC等が挙げられる。金属酸化物前駆体は、1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を用いてもよい。 Specific examples of M (OR) n include Ce (OC 2 H 4 OCH 3 ) 3 , Hf (OC 4 H 9 ) 4 , Ta (OC 2 H 5 ) 5 , Zr (OC 4 H 9 ) 4 , Al ( OCH (CH 3 ) 2 ) 3 , La (OC 2 H 4 OCH 3 ) 3 , Y (OC 2 H 4 OCH 3 ) 3 , Nb (OC 2 H 5 ) 5 , Ti (OC 4 H 9 ) 4, etc. Can be mentioned. Only one type of metal oxide precursor may be used, or two or more types may be used.

金属酸化物−酸素酸系材料において、酸素酸由来の基と、金属酸化物とのモル比は、10:1〜1:10であることが好ましく、3:1〜1:5であることがより好ましい。 In the metal oxide-oxygen-based material, the molar ratio of the group derived from oxyacid to the metal oxide is preferably 10: 1 to 1:10, and preferably 3: 1 to 1: 5. More preferred.

金属酸化物−酸素酸系材料からなる無機固体電解質膜13の製造方法は、上述の金属酸化物系材料からなる無機固体電解質膜13の場合と同様であるので、詳しい説明を省略する。 Since the manufacturing method of the inorganic solid electrolyte membrane 13 made of the metal oxide-oxygen-based material is the same as that of the inorganic solid electrolyte membrane 13 made of the above-described metal oxide-based material, detailed description thereof is omitted.

無機固体電解質膜13の厚さは、例えば、0.005μm〜1.0μm、さらには、100nm以下の厚さ、特に、10nm以下とすることができる。従来の結晶性セラミックからなる電解質膜は通常数十nm以上の結晶粒子からなっているため、5μm以下の厚さとすることができなかったが、膜電極接合体11に用いられる無機固体電解質膜13は、この点を回避できる点で極めて有意である。 The thickness of the inorganic solid electrolyte membrane 13 can be, for example, 0.005 μm to 1.0 μm, further, a thickness of 100 nm or less, particularly 10 nm or less. A conventional electrolyte membrane made of crystalline ceramic is usually made of crystal particles of several tens of nanometers or more, and thus cannot have a thickness of 5 μm or less. Is extremely significant in that this point can be avoided.

無機固体電解質膜13の水素イオン伝導度は、例えば、作動温度0〜500℃、好ましくは作動温度100〜400℃において、1×10−6S・cm−1以上であることが好ましく、5×10−5S・cm−1以上であることがより好ましい。 The hydrogen ion conductivity of the inorganic solid electrolyte membrane 13 is, for example, preferably 1 × 10 −6 S · cm −1 or more at an operating temperature of 0 to 500 ° C., preferably 100 to 400 ° C., and 5 ×. More preferably, it is 10 −5 S · cm −1 or more.

さらに無機固体電解質膜13の面積抵抗値を10Ωcm以下とすることができ、さらには1Ωcm以下とすることができ、特には0.5Ωcm以下とすることができ、好ましくは、0.2Ωcm以下であるものができる。この中でも、作動温度0〜500℃、好ましくは作動温度100〜400℃において、面積抵抗値が上記値であることがより好ましい。面積抵抗比がこのように小さいと、イオン輸送効率が上昇し、例えば、燃料電池としての性能が向上するという利点がある。このように実用性の高い無機固体電解質膜13は、従来得られなかったものである。 Furthermore the area resistance value of the inorganic solid electrolyte film 13 can be a 10 .OMEGA.cm 2 or less, further may be a 1 .OMEGA.cm 2 or less, in particular can be a 0.5Omucm 2 or less, preferably, 0.2Omucm What is 2 or less can be made. Among these, at the operating temperature of 0 to 500 ° C., preferably at the operating temperature of 100 to 400 ° C., the sheet resistance value is more preferably the above value. When the area resistance ratio is so small, there is an advantage that the ion transport efficiency is increased and, for example, the performance as a fuel cell is improved. Thus, the highly practical inorganic solid electrolyte membrane 13 has not been obtained conventionally.

無機固体電解質膜13は、上述のとおり、膜状のものとすることができ(以下、「伝導性膜」ということがある)、無機固体電解質膜13は、固体燃料電池の電解質膜として用いることができる。 As described above, the inorganic solid electrolyte membrane 13 can be in the form of a film (hereinafter sometimes referred to as “conductive membrane”), and the inorganic solid electrolyte membrane 13 is used as an electrolyte membrane of a solid fuel cell. Can do.

燃料電池セル10は、無機固体電解質膜13と一対電極(燃料極である水素透過性金属箔12と空気極14)との接合体の両側に集電体を密着させて、その両側から極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた伝導性のセパレータ(バイポーラプレート)を配したものである。この燃料電池セル10を単セルとし、この単セルを複数個積層することにより燃料電池スタックが構成される。
ここで、空気極14の構成、材料、膜電極接合体11への接合方法等は、任意の公知のものを採用できる。例えば、「固体酸化物形燃料電池:SOFCの開発」(出版元:(株)シーエムシー出版)、「燃料電池技術とその応用」の第7章(出版元:(株)テクノシステム)、「解説・燃料電池システム」(出版元:オーム社)等の各種文献に記載のものを適宜採用できる。
The fuel cell 10 has a current collector closely attached to both sides of a joined body of an inorganic solid electrolyte membrane 13 and a pair of electrodes (a hydrogen permeable metal foil 12 that is a fuel electrode and an air electrode 14), and an electrode chamber is formed from both sides. Conductive separators (bipolar plates) that serve as separation and gas supply passages to the electrodes are arranged. The fuel cell 10 is a single cell, and a plurality of single cells are stacked to constitute a fuel cell stack.
Here, the structure of the air electrode 14, the material, the bonding method to the membrane electrode assembly 11, and the like can be arbitrarily selected. For example, “Solid Oxide Fuel Cell: Development of SOFC” (Publisher: CMC Publishing Co., Ltd.), Chapter 7 of “Fuel Cell Technology and its Applications” (Publisher: Techno System Co., Ltd.), “ Those described in various documents such as “Commentary / Fuel cell system” (publisher: Ohm) can be adopted as appropriate.

燃料電池は、高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が上がり電極過電圧が減少するため望ましいが、電極、無機固体電解質膜13、集電体およびセパレーターの化学反応による劣化の問題が生じる場合がある。燃料電池セル10を用いた燃料電池の作動温度は、本発明の趣旨を逸脱しない限り特に制限は無いが、例えば、500℃以下といった高温でも、100℃〜500℃、さらには500℃未満、特に400℃以下といった温度でも十分に作動させることができる点で、極めて有意である。 It is desirable to operate the fuel cell at a high temperature because the catalytic activity of the electrode is increased and the electrode overvoltage is reduced. However, there is a problem of deterioration due to the chemical reaction of the electrode, the inorganic solid electrolyte membrane 13, the current collector, and the separator. There is. The operating temperature of the fuel cell using the fuel cell 10 is not particularly limited as long as it does not depart from the gist of the present invention. For example, even at a high temperature of 500 ° C. or less, 100 ° C. to 500 ° C., more preferably less than 500 ° C. This is extremely significant in that it can be sufficiently operated even at a temperature of 400 ° C. or lower.

さらに、例えば、200〜400℃の中温域で作動する燃料電池とすることができる。これは、用いる燃料や触媒の選択肢を広げ、汎用性の高い電池システムを構築できるという観点から有利である。 Furthermore, for example, a fuel cell that operates in an intermediate temperature range of 200 to 400 ° C. can be obtained. This is advantageous from the viewpoint of expanding the choice of fuel and catalyst to be used and constructing a highly versatile battery system.

なお、本実施の形態では、膜電極接合体11を燃料電池セル10に用いた場合について説明したが、このようにして得られる膜電極接合体は、水素ガス生成装置等にも用いることができる。 In the present embodiment, the case where the membrane electrode assembly 11 is used in the fuel battery cell 10 has been described. However, the membrane electrode assembly obtained in this way can also be used in a hydrogen gas generator or the like. .

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
実施例1〜3:Pt/Al−SiO//Pd燃料電池セルの作製
(1)反応液(Al−Si前駆体溶液)の調製
Al−Si混合前駆体溶液は以下の操作によって調製した。まず、アルミニウムトリ−sec−ブトキシド(0.3g)にクロロホルムを10mL加え、軽く振とう後、1分間超音波照射して溶液を調製した。これをアルミニウム溶液とする。
これとは別に、テトラエトキシラン(0.49g)を1−プロパノールに15mL加えた。さらにこれに塩酸(1N)を85.5μL加え、室温で1時間撹拌して溶液を調製した。これをシラン溶液とする。
Next, examples carried out for confirming the effects of the present invention will be described.
Example 1~3: Pt / Al-SiO x // Pd manufacturing of the fuel cell (1) Preparation Al-Si mixed precursor solution of the reaction mixture (Al-Si precursor solution) was prepared by the following procedure. First, 10 mL of chloroform was added to aluminum tri-sec-butoxide (0.3 g), and the mixture was shaken lightly, followed by ultrasonic irradiation for 1 minute to prepare a solution. This is an aluminum solution.
Separately, 15 mL of tetraethoxylane (0.49 g) was added to 1-propanol. Furthermore, 85.5 μL of hydrochloric acid (1N) was added thereto and stirred at room temperature for 1 hour to prepare a solution. This is a silane solution.

上記操作で作製されたシラン溶液に対し、超音波を照射しながらアルミニウム溶液を1mL加え、50℃で1時間加熱撹拌した。その後、この混合溶液をセルロースアセテートフィルター(フィルター孔径:0.2μm)でろ過し、ろ液に1−プロパノールを加え、全体として50mLになるように希釈した。総金属濃度(Al+Si)が50mM、Al/Siモル比が5/95のAl−Si混合前駆体溶液を調製した。 1 mL of an aluminum solution was added to the silane solution prepared by the above operation while irradiating ultrasonic waves, and the mixture was heated and stirred at 50 ° C. for 1 hour. Then, this mixed solution was filtered through a cellulose acetate filter (filter pore size: 0.2 μm), 1-propanol was added to the filtrate, and the mixture was diluted to 50 mL as a whole. An Al—Si mixed precursor solution having a total metal concentration (Al + Si) of 50 mM and an Al / Si molar ratio of 5/95 was prepared.

(2)固体電解質膜の製膜操作
上記のようにして得られたAl−Si混合前駆体溶液をスピンコーターにセットしたパラジウム(Pd)箔上に200μL滴下し、3000rpmで40秒間スピンさせた。引き続きPd箔を3000rpmで回転させながら、ヒートガンからの熱風照射によって45秒間加熱し、次いで120秒間窒素ガスを吹き付けながら放冷した。この前駆体溶液滴下から窒素ガス吹き付けまでの操作過程を1回とし、この操作を所定回数繰り返して、電解質膜をパラジウム箔上に作製した(図2参照)。
(2) Film Formation Operation of Solid Electrolyte Membrane 200 μL of the Al—Si mixed precursor solution obtained as described above was dropped on palladium (Pd) foil set on a spin coater, and was spun at 3000 rpm for 40 seconds. Subsequently, while rotating the Pd foil at 3000 rpm, the Pd foil was heated by hot air irradiation from a heat gun for 45 seconds, and then allowed to cool for 120 seconds while blowing nitrogen gas. The operation process from dropping of the precursor solution to blowing of nitrogen gas was performed once, and this operation was repeated a predetermined number of times to produce an electrolyte membrane on the palladium foil (see FIG. 2).

実施例1
表面が研磨されていない、自己支持性を有するパラジウム(Pd)箔(厚さ:0.05mm)を、室温から3時間かけて450℃まで昇温し、その温度を1時間保持した。その後、自然放冷した。次に室温から20分で450℃まで再度昇温し、その温度を1時間保持し、自然放冷した。次にこの表面を酸素プラズマ処理(10W、10cm/min、30秒間)した。電解質膜の製膜操作を45回行った。製膜後にこれを3時間かけて450℃まで昇温し、その温度を1時間保持した。その後、自然放冷した。次いで電解質膜表面に直径1mmの円形白金電極を形成し、室温、200度、300度、400度での電解質膜のインピーダンス測定を行った。図3に各温度でのセルのインピーダンスcole-coleプロットを示す。室温では容量性の半円カーブしか観察されなかったが、温度の上昇とともに、拡散のスパイク(右上がり直線部)が観察され、Pt/Al−SiO/Pdセルが燃料電池セルとして接合していることが確認された。
Example 1
A self-supporting palladium (Pd) foil (thickness: 0.05 mm) whose surface was not polished was heated from room temperature to 450 ° C. over 3 hours, and the temperature was maintained for 1 hour. Then, it naturally left to cool. Next, the temperature was raised again from room temperature to 450 ° C. in 20 minutes, the temperature was maintained for 1 hour, and then allowed to cool naturally. Next, this surface was subjected to oxygen plasma treatment (10 W, 10 cm 3 / min, 30 seconds). The electrolyte membrane was formed 45 times. After film formation, the temperature was raised to 450 ° C. over 3 hours, and the temperature was maintained for 1 hour. Then, it naturally left to cool. Next, a circular platinum electrode having a diameter of 1 mm was formed on the surface of the electrolyte membrane, and the impedance of the electrolyte membrane was measured at room temperature, 200 degrees, 300 degrees, and 400 degrees. FIG. 3 shows an impedance cole-cole plot of the cell at each temperature. Only capacitive semicircular curves were observed at room temperature, but as the temperature increased, diffusion spikes (straight-up straight line portions) were observed, and the Pt / Al-SiO x / Pd cells joined as fuel cells. It was confirmed that

実施例2
表面が鏡面研磨された自己支持性を有するパラジウム(Pd)箔(厚さ:0.05mm)を、室温から3時間かけて450℃まで昇温し、その温度を1時間保持した。その後、自然放冷した。次に室温から20分で450℃まで再度昇温し、その温度を1時間保持し、自然放冷した。次にこの表面に白金を150秒間スパッタし、次いで酸素プラズマ処理(10W、10cm/min、10秒間)した。電解質膜の製膜操作を60回行った。製膜後にこれを3時間かけて450℃まで昇温し、その温度を1時間保持した。その後、自然放冷した。また電解質膜表面に直径1mmの円形白金電極を形成し、電極(白金円形電極)−電解質膜−電極(Pd箔)からなるPt/Al−SiO//Pdセルを作製した。このPt/Al−SiO//Pdセルを使って、400℃でのインピーダンス測定を行った。図4にセルのインピーダンスcole-coleプロットを示す。低周波領域においてはスパイク(右上がり直線部)が観察され、Pt/Al−SiO/Pdセルが燃料電池セルとして接合していることが確認された。
Example 2
A self-supporting palladium (Pd) foil (thickness: 0.05 mm) having a mirror-polished surface was heated from room temperature to 450 ° C. over 3 hours, and the temperature was maintained for 1 hour. Then, it naturally left to cool. Next, the temperature was raised again from room temperature to 450 ° C. in 20 minutes, the temperature was maintained for 1 hour, and then allowed to cool naturally. Next, platinum was sputtered on the surface for 150 seconds, and then oxygen plasma treatment (10 W, 10 cm 3 / min, 10 seconds) was performed. The electrolyte membrane formation operation was performed 60 times. After film formation, the temperature was raised to 450 ° C. over 3 hours, and the temperature was maintained for 1 hour. Then, it naturally left to cool. Further, a circular platinum electrode having a diameter of 1 mm was formed on the surface of the electrolyte membrane, and a Pt / Al—SiO x / Pd cell composed of an electrode (platinum circular electrode) -electrolyte membrane-electrode (Pd foil) was produced. Using this Pt / Al—SiO x // Pd cell, impedance measurement was performed at 400 ° C. FIG. 4 shows a cell impedance cole-cole plot. In the low-frequency region, spikes (upward straight lines) were observed, and it was confirmed that Pt / Al—SiO x / Pd cells were joined as fuel cells.

続いてPt/Al−SiO//Pdセルを専用ホルダーに取り付けて400℃に加熱した後、カソード側(Pt極)に加湿された窒素/酸素の混合ガス(窒素および酸素の各流量は各々80cm/minならびに20cm/min)を供給し、またアノード側(Pd極)に水素/窒素混合ガス(窒素および水素の各流量は各々50cm/minならびに50cm/min)を供給した。その時の開回路電圧を測定したところ0.26Vを示した。 Subsequently, a Pt / Al—SiO x // Pd cell was attached to a dedicated holder and heated to 400 ° C., then a nitrogen / oxygen mixed gas humidified on the cathode side (Pt electrode) (the flow rates of nitrogen and oxygen were respectively 80 cm 3 / min and 20 cm 3 / min) was supplied, and each flow rate of the anode (Pd pole) in a hydrogen / nitrogen mixed gas (nitrogen and hydrogen were respectively supplied to 50 cm 3 / min and 50 cm 3 / min). When the open circuit voltage at that time was measured, it was 0.26V.

実施例3
表面が未研磨の自己支持性を有するパラジウム(Pd)箔(厚さ:0.05mm)を、研磨剤(商品名:ピカール(登録商標))を使って表面を研磨した。この後、Pd箔にヘキサンに浸漬し、バス型ソニケーターで5分間超音波洗浄をした。乾燥後、室温から3時間かけて450℃まで昇温し、その温度を1時間保持した。その後、自然放冷した。次に室温から20分で450℃まで再度昇温し、その温度を1時間保持し、自然放冷した。次にこの表面に白金を150秒間スパッタし、次いで酸素プラズマ処理(10W、10cm/min、10秒間)した。電解質膜の製膜操作を60回行った。製膜後にこれを3時間かけて450℃まで昇温し、その温度を1時間保持した。次いで電解質膜表面に直径1mmの円形白金電極を形成し、電極(白金円形電極)−電解質膜−電極(中間層)−Pd箔からなるPt/Al−SiO//Pdセルを作製した。このPt/Al−SiO//Pdセルを使って、400℃でのインピーダンス測定を行った。図5にセルのインピーダンスcole-coleプロットを示す。低周波領域においてはスパイク(右上がり直線部)が観察され、Pt/Al−SiO/Pdセルが燃料電池セルとして接合していることが確認された。
Example 3
Self-supporting palladium (Pd) foil (thickness: 0.05 mm) having an unpolished surface was used to polish the surface using an abrasive (trade name: Picard (registered trademark)). Then, it was immersed in Pd foil in hexane, and ultrasonically cleaned for 5 minutes with a bath-type sonicator. After drying, the temperature was raised from room temperature to 450 ° C. over 3 hours, and the temperature was maintained for 1 hour. Then, it naturally left to cool. Next, the temperature was raised again from room temperature to 450 ° C. in 20 minutes, the temperature was maintained for 1 hour, and then allowed to cool naturally. Next, platinum was sputtered on the surface for 150 seconds, and then oxygen plasma treatment (10 W, 10 cm 3 / min, 10 seconds) was performed. The electrolyte membrane formation operation was performed 60 times. After film formation, the temperature was raised to 450 ° C. over 3 hours, and the temperature was maintained for 1 hour. Next, a circular platinum electrode having a diameter of 1 mm was formed on the surface of the electrolyte membrane, and a Pt / Al-SiO x / Pd cell composed of an electrode (platinum circular electrode) -electrolyte membrane-electrode (intermediate layer) -Pd foil was produced. Using this Pt / Al—SiO x // Pd cell, impedance measurement was performed at 400 ° C. FIG. 5 shows a cell impedance cole-cole plot. In the low-frequency region, spikes (upward straight lines) were observed, and it was confirmed that Pt / Al—SiO x / Pd cells were joined as fuel cells.

続いてPt/Al−SiO//Pdセルを専用ホルダーに取り付けて400℃に加熱した後、カソード側(Pt極)に加湿された窒素/酸素の混合ガス(窒素および酸素の各流量は各々80cm/minならびに20cm/min)を供給し、またアノード側(Pd極)に水素/窒素混合ガス(窒素および水素の各流量は各々50cm/minならびに50cm/min)を供給した。その時の開回路電圧を測定したところ、0.29Vを示した。 Subsequently, a Pt / Al—SiO x // Pd cell was attached to a dedicated holder and heated to 400 ° C., then a nitrogen / oxygen mixed gas humidified on the cathode side (Pt electrode) (the flow rates of nitrogen and oxygen were respectively 80 cm 3 / min and 20 cm 3 / min) was supplied, and each flow rate of the anode (Pd pole) in a hydrogen / nitrogen mixed gas (nitrogen and hydrogen were respectively supplied to 50 cm 3 / min and 50 cm 3 / min). When the open circuit voltage at that time was measured, it was 0.29V.

実施例4:Pt/ZrP/Ni/Pd燃料電池セルの作製
プロトン伝導性固体電解質膜として、アモルファスリン酸ジルコニウム、ZrP2.48.6(以降ZrPと表記)を、水素透過合金アノードとして自己支持性を有するPd合金箔(厚さ0.05mm)をそれぞれ用いてヘテロ接合Pt/ZrP/Ni/Pd燃料電池セルを作製した。前処理としてPd箔表面を金属研磨剤(ピカール(登録商標))で約10分間研磨し、水中で5分間超音波洗浄し、最後にアセトン中で5分間超音波洗浄した。
表面研磨した合金箔上に水素透過金属中間層として、Ni金属超薄膜(厚さ0.5〜50nm)を高周波スパッタ蒸着法により形成した。蒸着後、試料を管状電気炉中1%−H/Ar雰囲気下で、昇温速度1.5°C/minで昇温後、400°Cで1時間熱処理した。
Example 4: Production of Pt / ZrP 3 O x / Ni / Pd fuel cell As a proton conductive solid electrolyte membrane, amorphous zirconium phosphate, ZrP 2.4 O 8.6 H x (hereinafter referred to as ZrP 3 O x) ) Were used as hydrogen permeable alloy anodes and Pd alloy foils (thickness 0.05 mm) having self-supporting properties, respectively, to produce heterojunction Pt / ZrP 3 O x / Ni / Pd fuel cells. As a pretreatment, the surface of the Pd foil was polished with a metal abrasive (Pical (registered trademark)) for about 10 minutes, ultrasonically cleaned in water for 5 minutes, and finally ultrasonically cleaned in acetone for 5 minutes.
An Ni metal ultrathin film (thickness 0.5 to 50 nm) was formed as a hydrogen-permeable metal intermediate layer on the surface-polished alloy foil by a high-frequency sputter deposition method. After vapor deposition, the sample was heated in a tubular electric furnace in a 1% -H 2 / Ar atmosphere at a heating rate of 1.5 ° C./min and then heat-treated at 400 ° C. for 1 hour.

固体電解質膜の前駆体を含む反応液(Zr−P混合前駆体溶液)の調製は、以下のように行った。ジルコニウムテトラブトキシドおよび五酸化二リンを所定の量計りとり、それぞれ2−メトキシエタノールに溶解して室温で1時間保存した。このようにして得たZrおよびP溶液を5mLずつ混合し、更にエタノール20mLを加えて希釈し、総金属濃度(Zr+P)50mM、Zr/Pモル比1/3のZr−P混合前駆体溶液を調製した。 Preparation of the reaction liquid (Zr-P mixed precursor solution) containing the precursor of the solid electrolyte membrane was performed as follows. Zirconium tetrabutoxide and diphosphorus pentoxide were weighed in predetermined amounts, each dissolved in 2-methoxyethanol and stored at room temperature for 1 hour. The Zr and P solutions thus obtained were mixed in 5 mL portions, diluted by adding 20 mL of ethanol, and a Zr-P mixed precursor solution having a total metal concentration (Zr + P) of 50 mM and a Zr / P molar ratio of 1/3 was prepared. Prepared.

Ni/Pd箔上にZrP電解質膜を、Zr−P混合前駆体溶液を用いた多層スピンキャスト法(図2参照)により作製した。Zr−P混合前駆体溶液(100μL程度)を、スピンコーターに固定した水素透過性金属箔上に滴下し、回転速度3000rpmで20秒間スピンコートし、Zr−Pゲル超薄膜を析出させた。続いてヒートガンで水素透過性金属箔12に熱風を1分間吹き付けることによりゲル層を加水分解し、Zr−P酸化物層を形成した。最後に空気を吹き付けて水素透過性金属箔を冷却した。以上のスピンキャスト・加水分解・冷却過程を所定回数繰り返して酸化物薄膜を析出させた後、マッフル炉中450°Cで1時間焼成した。更に析出・焼成の過程を2回以上繰り返し、膜厚100nm程度のZrP電解質膜を形成した。ZrP薄膜表面に、空気極としてPt多孔質電極層(厚さ50nm)をスパッタ蒸着し、Pt/ZrP/Ni/Pd燃料電池セルを形成した。このようにして得られた燃料電池セルの模式図を図1(a)に、断面の走査型電子顕微鏡写真を図1(b)にそれぞれ示す。 A ZrP 3 O x electrolyte film was produced on a Ni / Pd foil by a multilayer spin casting method (see FIG. 2) using a Zr—P mixed precursor solution. A Zr—P mixed precursor solution (about 100 μL) was dropped onto a hydrogen permeable metal foil fixed to a spin coater, and spin coated at a rotational speed of 3000 rpm for 20 seconds to precipitate a Zr—P gel ultrathin film. Subsequently, the gel layer was hydrolyzed by blowing hot air on the hydrogen permeable metal foil 12 for 1 minute with a heat gun to form a Zr-P oxide layer. Finally, air was blown to cool the hydrogen permeable metal foil. The above spin casting / hydrolysis / cooling process was repeated a predetermined number of times to deposit an oxide thin film, and then fired in a muffle furnace at 450 ° C. for 1 hour. Furthermore, the process of precipitation and baking was repeated twice or more to form a ZrP 3 O x electrolyte film having a thickness of about 100 nm. A Pt porous electrode layer (thickness: 50 nm) was sputter-deposited as an air electrode on the surface of the ZrP 3 O x thin film to form a Pt / ZrP 3 O x / Ni / Pd fuel cell. A schematic diagram of the fuel cell thus obtained is shown in FIG. 1 (a), and a scanning electron micrograph of the cross section is shown in FIG. 1 (b).

上記のようにして得られたPt/ZrP/Ni/Pdセルを専用ホルダーに取り付けて400°Cに加熱した後、カソード側(Pt極)に加湿空気(P(HO)=0.02atm)を100cm/minで供給し、またアノード側(Pd極)に50%−H/Ar混合ガスを100cm/minで供給して発電試験を行った。そのときの電流−電圧曲線および電流−出力曲線を図6に示す。なお、図6中に示した時間は、Pt/ZrP/Ni/Pdセルへのガス供給開始からの経過時間を表す。 The Pt / ZrP 3 O x / Ni / Pd cell obtained as described above was attached to a dedicated holder and heated to 400 ° C., and then humidified air (P (H 2 O) = the 0.02 atm) was supplied at 100 cm 3 / min, also a 50% -H 2 / Ar mixed gas to the anode side (Pd pole) power generation test was performed by supplying at 100 cm 3 / min. The current-voltage curve and current-output curve at that time are shown in FIG. The time shown in FIG. 6 represents the elapsed time from the start of gas supply to the Pt / ZrP 3 O x / Ni / Pd cell.

ガス供給開始から時間が経つにつれて、セルの開回路電圧および最高出力が向上していくことが分かる。とくに56分経過後には開回路電圧が1.05Vに達し、これは理論的な燃料電池の開回路電圧1.1Vにほぼ等しい値である。以上から、アモルファスZrP電解質薄膜は、膜厚100nm程度でも気密性を保持しており、ピンホールまたはクラックを通したガスリークは無視できることを示している。また、セルの最高出力は、56分後で約1.0mW/cmを示している。 It can be seen that the open circuit voltage and the maximum output of the cell improve as time passes from the start of gas supply. In particular, after 56 minutes, the open circuit voltage reaches 1.05 V, which is approximately equal to the theoretical fuel cell open circuit voltage of 1.1 V. From the above, it has been shown that the amorphous ZrP 3 O x electrolyte thin film maintains airtightness even at a film thickness of about 100 nm, and gas leakage through pinholes or cracks can be ignored. The maximum output of the cell is about 1.0 mW / cm 2 after 56 minutes.

図7にPt/ZrP/Ni/Pdセルにおける、開回路電圧条件下でのセルのインピーダンスcole-coleプロットを示す。インピーダンスプロットは、高周波側および低周波側に二つの大きな半円を示している。高周波側の半円はNi/ZrP界面における電荷移動抵抗、および低周波側は空気極側のカソード分極抵抗成分をそれぞれ示している。このことは燃料電池発電環境下において、カソードおよびアノード反応が進行していることを示しており、図1bのセルが燃料電池として作動していることを示している。 FIG. 7 shows an impedance cole-cole plot of a cell under an open circuit voltage condition in a Pt / ZrP 3 O x / Ni / Pd cell. The impedance plot shows two large semicircles on the high frequency side and the low frequency side. The semicircle on the high frequency side indicates the charge transfer resistance at the Ni / ZrP 3 O x interface, and the low frequency side indicates the cathode polarization resistance component on the air electrode side. This indicates that the cathode and anode reactions are proceeding in the fuel cell power generation environment, and that the cell of FIG. 1b is operating as a fuel cell.

10:燃料電池セル
11:膜電極接合体
12:水素透過性金属箔
13:固体電解質膜
14:空気極
15:中間層
10: Fuel cell 11: Membrane electrode assembly 12: Hydrogen permeable metal foil 13: Solid electrolyte membrane 14: Air electrode 15: Intermediate layer

Claims (17)

厚さが1μm以上であり、自己支持性を有する水素透過性金属箔と、
水素イオン伝導性を有する非晶質の無機固体電解質膜とを有することを特徴とする膜電極接合体。
A hydrogen permeable metal foil having a thickness of 1 μm or more and having a self-supporting property;
A membrane electrode assembly comprising an amorphous inorganic solid electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity.
前記水素透過性金属箔と前記固体電解質膜との間に前記水素透過性金属よりも水素吸蔵時の変形の小さい金属からなる中間層を有することを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。 2. The membrane electrode assembly according to claim 1, further comprising an intermediate layer made of a metal that is less deformed when storing hydrogen than the hydrogen permeable metal between the hydrogen permeable metal foil and the solid electrolyte membrane. . 前記無機固体電解質膜が、SiO、TiO、ZrO、AlおよびCeOからなる群から選択される1または複数からなる金属酸化物中に5配位以上の配位数を取り得るカチオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)がドープされ、酸素原子を介して結合した非晶質材料であることを特徴とする請求項1および2のいずれか1項記載の膜電極接合体。 The inorganic solid electrolyte membrane takes a coordination number of 5 or more in one or more metal oxides selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and CeO 2. 3. An amorphous material doped with an obtained cation (except a metal ion of the same kind as that of the metal oxide) and bonded via an oxygen atom. 2. The membrane electrode assembly according to item 1. 前記無機固体電解質膜が、ケイ素(Si)とアルミニウム(Al)のモル比が50:50〜99.9:0.1である非晶質アルミノシリケートであることを特徴とする請求項1および2のいずれか1項記載の膜電極接合体。 The inorganic solid electrolyte membrane is an amorphous aluminosilicate having a molar ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) of 50:50 to 99.9: 0.1. The membrane electrode assembly according to any one of the above. 前記固体電解質膜が、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、インジウム(In)、ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)からなる群より選択される1または複数の金属と、ホウ酸、リン酸、硫酸、炭酸および硝酸からなる群より選択される1または複数の酸素酸に由来する残基とが酸素原子を介して結合した非晶質材料であることを特徴とする請求項1および2のいずれか1項記載の膜電極接合体。 The solid electrolyte membrane includes one or more metals selected from the group consisting of hafnium (Hf), titanium (Ti), indium (In), zirconium (Zr), and tin (Sn), boric acid, phosphoric acid, 3. An amorphous material in which a residue derived from one or more oxygen acids selected from the group consisting of sulfuric acid, carbonic acid and nitric acid is bonded via an oxygen atom. The membrane electrode assembly according to claim 1. 前記固体電解質膜が、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、イリジウム(Ir)、スカンジウム(Sc)およびランタノイド群(ランタン(La)を含む)からなる群より選択される1または複数の3価の金属をさらに含むことを特徴とする請求項5記載の膜電極接合体。 The solid electrolyte membrane is one or more trivalent selected from the group consisting of yttrium (Y), aluminum (Al), iridium (Ir), scandium (Sc), and a lanthanoid group (including lanthanum (La)). The membrane electrode assembly according to claim 5, further comprising a metal. 前記金属がジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)およびハフニウム(Hf)のいずれか1または複数であり、前記酸素酸がリン酸であることを特徴とする請求項5および6のいずれか1項記載の膜電極接合体。 The metal is any one or more of zirconium (Zr), titanium (Ti) and hafnium (Hf), and the oxygen acid is phosphoric acid. Membrane electrode assembly. 無機固体電解質膜の前駆体を含む反応液を調製する工程と、
厚さが1μm以上であり、自己支持性を有する水素透過性金属箔の表面に前記反応液を塗布し、前記前駆体を反応させ、水素イオン伝導性を有する非晶質の無機固体電解質膜を形成する工程とを有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
Preparing a reaction solution containing a precursor of an inorganic solid electrolyte membrane;
An amorphous inorganic solid electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity is formed by applying the reaction solution to the surface of a hydrogen-permeable metal foil having a thickness of 1 μm or more and having self-supporting properties, and reacting the precursor. And a process for forming the membrane electrode assembly.
前記固体電解質膜の形成をゾル−ゲル法により行うことを特徴とする請求項8記載の膜電極接合体の製造方法。 9. The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 8, wherein the solid electrolyte membrane is formed by a sol-gel method. 前記反応液を塗布する前に、前記水素透過性金属箔を表面処理して所定の表面粗さとする工程をさらに有することを特徴とする請求項8および9のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。 10. The membrane electrode bonding according to claim 8, further comprising a step of surface-treating the hydrogen-permeable metal foil to a predetermined surface roughness before applying the reaction solution. 11. Body manufacturing method. 前記反応液を塗布する前に、前記水素透過性金属箔の表面に前記水素透過性金属よりも水素吸蔵時の変形の小さな金属からなる中間層を形成する工程をさらに有し、前記反応液は前記中間層の表面に塗布されることを特徴とする請求項8から10のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。 Before applying the reaction solution, the method further comprises a step of forming an intermediate layer made of a metal that is less deformed when storing hydrogen than the hydrogen permeable metal on the surface of the hydrogen permeable metal foil, The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 8, wherein the method is applied to a surface of the intermediate layer. 前記反応液が、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される1または複数の金属のアルコキシドと、少なくとも5配位以上の配位数を取り得る金属イオン(但し、前記金属酸化物が有する金属と同種の金属イオンを除く)のアルコキシドを前記前駆体として含むことを特徴とする請求項8から11のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。 The reaction solution is an alkoxide of one or more metals selected from the group consisting of silicon (Si), titanium (Ti), zirconium (Zr), aluminum (Al), and cerium (Ce), and at least 5-coordination or more. 12. The alkoxide of a metal ion capable of taking the coordination number of (except for a metal ion of the same kind as that of the metal oxide) is included as the precursor. 12. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of description. 前記反応液が、テトラアルコキシシランおよびアルミニウムトリアルコキシドを記前駆体として含み、該テトラアルコキシシランとアルミニウムトリアルコキシドとのモル比が50:50〜99.9:0.1であることを特徴とする請求項12記載の膜電極接合体の製造方法。 The reaction solution contains tetraalkoxysilane and aluminum trialkoxide as a precursor, and a molar ratio of the tetraalkoxysilane to aluminum trialkoxide is 50:50 to 99.9: 0.1. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 12. 前記前駆体が、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、インジウム(In)、ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)からなる群より選択される1または複数の金属のアルコキシドと、ホウ酸、リン酸、硫酸、炭酸および硝酸からなる群より選択される1または複数の酸素酸またはその前駆体であることを特徴とする請求項8から11のいずれか1項記載の膜電極接合体の製造方法。 The precursor is an alkoxide of one or more metals selected from the group consisting of hafnium (Hf), titanium (Ti), indium (In), zirconium (Zr) and tin (Sn), boric acid, phosphoric acid The method for producing a membrane electrode assembly according to any one of claims 8 to 11, which is one or a plurality of oxygen acids selected from the group consisting of sulfuric acid, carbonic acid, and nitric acid, or a precursor thereof. 前記反応液が、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、イリジウム(Ir)、スカンジウム(Sc)およびランタノイド群(ランタン(La)を含む)からなる群より選択される1または複数の3価の金属のアルコキシドをさらに含むことを特徴とする請求項14記載の膜電極接合体の製造方法。 The reaction solution is one or more trivalent metals selected from the group consisting of yttrium (Y), aluminum (Al), iridium (Ir), scandium (Sc), and a lanthanoid group (including lanthanum (La)). The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 14, further comprising: 前記反応液が、ジルコニウムテトラアルコキシド、チタンテトラアルコキシドおよびハフニウムテトラアルコキシドのいずれか1または複数とリン酸とを前記前駆体として含むことを特徴とする請求項15記載の膜電極接合体の製造方法。 The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 15, wherein the reaction solution contains one or more of zirconium tetraalkoxide, titanium tetraalkoxide, and hafnium tetraalkoxide and phosphoric acid as the precursor. 請求項1から7のいずれか1項記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池セル。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7.
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CN109378522A (en) * 2018-10-22 2019-02-22 北京科技大学 A kind of sodium zirconium silicon phosphorus method for preparing composite solid electrolyte

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