JP2012064342A - Proton conductive electrolyte membrane, and catalyst layer-electrolyte membrane stack, membrane-electrode junction body and fuel cell using the membrane, and manufacturing method of the same - Google Patents

Proton conductive electrolyte membrane, and catalyst layer-electrolyte membrane stack, membrane-electrode junction body and fuel cell using the membrane, and manufacturing method of the same Download PDF

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梨紗 岸本
Kuniaki Yoshikata
邦聡 芳片
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive electrolyte membrane that has excellent reproducibility, good formability, excellent mechanical strength and high proton conductivity under a non-humidified state, and a catalyst layer-electrolyte membrane stack, a membrane-electrode junction body and a fuel cell using the membrane, and a manufacturing method of the electrolyte membrane.SOLUTION: A proton conductive electrolyte membrane 1 includes solid acid 3 and a porous support body 2, the solid acid 3 is melted to form a melt, and the porous support body 2 is arranged in a melt of the solid acid 3. Further, a manufacturing method of the proton conductive electrolyte membrane 1 includes a process of arranging the solid acid 3 on the porous support body 2, a process of melting the solid acid 3 by applying heat treatment at a temperature lower than a temperature where the porous support body 2 melts and equal to or higher than a temperature where the solid acid 3 melts, and allowing the solid acid to infiltrate into the porous support body 2, and a process of cooling down the porous support body 2 into which the solid acid 3 is infiltrated and solidifying the solid acid 3.

Description

本発明は、プロトン伝導性電解質膜、及びそれを用いた触媒層−電解質膜積層体、膜−電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive electrolyte membrane, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate using the same, a membrane-electrode assembly and a fuel cell, and a method for producing the same.

近年、環境意識の高まりとともに、CO2や汚染物質を排出しないクリーンエネルギーとして燃料電池が注目されている。その中でも、エネルギー効率が高く、温度領域が100℃前後と一般用に取り扱いやすい固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)の開発に注力がなされている。 In recent years, with increasing environmental awareness, fuel cells have attracted attention as clean energy that does not emit CO 2 or pollutants. Of these, efforts are being made to develop a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a solid polymer electrolyte that has high energy efficiency and a temperature range of around 100 ° C. and is easy to handle for general use.

プロトンを伝導する高分子電解質としては、一般的にNafion(登録商標)で知られているパーフルオロスルホン酸等が用いられているが、プロトン伝導機構がH3+の状態でプロトンを伝導する運搬(Vehicle)機構であるため、加湿機構を備える必要があり、このためシステムが煩雑になるという問題点がある。 As a polymer electrolyte that conducts protons, perfluorosulfonic acid or the like that is generally known as Nafion (registered trademark) is used, but it conducts protons when the proton conduction mechanism is H 3 O +. Since it is a transportation mechanism, it is necessary to provide a humidifying mechanism, which causes a problem that the system becomes complicated.

そこで、無加湿状態でプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質として金属リン酸塩が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、金属リン酸塩の一部に別種の金属をドープしたものも提案されている(例えば、特許文献2,3参照。)。   Therefore, metal phosphates have been proposed as proton conductive electrolytes having proton conductivity in a non-humidified state (see, for example, Patent Document 1). Moreover, what doped another kind of metal to some metal phosphates is proposed (for example, refer patent document 2, 3).

しかしながら、特許文献1〜3に提案されている金属リン酸塩は、粉体であるため、成形性が困難であり、バインダーを添加しないとフィルム化しないといった問題点がある。そして、バインダーを添加すると電解質本来のプロトン伝導性を阻害するため、電解質膜のプロトン伝導性と機械的性能がトレードオフの関係となり、電解質膜のプロトン伝導性と膜強度の両立が困難であるという問題がある。さらに、バインダーのみでは十分な膜強度が得られず、膜-電極接合体形成の際、破損等の可能性が高くなる等、機械的性能を満足することはできないと問題がある。   However, since the metal phosphates proposed in Patent Documents 1 to 3 are powders, the moldability is difficult, and there is a problem that the film is not formed unless a binder is added. And, when the binder is added, the proton conductivity inherent in the electrolyte is inhibited, so the proton conductivity and mechanical performance of the electrolyte membrane are in a trade-off relationship, and it is difficult to achieve both proton conductivity and membrane strength of the electrolyte membrane. There's a problem. Further, there is a problem that the mechanical performance cannot be satisfied, for example, a sufficient film strength cannot be obtained only with a binder, and the possibility of breakage or the like becomes high when forming a membrane-electrode assembly.

一方、膜強度を高め、機械的性能を改善した電解質膜として、多孔質材料に電解質を含浸させた複合膜が提案されている(例えば、特許文献4〜6参照。)。   On the other hand, a composite membrane in which a porous material is impregnated with an electrolyte has been proposed as an electrolyte membrane with improved membrane strength and improved mechanical performance (see, for example, Patent Documents 4 to 6).

特開2005−294245号公報JP 2005-294245 A 特開2008−53224号公報JP 2008-53224 A 特開2008−53225号公報JP 2008-53225 A 特開2002−8680号公報JP 2002-8680 A 特表平11−501964号公報Japanese National Patent Publication No. 11-501964 特開平10−92444号公報JP-A-10-92444

しかしながら、特許文献1〜3に提案されている金属リン酸塩は、粉体であるため、特許文献4〜6に提案されているように、多孔質材料に含浸させることが困難であるという問題がある。   However, since the metal phosphate proposed in Patent Documents 1 to 3 is a powder, it is difficult to impregnate the porous material as proposed in Patent Documents 4 to 6. There is.

本発明は、上記従来の問題を解決するため、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜、及びそれを用いた触媒層−電解質膜積層体、膜−電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法を提供する。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention provides a proton conductive electrolyte membrane having excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state, and Provided are a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane-electrode assembly and a fuel cell, and a production method thereof.

本発明のプロトン伝導性電解質膜は、固体酸と多孔質支持体とを備え、上記固体酸が溶融されて溶融体を形成し、上記多孔質支持体が上記固体酸の溶融体中に配置されていることを特徴とする。   The proton conductive electrolyte membrane of the present invention comprises a solid acid and a porous support, and the solid acid is melted to form a melt, and the porous support is disposed in the solid acid melt. It is characterized by.

また、本発明の触媒層−電解質膜積層体は、本発明のプロトン伝導性電解質膜と、一対の触媒層とを備え、上記プロトン伝導性電解質膜の両面に上記触媒層がそれぞれ配置されていることを特徴とする。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate of the present invention comprises the proton conductive electrolyte membrane of the present invention and a pair of catalyst layers, and the catalyst layers are respectively disposed on both sides of the proton conductive electrolyte membrane. It is characterized by that.

また、本発明の膜−電極接合体は、本発明のプロトン伝導性電解質膜と、一対の触媒電極とを備え、上記プロトン伝導性電解質膜の両面に上記触媒電極がそれぞれ配置されていることを特徴とする。   The membrane-electrode assembly of the present invention comprises the proton conductive electrolyte membrane of the present invention and a pair of catalyst electrodes, and the catalyst electrodes are respectively disposed on both sides of the proton conductive electrolyte membrane. Features.

また、本発明の燃料電池は、本発明のプロトン伝導性電解質膜と、一対の触媒電極と、一対のセパレータとを備え、上記プロトン伝導性電解質膜の両面に上記触媒電極と上記セパレータとがそれぞれ順次積層されていることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention includes the proton conductive electrolyte membrane of the present invention, a pair of catalyst electrodes, and a pair of separators, and the catalyst electrode and the separator are respectively provided on both sides of the proton conductive electrolyte membrane. It is characterized by being sequentially laminated.

また、本発明のプロトン伝導性電解質膜の製造方法は、固体酸を多孔質支持体上に配置する工程と、上記固体酸を上記多孔質支持体の溶融する温度未満、かつ上記固体酸が溶融する温度以上の温度で熱処理して溶融させ、上記多孔質支持体に浸透させる工程と、上記固体酸を浸透させた多孔質支持体を冷却して固体酸を固化する工程とを含むことを特徴とする。   The method for producing a proton conductive electrolyte membrane of the present invention includes a step of disposing a solid acid on a porous support, a temperature at which the solid acid is below the melting temperature of the porous support, and the solid acid is melted. Heat treatment at a temperature equal to or higher than the temperature to be melted and infiltrated into the porous support, and cooling the porous support infiltrated with the solid acid to solidify the solid acid. And

本発明は、上記固体酸が溶融されて溶融体を形成し、上記多孔質支持体が上記固体酸の溶融体中に配置されることで、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜、及びそれを用いた触媒層−電解質膜積層体、膜−電極接合体と燃料電池を提供できる。また、本発明の製造方法によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜が容易に得られる。   In the present invention, the solid acid is melted to form a melt, and the porous support is disposed in the solid acid melt, thereby having excellent reproducibility and good moldability. A proton conductive electrolyte membrane having excellent mechanical strength and high proton conductivity in a non-humidified state, and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the same can be provided. Further, according to the production method of the present invention, a proton conductive electrolyte membrane having excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state can be easily obtained.

図1は、本発明の実施形態1に係るプロトン伝導性電解質膜の一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a proton conductive electrolyte membrane according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、本発明の実施形態2に係る触媒層−電解質膜積層体の一例を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 2 of the present invention. 図3は、本発明の実施形態3に係る膜−電極接合体の一例を示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane-electrode assembly according to Embodiment 3 of the present invention. 図4は、本発明の実施形態4に係る燃料電池の一例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. 図5は、固体酸が溶融されていない場合のプロトン伝導性電解質膜の表面SEM写真(倍率1500倍)である。FIG. 5 is a surface SEM photograph (a magnification of 1500 times) of the proton conductive electrolyte membrane when the solid acid is not melted. 図6は、固体酸が溶融されている場合のプロトン伝導性電解質膜の表面SEM写真(倍率1500倍)である。FIG. 6 is a surface SEM photograph (a magnification of 1500 times) of the proton conductive electrolyte membrane when the solid acid is melted. 図7は、固体酸が溶融されていない場合のプロトン伝導性電解質膜の断面SEM写真(倍率1500倍)である。FIG. 7 is a cross-sectional SEM photograph (a magnification of 1500 times) of the proton conductive electrolyte membrane when the solid acid is not melted. 図8は、固体酸が溶融されている場合のプロトン伝導性電解質膜の断面SEM写真(倍率1500倍)である。FIG. 8 is a cross-sectional SEM photograph (1500 times magnification) of the proton conducting electrolyte membrane when the solid acid is melted. 図9は、本発明の一実施例における多孔質支持体単体の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真(10000倍)である。FIG. 9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (10,000 times) of a cross section of a porous support alone in one example of the present invention. 図10は、本発明の一実施例におけるプロトン伝導性電解質膜の断面のSEM写真(10000倍)である。FIG. 10 is a SEM photograph (10,000 times) of a cross section of the proton conducting electrolyte membrane in one example of the present invention.

以下、図面等に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための材料や製造方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、材料や製造方法等を下記のものに限定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. The following embodiments exemplify materials and manufacturing methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is limited to the following materials and manufacturing methods. Not what you want to do. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

本発明において、「固体酸」とは、固体でありながら、酸の特性を示すものを意味する。   In the present invention, the “solid acid” means a solid that exhibits acid characteristics.

[実施形態1]
まず、本発明の実施形態1として、プロトン伝導性電解質膜について説明する。
[Embodiment 1]
First, a proton conductive electrolyte membrane will be described as Embodiment 1 of the present invention.

(プロトン伝導性電解質膜)
図1は、本発明の実施形態1に係るプロトン伝導性電解質膜の一例を示す概略断面図である。図1に示すように、プロトン伝導性電解質膜1は、固体酸3と多孔質支持体2とを備え、固体酸3が溶融されて溶融体を形成し、多孔質支持体2が上記固体酸3の溶融体中に配置されている。すなわち、本発明において、プロトン伝導性電解質膜は、固体酸が溶融する性質を利用し、溶融された固体酸と多孔質支持体とで膜を構成しているものであり、電解質である固体酸が溶融されて形成した溶融体中に補強材としての多孔質支持体が配置された構成をなし、多孔質支持体の細孔の内表面を含む露出表面に溶融された固体酸が被覆されてプロトン伝導性電解質膜を構成している。そして、本発明においては、膜の機械強度及び緻密性という観点から、多孔質支持体の全ての細孔の細孔内表面を含む露出表面に溶融された固体酸が被覆されてプロトン伝導性電解質膜を構成していることが好ましい。
(Proton conducting electrolyte membrane)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a proton conductive electrolyte membrane according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the proton conductive electrolyte membrane 1 includes a solid acid 3 and a porous support 2, and the solid acid 3 is melted to form a melt, and the porous support 2 is the above-described solid acid. 3 in the melt. That is, in the present invention, the proton-conducting electrolyte membrane uses a property that a solid acid melts, and is composed of a molten solid acid and a porous support, and is a solid acid that is an electrolyte. The porous support as a reinforcing material is arranged in the melt formed by melting the melt, and the exposed solid surface including the inner surface of the pores of the porous support is coated with the molten solid acid. It constitutes a proton conducting electrolyte membrane. In the present invention, from the viewpoint of the mechanical strength and the denseness of the membrane, the exposed surface including the inner surfaces of all the pores of the porous support is coated with a molten solid acid, and the proton conductive electrolyte is coated. It is preferable to constitute a film.

プロトン伝導性電解質膜1は、その厚みは特に限定されず、通常約20〜1000μm程度であり、強度の観点から、約30〜300μm程度であることが好ましい。   The thickness of the proton conductive electrolyte membrane 1 is not particularly limited, and is usually about 20 to 1000 μm, and preferably about 30 to 300 μm from the viewpoint of strength.

プロトン伝導性電解質膜1において、固体酸3は溶融されて溶融体を形成している。固体酸3が溶融されて形成した溶融体は、例えばSEM写真によって判断することができる。例えば、図5の固体酸が溶融されていない場合のプロトン伝導性電解質膜1の表面SEM写真と図6の固体酸が溶融されている場合のプロトン伝導性電解質膜1の表面SEM写真との比較から分かるように、図5では固体酸3が粒子の形状を維持しているのに対し、図6では固体酸3は粒子の形状を維持しておらず、図5と比べると鏡面状になっている。また、図7の固体酸が溶融されていない場合のプロトン伝導性電解質膜1の断面SEM写真と図8の固体酸が溶融されている場合のプロトン伝導性電解質膜1の断面SEM写真との比較から分かるように、図7では固体酸3が塊となっており、空隙が目立っているが、図8では固体酸が互いに繋がって棒状の結晶になっている。   In the proton conductive electrolyte membrane 1, the solid acid 3 is melted to form a melt. The melt formed by melting the solid acid 3 can be determined by, for example, an SEM photograph. For example, the surface SEM photograph of the proton conductive electrolyte membrane 1 when the solid acid of FIG. 5 is not melted and the surface SEM photograph of the proton conductive electrolyte membrane 1 of FIG. 6 when the solid acid is melted. As can be seen from FIG. 5, the solid acid 3 maintains the particle shape in FIG. 5, whereas in FIG. 6, the solid acid 3 does not maintain the particle shape. ing. 7 is compared with the cross-sectional SEM photograph of the proton conductive electrolyte membrane 1 when the solid acid is not melted and the cross-sectional SEM photograph of the proton conductive electrolyte membrane 1 when the solid acid is melted in FIG. As can be seen from FIG. 7, the solid acid 3 is agglomerated and voids are conspicuous, but in FIG. 8, the solid acids are connected to each other to form a rod-like crystal.

<固体酸>
固体酸3としては、融点が多孔質支持体2の溶融する温度より低いものであればよく、特に限定されない。組合せて用いる多孔質支持体2によるが、操作の簡便性の観点から、固体酸3は、融点が300℃以下であることが好ましい。また、プロトン伝導性の観点から、室温から200℃までの温度範囲かつ無加湿雰囲気下において、固体酸の溶融温度以下の温度でもプロトン伝導性を有する固体酸を用いることが好ましい。本明細書において、無加湿雰囲気下とは、固体酸3が置かれた雰囲気中に意図的な加湿を行わないことを意味する。
<Solid acid>
The solid acid 3 is not particularly limited as long as the melting point is lower than the melting temperature of the porous support 2. Although it depends on the porous support 2 used in combination, the solid acid 3 preferably has a melting point of 300 ° C. or less from the viewpoint of simplicity of operation. From the viewpoint of proton conductivity, it is preferable to use a solid acid having proton conductivity even at a temperature not higher than the melting temperature of the solid acid in a temperature range from room temperature to 200 ° C. and in a non-humidified atmosphere. In this specification, the non-humidified atmosphere means that intentional humidification is not performed in the atmosphere where the solid acid 3 is placed.

固体酸3は、膜の耐熱性及び耐久性の観点から、無機固体酸であることが好ましく、プロトン伝導性を有する無機塩であることがより好ましい。   The solid acid 3 is preferably an inorganic solid acid from the viewpoint of heat resistance and durability of the membrane, and more preferably an inorganic salt having proton conductivity.

上記プロトン伝導性を有する無機塩としては、金属リン酸塩、金属硫酸塩等が挙げられる。上記金属リン酸塩としては、オルトリン酸塩、ピロリン酸塩等の化合物を挙げることができる。具体的には、リン酸スズ、リン酸ジルコニウム、リン酸セシウム、リン酸ケイ素、リン酸チタニウム、リン酸ゲルマニウム、リン酸リード、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、タングステンリン酸塩等を挙げることができる。好ましくは、スズやセシウム等の金属の一部がインジウム、アルミニウム、ボロン、ガリウム、スカンジウム、イットリウム、セリウム、ランタンやアンチモン等のドーピング金属元素で置換されたピロリン酸塩である。これらは、単独又は一種以上を混合して用いてもよい。   Examples of the inorganic salt having proton conductivity include metal phosphates and metal sulfates. Examples of the metal phosphate include compounds such as orthophosphate and pyrophosphate. Specifically, tin phosphate, zirconium phosphate, cesium phosphate, silicon phosphate, titanium phosphate, germanium phosphate, lead phosphate, calcium phosphate, magnesium phosphate, sodium phosphate, aluminum phosphate, tungsten phosphate A salt etc. can be mentioned. Preferably, a pyrophosphate in which a part of a metal such as tin or cesium is substituted with a doping metal element such as indium, aluminum, boron, gallium, scandium, yttrium, cerium, lanthanum, or antimony. You may use these individually or in mixture of 1 or more types.

中でも、融点の温度領域及びプロトン伝導性の観点から、リン酸セシウムが好ましい。上記リン酸セシウムとしては、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)等が挙げられ、これらとリン酸ケイ素(SiP27)の複合体、例えばリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH2PO4−SiP27)、二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH5(PO42−SiP27)等を用いてもよい。中でも、比較的低温領域で溶融可能であることから、150〜160℃付近で融点を示す二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を用いることが好ましい。 Among these, cesium phosphate is preferable from the viewpoint of the melting temperature range and proton conductivity. Examples of the cesium phosphate include cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), and these, and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ). For example, a complex of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate (CsH 2 PO 4 —SiP 2 O 7 ), a complex of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 -SiP 2 O 7 ) or the like may be used. Among them, it is preferable to use cesium pentahydrogen diphosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) having a melting point near 150 to 160 ° C. because it can be melted in a relatively low temperature region.

また、上記プロトン伝導性を有する無機塩としては、ヘテロポリ酸と無機塩の複合体を用いてもよい。上記無機塩としては、硫酸水素塩、リン酸水素塩等が挙げられる。上記硫酸水素塩としては、硫酸水素セシウム、硫酸水素カリウム等を挙げることができる。上記リン酸水素塩としては、リン酸水素セシウム等を挙げることができる。上記ヘテロポリ酸としては、リンタングステン酸(H3PW1240:WPA)等が挙げられる。また、硫酸水素塩やリン酸水素塩の替わりに炭酸セシウム(Cs2CO3)、硫酸セシウム(Cs2SO4)等を用いてもよい。 Further, as the inorganic salt having proton conductivity, a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt may be used. Examples of the inorganic salt include hydrogen sulfate and hydrogen phosphate. Examples of the hydrogen sulfate include cesium hydrogen sulfate and potassium hydrogen sulfate. Examples of the hydrogen phosphate include cesium hydrogen phosphate. Examples of the heteropolyacid include phosphotungstic acid (H 3 PW 12 O 40 : WPA). Further, cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), cesium sulfate (Cs 2 SO 4 ), or the like may be used instead of hydrogen sulfate or hydrogen phosphate.

また、固体酸3としては、有機固体酸を用いてもよい。上記有機固体酸としては、スルホン酸基を有する有機酸であればよく、特に限定されない。例えば、ベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、2−ナフタレンスルホン酸、1,5−ナフタレンジスルホン酸、2,6−ナフタレンジスルホン酸、1,3,6−ナフタレントリスルホン酸、1,3,5,7−ナフタレンテトラスルホン酸等が挙げられる。上記スルホン酸基を有する有機酸を単独又は一種以上混合して用いてもよい。   As the solid acid 3, an organic solid acid may be used. The organic solid acid is not particularly limited as long as it is an organic acid having a sulfonic acid group. For example, benzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, 2-naphthalenesulfonic acid, 1,5-naphthalenedisulfonic acid, 2,6-naphthalenedisulfonic acid, 1,3,6-naphthalenetrisulfonic acid, 1,3,5, Examples include 7-naphthalene tetrasulfonic acid. You may use the organic acid which has the said sulfonic acid group individually or in mixture of 1 or more types.

プロトン伝導性電解質膜1は、溶融された固体酸3以外に、本発明の効果を阻害しない範囲内で、溶融されていない固体酸を含んでもよい。この場合、溶融されていない固体酸は、固体酸粒子であることが好ましく、平均粒径が約0.1〜200μm程度であることがより好ましく、約0.1〜150μm程度であることがさらに好ましい。本発明において、固体酸粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)等を用いて測定することができる。また、プロトン伝導性電解質膜1において、溶融されていない固体酸の含有量は、溶融された固体酸3に対して0〜40重量%であることが好ましい。なお、溶融されていない固体酸としても、上述の固体酸を用いればよい。   The proton conductive electrolyte membrane 1 may contain, besides the molten solid acid 3, an unmelted solid acid as long as the effects of the present invention are not impaired. In this case, the solid acid that has not been melted is preferably solid acid particles, more preferably an average particle size of about 0.1 to 200 μm, and more preferably about 0.1 to 150 μm. preferable. In the present invention, the average particle size of the solid acid particles can be measured using a scanning electron microscope (SEM) or the like. In the proton conductive electrolyte membrane 1, the content of the unmelted solid acid is preferably 0 to 40% by weight with respect to the melted solid acid 3. In addition, what is necessary is just to use the above-mentioned solid acid also as a solid acid which is not fuse | melted.

<多孔質支持体>
多孔質支持体2としては、細孔を有する多孔質なものであればよく、特に限定されない。例えば、有機繊維、無機繊維等で構成される多孔質支持体を用いることができる。また、多孔質支持体2の形態は、特に限定されず、例えば不織布、織布等のシート状、メンブレンフィルター等の薄膜状が挙げられる。また、多孔質支持体2としては、例えば、pH1〜3における耐酸性、温度が約50〜300℃程度における耐熱性を有するものが好ましい。また、プロトン伝導性を有するものであってもよい。
<Porous support>
The porous support 2 is not particularly limited as long as it is porous having pores. For example, a porous support composed of organic fibers, inorganic fibers and the like can be used. Moreover, the form of the porous support body 2 is not specifically limited, For example, sheet | seat shape, such as a nonwoven fabric and a woven fabric, and thin film shapes, such as a membrane filter, are mentioned. Moreover, as the porous support body 2, what has acid resistance in pH 1-3 and heat resistance in about 50-300 degreeC temperature is preferable, for example. Moreover, you may have proton conductivity.

多孔質支持体2は、厚さが10〜500μmであることが好ましく、より好ましくは20〜300μmである。10μm未満では、多孔質支持体2の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られない恐れがある。一方、500μmを超えると、電解質膜の補強材としては厚くなりすぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。   The porous support 2 preferably has a thickness of 10 to 500 μm, more preferably 20 to 300 μm. If the thickness is less than 10 μm, the strength of the porous support 2 may be significantly reduced, and the strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane may not be obtained. On the other hand, if it exceeds 500 μm, it becomes too thick as a reinforcing material for the electrolyte membrane, and the proton conductivity may be lowered.

また、多孔質支持体2は、空隙率が40〜98体積%であることが好ましい。より好ましくは、60〜96体積%である。空隙率が98体積%を超えると、強度が著しく低くなり、補強材としての役割を果たしにくい恐れがある。一方、40体積%未満では、プロトン伝導性が低くなる恐れがある。   The porous support 2 preferably has a porosity of 40 to 98% by volume. More preferably, it is 60-96 volume%. When the porosity exceeds 98% by volume, the strength is remarkably lowered, and there is a possibility that it does not easily serve as a reinforcing material. On the other hand, if it is less than 40% by volume, proton conductivity may be lowered.

なお、本発明において、「空隙率」は、例えば、以下のように測定したものである。所定の面積の多孔質支持体の厚みをマイクロメーターで測定し、見かけの体積を算出し、その後、重量と比重により実体積を算出し、見かけの体積から実体積を引くことにより算出した空隙率を多孔質支持体の空隙率とする。   In the present invention, the “porosity” is measured, for example, as follows. The porosity calculated by measuring the thickness of the porous support of a given area with a micrometer, calculating the apparent volume, then calculating the actual volume by weight and specific gravity, and subtracting the actual volume from the apparent volume Is the porosity of the porous support.

また、多孔質支持体2は、細孔径が500μm以下であることが好ましく、0.1〜400μmであることがより好ましく、0.1〜370μmであることが特に好ましい。細孔径が0.1μm未満では、細孔径が小さく電解質(固体酸)が多孔質支持体中へ浸透しにくく、均一な膜が得られない恐れがある。一方、細孔径が500μmを超えると、多孔質支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られない恐れがある。   The porous support 2 preferably has a pore diameter of 500 μm or less, more preferably 0.1 to 400 μm, and particularly preferably 0.1 to 370 μm. When the pore diameter is less than 0.1 μm, the pore diameter is small, and the electrolyte (solid acid) does not easily penetrate into the porous support, and a uniform film may not be obtained. On the other hand, if the pore diameter exceeds 500 μm, the strength of the porous support may be remarkably lowered, and the strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane may not be obtained.

なお、本発明において、「細孔径」は、例えば、以下のように測定したものである。多孔質支持体の表面のSEM写真を倍率100倍で5枚撮り、多孔質支持体の細孔径を各N5で測定し、合計N20の平均細孔径を多孔質支持体の細孔径とする。   In the present invention, the “pore diameter” is measured, for example, as follows. Five SEM photographs of the surface of the porous support are taken at a magnification of 100, the pore diameter of the porous support is measured at each N5, and the average pore diameter of the total N20 is taken as the pore diameter of the porous support.

また、多孔質支持体2は、繊維径(平均直径)が30μm以下であることが好ましく、0.2〜30μmであることがより好ましい。繊維経が0.2μm未満では、多孔質支持体2の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られない恐れがある。一方、30μmを超えると電解質膜の補強材としては太くなり過ぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。   The porous support 2 preferably has a fiber diameter (average diameter) of 30 μm or less, more preferably 0.2 to 30 μm. If the fiber diameter is less than 0.2 μm, the strength of the porous support 2 may be significantly reduced, and the strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane may not be obtained. On the other hand, if the thickness exceeds 30 μm, the reinforcing material for the electrolyte membrane becomes too thick, and the proton conductivity may decrease.

上記有機繊維としては、特に限定されず、溶融される固体酸の溶融温度(融点)に耐えるものを適宜選択すればよい。例えば、繊維状のポリプロピレン,ポリエステル,ポリエチレン,ポリアミド,ポリアクリルニトリル,ポリエーテルスルホン, ポリビニルアルコール,ポリ塩化ビニル,ポリフェニレンスルホン,ポリウレタン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリテトラフロロエチレン, ポリフェニレンサルファイド,アラミド,セルロース,セルローストリアセテート、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタン、ポリオキシメチレン等が挙げられる。そして、有機繊維は、より細孔径の細かいものが安価に得ることが可能となる利点がある。   The organic fiber is not particularly limited, and one that can withstand the melting temperature (melting point) of the solid acid to be melted may be appropriately selected. For example, fibrous polypropylene, polyester, polyethylene, polyamide, polyacrylonitrile, polyether sulfone, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyphenylene sulfone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene, polyphenylene sulfide, aramid, cellulose, Examples thereof include cellulose triacetate, acrylic, polyolefin, polyurethane, polyoxymethylene and the like. The organic fiber has an advantage that a finer pore diameter can be obtained at a low cost.

上記無機繊維としては、ガラス繊維,炭素ファイバー,黒鉛ファイバー,炭化珪素ファイバー,アルミナファイバー,タングステンカーバイファイバート,アルミナウィスカー、シリカウィスカー、セラミックファイバー、金属ファイバー等が挙げられる。このうち、耐酸性及び耐熱性の点から、無機繊維ではガラス繊維、有機繊維ではポリアクリルニトリル繊維を用いることが好ましく、より好ましいのはガラス繊維である。   Examples of the inorganic fiber include glass fiber, carbon fiber, graphite fiber, silicon carbide fiber, alumina fiber, tungsten carbide fiber, alumina whisker, silica whisker, ceramic fiber, and metal fiber. Among these, in terms of acid resistance and heat resistance, it is preferable to use glass fibers for inorganic fibers and polyacrylonitrile fibers for organic fibers, and more preferably glass fibers.

ガラス繊維で構成される多孔質支持体(以下で、ガラス繊維支持体という。)の場合、ガラス繊維の繊維径(平均直径)は、20μm以下であることが好ましく、0.3〜20μmであることがより好ましい。繊維経が0.3μm未満では、ガラス繊維支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られない恐れがある。一方、20μmを超えると電解質膜の補強材としては太くなり過ぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。上記ガラス繊維支持体は、繊維径が異なる2種以上のガラス繊維で構成されてもよい。また、入手が容易という観点から、ガラス繊維支持体としては、ガラスクロスやガラス繊維不織布を用いることが好ましい。   In the case of a porous support composed of glass fibers (hereinafter referred to as a glass fiber support), the fiber diameter (average diameter) of the glass fibers is preferably 20 μm or less, and is 0.3 to 20 μm. It is more preferable. If the fiber warp is less than 0.3 μm, the strength of the glass fiber support may be significantly reduced, and the strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane may not be obtained. On the other hand, if it exceeds 20 μm, the reinforcing material for the electrolyte membrane becomes too thick, and there is a risk that proton conductivity may be lowered. The glass fiber support may be composed of two or more glass fibers having different fiber diameters. From the viewpoint of easy availability, it is preferable to use glass cloth or glass fiber nonwoven fabric as the glass fiber support.

また、上記ガラス繊維支持体において、ガラス繊維同士を結着させる結着成分として樹脂成分を含む場合、ガラス繊維支持体におけるガラス繊維の含有割合は、50〜98重量%であることが好ましい。ガラス繊維支持体におけるガラス繊維の含有割合が、50〜98重量%であることにより、電解質膜の補強材としての役割を果たせることができる強度を有するガラス繊維支持体が得られる。   Moreover, in the said glass fiber support, when a resin component is included as a binding component which binds glass fibers, it is preferable that the content rate of the glass fiber in a glass fiber support is 50 to 98 weight%. When the glass fiber content in the glass fiber support is 50 to 98% by weight, a glass fiber support having a strength capable of serving as a reinforcing material for the electrolyte membrane is obtained.

上記結着成分としては、ガラス繊維同士を結着させるものであればよく、特に限定されないが、耐熱性、耐酸性に優れたものが好ましい。例えば、叩解セルロース、アクリル繊維、アクリル樹脂エマルジョン、フッ素樹脂ディスパージョン、コロイダルシリカ、エポキシ樹脂等を用いることができる。上記ガラス繊維支持体に結着成分を含ませてガラス繊維同士を結着させることにより、多孔質支持体の機械的特性が向上する。   The binding component is not particularly limited as long as it binds glass fibers to each other, but is preferably excellent in heat resistance and acid resistance. For example, beaten cellulose, acrylic fiber, acrylic resin emulsion, fluororesin dispersion, colloidal silica, epoxy resin and the like can be used. By including a binder component in the glass fiber support to bind the glass fibers together, the mechanical properties of the porous support are improved.

上記ガラス繊維支持体は、厚さが10〜200μmであることが好ましく、より好ましくは20〜150μmである。10μm未満では、ガラス繊維支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材として強度を得られない恐れがある。一方、200μmを超えると電解質膜の補強材としては厚くなりすぎ、プロトン伝導性が低下する恐れがある。   The glass fiber support preferably has a thickness of 10 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm. If the thickness is less than 10 μm, the strength of the glass fiber support may be significantly reduced, and the strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane may not be obtained. On the other hand, if it exceeds 200 μm, it becomes too thick as a reinforcing material for the electrolyte membrane, and there is a possibility that proton conductivity may be lowered.

また、上記ガラス繊維支持体は、空隙率が40〜98体積%であることが好ましい。より好ましくは、60〜96体積%である。空隙率が98体積%を超えると、強度が著しく低くなり、補強材としての役割を果たしにくい恐れがある。一方、40体積%未満では、プロトン伝導性が低くなる恐れがある。   The glass fiber support preferably has a porosity of 40 to 98% by volume. More preferably, it is 60-96 volume%. When the porosity exceeds 98% by volume, the strength is remarkably lowered, and there is a possibility that it does not easily serve as a reinforcing material. On the other hand, if it is less than 40% by volume, proton conductivity may be lowered.

また、上記ガラス繊維支持体は、細孔径が500μm以下であることが好ましく、0.1〜400μmであることがより好ましく、0.1〜370μmであることが特に好ましい。細孔径が0.1μm未満では、細孔径が小さく電解質(固体酸)が多孔質支持体中へ浸透しにくく、均一な膜が得られにくい恐れがある。一方、細孔径が500μmを超えると、多孔質支持体の強度が著しく低下して電解質膜の補強材としての強度が得られない恐れがある。   The glass fiber support preferably has a pore diameter of 500 μm or less, more preferably 0.1 to 400 μm, and particularly preferably 0.1 to 370 μm. When the pore diameter is less than 0.1 μm, the pore diameter is small, and the electrolyte (solid acid) hardly penetrates into the porous support, and there is a possibility that a uniform film cannot be obtained. On the other hand, if the pore diameter exceeds 500 μm, the strength of the porous support may be remarkably lowered, and the strength as a reinforcing material for the electrolyte membrane may not be obtained.

プロトン伝導性電解質膜1は、本発明の効果を阻害しない範囲内において、さらに補強材、添加剤等を必要に応じて含んでもよい。   The proton conductive electrolyte membrane 1 may further contain a reinforcing material, an additive, and the like as necessary within a range not impairing the effects of the present invention.

上記補強材は、球状、針状、チップ状の粒子状態で添加されることが好ましく、例えば、アラミド不織布、液晶ポリマー、ガラスクロス、ガラス不織布、ポリテトラフロロエチレン不織布、ポリテトラフロロエチレン多孔質材料、ポリフェニレンサルファイドレジン、ガラスフレーク、ガラス粒子、燐片状ガラス等が挙げられる。これらを単独、又は二種以上含んでもよい。上記補強材を含ませることにより、機械的特性が向上する。   The reinforcing material is preferably added in the form of spherical, needle-like, or chip-like particles. For example, an aramid nonwoven fabric, liquid crystal polymer, glass cloth, glass nonwoven fabric, polytetrafluoroethylene nonwoven fabric, polytetrafluoroethylene porous material , Polyphenylene sulfide resin, glass flakes, glass particles, flake glass and the like. These may be used alone or in combination of two or more. By including the reinforcing material, the mechanical properties are improved.

上記添加剤としては、例えば、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、フッ素系イオノマー、炭化水素系イオノマー、イオン性液体、セルロース系ポリマー等を用いることができる。   As the additive, for example, a fluorine polymer, a hydrocarbon polymer, a fluorine ionomer, a hydrocarbon ionomer, an ionic liquid, a cellulose polymer, or the like can be used.

上記フッ素系ポリマーとしては、テトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、四フッ化エチレン―六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等のフッ素系樹脂等を用いることができる。   Examples of the fluoropolymer include tetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). A fluorine-based resin or the like can be used.

上記炭化水素系ポリマーとしては、炭化水素系化合物を主骨格とする高分子であって、ポリイミド,ポリアミドイミド,ポリスチレンスルファイド,ポリベンズイミダゾール,ポリピリジン,ポリピリミジン,ポリイミダゾ−ル,ポリベンゾチアゾール,ポリベンゾオキザゾール,ポリオキサジアゾ−ル,ポリキリノン,ポリキノキサリン,ポリチアジアゾ−ル,ポリテトラザビレン,ポリオキサゾ−ル,ポリチアゾール,ポリビニールピリジン及びポリビニールイミダゾール等が挙げられる。   The hydrocarbon polymer is a polymer having a hydrocarbon compound as a main skeleton, such as polyimide, polyamideimide, polystyrene sulfide, polybenzimidazole, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazole, polybenzothiazole, poly Examples thereof include benzooxazole, polyoxadiazol, polyxylone, polyquinoxaline, polythiadiazol, polytetrazabilene, polyoxazole, polythiazole, polyvinyl pyridine and polyvinyl imidazole.

上記フッ素系イオノマーとしては、デュポン社のNafion(登録商標)、旭硝子社のフレミオン(登録商標)、旭化成社のアシプレックス(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸系,アクイヴィオ(登録商標)のようなスルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体等が挙げられる。   Examples of the fluorine ionomer include perfluorosulfonic acid-based Aquivio (registered trademark) such as Nafion (registered trademark) of DuPont, Flemion (registered trademark) of Asahi Glass Co., and Aciplex (registered trademark) of Asahi Kasei Corporation. Sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer and the like.

上記炭化水素系イオノマーとしては、ポリアリーレンエーテルスルホン酸,ポリスチレンスルホン酸,シンジオタクチックポリスチレンスルホン酸,ポリフェニレンエーテルスルホン酸,変性ポリフェニレンエーテルスルホン酸,ポリエーテルスルホンスルホン酸,ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸,及びポリフェニレンサルファイドスルホン酸等が挙げられる。   Examples of the hydrocarbon ionomer include polyarylene ether sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, syndiotactic polystyrene sulfonic acid, polyphenylene ether sulfonic acid, modified polyphenylene ether sulfonic acid, polyether sulfone sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, and Examples include polyphenylene sulfide sulfonic acid.

上記イオン性液体としては、プロトン伝導性を妨げないものであればよく、特に限定されないが、例えば、フルオロハイドイロジェネート型イオン液体,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ン酸系イオン液体等が挙げられる。   The ionic liquid is not particularly limited as long as it does not interfere with proton conductivity, and examples thereof include fluorohydrogenate ionic liquid and diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonic acid ionic liquid.

上記セルロース系ポリマーとしては、メチルセルロース,カルボキシメチルセルロース,酢酸セルロース等が挙げられる。   Examples of the cellulose polymer include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and cellulose acetate.

プロトン伝導性電解質膜1は、固体酸3が溶融されて溶融体を形成し、多孔質支持体2が上記固体酸3の溶融体中に配置されていることにより、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有する。   The proton conductive electrolyte membrane 1 is excellent in reproducibility because the solid acid 3 is melted to form a melt, and the porous support 2 is disposed in the melt of the solid acid 3. Has moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state.

(プロトン伝導性電解質膜の製造方法)
プロトン伝導性電解質膜1は、特に限定されないが、例えば、以下のように製造することが好ましい。具体的には、本発明のプロトン伝導性電解質膜1の製造方法は、固体酸を多孔質支持体上に配置する工程と、上記固体酸を上記多孔質支持体の溶融する温度未満、かつ上記固体酸が溶融する温度以上の温度で熱処理して溶融させ、上記多孔質支持体に浸透(含浸)させる工程と、上記固体酸を浸透させた多孔質支持体を冷却して固体酸を固化する工程とを含む。本発明において、「浸透(含浸)」は、多孔質支持体の細孔内表面を含む露出表面に溶融された固体酸が含浸されている、すなわち多孔質支持体の細孔内表面を含む露出表面が溶融された固体酸で被覆されていることをいう。そして、本発明においては、膜の機械強度及び緻密性という観点から、多孔質支持体の全ての細孔の細孔内表面を含む露出表面に溶融された固体酸を含浸させる、すなわち多孔質支持体の全ての細孔の細孔内表面を含む露出表面が溶融された固体酸で被覆されていることが好ましい。
(Proton conductive electrolyte membrane production method)
The proton conductive electrolyte membrane 1 is not particularly limited, but is preferably manufactured as follows, for example. Specifically, the method for producing the proton conductive electrolyte membrane 1 of the present invention includes a step of disposing a solid acid on the porous support, a temperature below the temperature at which the porous support is melted, and the above A step of heat-treating and melting at a temperature equal to or higher than a temperature at which the solid acid melts, and infiltrating (impregnating) the porous support; and cooling the porous support infiltrated with the solid acid to solidify the solid acid Process. In the present invention, “penetration (impregnation)” means that the exposed surface including the pore inner surface of the porous support is impregnated with the molten solid acid, that is, the exposure including the pore inner surface of the porous support. The surface is covered with a molten solid acid. In the present invention, from the viewpoint of the mechanical strength and denseness of the membrane, the exposed surface including the inner surface of all the pores of the porous support is impregnated with the molten solid, that is, the porous support. It is preferred that the exposed surface, including the inner pore surface of all pores of the body, is coated with a molten solid acid.

固体酸及び多孔質支持体としては、上述したものを用いることができる。   As the solid acid and the porous support, those described above can be used.

また、上記固体酸は、溶融されて多孔質支持体に浸透しやすいと観点から、固体酸粒子であることが好ましい。上記固体酸粒子は、平均粒径が約0.1〜350μm程度であることが好ましく、約0.1〜150μm程度であることがより好ましい。なお、本発明では、固体酸を溶融させて、多孔質支持体に浸透させるため、溶融させていない状態の固体酸粒子の粒子径より小さな細孔径を有する孔質支持体も使用できる。   Moreover, it is preferable that the said solid acid is a solid acid particle from a viewpoint that it is fuse | melted and it is easy to osmose | permeate a porous support body. The solid acid particles preferably have an average particle size of about 0.1 to 350 μm, and more preferably about 0.1 to 150 μm. In the present invention, since the solid acid is melted and permeated into the porous support, a porous support having a pore diameter smaller than the particle diameter of the solid acid particles not melted can also be used.

また、上記固体酸が、用いる多孔質支持体の溶融する温度未満の温度で溶融する固体酸(以下において、単に溶融する固体酸とも記す。)に加えて、用いる多孔質支持体の溶融する温度未満の温度で溶融しない固体酸(以下において、単に溶融しない固体酸とも記す。)を含む場合、溶融しない固体酸の含有量は、溶融する固体酸に対して0〜40重量%であることが好ましい。また、溶融しない固体酸粒子は、平均粒径が約0.1〜200μm程度であることが好ましく、約0.1〜150μm程度であることがより好ましい。平均粒径が0.1μmであると、凝縮しやすくそれにより二次粒子径が大きくなりやすいため、好ましくない。一方、平均粒径が200μmを超えると、電解質膜の作製時に空隙が大きくなりやすいため、好ましくない。   In addition to the solid acid that melts at a temperature lower than the melting temperature of the porous support to be used (hereinafter, also simply referred to as the melting solid acid), the melting temperature of the porous support to be used In the case of containing a solid acid that does not melt at a temperature below (hereinafter also referred to as a solid acid that does not melt), the content of the solid acid that does not melt is 0 to 40% by weight with respect to the solid acid to be melted. preferable. The solid acid particles that do not melt preferably have an average particle size of about 0.1 to 200 μm, more preferably about 0.1 to 150 μm. An average particle size of 0.1 μm is not preferred because it tends to condense and thereby tends to increase the secondary particle size. On the other hand, when the average particle size exceeds 200 μm, the voids are likely to be large during the production of the electrolyte membrane, which is not preferable.

上記において、熱処理温度は、溶融する固体酸及び多孔質支持体の溶融温度に基づいて、多孔質支持体の溶融する温度未満であり、かつ固体酸の溶融する温度以上の範囲内で、適宜決めればよい。例えば、溶融する固体酸として、リン酸セシウムを用いる場合、熱処理温度は、約140℃〜300℃程度、好ましくは約150〜180℃である。熱処理温度が、140℃程度より低いとリン酸セシウムが溶融しない恐れがあり、300℃程度を超えると多孔質支持体が熱劣化する恐れがある。また、熱処理時間は、約5分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。また、固体酸を浸透させた多孔質支持体の冷却温度は、固体酸の溶融する温度未満の範囲内で、適宜決めればよい。例えば、溶融する固体酸として、リン酸セシウムを用いる場合、冷却温度は、約140℃未満程度、好ましくは室温〜約100℃程度である。また、冷却時間は、約5分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。   In the above, the heat treatment temperature is appropriately determined based on the solid acid to be melted and the melting temperature of the porous support, within a range that is lower than the melting temperature of the porous support and equal to or higher than the melting temperature of the solid acid. That's fine. For example, when cesium phosphate is used as the solid acid to be melted, the heat treatment temperature is about 140 to 300 ° C, preferably about 150 to 180 ° C. If the heat treatment temperature is lower than about 140 ° C., cesium phosphate may not melt, and if it exceeds about 300 ° C., the porous support may be thermally deteriorated. The heat treatment time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours. In addition, the cooling temperature of the porous support infiltrated with the solid acid may be appropriately determined within a range below the temperature at which the solid acid melts. For example, when cesium phosphate is used as the solid acid to be melted, the cooling temperature is less than about 140 ° C., preferably about room temperature to about 100 ° C. The cooling time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.

また、固体酸を多孔質支持体上に配置し、その上からガラス板等押さえ板を備え付けた後、熱処理を行ってもよい。押さえ板を備え付けることにより、溶融した固体酸が、より多孔質支持体中へ浸透しやすくなるといった利点がある。   Moreover, after arrange | positioning a solid acid on a porous support body and providing pressing plates, such as a glass plate, on it, you may heat-process. By providing the pressing plate, there is an advantage that the molten solid acid is more easily penetrated into the porous support.

以下、固体酸として、リン酸セシウムの一種である二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を用いる場合について、具体的に説明する。 Hereinafter, the case where cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), which is a kind of cesium phosphate, is used as the solid acid will be specifically described.

固体酸粒子として、例えば、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を用いる場合、特に限定されないが、公開文献(例えば、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, The Electrochemical Society 153 (2) A339-A342(2006)”、或いは、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719-3723”等を参照。)等を参照して、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を製造することができる。 For example, when cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) is used as the solid acid particle, it is not particularly limited. The Electrochemical Society 153 (2) A339-A342 (2006) ”or“ Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719-3723 ”etc.) Thus, cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) can be produced.

具体的には、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)は、例えば、以下のようにして作製することができる。炭酸セシウム(Cs2CO3)及び水を所定の割合で混合し、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌しながら、所定のモル数の液体リン酸を少量ずつ滴下し、約100〜150℃程度の温度で、約1〜3時間程度、撹拌して水を蒸発させる。その後、オーブンに入れて、例えば、約100〜150℃程度の温度で乾燥させる。乾燥時間は、例えば、約1日〜数日程度である。乾燥後、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して粉末状にし、所望の二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を得ることができる。上記二リン酸五水素セシウムの平均粒径は、約0.1〜200μm程度であることがより好ましく、約0.1〜150μm程度であることがさらに好ましい。 Specifically, cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) can be produced, for example, as follows. Cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and water are mixed at a predetermined ratio, and while stirring with a stirrer using a stirrer or the like, liquid phosphoric acid having a predetermined number of moles is dropped little by little, and about 100 to 150 ° C. The water is evaporated by stirring at a temperature of about 1 to 3 hours. Then, it puts into oven and is dried at the temperature of about 100-150 degreeC, for example. The drying time is, for example, about 1 day to several days. After drying, the obtained product is pulverized in an agate bowl to form a powder, and the desired cesium pentahydrogen diphosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) can be obtained. The average particle diameter of the cesium pentahydrogen diphosphate is more preferably about 0.1 to 200 μm, and more preferably about 0.1 to 150 μm.

次いで、上記二リン酸五水素セシウム粒子を多孔質支持体上に配置した後、両面にガラス板等押さえ板を備え付けた上から熱処理を行い、上記二リン酸五水素セシウム粒子を溶融させて、上記多孔質支持体に浸透(含浸)させた後、上記二リン酸五水素セシウムを浸透させた多孔質支持体を冷却して二リン酸五水素セシウムを固化することで、プロトン伝導性電解質膜1を得ることができる。熱処理温度は、約140℃〜300℃程度、好ましくは約150〜180℃である。また、熱処理時間は、約5分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。また、二リン酸五水素セシウムを浸透させた多孔質支持体の冷却温度は、二リン酸五水素セシウムの溶融する温度未満の範囲内で、適宜決めればよい。例えば、冷却温度は、約140℃未満程度、好ましくは室温〜約100℃程度である。また、冷却時間は、約5分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。   Next, after disposing the cesium pentahydrogen diphosphate particles on the porous support, heat treatment is performed from the side provided with pressing plates such as glass plates on both sides, the cesium pentahydrogen diphosphate particles are melted, After impregnating (impregnating) the porous support, the porous support infiltrated with cesium pentahydrogen diphosphate is cooled to solidify the cesium dihydrogen phosphate, whereby a proton conductive electrolyte membrane is obtained. 1 can be obtained. The heat treatment temperature is about 140 ° C to 300 ° C, preferably about 150 to 180 ° C. The heat treatment time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours. In addition, the cooling temperature of the porous support infiltrated with cesium dihydrogen phosphate may be appropriately determined within a range lower than the temperature at which cesium dihydrogen phosphate is melted. For example, the cooling temperature is less than about 140 ° C., preferably about room temperature to about 100 ° C. The cooling time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.

以下、固体酸として、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を用いる場合について、具体的に説明する。 Hereinafter, the case where a complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is used as the solid acid will be specifically described.

二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体は、特に限定されないが、上記同様の公開文献(例えば、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, The Electrochemical Society 153 (2) A339-A342(2006)”、或いは、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719-3723”等を参照。)等を参照して製造することができる。二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)は、上記の作製方法と同様に作製することができる。 The complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is not particularly limited, but the same published documents as described above (for example, “Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, The Electrochemical Society 153 (2) A339-A342 (2006) ”or“ Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719-3723 ” Etc.) and the like. Cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) can be produced in the same manner as the above production method.

リン酸ケイ素(SiP27)は、例えば、以下のようにして、作製することができる。二酸化ケイ素(SiO2)と液体リン酸を所定のモル数で配合して得られた混合物をめのう鉢に入れ、水あめ状になるまで混ぜる。その後、アルミナ坩堝に入れて、約100〜700℃程度の温度で焼成する。焼成する時間は、例えば、約30〜80時間程度である。焼成後、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望のリン酸ケイ素(SiP27)を得ることができる。上記リン酸ケイ素(SiP27)の平均粒径は、約0.1〜200μm程度であることがより好ましく、約0.1〜150μm程度であることがさらに好ましい。 Silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) can be produced, for example, as follows. A mixture obtained by blending silicon dioxide (SiO 2 ) and liquid phosphoric acid in a predetermined number of moles is put in an agate bowl and mixed until it becomes a candy-like shape. Then, it puts into an alumina crucible and fires at a temperature of about 100 to 700 ° C. The firing time is, for example, about 30 to 80 hours. After firing, the resulting product can be pulverized in an agate bowl to obtain the desired silicon phosphate (SiP 2 O 7 ). The average particle size of the silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is more preferably about 0.1 to 200 μm, and further preferably about 0.1 to 150 μm.

次に、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体は、以下のようにして、作製することができる。上記のようにして得られた二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)を所定のモル数で配合する。得られた混合物をポッドミル等で分散させる。分散時間は、例えば、約1時間〜30時間程度である。なお、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の配合量は、モル比で1:4〜2:1であることが好ましい。 Next, a complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) can be produced as follows. Cesium pentahydrogen diphosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained as described above are blended in a predetermined number of moles. The obtained mixture is dispersed with a pod mill or the like. The dispersion time is, for example, about 1 hour to 30 hours. The amount of the diphosphate five cesium hydrogen (CsH 5 (PO 4) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7) is a molar ratio of 1: 4 to 2: 1.

上記において、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の混合物を分散する分散機としては、遊星ボールミル,ボールミル等を用いてもよい。 In the above, a planetary ball mill, a ball mill, or the like may be used as a disperser for dispersing a mixture of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

次いで、二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH5(PO42−SiP27)を多孔質支持体上に配置した後、両面にガラス板等の押さえ板を備え付け、その上から熱処理を行い、上記二リン酸五水素セシウム粒子を溶融させて、上記多孔質支持体に浸透(含浸)させた後、上記二リン酸五水素セシウムを浸透させた多孔質支持体を冷却して二リン酸五水素セシウムを固化することで、プロトン伝導性電解質膜1を得ることができる。熱処理温度は、約140℃〜300℃程度、好ましくは約150〜180℃である。また、熱処理時間は、約5分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。なお、上記の熱処理では、リン酸ケイ素(SiP27)は、溶融しないことになる。また、二リン酸五水素セシウムを浸透させた多孔質支持体の冷却温度は、二リン酸五水素セシウムの溶融する温度未満の範囲内で、適宜決めればよい。例えば、冷却温度は、約140℃未満程度、好ましくは室温〜約100℃程度である。また、冷却時間は、約5分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。 Next, after a composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 —SiP 2 O 7 ) is placed on the porous support, a pressing plate such as a glass plate is provided on both sides. Then, the porous support in which the cesium dihydrogen phosphate is melted and infiltrated (impregnated) into the porous support and then infiltrated with the cesium dihydrogen phosphate is subjected to heat treatment from above. The proton conductive electrolyte membrane 1 can be obtained by solidifying cesium dihydrogen phosphate by cooling The heat treatment temperature is about 140 ° C to 300 ° C, preferably about 150 to 180 ° C. The heat treatment time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours. In the above heat treatment, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) does not melt. In addition, the cooling temperature of the porous support infiltrated with cesium dihydrogen phosphate may be appropriately determined within a range lower than the temperature at which cesium dihydrogen phosphate is melted. For example, the cooling temperature is less than about 140 ° C., preferably about room temperature to about 100 ° C. The cooling time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.

上記において、固体酸が溶融する固体酸と溶融しない固体酸とを含む場合、溶融しない固体酸粒子の種類に応じて細孔径の異なる多孔質支持体を適宜用いることができる。   In the above, when the solid acid contains a solid acid that melts and a solid acid that does not melt, a porous support having a different pore diameter can be appropriately used depending on the type of solid acid particles that do not melt.

上記のプロトン伝導性電解質膜の製造方法によれば、固体酸を多孔質支持体の溶融する温度未満の温度で熱処理して溶融させ、多孔質支持体に浸透させることで、溶融された固体酸と多孔質支持体とで構成されており、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜を容易に提供することができる。   According to the above method for producing a proton-conducting electrolyte membrane, the solid acid is melted by heat treatment at a temperature lower than the melting temperature of the porous support, and then permeated into the porous support. And a porous support, easily provide a proton conductive electrolyte membrane having excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state. be able to.

[実施形態2]
以下、本発明の実施形態2として、触媒層−電解質膜積層体について説明する。
[Embodiment 2]
Hereinafter, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate will be described as Embodiment 2 of the present invention.

(触媒層−電解質膜積層体)
図2は、本発明の実施形態2に係る触媒層−電解質膜積層体の一例を示す概略断面図である。図2に示すように、本発明の実施形態2に係る触媒層−電解質膜積層体10は、実施形態1で示したプロトン伝導性電解質膜1と、一対の触媒層6,7とを備え、プロトン伝導性電解質膜1の両面に触媒層6,7がそれぞれ配置されている。図2では、図1と同一の部分には同一の符合を付け、重複する説明は省略する。また、図2と図1において同一の部分は、同様の機能を有する。
(Catalyst layer-electrolyte membrane laminate)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 2, the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 according to Embodiment 2 of the present invention includes the proton conductive electrolyte membrane 1 shown in Embodiment 1 and a pair of catalyst layers 6, 7. Catalyst layers 6 and 7 are respectively disposed on both surfaces of the proton conductive electrolyte membrane 1. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. 2 and 1 have the same function.

<触媒層>
本実施形態における触媒層6,7は、触媒を含有した層であればよく、特に限定されない。また、触媒層6及び触媒層7のいずれか一方がカソード側触媒層となり、他の一方がアノード側触媒層となる。
<Catalyst layer>
The catalyst layers 6 and 7 in the present embodiment are not particularly limited as long as the layers contain a catalyst. Further, one of the catalyst layer 6 and the catalyst layer 7 becomes a cathode side catalyst layer, and the other one becomes an anode side catalyst layer.

上記触媒としては、燃料電池におけるアノード及び/又はカソード反応を促進する物質であれば、特に限定されない。例えば、白金担持カーボン,白金−ルテニウム担持カーボン,白金−コバルト担持カーボン,金担持カーボン,銀担持カーボン,鉄−コバルト−ニッケル担持カーボン等の金属担持カーボンや、白金ブラック,白金−ルテニウムブラック,白金−コバルトブラック,金ブラック,銀ブラック等の金属微粒子、或いはモリブデンカーバイド等の無機物質が挙げられる。このうち触媒活性の高い白金担持カーボン,リン酸被毒の少ないモリブデンカーバイド等が好適である。   The catalyst is not particularly limited as long as it is a substance that promotes the anode and / or cathode reaction in the fuel cell. For example, platinum-supported carbon, platinum-ruthenium-supported carbon, platinum-cobalt-supported carbon, gold-supported carbon, silver-supported carbon, metal-supported carbon such as iron-cobalt-nickel-supported carbon, platinum black, platinum-ruthenium black, platinum- Examples thereof include fine metal particles such as cobalt black, gold black and silver black, and inorganic substances such as molybdenum carbide. Of these, platinum-supporting carbon with high catalytic activity, molybdenum carbide with low phosphoric acid poisoning, and the like are suitable.

触媒層6,7は、触媒に加えて固体酸を含むことが好ましい。固体酸としては、上述のものを用いることができる。また、触媒層6,7は、バインダーを含有してもよい。触媒層6,7は、金属リン酸塩などの固体酸と触媒のみでも成形可能であるが、これらにバインダーを添加してペースト化したものを塗布・成形することにより、機械強度にすぐれた触媒層を得ることができる。バインダーとしては、結着性を有するものであればよく、特に限定されない。例えば、実施形態1で示した添加剤、例えば、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、フッ素系イオノマー、炭化水素系イオノマー、イオン性液体、セルロース系ポリマー等を用いることができる。   The catalyst layers 6 and 7 preferably contain a solid acid in addition to the catalyst. As the solid acid, those described above can be used. Moreover, the catalyst layers 6 and 7 may contain a binder. The catalyst layers 6 and 7 can be molded only with a solid acid such as a metal phosphate and a catalyst, but by applying and molding a paste obtained by adding a binder to these, a catalyst having excellent mechanical strength. A layer can be obtained. The binder is not particularly limited as long as it has binding properties. For example, the additive shown in Embodiment 1, for example, a fluorine-based polymer, a hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based ionomer, a hydrocarbon-based ionomer, an ionic liquid, a cellulose-based polymer, or the like can be used.

触媒層6,7の厚みは、電極基材の種類、電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すればよい。その厚みは、例えば、約20〜3000μm程度、好ましくは、約30〜2000μm程度である。   The thicknesses of the catalyst layers 6 and 7 may be appropriately determined in consideration of the type of electrode substrate, the thickness of the electrolyte membrane, and the like. The thickness is, for example, about 20 to 3000 μm, preferably about 30 to 2000 μm.

本実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体10は、ペースト状にした触媒をプロトン伝導性電解質膜1上の両面に塗布し、熱処理することにより触媒層6,7を形成して製造することができる。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 according to the present embodiment is manufactured by applying a paste-like catalyst on both surfaces of the proton conductive electrolyte membrane 1 and performing heat treatment to form the catalyst layers 6 and 7. Can do.

触媒ペーストの塗布量としては、例えば、白金担持カーボンを用いる場合、白金担持量として約0.1〜1.0mg/cm2程度、好ましくは、約0.3〜0.6mg/cm2程度である。 The coating amount of the catalyst paste, for example, when using a platinum-supported carbon, about 0.1 to 1.0 mg / cm 2 of about the amount of supported platinum, preferably on the order of about 0.3~0.6mg / cm 2 is there.

プロトン伝導性電解質膜1上への触媒ペーストの塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷,ブレードコート,ダイコート,スプレー塗工,ディスペンサー塗工,インクジェット塗工等を用いることができる。このうち、触媒ペーストの作製の簡便さより、スクリーン印刷,ブレードコートを用いることが好ましい。   The method for applying the catalyst paste onto the proton conductive electrolyte membrane 1 is not particularly limited, and for example, screen printing, blade coating, die coating, spray coating, dispenser coating, ink jet coating, or the like may be used. it can. Of these, it is preferable to use screen printing or blade coating because of the ease of production of the catalyst paste.

熱処理温度は、例えば、約50〜300℃程度、好ましくは約100〜250℃である。熱処理温度が約50℃程度より低いと、触媒ペーストに含まれる溶剤が除去できず、リン酸を含む場合はリン酸中に含まれる水が除去できない。一方、熱処理温度が約300℃を超えると、バインダーが熱分解する恐れがあり、またリン酸を含む場合はリン酸が揮発するため好ましくない。また、熱処理時間は、例えば、約10分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。   The heat treatment temperature is, for example, about 50 to 300 ° C, preferably about 100 to 250 ° C. When the heat treatment temperature is lower than about 50 ° C., the solvent contained in the catalyst paste cannot be removed, and when phosphoric acid is contained, the water contained in phosphoric acid cannot be removed. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds about 300 ° C., the binder may be thermally decomposed, and when phosphoric acid is contained, phosphoric acid volatilizes, which is not preferable. The heat treatment time is, for example, about 10 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.

本実施形態によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有する触媒層−電解質膜積層体を提供することができる。   According to this embodiment, it is possible to provide a catalyst layer-electrolyte membrane laminate having excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state.

[実施形態3]
以下、本発明の実施形態3として、膜−電極接合体について説明する。
[Embodiment 3]
Hereinafter, a membrane-electrode assembly will be described as Embodiment 3 of the present invention.

(膜−電極接合体)
図3は、本発明の実施形態3に係る膜−電極接合体の一例を示す概略断面図である。図3に示すように、本発明の実施形態3に係る膜−電極接合体20は、実施形態1で示したプロトン伝導性電解質膜1と、一対の触媒電極16,17とを備えており、プロトン伝導性電解質膜1の両面に触媒電極16,17がそれぞれ配置されている。図3では、図1と同一の部分には同一の符合を付け、重複する説明は省略する。また、図3と図1において同一の部分は、同様の機能を有する。
(Membrane-electrode assembly)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane-electrode assembly according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 3, the membrane-electrode assembly 20 according to Embodiment 3 of the present invention includes the proton conductive electrolyte membrane 1 shown in Embodiment 1 and a pair of catalyst electrodes 16 and 17. Catalyst electrodes 16 and 17 are disposed on both sides of the proton conductive electrolyte membrane 1, respectively. In FIG. 3, the same parts as those in FIG. 3 and FIG. 1 have the same functions.

触媒電極16,17は、触媒と、多孔質体等ガス拡散性を有する導電材料で構成されており、燃料ガス、又は酸化剤ガスが流通できるようになっている。アノード極側触媒電極17は、燃料極であり、カソード極側触媒電極16は、酸化剤極である。燃料極には水素の酸化反応を促進する触媒金属が付着されており、酸化剤極には酸素の還元反応を促進する触媒金属が付着している。   The catalyst electrodes 16 and 17 are made of a catalyst and a conductive material having gas diffusibility, such as a porous body, so that fuel gas or oxidant gas can flow therethrough. The anode electrode side catalyst electrode 17 is a fuel electrode, and the cathode electrode side catalyst electrode 16 is an oxidant electrode. A catalytic metal that promotes an oxidation reaction of hydrogen is attached to the fuel electrode, and a catalytic metal that promotes a reduction reaction of oxygen is attached to the oxidant electrode.

触媒電極16,17の厚みは、電極基材の種類、電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すればよい。その厚みは、例えば、約20〜3000μm程度、好ましくは、約30〜2000μm程度である。   The thickness of the catalyst electrodes 16 and 17 may be appropriately determined in consideration of the type of electrode base material, the thickness of the electrolyte membrane, and the like. The thickness is, for example, about 20 to 3000 μm, preferably about 30 to 2000 μm.

触媒電極16,17は、ガス拡散層と触媒層の2層から構成されていてもよい。ガス拡散層としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の公知の材料を用いればよい。また、上記の公知の材料に撥水処理を行ったものを用いてもよい。また、ガス拡散層に触媒ペーストを塗工した場合のしみこみを防ぐため平坦化層を設けたガス拡散層を用いてもよい。   The catalyst electrodes 16 and 17 may be composed of two layers, a gas diffusion layer and a catalyst layer. As the gas diffusion layer, a known material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be used. Moreover, you may use what performed the water-repellent process to said well-known material. Further, a gas diffusion layer provided with a flattening layer may be used in order to prevent penetration when a catalyst paste is applied to the gas diffusion layer.

本実施形態に係る膜−電極接合体20は、上記の実施形態1で示したプロトン伝導性電解質膜1を用い、その両面に触媒電極16,17を圧着等により形成して製造することができる。   The membrane-electrode assembly 20 according to the present embodiment can be manufactured by using the proton conductive electrolyte membrane 1 shown in the first embodiment and forming the catalyst electrodes 16 and 17 on both surfaces thereof by pressure bonding or the like. .

本実施形態によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有する膜−電極接合体を提供することができる。   According to this embodiment, it is possible to provide a membrane-electrode assembly having excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state.

[実施形態4]
以下、本発明の実施形態4として、燃料電池について説明する。
[Embodiment 4]
Hereinafter, a fuel cell will be described as Embodiment 4 of the present invention.

(燃料電池)
図4は、本発明の実施形態4に係る燃料電池の一例を示す概略断面図である。図4に示すように、本発明の実施形態4に係る燃料電池30は、実施形態1で示したプロトン伝導性電解質膜1と、実施形態3で示した一対の触媒電極16,17と、一対のセパレータ28,29とを備えており、プロトン伝導性電解質膜1の両面に触媒電極16,17及びセパレータ28,29がそれぞれ順次積層されて構成されている。図4では、図1及び図3と同一の部分には同一の符合を付け、重複する説明は省略する。また、図4と図1及び図3において同一の部分は、同様の機能を有する。
(Fuel cell)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. As shown in FIG. 4, the fuel cell 30 according to Embodiment 4 of the present invention includes a proton conductive electrolyte membrane 1 shown in Embodiment 1, a pair of catalyst electrodes 16 and 17 shown in Embodiment 3, and a pair of Separators 28 and 29, and the catalyst electrodes 16 and 17 and the separators 28 and 29 are sequentially laminated on both surfaces of the proton conductive electrolyte membrane 1. In FIG. 4, the same parts as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. 4 and FIG. 1 and FIG. 3 have the same functions.

セパレータ29は、燃料をアノード側触媒電極17に供給するためのものであり、燃料を流通するための燃料流路21を有する。一方、セパレータ28は、酸化剤ガスをカソード側触媒電極16に供給するためのものであり、酸化剤ガスを流通するための酸化剤ガス流路22を有する。   The separator 29 is for supplying fuel to the anode side catalyst electrode 17, and has a fuel flow path 21 for circulating the fuel. On the other hand, the separator 28 is for supplying an oxidant gas to the cathode side catalyst electrode 16 and has an oxidant gas flow path 22 for circulating the oxidant gas.

セパレータ28,29の材質としては、燃料電池30内の環境においても安定な導電性を有するものであればよい。一般的には、カーボン板に流路を形成したものが用いられる。また、セパレータ28,29は、ステンレススチール等の金属で構成し、その金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマー等の導電性材料からなる被膜を形成したものであってもよい。   The separators 28 and 29 may be made of any material that has stable conductivity even in the environment inside the fuel cell 30. In general, a carbon plate having a flow path is used. The separators 28 and 29 are made of a metal such as stainless steel, and a coating made of a conductive material such as chromium, a platinum group metal or oxide thereof, or a conductive polymer is formed on the surface of the metal. Also good.

なお、セパレータ28,29は、燃料電池30を複数個積層して構成した燃料電池に用いる場合、集電体としての機能を有することができる。   The separators 28 and 29 can have a function as a current collector when used in a fuel cell in which a plurality of fuel cells 30 are stacked.

<燃料電池の動作原理>
燃料流路21により、水素ガス又はメタノール等の水素供給可能な燃料が、アノード側触媒電極17に供給され、この燃料からプロトン(H+)と電子(e-)が生成される。生成されたプロトンはプロトン伝導性電解質膜1によってカソード側触媒電極16へと搬送される。一方、酸化剤ガス流路22により、空気又は酸素ガス等の酸化剤ガスが、カソード側触媒電極16に供給され、プロトン伝導性電解質膜1によって搬送されてきたプロトンと外部回路23からくる電子及び酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このようにして燃料電池として機能する。
<Operating principle of fuel cell>
A fuel capable of supplying hydrogen, such as hydrogen gas or methanol, is supplied to the anode-side catalyst electrode 17 through the fuel flow path 21, and protons (H + ) and electrons (e ) are generated from the fuel. The generated protons are transported to the cathode side catalyst electrode 16 by the proton conductive electrolyte membrane 1. On the other hand, an oxidant gas such as air or oxygen gas is supplied to the cathode side catalyst electrode 16 through the oxidant gas flow path 22, and protons carried by the proton conductive electrolyte membrane 1 and electrons coming from the external circuit 23 and Reaction with the oxidant gas produces water. In this way, it functions as a fuel cell.

本実施形態に係る燃料電池30は、燃料電池の作製に用いられる公知の技術を用いて、プロトン伝導性電解質膜1の両面に触媒電極16,17及びセパレータ28,29を順次積層することにより、製造することができる。   The fuel cell 30 according to the present embodiment is formed by sequentially stacking the catalyst electrodes 16 and 17 and the separators 28 and 29 on both surfaces of the proton conductive electrolyte membrane 1 using a known technique used for manufacturing a fuel cell. Can be manufactured.

本実施形態によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜1を用いることにより、安定性に優れ、高性能な燃料電池30を提供することができる。   According to the present embodiment, excellent stability is achieved by using the proton conductive electrolyte membrane 1 having excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state. A high-performance fuel cell 30 can be provided.

以下において、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更実施可能である。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to these examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

[実施例1]
<固体酸の作製>
固体酸として、セシウムリン酸(CsH5(PO42)を以下のようにして作製した。まず、炭酸セシウム(Cs2CO3:Aldrich社製)15.6g(0.048モル)及び水10gをビーカーに撹拌子と共に入れ、スターラーにて撹拌した。次いで、スターラーにて撹拌しながら85%リン酸水溶液22.1g(0.192モル)を少量ずつ滴下した。その後、ホットプレート上で、約120℃で、約2時間乾燥し、水を蒸発させた。その後、得られた生成物を坩堝に投入し、約120℃で、約3日間乾燥し、乾燥後得られた生成物をめのう鉢で粉砕し、平均粒径が125μmであるセシウムリン酸(CsH5(PO42)を得た。
[Example 1]
<Preparation of solid acid>
As a solid acid, cesium phosphoric acid (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) was prepared as follows. First, 15.6 g (0.048 mol) of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 : manufactured by Aldrich) and 10 g of water were placed in a beaker with a stirrer and stirred with a stirrer. Subsequently, 22.1 g (0.192 mol) of 85% phosphoric acid aqueous solution was added dropwise little by little while stirring with a stirrer. Then, it dried at about 120 degreeC on the hotplate for about 2 hours, and water was evaporated. Thereafter, the obtained product was put into a crucible, dried at about 120 ° C. for about 3 days, and the product obtained after drying was pulverized in an agate bowl, and cesium phosphate (CsH) having an average particle size of 125 μm. 5 (PO 4 ) 2 ) was obtained.

<プロトン伝導性電解質膜の形成>
上記で得られたセシウムリン酸(CsH5(PO42)0.5gを、厚み110μm、空隙率95%、繊維径10μm、細孔径100μmのガラス繊維支持体上に均一に配置し、約170℃、約90分程度、溶融させ、溶融されたセシウムリン酸とガラス繊維支持体で構成され、厚みが180μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。
<Formation of proton conductive electrolyte membrane>
0.5 g of the cesium phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) obtained above was uniformly placed on a glass fiber support having a thickness of 110 μm, a porosity of 95%, a fiber diameter of 10 μm, and a pore diameter of 100 μm, and about It was melted at 170 ° C. for about 90 minutes, and a proton conductive electrolyte membrane composed of molten cesium phosphoric acid and a glass fiber support and having a thickness of 180 μm was obtained.

[実施例2]
実施例1と同様にして得られたセシウムリン酸(CsH5(PO42)0.5gを、厚み60μm、空隙率96%、繊維径10μm、細孔径200μmのガラス繊維支持体上に均一に配置し、約170℃、約90分程度、溶融させ、溶融されたセシウムリン酸とガラス繊維支持体で構成され、厚みが230μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。
[Example 2]
0.5 g of cesium phosphoric acid (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) obtained in the same manner as in Example 1 was uniformly applied to a glass fiber support having a thickness of 60 μm, a porosity of 96%, a fiber diameter of 10 μm, and a pore diameter of 200 μm. And heated at about 170 ° C. for about 90 minutes to obtain a proton conductive electrolyte membrane composed of molten cesium phosphate and a glass fiber support and having a thickness of 230 μm.

[実施例3]
実施例1と同様にして得られたセシウムリン酸(CsH5(PO42)0.5gを、厚み42μm、空隙率85%、繊維径2μm、細孔径15μmのガラス繊維支持体上に均一に配置し、約170℃、約90分程度、溶融させ、溶融されたセシウムリン酸とガラス繊維支持体で構成され、厚みが120μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。
[Example 3]
0.5 g of cesium phosphoric acid (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) obtained in the same manner as in Example 1 was uniformly applied to a glass fiber support having a thickness of 42 μm, a porosity of 85%, a fiber diameter of 2 μm, and a pore diameter of 15 μm. And heated at about 170 ° C. for about 90 minutes to obtain a proton conductive electrolyte membrane composed of molten cesium phosphate and a glass fiber support and having a thickness of 120 μm.

[実施例4]
実施例1と同様にして得られたセシウムリン酸(CsH5(PO42)0.5gを、厚み28μm、空隙率82%、繊維径0.3μm、細孔径2.0μmのポリアクリルニトリル繊維(PAN)支持体上に均一に配置し、約170℃、約90分程度、溶融させ、溶融されたセシウムリン酸とポリアクリルニトリル繊維支持体で構成され、厚みが127μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。
[Example 4]
0.5 g of cesium phosphoric acid (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) obtained in the same manner as in Example 1 was added to a polyacrylonitrile having a thickness of 28 μm, a porosity of 82%, a fiber diameter of 0.3 μm, and a pore diameter of 2.0 μm. A proton conductive electrolyte that is uniformly disposed on a fiber (PAN) support, melted at about 170 ° C. for about 90 minutes, and composed of a melted cesium phosphate and a polyacrylonitrile fiber support, with a thickness of 127 μm. A membrane was obtained.

[実施例5]
<固体酸の作製>
固体酸として、二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH5(PO42−SiP27))を以下のようにして作製した。
[Example 5]
<Preparation of solid acid>
As a solid acid, a composite of cesium dihydrogenphosphate and silicon phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 —SiP 2 O 7 )) was prepared as follows.

まず、実施例1と同様にして、平均粒径が125μmである二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を得た。 First, in the same manner as in Example 1, cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) having an average particle diameter of 125 μm was obtained.

次に、リン酸ケイ素(SiP27)を以下のようにして作製した。二酸化ケイ素(SiO2:東ソーシリカ社製)8.0g(0.13モル)及び85%リン酸水溶液38.4g(0.33モル)をめのう鉢に入れ、水あめ状になるまで混合した。その後、混合物をアルミナ坩堝に投入し、約100〜200℃、約60時間程度の仮焼成後、約700℃、約4時間程度焼成し、焼成後得られた生成物をめのう鉢で粉砕し、平均粒径が39μmであるリン酸ケイ素(SiP27)を得た。 Next, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) was produced as follows. Silicon dioxide (SiO 2 : manufactured by Tosoh Silica) 8.0 g (0.13 mol) and 85% phosphoric acid aqueous solution 38.4 g (0.33 mol) were placed in an agate bowl and mixed until it became a starchy candy. Thereafter, the mixture is put into an alumina crucible, calcined at about 100 to 200 ° C. for about 60 hours, then calcined at about 700 ° C. for about 4 hours, and the product obtained after firing is pulverized in an agate bowl, Silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) having an average particle diameter of 39 μm was obtained.

最後に、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)4.0g(0.01モル)とリン酸ケイ素(SiP27)1.2g(0.006モル)をポットミルで分散し、二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH5(PO42−SiP27)を得た。 Finally, 4.0 g (0.01 mol) of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and 1.2 g (0.006 mol) of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) are dispersed in a pot mill. As a result, a complex of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 —SiP 2 O 7 ) was obtained.

<プロトン伝導性電解質膜の形成>
上記で得られた二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH5(PO42−SiP27)0.5gを、厚み110μm、空隙率95%、繊維径10μm、細孔径100μmのガラス繊維支持体上に均一に配置し、約170℃、約90分程度、溶融させ、溶融された二リン酸五水素セシウムと溶融されていないリン酸ケイ素とガラス繊維支持体で構成され、厚みが190μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。
<Formation of proton conductive electrolyte membrane>
0.5 g of the composite of cesium dihydrogen pentaphosphate and silicon phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 —SiP 2 O 7 ) obtained above is 110 μm thick, 95% porosity, 10 μm fiber diameter, fine Uniformly placed on a glass fiber support with a pore size of 100 μm, melted at about 170 ° C. for about 90 minutes, and composed of molten cesium dihydrogen phosphate, unmelted silicon phosphate and glass fiber support As a result, a proton conductive electrolyte membrane having a thickness of 190 μm was obtained.

[実施例6]
実施例5と同様にして得られた二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH5(PO42−SiP27)0.5gを、厚み60μm、空隙率96%、繊維径10μm、細孔径200μmのガラス繊維支持体上に均一に配置し、約170℃、約90分程度、溶融させ、溶融された二リン酸五水素セシウムと溶融されていないリン酸ケイ素とガラス繊維支持体で構成され、厚みが140μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。
[Example 6]
0.5 g of a complex of cesium dihydrogenphosphate and silicon phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 —SiP 2 O 7 ) obtained in the same manner as in Example 5 was obtained, and the thickness was 60 μm and the porosity was 96%. Disposed uniformly on a glass fiber support having a fiber diameter of 10 μm and a pore diameter of 200 μm, melted at about 170 ° C. for about 90 minutes, and melted cesium dihydrogen pentaphosphate and unmelted silicon phosphate and glass A proton conductive electrolyte membrane composed of a fiber support and having a thickness of 140 μm was obtained.

[比較例1]
まず、実施例1と同様にして、セシウムリン酸(CsH5(PO42)を得た。次に、得られたセシウムリン酸(CsH5(PO42)5gに、バインダーとして10重量%酢酸セルロース溶液(ダイセル化学工業社製「LT−35」、溶媒:アセトン)5gを加えて、分散機で分散して電解質ペーストを作製した。この電解質ペーストを基材フィルム(ポリエチレンテレフタレート(PET)、厚み50μm)上にブレードコーターで塗布し、約170℃、約30分程度、乾燥し、厚みが120μmの電解質膜を得た。
[Comparative Example 1]
First, in the same manner as in Example 1, cesium phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) was obtained. Next, 5 g of a 10 wt% cellulose acetate solution (“LT-35” manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd., solvent: acetone) as a binder was added to 5 g of the obtained cesium phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), An electrolyte paste was prepared by dispersing with a disperser. This electrolyte paste was applied onto a base film (polyethylene terephthalate (PET), thickness 50 μm) with a blade coater and dried at about 170 ° C. for about 30 minutes to obtain an electrolyte membrane having a thickness of 120 μm.

実施例で用いた多孔質支持体の細孔径及び空隙率は、以下のように測定した。   The pore diameter and porosity of the porous support used in the examples were measured as follows.

(多孔質支持体の細孔径測定)
多孔質支持体単体の表面のSEM写真を倍率100倍で5枚撮り、多孔質支持体の細孔径を各N5で測定し、合計N20の平均細孔径を多孔質支持体の細孔径とした。
(Measurement of pore diameter of porous support)
Five SEM photographs of the surface of the porous support were taken at a magnification of 100, the pore diameter of the porous support was measured at each N5, and the average pore diameter of the total N20 was taken as the pore diameter of the porous support.

(多孔質支持体の空隙率測定)
所定の面積の多孔質支持体単体の厚みをマイクロメーターで測定し、見かけの体積を算出した。その後、重量と比重により実体積を算出し、見かけの体積から実体積を引くことにより算出した空隙率を多孔質支持体の空隙率とした。
(Porosity measurement of porous support)
The thickness of the porous support alone having a predetermined area was measured with a micrometer, and the apparent volume was calculated. Thereafter, the actual volume was calculated from the weight and specific gravity, and the porosity calculated by subtracting the actual volume from the apparent volume was defined as the porosity of the porous support.

実施例の電解質膜における電解質(固体酸)の浸透性、実施例と比較例の電解質膜の引張破断強度、及びプロトン伝導性を以下のように測定・評価し、その結果を下記表1に示した。   The electrolyte (solid acid) permeability in the electrolyte membrane of the example, the tensile rupture strength of the electrolyte membrane of the example and the comparative example, and the proton conductivity were measured and evaluated as follows, and the results are shown in Table 1 below. It was.

(電解質膜における電解質の浸透性)
多孔質支持体単体と、電解質膜の断面のSEM写真を倍率10000倍で撮り、電解質膜中の電解質の浸透性を確認した。
(Electrolyte permeability in electrolyte membrane)
SEM photographs of the porous support alone and the cross section of the electrolyte membrane were taken at a magnification of 10,000 times to confirm the permeability of the electrolyte in the electrolyte membrane.

(引張破断強度測定)
測定サンプルとして、電解質膜の縦方向(MD方向)に、幅10mm、長さ30mmの試験片を作製した。得られた測定サンプルを小型卓上試験機EZ Test(島津製作所製)を用いて、つかみ間隔10mmで、約1mm/分の速度で引っ張り、破断時の荷重(MPa)の測定を2回行い、その平均値を引張破断強度とした。
(Measurement of tensile strength at break)
As a measurement sample, a test piece having a width of 10 mm and a length of 30 mm was prepared in the longitudinal direction (MD direction) of the electrolyte membrane. Using the small desktop tester EZ Test (manufactured by Shimadzu Corporation), the obtained measurement sample was pulled at a rate of about 1 mm / min with a grip interval of 10 mm, and the load at break (MPa) was measured twice. The average value was taken as the tensile strength at break.

(引張破断強度の評価)
上記で得られた引張破断強度の結果に基づいて、引張破断強度を以下のような3段階で評価した。
A:引張破断強度が3.0MPa以上であり、電解質膜として使用可能な性能をもつ。
B:引張破断強度が0.5MPa以上3.0MPa未満であり、電解質膜として使用可能な性能をもつ。
C:引張破断強度が0.5MPa未満、又はは自立性がなく電解質膜として使用するには強度不足である。
(Evaluation of tensile strength at break)
Based on the result of the tensile breaking strength obtained above, the tensile breaking strength was evaluated in the following three stages.
A: The tensile strength at break is 3.0 MPa or more, and has a performance that can be used as an electrolyte membrane.
B: The tensile strength at break is 0.5 MPa or more and less than 3.0 MPa, and has a performance usable as an electrolyte membrane.
C: The tensile strength at break is less than 0.5 MPa, or is not self-supporting and is insufficient for use as an electrolyte membrane.

(プロトン伝導度測定)
電解質膜を幅10mm、長さ30mmに切り抜き、電気化学測定装置(Solartron社製12528WB型)で交流インピーダンス負荷を行い、温度が室温から160℃の範囲であり、かつ無加湿雰囲気下でのプロトン伝導度を測定した。なお、下記表1には、温度が150℃の場合の結果を示した。
(Proton conductivity measurement)
The electrolyte membrane is cut out to a width of 10 mm and a length of 30 mm, and an AC impedance load is applied by an electrochemical measurement device (Solartron 12528WB type), the temperature is in the range of room temperature to 160 ° C., and proton conduction in a non-humidified atmosphere The degree was measured. Table 1 below shows the results when the temperature was 150 ° C.

(プロトン伝導度の評価)
上記で得られたプロトン伝導度の結果に基づいて、プロトン伝導度を以下のような2段階で評価した。
A:150℃かつ無加湿雰囲気下におけるプロトン伝導度が1.00×10-3S/cm以上であり、電解質膜として使用可能な性能をもつ。
B:150℃かつ無加湿雰囲気下におけるプロトン伝導度が1.00×10-3S/cm未満、もしくは自立性がなく電解質膜としての性能を測定できない。
(Evaluation of proton conductivity)
Based on the proton conductivity results obtained above, proton conductivity was evaluated in the following two stages.
A: Proton conductivity in a non-humidified atmosphere at 150 ° C. is 1.00 × 10 −3 S / cm or more, and has a performance usable as an electrolyte membrane.
B: Proton conductivity at 150 ° C. and in a non-humidified atmosphere is less than 1.00 × 10 −3 S / cm, or is not self-supporting and cannot measure the performance as an electrolyte membrane.

Figure 2012064342
Figure 2012064342

図9は、実施例4で用いた多孔質支持体単体の倍率10000倍の断面SEM写真であり、図10は、実施例4で得られたプロトン電解質膜の倍率10000倍の断面SEM写真である。図9及び10から、実施例4のプロトン電解質膜において、溶融した固体酸(電解質)3は多孔質支持体2中に均一に浸透していることが分かる。また、図示はないが、他の実施例のプロトン電解質膜においても、電解質(固体酸)3は溶融して多孔質支持体2中に均一に浸透していることが確認された。   FIG. 9 is a cross-sectional SEM photograph of the porous support used alone in Example 4 at a magnification of 10000 times, and FIG. 10 is a cross-sectional SEM photograph of the proton electrolyte membrane obtained in Example 4 at a magnification of 10000 times. . 9 and 10, it can be seen that in the proton electrolyte membrane of Example 4, the molten solid acid (electrolyte) 3 uniformly penetrates into the porous support 2. Although not shown, it was confirmed that the electrolyte (solid acid) 3 was melted and uniformly permeated into the porous support 2 in the proton electrolyte membranes of other examples.

表1から分かるように、実施例1〜6では、プロトン電解質膜の引張破断強度が0.6MPa以上であり、良好な機械強度特性を示していた。しかし、比較例1では、電解質膜は、基材からの自立性がなく、電解質膜として使用するには強度不足であることが示された。   As can be seen from Table 1, in Examples 1 to 6, the tensile break strength of the proton electrolyte membrane was 0.6 MPa or more, indicating good mechanical strength characteristics. However, in Comparative Example 1, it was shown that the electrolyte membrane was not self-supporting from the base material and was insufficient in strength to be used as the electrolyte membrane.

また、実施例1〜6では、プロトン電解質膜が150℃かつ無加湿雰囲気下において、1.0×10-3S/cm以上のプロトン伝導度を示し、電解質膜として使用可能な性能をもっていることが分かった。これに対して、比較例1の電解質膜は、自立性の不足により、プロトン伝導性を測定する上で強度不足であることが示された。 In Examples 1 to 6, the proton electrolyte membrane has a proton conductivity of 1.0 × 10 −3 S / cm or more in a non-humidified atmosphere at 150 ° C. and has a performance that can be used as an electrolyte membrane. I understood. On the other hand, the electrolyte membrane of Comparative Example 1 was shown to be insufficient in strength for measuring proton conductivity due to lack of self-supporting property.

以上のことから、本発明の伝導性電解質膜は、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、機械強度に優れ、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有することが分かった。   From the above, it was found that the conductive electrolyte membrane of the present invention has excellent reproducibility, good moldability, excellent mechanical strength, and high proton conductivity in a non-humidified state.

本発明は、固体酸を用いたプロトン伝導性電解質膜及びそれを用いた燃料電池に関連した技術分野に好適に適用され得る。   The present invention can be suitably applied to a technical field related to a proton conductive electrolyte membrane using a solid acid and a fuel cell using the same.

1 プロトン伝導性電解質膜
2 多孔質支持体
3 固体酸(溶融された固体酸)
6、7 触媒層
10 触媒層−電解質膜積層体
16 カソード側触媒電極
17 アノード側触媒電極
20 膜−電極接合体
21 燃料流路
22 酸化剤ガス流路
23 外部回路
28、29 セパレータ
30 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Proton conductive electrolyte membrane 2 Porous support 3 Solid acid (molten solid acid)
6, 7 Catalyst layer 10 Catalyst layer-electrolyte membrane laminate 16 Cathode side catalyst electrode 17 Anode side catalyst electrode 20 Membrane-electrode assembly 21 Fuel flow path 22 Oxidant gas flow path 23 External circuit 28, 29 Separator 30 Fuel cell

Claims (11)

固体酸と多孔質支持体とを備え、
前記固体酸が溶融されて溶融体を形成し、
前記多孔質支持体が前記固体酸の溶融体中に配置されていることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
Comprising a solid acid and a porous support;
The solid acid is melted to form a melt,
A proton conductive electrolyte membrane, wherein the porous support is disposed in the solid acid melt.
前記固体酸が、無機固体酸である請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the solid acid is an inorganic solid acid. 前記固体酸が、プロトン伝導性を有する無機塩である請求項1又は2に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the solid acid is an inorganic salt having proton conductivity. 前記固体酸は、融点が300℃以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the solid acid has a melting point of 300 ° C. or less. 前記固体酸は、リン酸セシウムである請求項1〜4のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the solid acid is cesium phosphate. 前記固体酸は、二リン酸五水素セシウムである請求項1〜5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the solid acid is cesium dihydrogen phosphate. 前記多孔質支持体は、ガラス繊維で構成される請求項1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous support is made of glass fiber. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜と、一対の触媒層とを備え、
前記プロトン伝導性電解質膜の両面に前記触媒層がそれぞれ配置されていることを特徴とする触媒層−電解質膜積層体。
A proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7 and a pair of catalyst layers,
The catalyst layer-electrolyte membrane laminate, wherein the catalyst layers are respectively disposed on both sides of the proton conductive electrolyte membrane.
請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜と、一対の触媒電極とを備え、
前記プロトン伝導性電解質膜の両面に前記触媒電極がそれぞれ配置されていることを特徴とする膜−電極接合体。
A proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7 and a pair of catalyst electrodes,
The membrane-electrode assembly, wherein the catalyst electrodes are respectively disposed on both sides of the proton conductive electrolyte membrane.
請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜と、一対の触媒電極と、一対のセパレータとを備え、前記プロトン伝導性電解質膜の両面に前記触媒電極と前記セパレータとがそれぞれ順次積層されていることを特徴とする燃料電池。   A proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7, a pair of catalyst electrodes, and a pair of separators, wherein the catalyst electrodes and the separators are provided on both sides of the proton conductive electrolyte membrane. A fuel cell characterized by being sequentially laminated. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法であって、
固体酸を多孔質支持体上に配置する工程と、
前記固体酸を前記多孔質支持体の溶融する温度未満、かつ前記固体酸が溶融する温度以上の温度で熱処理して溶融させ、前記多孔質支持体に浸透させる工程と
前記固体酸を浸透させた多孔質支持体を冷却して固体酸を固化する工程とを含むことを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
It is a manufacturing method of the proton-conductive electrolyte membrane of any one of Claims 1-7,
Placing a solid acid on the porous support;
The solid acid is melted by heat treatment at a temperature lower than the temperature at which the porous support melts and at a temperature equal to or higher than the temperature at which the solid acid melts, and infiltrated into the porous support; And a step of solidifying the solid acid by cooling the porous support.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019220457A (en) * 2018-06-15 2019-12-26 日本碍子株式会社 Electrolyte for electrochemical cell and electrochemical cell
JP2020126768A (en) * 2019-02-05 2020-08-20 旭化成株式会社 Polymer electrolyte membrane

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