JP2012195197A - Electrolyte membrane, and catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly and fuel cell including the electrolyte membrane - Google Patents

Electrolyte membrane, and catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly and fuel cell including the electrolyte membrane Download PDF

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香澄 大井
Risa Kishimoto
梨紗 岸本
Kuniaki Yoshikata
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: an electrolyte membrane excellent in mechanical strength, having favorable ion conductivity in a non-humidified state and preventing a liquid electrolyte from steeping from the electrolyte membrane; and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell which include the electrolyte membrane.SOLUTION: An electrolyte membrane 10 of the present invention is an electrolyte membrane including a liquid electrolyte and a solid acid, and includes at least a first layer 1 and a second layer 2. The first layer 1 includes the solid acid and the second layer 2 includes the liquid electrolyte, and the first layer 1 is arranged at an outermost layer on one side or both sides of the electrolyte membrane 10.

Description

本発明は、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に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane, and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell using 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)の開発が期待されている。 In recent years, with increasing environmental awareness, fuel cells have attracted attention as clean energy that does not emit CO 2 or pollutants. Among them, the development of 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 is expected.

固体高分子形燃料電池は、通常固体高分子電解質からなる電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を基本単位とする。固体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がある。 A polymer electrolyte fuel cell is basically composed of a membrane electrode assembly in which electrodes are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane usually made of a solid polymer electrolyte. As the solid polymer electrolyte, perfluorosulfonic acid or the like generally known as Nafion (registered trademark) is used, but the proton conduction mechanism is a transport mechanism that conducts protons in the state of H 3 O +. For this reason, it is necessary to provide a humidifying mechanism, which causes a problem that the system becomes complicated.

そこで、無加湿状態でイオン伝導性を有する液状電解質としてイオン液体が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、特許文献2〜4には、イオン液体と固体酸を含む電解質が提案されている。   Thus, an ionic liquid has been proposed as a liquid electrolyte having ionic conductivity in a non-humidified state (see, for example, Patent Document 1). Patent Documents 2 to 4 propose electrolytes containing an ionic liquid and a solid acid.

しかしながら、特許文献1に提案されているイオン液体は、液体であるため、成形性が困難であるという問題がある。そこで、特許文献5ではイオン液体にバインダーを添加してフィルム化しているが、バインダーを添加すると電解質本来のイオン伝導性を阻害する恐れがある。そして、電解質膜のイオン伝導性を向上させるためにイオン液体を多くすると電解質膜からイオン液体が触媒層の細孔中に染み込みガス流路を塞ぐという問題がある。   However, since the ionic liquid proposed in Patent Document 1 is a liquid, there is a problem that moldability is difficult. Therefore, in Patent Document 5, a binder is added to the ionic liquid to form a film. However, if the binder is added, the ionic conductivity inherent in the electrolyte may be impaired. When the ionic liquid is increased in order to improve the ionic conductivity of the electrolyte membrane, there is a problem that the ionic liquid penetrates into the pores of the catalyst layer from the electrolyte membrane and blocks the gas flow path.

また、特許文献2〜4に提案されているような、イオン液体に固体酸を混合した場合でも、イオン液体の量が多いと、電解質膜からイオン液体が触媒層の細孔中に染み込みガス流路を塞ぐという問題がある。   Further, even when a solid acid is mixed in an ionic liquid as proposed in Patent Documents 2 to 4, if the amount of the ionic liquid is large, the ionic liquid permeates into the pores of the catalyst layer from the electrolyte membrane. There is a problem of blocking the road.

特許第4036279号Patent No. 4036279 特開2010−84159号公報JP 2010-84159 A 特開2009−16156号公報JP 2009-16156 A 特開2004−515351号公報JP 2004-515351 A 特開2006−32213号公報JP 2006-32213 A

本発明は、上記従来の問題を解決するため、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された電解質膜、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する。   In order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides an electrolyte membrane excellent in mechanical strength, having good ionic conductivity in a non-humidified state, and preventing exudation of a liquid electrolyte from the electrolyte membrane, and There are provided a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the same.

本発明の電解質膜は、液状電解質と固体酸とを含む電解質膜であって、少なくとも第1の層と第2の層を含み、上記第1の層は固体酸を含み、上記第2の層は液状電解質を含み、上記電解質膜の片側又は両側の最外層には第1の層が配置されていることを特徴とする。   The electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane containing a liquid electrolyte and a solid acid, and includes at least a first layer and a second layer, the first layer containing a solid acid, and the second layer. Includes a liquid electrolyte, and the first layer is disposed on the outermost layer on one or both sides of the electrolyte membrane.

本発明の触媒層−電解質膜積層体は、本発明の電解質膜と、一対の触媒層とを備え、上記電解質膜の両方の主面上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 electrolyte membrane of the present invention and a pair of catalyst layers, wherein the catalyst layers are respectively disposed on both main surfaces of the electrolyte membrane. To do.

本発明の膜電極接合体は、本発明の電解質膜と、一対の触媒電極とを備え、上記電解質膜の両方の主面上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 includes the electrolyte membrane of the present invention and a pair of catalyst electrodes, and the catalyst electrodes are respectively disposed on both main surfaces of the electrolyte membrane.

本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜と、一対の触媒電極と、一対のセパレータとを備え、上記電解質膜の両方の主面上に上記触媒電極と上記セパレータとがこの順番でそれぞれ積層されていることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention comprises the electrolyte membrane of the present invention, a pair of catalyst electrodes, and a pair of separators, and the catalyst electrodes and the separators are laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane. It is characterized by being.

本発明は、固体酸を含む第1の層と、液状電解質を含む第2の層とを含み、電解質膜の片側又は両側の最外層に第1の層を配置することにより、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された電解質膜、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することができる。   The present invention includes a first layer containing a solid acid and a second layer containing a liquid electrolyte. By arranging the first layer on the outermost layer on one side or both sides of the electrolyte membrane, the mechanical strength is increased. An electrolyte membrane that is excellent and has good ionic conductivity in a non-humidified state, while preventing the liquid electrolyte from seeping out from the electrolyte membrane, and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly using the electrolyte membrane A fuel cell can be provided.

図1Aは本発明の実施形態1に係る電解質膜の一例を示す模式的断面図であり、図1Bは本発明の実施形態1に係る電解質膜の別の一例を示す模式的断面図であり、図1Cは本発明の実施形態1に係る電解質膜のさらに別の一例を示す模式的断面図である。1A is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrolyte membrane according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing another example of the electrolyte membrane according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1C is a schematic cross-sectional view showing still another example of the 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模式的断面図である。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模式的断面図である。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模式的断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention.

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。なお、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に限定するものではない。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. Note that the embodiments described below 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. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

本発明において、「液状電解質」とは、液状物質であってかつイオン伝導性を有するものを意味する。また、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 “liquid electrolyte” means a liquid substance having ionic conductivity. Further, 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、電解質膜について説明する。
[Embodiment 1]
First, an electrolyte membrane will be described as Embodiment 1 of the present invention.

(電解質膜)
図1Aは本発明の実施形態1に係る電解質膜の一例を示す模式的断面図である。図1Aに示すように、電解質膜10は、第1の層1と第2の層2の二つの層を含み、電解質膜10の片側の最外層には第1の層1が配置されている。そして、第1の層1は固体酸を含み、第2の層2は液状電解質を含む。また、イオン伝導性を高めるという観点から、第2の層2はさらに固体酸を含んでもよく、第2の層2に含まれる固体酸は第1の層1に含まれる固体酸と同様の種類であってもよく、異なる種類であってもよい。また、第1の層1及び/又は第2の層2はバインダーを含んでもよい。第1の層及び/又は第2の層がバインダーを含むと成形性がより良好になり、機械的強度も高くなる。
(Electrolyte membrane)
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrolyte membrane according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1A, the electrolyte membrane 10 includes two layers, a first layer 1 and a second layer 2, and the first layer 1 is disposed on the outermost layer on one side of the electrolyte membrane 10. . The first layer 1 includes a solid acid, and the second layer 2 includes a liquid electrolyte. Further, from the viewpoint of enhancing ion conductivity, the second layer 2 may further contain a solid acid, and the solid acid contained in the second layer 2 is the same kind as the solid acid contained in the first layer 1. It may be a different type. Further, the first layer 1 and / or the second layer 2 may contain a binder. When the first layer and / or the second layer contains a binder, the moldability becomes better and the mechanical strength becomes higher.

図1B及び図1Cは、それぞれ本発明の実施形態1に係る電解質膜の別の例を示す模式的断面図である。図1Bは三つの層を有する電解質膜を示す模式的断面図であり、図1Cは五つの層を有する電解質膜を示す模式的断面図である。図1B及び図1Cでは、図1Aと同一の部分には同一の符合を付けており、同一の部分は同一の機能を有する。電解質膜10が三つ以上の層を有する場合、図1B及び図1Cに示しているように、電解質膜10の両側の最外層には、第1の層1が配置されていることが好ましい。電解質膜の機械的強度を高めるとともに、より効果的に電解質膜からの液状電解質の染み出しを防ぐことができる。   1B and 1C are schematic cross-sectional views showing other examples of the electrolyte membrane according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing an electrolyte membrane having three layers, and FIG. 1C is a schematic cross-sectional view showing an electrolyte membrane having five layers. In FIG. 1B and FIG. 1C, the same code | symbol is attached | subjected to FIG. 1A and the same part, and the same part has the same function. When the electrolyte membrane 10 has three or more layers, it is preferable that the first layer 1 is disposed on the outermost layers on both sides of the electrolyte membrane 10 as shown in FIGS. 1B and 1C. It is possible to increase the mechanical strength of the electrolyte membrane and more effectively prevent the liquid electrolyte from exuding from the electrolyte membrane.

電解質膜10は、三つの層を有する場合、図1Bに示しているように、第1の層1aと第1の層1bが、それぞれ電解質膜10の最外層に配置されている。すなわち、第1の層1aと第1の層1bが、第2の層2の両方の主面上にそれぞれ配置されている。また、電解質膜10は、五つの層を有する場合でも、図1Cに示しているように、第1の層1aと第1の層1bが、それぞれ電解質膜10の最外層に配置されている。具体的には、図1Cに示しているように、第1の層1a、第2の層2a、第1の層1c、第2の層2b及び第1の層1bが順番に配置されていてもよい。このように、電解質膜10の最外層に固体酸を含む第1の層を配置し、液状電解質を含む第2の層を第1の層の間、すなわち電解質膜10の内層に配置することにより、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された電解質膜が得られる。   When the electrolyte membrane 10 has three layers, as shown in FIG. 1B, the first layer 1 a and the first layer 1 b are respectively disposed in the outermost layers of the electrolyte membrane 10. That is, the first layer 1 a and the first layer 1 b are respectively disposed on both main surfaces of the second layer 2. Further, even when the electrolyte membrane 10 has five layers, as shown in FIG. 1C, the first layer 1 a and the first layer 1 b are respectively disposed on the outermost layers of the electrolyte membrane 10. Specifically, as shown in FIG. 1C, the first layer 1a, the second layer 2a, the first layer 1c, the second layer 2b, and the first layer 1b are arranged in order. Also good. In this way, by disposing the first layer containing the solid acid as the outermost layer of the electrolyte membrane 10 and arranging the second layer containing the liquid electrolyte between the first layers, that is, the inner layer of the electrolyte membrane 10. Thus, an electrolyte membrane having excellent mechanical strength and good ionic conductivity in a non-humidified state while preventing the liquid electrolyte from exuding from the electrolyte membrane can be obtained.

上記において、第1の層1a、第1の層1b、第1の層1cにおける固体酸の含有量及び種類は同様であってもよく、異なっていてもよい。また、第2の層2a、第2の層2bにおける液状電解質の含有量及び種類は同様であってもよく、異なっていてもよい。そして、第2の層2a、第2の層2bが固体酸を含む場合、固体酸の種類及び含有量は同様であってもよく、異なっていてもよい。   In the above, the content and type of the solid acid in the first layer 1a, the first layer 1b, and the first layer 1c may be the same or different. Further, the content and type of the liquid electrolyte in the second layer 2a and the second layer 2b may be the same or different. And when the 2nd layer 2a and the 2nd layer 2b contain a solid acid, the kind and content of a solid acid may be the same, and may differ.

なお、図1A〜1Cでは、二層、三層、五層構造の電解質膜を例示しているが、本発明の電解質膜は、上記の層構造の電解質膜に限定されない。電解質膜が、三つ以上の層を有する場合、固体酸を含む第1の層が電解質膜の両側の最外層に配置されることが好ましく、二つの第1の層の間には液状電解質を含む第2の層が一つ又は複数配置されていてもよい。また、二つの第1の層の間には第2の層以外に、第1の層が一つ又は複数配置されていてもよい。   1A to 1C exemplify two-layer, three-layer, and five-layer electrolyte membranes, the electrolyte membrane of the present invention is not limited to the above-described electrolyte membrane. When the electrolyte membrane has three or more layers, the first layer containing a solid acid is preferably disposed in the outermost layer on both sides of the electrolyte membrane, and a liquid electrolyte is interposed between the two first layers. One or a plurality of second layers may be arranged. In addition to the second layer, one or more first layers may be arranged between the two first layers.

第1の層1における固体酸の含有量は特に限定されないが、機械的強度及びイオン伝導性を高めるという観点から、20〜100重量%であることが好ましく、50〜100重量%であることがさらに好ましい。   Although content of the solid acid in the 1st layer 1 is not specifically limited, From a viewpoint of improving mechanical strength and ion conductivity, it is preferable that it is 20-100 weight%, and it is 50-100 weight%. Further preferred.

第2の層2における液状電解質の含有量は特に限定されないが、機械的強度及びイオン伝導性を高めるという観点から、10〜90重量%であることが好ましく、20〜80重量%であることがさらに好ましい。また、第2の層2における固体酸の含有量は特に限定されないが、機械的強度及びイオン伝導性を高めるという観点から、10〜90重量%であることが好ましく、15〜85重量%であることがさらに好ましい。   The content of the liquid electrolyte in the second layer 2 is not particularly limited, but it is preferably 10 to 90% by weight, and preferably 20 to 80% by weight from the viewpoint of increasing mechanical strength and ion conductivity. Further preferred. Further, the content of the solid acid in the second layer 2 is not particularly limited, but is preferably 10 to 90% by weight, and preferably 15 to 85% by weight from the viewpoint of increasing mechanical strength and ion conductivity. More preferably.

また、図1A〜1Cでは、各層が明確に区分されている電解質膜を例示しているが、各層はその境界が明確に区分されていなくてもよく、電解質膜の厚さ方向において、液状電解質を含む部分と固体酸を含む部分とを有していればよい。なお、電解質膜10の層構造並びに液状電解質及び固体酸の含有量は、例えば以下のようにして確認することができる。
(1)電解質膜を厚さ方向に切断し、断面についてSEM(走査電子顕微鏡)観察を行う。
(2)電解質膜を厚さ方向に切断し、断面についてEDX測定(エネルギー分散型X線分析装置による測定)を行い、特定元素の濃度分布を確認する。
(3)グロー放電発光分析にて電解質膜における厚さ方向の特定元素の分析を行う。
(4)電解質膜を斜めに切削し、削られた表面のXPS分析(X線光電子分光法)を行う。
1A to 1C exemplify an electrolyte membrane in which each layer is clearly divided, but the boundary of each layer may not be clearly divided, and a liquid electrolyte is formed in the thickness direction of the electrolyte membrane. It is only necessary to have a portion containing a solid acid and a portion containing a solid acid. The layer structure of the electrolyte membrane 10 and the contents of the liquid electrolyte and the solid acid can be confirmed as follows, for example.
(1) The electrolyte membrane is cut in the thickness direction, and SEM (scanning electron microscope) observation is performed on the cross section.
(2) The electrolyte membrane is cut in the thickness direction, and EDX measurement (measurement by an energy dispersive X-ray analyzer) is performed on the cross section to confirm the concentration distribution of the specific element.
(3) The specific element in the thickness direction of the electrolyte membrane is analyzed by glow discharge emission analysis.
(4) The electrolyte membrane is cut obliquely and XPS analysis (X-ray photoelectron spectroscopy) of the shaved surface is performed.

電解質膜10は、その厚みは特に限定されないが、通常約10〜1000μm程度であり、機械的強度の観点から、約30〜300μm程度であることが好ましい。また、第1の層1は、その厚みは限定されないが、通常約5〜1000μm程度であり、機械的強度の観点から、約10〜300μm程度であることが好ましい。また、第2の層2は、その厚みは限定されないが、通常約5〜1000μm程度であり、機械的強度の観点から、約10〜300μm程度であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane 10 is not particularly limited, but is usually about 10 to 1000 μm, and preferably about 30 to 300 μm from the viewpoint of mechanical strength. The thickness of the first layer 1 is not limited, but is usually about 5 to 1000 μm, and preferably about 10 to 300 μm from the viewpoint of mechanical strength. The thickness of the second layer 2 is not limited, but is usually about 5 to 1000 μm, and preferably about 10 to 300 μm from the viewpoint of mechanical strength.

<固体酸>
固体酸としては、特に限定されず、例えば無機固体酸や有機固体酸を用いることができ、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、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。ここで、無加湿雰囲気下とは、固体酸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。また、室温とは、本発明の目的においては、固体酸が置かれた雰囲気中に意図的な温度調整を行わないことを意味する。
<Solid acid>
The solid acid is not particularly limited. For example, an inorganic solid acid or an organic solid acid can be used. From the viewpoint of proton conductivity, proton conductivity can be obtained in a temperature range from room temperature to 200 ° C. and in a non-humidified atmosphere. It is preferable to use a solid acid. Here, the non-humidified atmosphere means that intentional humidification is not performed in the atmosphere where the solid acid is placed. Moreover, room temperature means that intentional temperature adjustment is not performed in the atmosphere in which the solid acid is placed for the purpose of the present invention.

上記有機固体酸としては、スルホン酸基を有する有機固体酸であればよく、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。   The organic solid acid is not particularly limited as long as it is an organic solid 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.

上記無機固体酸としては、例えばプロトン伝導性を有する無機固体酸を用いることができ、プロトン伝導性を有する無機塩であることが好ましい。   As the inorganic solid acid, for example, an inorganic solid acid having proton conductivity can be used, and an inorganic salt having proton conductivity is preferable.

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。   Examples of the inorganic salt having proton conductivity include metal phosphates and metal sulfates.

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。上記金属リン酸塩としては、具体的には、スズ、ジルコニウム、セシウム、タングステン等のオルトリン酸塩やピロリン酸塩を挙げることができる。   Examples of the metal phosphate include compounds such as orthophosphate and pyrophosphate. Specific examples of the metal phosphate include orthophosphates and pyrophosphates such as tin, zirconium, cesium, and tungsten.

上記ピロリン酸塩としては、プロトン伝導性に優れるという観点から、下記一般式(1)で表される金属リン酸塩を用いることが好ましい。   As the pyrophosphate, a metal phosphate represented by the following general formula (1) is preferably used from the viewpoint of excellent proton conductivity.

[化1]
1-xx27 (1)
[Chemical 1]
M 1-x D x P 2 O 7 (1)

但し、一般式(1)中、Xは0≦X<0.5であり、M(主金属)はZr、Cs、Sn、Ti、Si、Ge、Pb、Hf、Ca、Mg、W、Na及びAlからなる群から選ばれる一種であり、D(ドープ金属)はAl、In、B、Ga、Sc、Yb、Ce、La、Sb、Y、Nb及びMgからなる群から選ばれる一種である。   However, in the general formula (1), X is 0 ≦ X <0.5, and M (main metal) is Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na And D (doped metal) is a kind selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La, Sb, Y, Nb and Mg. .

上記一般式(1)で表される金属リン酸塩としては、Zr、Cs、Sn、Ti、Si、Ge、Pb、Hf、Ca、Mg、W、Na又はAlを主金属として、主金属と異なる金属をドープしたピロリン酸塩が好ましい。ドープ金属を用いた場合、リン酸塩としての安定性の点から、上記主金属としてはSn、Cs、Ti又はZrを用いることが好ましい。より好ましくは、スズやセシウム等の金属の一部がインジウム、アルミニウムやアンチモン等のドープ金属元素でドープ(置換)されたピロリン酸塩である。   The metal phosphate represented by the general formula (1) includes Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, or Al as the main metal, Pyrophosphates doped with different metals are preferred. When a doped metal is used, it is preferable to use Sn, Cs, Ti, or Zr as the main metal from the viewpoint of stability as a phosphate. More preferably, it is a pyrophosphate in which a part of a metal such as tin or cesium is doped (substituted) with a doped metal element such as indium, aluminum or antimony.

上記ドープ金属としては、例えば、Snを主金属として用いた場合、主金属と固溶可能なものであることから、In、Al等が好適である。主金属とドープ金属の配合比率は固溶限界により異なるが、Snを主金属、Inをドープ金属として用いる場合、例えば、モル比で、Sn:In=7:3〜9.8:0.2の範囲が望ましい。   As the doped metal, for example, when Sn is used as the main metal, In, Al, and the like are preferable because they can be dissolved in the main metal. The mixing ratio of the main metal and the dope metal varies depending on the solid solubility limit. However, when Sn is used as the main metal and In is used as the dope metal, for example, the molar ratio is Sn: In = 7: 3-9.8: 0.2. A range of is desirable.

上記一般式(1)で表される金属リン酸塩は、例えば一種以上の金属酸化物とリン酸を加熱して、熱処理することにより合成することができる。   The metal phosphate represented by the general formula (1) can be synthesized, for example, by heating one or more metal oxides and phosphoric acid and performing heat treatment.

上記金属酸化物としては、リン酸と結晶性塩を生成可能なものであればよく、特に限定されない。例えば、Zr、Cs、Sn、Ti、Si、Ge、Pb、Hf、Ca、Mg、W、Na及びAlの酸化物が挙げられる。また、上記リン酸としては、液体リン酸と固体リン酸のいずれを用いてもよい。熱処理時におけるリン酸消失の問題を回避する観点から、固体リン酸を用いることが好ましい。固体リン酸としては、例えば、リン酸一水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム等を用いることができる。   The metal oxide is not particularly limited as long as it can generate phosphoric acid and a crystalline salt. Examples thereof include oxides of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al. As the phosphoric acid, either liquid phosphoric acid or solid phosphoric acid may be used. From the viewpoint of avoiding the problem of loss of phosphoric acid during heat treatment, it is preferable to use solid phosphoric acid. As solid phosphoric acid, for example, ammonium monohydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate and the like can be used.

上記一般式(1)で表される金属リン酸塩は、具体的には、以下のようにして作製することができる。まず、スズ等の主金属を含む化合物(以下、単に主金属化合物とも記す。)及びインジウム等のドープ金属を含む化合物(以下、単にドープ金属化合物とも記す。)と、液体リン酸を混合して混合物を得る。次いで、得られた混合物に水を加えて、100〜300℃の温度で、1〜3時間スターラー等を用いて攪拌して分散させて分散液を得る。得られた分散液を坩堝に入れて、例えば、300〜700℃の温度で、1〜3時間焼成する。上記高温状態ではリン酸が消失する恐れがあるため、液体リン酸のモル数は過剰に、例えば、モル当量の1.1〜1.5倍加えるのが望ましい。なお、主金属化合物及びドープ金属化合物としては、例えば金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、金属硝酸化物等を用いることができる。   Specifically, the metal phosphate represented by the general formula (1) can be produced as follows. First, a compound containing a main metal such as tin (hereinafter simply referred to as a main metal compound) and a compound containing a doped metal such as indium (hereinafter also simply referred to as a doped metal compound) and liquid phosphoric acid are mixed. A mixture is obtained. Next, water is added to the obtained mixture, and the mixture is stirred and dispersed with a stirrer or the like at a temperature of 100 to 300 ° C. for 1 to 3 hours to obtain a dispersion. The obtained dispersion is put in a crucible and baked at a temperature of 300 to 700 ° C. for 1 to 3 hours, for example. Since phosphoric acid may be lost in the high temperature state, it is desirable to add the liquid phosphoric acid in excess, for example, 1.1 to 1.5 times the molar equivalent. In addition, as a main metal compound and dope metal compound, a metal oxide, a metal hydroxide, a metal chloride, a metal nitrate etc. can be used, for example.

上記において、焼成時におけるリン酸消失の問題を回避するため、液体リン酸に替えて固体リン酸を用いても良い。固体リン酸としては、例えば、リン酸一水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム等を用いて、スズ等の主金属を含む金属酸化物及びインジウム等のドープ金属を含む金属酸化物と所定のモル数で混合する。主金属を含む金属酸化物とドープ金属を含む金属酸化物は、主金属とドープ金属のモル比を、例えば、9:1〜1:1にして混合したものがよい。得られた混合物を坩堝に投入し、例えば、300〜650℃の温度で、1〜3時間焼成する。次いで、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望の金属リン酸塩を得ることができる。固体リン酸を用いることにより、モル当量のリン酸が金属酸化物と反応し、余剰物は高温により揮発するため余剰のリン酸が付着せず再現性の良い金属リン酸塩を得ることができる。   In the above, in order to avoid the problem of disappearance of phosphoric acid during firing, solid phosphoric acid may be used instead of liquid phosphoric acid. As the solid phosphoric acid, for example, using ammonium monohydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, etc., a metal oxide containing a main metal such as tin and a metal oxide containing a doped metal such as indium and a predetermined number of moles. Mix with. The metal oxide containing the main metal and the metal oxide containing the doped metal are preferably mixed at a molar ratio of the main metal to the doped metal of, for example, 9: 1 to 1: 1. The obtained mixture is put into a crucible and baked at a temperature of 300 to 650 ° C. for 1 to 3 hours, for example. The resulting product can then be ground in an agate bowl to give the desired metal phosphate. By using solid phosphoric acid, a molar equivalent of phosphoric acid reacts with the metal oxide, and the surplus material volatilizes at a high temperature, so that surplus phosphoric acid does not adhere and a reproducible metal phosphate can be obtained. .

また、上記金属リン酸塩は、共沈法で作製することも可能である。例えば、塩化スズ五水和物(SnCl4・5H2O)及び塩化インジウム四水和物(InCl3・4H2O)を、スズとインジウムが約9:1のモル比となるよう所定濃度の水溶液に調整した後、スターラーで攪拌しながら、アンモニア水溶液をpH7になるまで滴下することにより、水酸化スズ(Sn(OH)4)中に微量な水酸化インジウム(In(OH)3)が均一に存在した状態の沈殿物が得られる。その後、沈殿物を吸引・濾過して乾燥させ、乾燥した沈殿物とリン酸を混合し、還元雰囲気下で約200℃、約2時間熱処理を行うことにより、金属リン酸塩を得ることができる。最後に脱イオン水で洗浄を行う。共沈法によれば、所望の複数の金属イオンを含む溶液から複数種類の難溶性塩を同時に沈殿させることで、ドープ金属を主金属リン酸塩に均一にドープした金属リン酸塩を調整することができる。 Moreover, the said metal phosphate can also be produced by a coprecipitation method. For example, tin chloride pentahydrate (SnCl 4 .5H 2 O) and indium chloride tetrahydrate (InCl 3 .4H 2 O) are added at a predetermined concentration so that a molar ratio of tin to indium is about 9: 1. After adjusting to an aqueous solution, while stirring with a stirrer, an aqueous ammonia solution is added dropwise until the pH becomes 7, whereby a small amount of indium hydroxide (In (OH) 3 ) is uniformly contained in tin hydroxide (Sn (OH) 4 ). A precipitate in the state present in is obtained. Thereafter, the precipitate is sucked and filtered to dry, the dried precipitate and phosphoric acid are mixed, and heat treatment is performed at about 200 ° C. for about 2 hours in a reducing atmosphere to obtain a metal phosphate. . Finally, wash with deionized water. According to the coprecipitation method, a metal phosphate in which a doped metal is uniformly doped into a main metal phosphate is prepared by simultaneously precipitating a plurality of types of hardly soluble salts from a solution containing a plurality of desired metal ions. be able to.

また、上記固体酸としては、上記一般式(1)で表される金属リン酸塩とリン酸類で構成された電解質であってもよい。   The solid acid may be an electrolyte composed of a metal phosphate represented by the general formula (1) and phosphoric acids.

上記一般式(1)で表される金属リン酸塩とリン酸類で構成された電解質は、金属リン酸塩の金属元素及びドープされる金属元素の原子数をそれぞれ[m]及び[n]、金属リン酸塩のリンの原子数とリン酸のリンの原子数の合計を[p]とした場合、下記数式(1)を満たすことが好ましい。   In the electrolyte composed of the metal phosphate represented by the general formula (1) and phosphoric acids, the number of atoms of the metal element of the metal phosphate and the metal element to be doped is [m] and [n], respectively. When the sum of the number of phosphorus atoms in the metal phosphate and the number of phosphorus atoms in phosphoric acid is [p], it is preferable to satisfy the following formula (1).

[数1]
2<[p]/([m]+[n])≦4 (1)
[Equation 1]
2 <[p] / ([m] + [n]) ≦ 4 (1)

より好ましくは、下記数式(2)を満たす。   More preferably, the following mathematical formula (2) is satisfied.

[数2]
2.4≦[p]/([m]+[n])≦3.2 (2)
[Equation 2]
2.4 ≦ [p] / ([m] + [n]) ≦ 3.2 (2)

上記数式(1)を満たすことにより、高いプロトン伝導性が得られるとともに、成形性が良好なものとなる。上記数式[p]/([m]+[n])の値が2以下であると、金属リン酸塩上のリン酸の量が少なくなり、プロトン伝導性が向上しにくい恐れがある。一方、上記数式[p]/([m]+[n])の値が4を超えると、リン酸の量が多すぎて大気中の水分の吸湿が高く成形体が脆くなるので形状が維持できない恐れがある。   By satisfy | filling the said Numerical formula (1), while high proton conductivity is obtained, a moldability will become favorable. When the value of the mathematical formula [p] / ([m] + [n]) is 2 or less, the amount of phosphoric acid on the metal phosphate is decreased, and proton conductivity may not be improved. On the other hand, when the value of the above formula [p] / ([m] + [n]) exceeds 4, the amount of phosphoric acid is too large, moisture absorption in the atmosphere is high, and the molded body becomes brittle, so that the shape is maintained. There is a fear that it cannot be done.

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。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。上記ヘテロポリ酸としては、タングステンリン酸(H3PW1240:WPA)等が挙げられる。上記ヘテロポリ酸と無機塩の複合体としては、プロトン伝導性の観点から、硫酸水素塩とヘテロポリ酸の複合体が好ましく、より好ましいのはメカノケミカル法によって得られる硫酸水素カリウムとタングステンリン酸の複合体である。 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. 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. Examples of the heteropolyacid include tungsten phosphoric acid (H 3 PW 12 O 40 : WPA). From the viewpoint of proton conductivity, the complex of heteropolyacid and inorganic salt is preferably a complex of hydrogensulfate and heteropolyacid, more preferably a complex of potassium hydrogensulfate and tungsten phosphate obtained by a mechanochemical method. Is the body.

ヘテロポリ酸と無機塩の複合体の一種であるタングステンリン酸と硫酸水素カリウム(KHSO4)の複合体は、例えば以下のようなメカノケミカル法で作製することができる。WPA(H3PW1240:12タングスト(VI)リン酸n水和物)をあらかじめ温度60℃で5〜24時間乾燥することにより、六水和物(WPA・6H2O)にする。次いで、得られたWPA・6H2Oと硫酸水素カリウム(KHSO4)とボールをめのうポットに入れる。その後、遊星ボールミル(フリッチェ・ジャパン株式会社製、P−7)で720rpm、10分混合することにより、タングステンリン酸と硫酸水素カリウム(KHSO4)の複合体が得られる。タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの配合量は、モル比で、例えば、1:99〜40:60であることが好ましい。 A complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ), which is a kind of a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt, can be produced by, for example, the following mechanochemical method. WPA (H 3 PW 12 O 40 : 12 Tungsto (VI) phosphoric acid n hydrate) is preliminarily dried at a temperature of 60 ° C. for 5 to 24 hours to form hexahydrate (WPA · 6H 2 O). Next, the obtained WPA · 6H 2 O, potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) and the ball are put in an agate pot. Then, the complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) is obtained by mixing at 720 rpm for 10 minutes with a planetary ball mill (manufactured by Frichce Japan KK, P-7). It is preferable that the compounding quantity of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogensulfate is 1: 99-40: 60 by molar ratio, for example.

なお、上記メカノケミカル法では、ボールミル等を用いたミリングによって得られる衝撃や摩擦等の大きな機械的エネルギーを利用することによって、タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を合成している。したがって、上記メカノケミカル法でタングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を作製する場合には、金属リン酸塩の作製時等のように高温プロセスを必要としないため、作製が比較的容易であるという利点がある。   In the mechanochemical method, a composite of tungsten phosphate and potassium hydrogen sulfate is synthesized by utilizing a large mechanical energy such as impact and friction obtained by milling using a ball mill or the like. Therefore, when a complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate is produced by the above mechanochemical method, it is relatively easy to produce because a high-temperature process is not required as in the production of metal phosphate. There is an advantage.

上記ミリング処理により、WPAのケギンアニオンPW1240 3-とKHSO4のHSO4 -アニオンがブレンステッド酸−塩基対の形で水素結合を形成することが導電率の向上に関係していると考えられる。硫酸水素塩とヘテロポリ酸をメカノケミカル法により複合化し、無機固体表面に欠陥構造やランダム構造を高密度に導入し、水素結合ネットワークを設計することが、広い温度範囲で高いプロトン伝導性を有する複合体を合成するための一つの重要な指針となる。 It is thought that the above-mentioned milling treatment is related to the improvement of conductivity by the formation of hydrogen bonds in the form of Bronsted acid-base pairs between the KPA Keggin anion PW 12 O 40 3− and the HSO 4 anion of KHSO 4. It is done. Combining hydrogen sulfate and heteropoly acid by mechanochemical method, introducing defect structures and random structures at high density on the surface of inorganic solids, and designing a hydrogen bond network is a composite with high proton conductivity in a wide temperature range It is an important guide for synthesizing the body.

また、上記固体酸としては、セシウムリン酸、リン酸ケイ素(SiP27)又はセシウムリン酸とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を用いても良い。上記セシウムリン酸としては、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)等を挙げることができる。なお、セシウムリン酸、リン酸ケイ素及びそれらの複合体は、例えば、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, The Electrochemical Society 153 (2) A339−A342頁(2006)”、或いは、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719−3723頁”等を参照して製造することができる。 Further, as the solid acid, cesium phosphoric acid, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ), or a complex of cesium phosphoric acid and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) may be used. Examples of the cesium phosphoric acid include cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), and the like. In addition, cesium phosphate, silicon phosphate, and a composite thereof are, for example, “Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and Koichi Eguchi, The2 A3, A3, A3” “Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719-3723” and the like.

リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体又は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、例えば、以下のようにして作製する。 Complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) For example, the composite is prepared as follows.

まず、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を、以下のようにして作製する。炭酸セシウム(Cs2CO3)及び水を混合し、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌する。次いで、液体リン酸を少量ずつ滴下し、100〜150℃の温度で、1〜3時間、撹拌しながら水を蒸発させる。その後、オーブンに入れて、例えば、100〜150℃の温度で乾燥する。乾燥する時間は、例えば、1日〜数日である。次いで、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して粉末状にし、所望のリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を得ることができる。 First, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) is prepared as follows. Cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and water are mixed and stirred with a stir bar using a stirrer or the like. Subsequently, liquid phosphoric acid is dripped little by little, and water is evaporated, stirring at the temperature of 100-150 degreeC for 1-3 hours. Then, it puts into oven and is dried at the temperature of 100-150 degreeC, for example. The drying time is, for example, 1 day to several days. Next, the obtained product is pulverized in an agate bowl into a powder form to obtain the desired cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ). Can do.

次に、リン酸ケイ素(SiP27)は、以下のようにして作製する。二酸化ケイ素(SiO2)と液体リン酸を混合した混合物をめのうばちに入れ、水あめ状になるまで混ぜた後、アルミナ坩堝に入れて、100〜700℃の温度で焼成する。焼成する時間は、例えば、30〜80時間である。次いで、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。 Next, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is produced as follows. A mixture of silicon dioxide (SiO 2 ) and liquid phosphoric acid is placed in an agate noodle and mixed until it becomes a starch candy, then placed in an alumina crucible and baked at a temperature of 100 to 700 ° C. The firing time is, for example, 30 to 80 hours. Then, the obtained product can be pulverized in an agate bowl to obtain the desired silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

次に、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は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やボールミル等で分散させて、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を得る。分散時間は、例えば、1〜30時間である。リン酸二水素セシウム又は二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の配合量は、モル比で1:4〜2:1であることが好ましい。 Next, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) are blended in a predetermined number of moles. The obtained mixture is dispersed by a pod mill, a ball mill or the like, and a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) A composite of 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is obtained. The dispersion time is, for example, 1 to 30 hours. The blending amount of cesium dihydrogen phosphate or cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate is preferably 1: 4 to 2: 1 in molar ratio.

また、上記固体酸としては、カリウムリン酸、リン酸ケイ素(SiP27)又はカリウムリン酸とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を用いても良い。上記カリウムリン酸としては、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)、二リン酸五水素カリウム(KH5(PO42)等を挙げることができる。リン酸二水素カリウム(KH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体又は二リン酸五水素カリウム(KH5(PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体は、炭酸セシウム(Cs2CO3)の替わりに炭酸カリウム(K2CO3)を用いる以外は、それぞれ上述したリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体の製造方法と同様の方法で製造することができる。 In addition, as the solid acid, potassium phosphate, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ), or a complex of potassium phosphate and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) may be used. Examples of the potassium phosphoric acid include potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and potassium pentahydrogen diphosphate (KH 5 (PO 4 ) 2 ). Complex of potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or complex of potassium dihydrogen phosphate (KH 5 (PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) The bodies are cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ), respectively, except that potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is used instead of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ). ) Or a complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

有機固体酸は溶媒に溶けることからバインダー成分との馴染みが良く、電解質組成物作製時に分散性が良好になるため、電解質膜の膜質が良好になるという効果が得られやすい。一方、無機固体酸は耐熱性及び耐久性に優れるため、電解質を膜化した後の機械的強度が良好になるという効果が得られやすい。   Since the organic solid acid dissolves in the solvent, the compatibility with the binder component is good, and the dispersibility becomes good at the time of preparing the electrolyte composition, so that the effect of improving the quality of the electrolyte membrane is easily obtained. On the other hand, since an inorganic solid acid is excellent in heat resistance and durability, it is easy to obtain an effect that the mechanical strength after forming an electrolyte into a film becomes good.

上記固体酸は、特に限定されないが、電解質膜中において、粒径が0.1〜200μm、好ましくは0.1〜150μmである。なお、電解質膜を形成する前の原料としての固体酸も、粒径が0.1〜200μm、好ましくは0.1〜150μmである。固体酸の粒径が0.1〜200μmであることにより、電解質組成物作製時の分散性が向上し、良好な膜質の電解質膜が得られやすい。本発明において、固体酸の粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)等を用いて測定することができる。   Although the said solid acid is not specifically limited, A particle size is 0.1-200 micrometers in an electrolyte membrane, Preferably it is 0.1-150 micrometers. The solid acid as a raw material before forming the electrolyte membrane also has a particle size of 0.1 to 200 μm, preferably 0.1 to 150 μm. When the particle size of the solid acid is 0.1 to 200 μm, the dispersibility at the time of preparing the electrolyte composition is improved, and an electrolyte membrane having a good film quality is easily obtained. In the present invention, the particle size of the solid acid can be measured using a scanning electron microscope (SEM) or the like.

<液状電解質>
液状電解質としては、室温から200℃までの温度範囲、かつ無加湿雰囲気下であってもイオン伝導性を有する液状電解質を用いることができる。本発明において、無加湿雰囲気下とは、液状電解質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。
<Liquid electrolyte>
As the liquid electrolyte, a liquid electrolyte having ion conductivity can be used even in a temperature range from room temperature to 200 ° C. and in a non-humidified atmosphere. In the present invention, the non-humidified atmosphere means that intentional humidification is not performed in the atmosphere where the liquid electrolyte is placed.

第2の層2に含まれる液状電解質は一種類であってもよく二種類以上を組合せたものであってもよい。   The liquid electrolyte contained in the second layer 2 may be one type or a combination of two or more types.

液状電解質としては、例えば強酸、イオン液体等を用いることができる。   As the liquid electrolyte, for example, a strong acid, an ionic liquid, or the like can be used.

強酸としては、例えばリン酸類、硫酸等の無機酸が挙げられる。リン酸類(以下、単に「リン酸」とも記す。)とは、オルトリン酸及びリン酸縮合体をいい、リン酸縮合体としては、ピロリン酸、トリリン酸、メタリン酸(ポリリン酸)等が挙げられる。なお、強酸としてリン酸を使用する場合には、イオン伝導度、濃度、取り扱い性等の観点から、濃度が約85〜122重量%のリン酸(H3PO4)水溶液を用いることが好ましい。 Examples of strong acids include inorganic acids such as phosphoric acids and sulfuric acid. Phosphoric acids (hereinafter also simply referred to as “phosphoric acid”) refer to orthophosphoric acid and phosphoric acid condensates, and examples of phosphoric acid condensates include pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, metaphosphoric acid (polyphosphoric acid), and the like. . When using the phosphoric acid as a strong acid, ion conductivity, density, from the viewpoint of handling property, a concentration of about 85 to 122 weight% of phosphoric acid (H 3 PO 4) is preferably used an aqueous solution.

本発明において、イオン液体とは、常温溶融塩とも言われ、イオンのみからなる溶融体のうち、常温(20±15℃)において液体状態となるものを意味する。イオン液体は、カチオン成分とアニオン成分とで構成される。   In the present invention, the ionic liquid is also referred to as a room temperature molten salt, and means a liquid that is in a liquid state at room temperature (20 ± 15 ° C.) among melts composed only of ions. The ionic liquid is composed of a cation component and an anion component.

イオン液体のカチオン成分としては、特に限定されないが、例えば、イミダゾリウム誘導体、ピリジニウム誘導体、ピロリジニウム誘導体、アンモニウム誘導体、含窒素複素環を持つもの、グアニジニウム誘導体、イソウロニウム誘導体等が挙げられる。中でも、耐熱性、導電性等の観点から、イミダゾリウム誘導体及びアンモニウム誘導体からなる群から選ばれる一種以上であることが好ましく、イミダゾリウムカチオン、2−エチルイミダゾリウムカチオン、1−メチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン及びジエチルメチルアンモニウムカチオンからなる群から選ばれる一種以上であることがより好ましい。   The cation component of the ionic liquid is not particularly limited, and examples thereof include imidazolium derivatives, pyridinium derivatives, pyrrolidinium derivatives, ammonium derivatives, those having a nitrogen-containing heterocyclic ring, guanidinium derivatives, and isouronium derivatives. Among them, from the viewpoint of heat resistance, conductivity, etc., it is preferably at least one selected from the group consisting of imidazolium derivatives and ammonium derivatives, such as imidazolium cation, 2-ethylimidazolium cation, 1-methyl-3-methyl. More preferably, it is at least one selected from the group consisting of an imidazolium cation, a 1-ethyl-3-methylimidazolium cation and a diethylmethylammonium cation.

イオン液体のアニオン成分としては、特に限定されないが、例えば、スルフェート類、スルホン酸類、アミド類、イミド類、メタン類、ハロゲン類、ホウ素含有アニオン類、リン酸塩類、アンチモン類、ヒドロフッ化物アニオン、フッ素系アニオン、チオシアネート等が挙げられる。中でも、耐熱性、導電性等の観点から、スルフェート類、イミド類及びチオシアネート類からなる群から選ばれる一種以上であることが好ましく、[CF3SO3-、[(FSO22N]-及び[SCN]-からなる群から選ばれる一種以上であることがより好ましい。イオン伝導性に優れるという観点から、アニオン成分が[CF3SO3-、[(FSO22N]-、[SCN]-、[HSO4-及びビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(bis(trifluoromethanesulfonyl)amide、以下においてHTFSIとも記す。)からなる群から選ばれる一種以上であることが好ましく、[CF3SO3-、[HSO4]-及びHTFSIからなる群から選ばれる一種以上であることがより好ましい。 The anion component of the ionic liquid is not particularly limited. For example, sulfates, sulfonic acids, amides, imides, methanes, halogens, boron-containing anions, phosphates, antimony, hydrofluoride anion, fluorine System anions, thiocyanates and the like. Among these, from the viewpoint of heat resistance, conductivity, etc., it is preferably at least one selected from the group consisting of sulfates, imides and thiocyanates, [CF 3 SO 3 ] , [(FSO 2 ) 2 N] - and [SCN] - it is more preferably one or more selected from the group consisting of. From the viewpoint of excellent ion conductivity, the anion components are [CF 3 SO 3 ] , [(FSO 2 ) 2 N] , [SCN] , [HSO 4 ] and bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (bis). (Trifluoromethanesulfonyl) amide, also referred to as HTFSI in the following) is preferably one or more selected from the group consisting of [CF 3 SO 3 ] , [HSO 4 ] and HTFSI. More preferably.

また、本発明において、イオン液体は、プロティックなイオンを含むことが好ましい。本発明において、「プロティックなイオン」とは、プロトン受容性及び/又はプロトン供与性を有するイオンを意味する。   In the present invention, the ionic liquid preferably contains protic ions. In the present invention, “protic ion” means an ion having proton accepting property and / or proton donating property.

プロティックなイオンとしては、特に限定されないが、例えばプロトン硫酸一水素イオン(HSO4 -)、リン酸一水素イオン(HPO4 2-)、リン酸二水素イオン(H2PO4 -)、セレン酸一水素イオン(HSeO4 -)、ピロリン酸一水素イオン(HP27 3-)、ピロリン酸二水素イオン(H227 2-)、ピロリン酸三水素イオン(H327 -)、ホスホン酸一水素イオン(H2PO3 -)等が挙げられる。 The protic ion is not particularly limited, and examples thereof include proton monohydrogen sulfate ion (HSO 4 ), monohydrogen phosphate ion (HPO 4 2− ), dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 ), and selenium. Acid monohydrogen ion (HSeO 4 ), pyrohydrogen monohydrogen ion (HP 2 O 7 3− ), dihydrogen pyrophosphate ion (H 2 P 2 O 7 2− ), trihydrogen pyrophosphate ion (H 3 P 2) O 7 ), phosphonate monohydrogen ion (H 2 PO 3 ) and the like.

イオン液体は、上述のカチオン成分を一種含んでもよく、二種以上含んでもよい。また、イオン液体は、上述のアニオン成分を一種含んでもよく、二種以上含んでもよい。   The ionic liquid may contain one or more of the above-described cation components. Further, the ionic liquid may contain one or more of the above-mentioned anion components.

イオン液体は、公知の方法(例えば、J. AM. CHEM. SOC. 2010,132,9764−9773頁等参照)によって得ることができる。本発明では、公知の方法にて製造したイオン液体を使用してもよいし、市販品を使用してもよい。市販品としては、例えば、三菱マテリアル株式会社製の1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(1−Ethyl−3−methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide)、メルク株式会社製の1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリフラート(1−Ethyl−3−methylimidazolium triflate)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム 硫酸水素塩(1−Ethyl−3−methylimidazolium hydrogensulfate)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム チオシアネート(1−Ethyl−3−methylimidazolium thiocyanate)等を用いることができる。或いは、市販品のカチオン成分とアニオン成分を混合して得られるイオン液体、例えば、東京化成工業社製のイミダゾル(Imidazole)と、和光純薬工業社製のHTFSIを混合して得られるイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、東京化成工業社製の2−エチルイミダゾル(2−ethylimidazole)と、和光純薬工業社製のHTFSIを混合して得られるイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド等を用いてもよい。   The ionic liquid can be obtained by a known method (for example, see J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, pages 964-9773, etc.). In the present invention, an ionic liquid produced by a known method may be used, or a commercially available product may be used. Examples of commercially available products include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide) manufactured by Mitsubishi Materials Corporation, and 1- 1 manufactured by Merck & Co., Inc. 1-Ethyl-3-methylimidazolium triflate, 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate, 1-ethyl-3-methyl imidazole, 1-ethyl-3-methylimidazolium triflate (1-Ethyl-3-methylimidazolium triflate), 1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate (1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate) Lithium thiocyanate (1-Ethyl-3-methylimidazolium thiocynate) or the like can be used. . Alternatively, an ionic liquid obtained by mixing a commercially available cation component and an anion component, for example, imidazolium bis obtained by mixing imidazole manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. and HTFSI manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Trifluoromethanesulfonyl) amide, 2-ethylimidazole manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., and imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide obtained by mixing HTFSI manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. It may be used.

<バインダー>
バインダーは、結着性を有するものであればよく、特に限定されないが、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、エポキシ系樹脂及びアクリル系樹脂等を用いることができる。中でも、pH1〜3の範囲における耐酸性、50〜300℃の温度範囲における耐熱性を有するものが好ましい。また、イオン伝導性を有していてもよい。
<Binder>
The binder is not particularly limited as long as it has binding properties. For example, a fluorine polymer, a hydrocarbon polymer, a fluorine ionomer, a hydrocarbon ionomer, an epoxy resin, an acrylic resin, or the like is used. Can do. Especially, what has the acid resistance in the range of pH 1-3 and the heat resistance in the temperature range of 50-300 degreeC is preferable. Moreover, you may have ion conductivity.

上記フッ素系ポリマーとしては、特に限定されないが、例えばテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、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)等のフッ素樹脂を用いることができる。   Although it does not specifically limit as said fluorine-type polymer, For example, tetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride, a fluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), a tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer A fluororesin such as (PFA) 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を用いることができる。   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 Benzooxazole, polyoxadiazol, polyxylone, polyquinoxaline, polythiadiazol, polytetrazavilen, polyoxazole, polythiazole, polyvinyl pyridine, polyvinyl imidazole, and the like can be used.

上記フッ素系イオノマーとしては、特に限定されないが、例えばデュポン社の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、アクイヴィオン(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を用いることができる。   The fluorine ionomer is not particularly limited. For example, a perfluorosulfonic acid type such as Nafion (registered trademark) of DuPont, Flemion (registered trademark) of Asahi Glass Co., and Aciplex (registered trademark) of Asahi Kasei Co., Ltd., Aquivion A sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer such as (registered trademark) can be used.

上記炭化水素系イオノマーとしては、特に限定されないが、例えば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を用いることができる。   The hydrocarbon ionomer is not particularly limited. For example, polyarylene ether sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, syndiotactic polystyrene sulfonic acid, polyphenylene ether sulfonic acid, modified polyphenylene ether sulfonic acid, polyether sulfonic acid, polyether ether. Ketone sulfonic acid and polyphenylene sulfide sulfonic acid can be used.

上記エポキシ系樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂等を用いることができる。また、上記の樹脂とシリカとのハイブリッド樹脂等を用いることもできる。   As the epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin, novolac type phenol resin, or the like can be used. Also, a hybrid resin of the above resin and silica can be used.

上記アクリル系樹脂としては、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン等を用いることができる。また、上記の樹脂とシリカとのハイブリッド樹脂等を用いることもできる。   As the acrylic resin, polymethyl methacrylate, polystyrene, or the like can be used. Also, a hybrid resin of the above resin and silica can be used.

また、バインダーは、セルロース系ポリマーであってもよい。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。   The binder may be a cellulosic polymer. Examples of the cellulose polymer include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and cellulose acetate.

上述したバインダーの中でも、耐久性及び結着性の点より、PTFE、ポリフッ化ビニリデン、パーフルオロスルホン酸、酢酸セルロース、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、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸が好適に用いられる。なお、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸は、特に限定されないが、例えばM.L.Di Vona et al、Polymer 46(2005)1754−1758頁に記載されている方法により合成したものを用いることができる。   Among the above-mentioned binders, PTFE, polyvinylidene fluoride, perfluorosulfonic acid, cellulose acetate, sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer, polyether ether ketone sulfone from the viewpoint of durability and binding properties. An acid is preferably used. The polyether ether ketone sulfonic acid is not particularly limited. L. Those synthesized by the method described in Di Vona et al, Polymer 46 (2005), pages 1754-1758 can be used.

上述したバインダーは、一種類のみを用いてもよいし、二種類以上を適宜組合せて用いてもよい。   Only one type of binder described above may be used, or two or more types may be used in appropriate combination.

以下、電解質膜の製造方法について説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the electrolyte membrane will be described.

(電解質膜の製造方法)
本発明の電解質膜10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できる。電解質膜10は、固体酸を含む電解質組成物を用いて第1の層1を形成し、液状電解質を含む電解質組成物を用いて第2の層2を形成し、第1の層1が電解質膜10の片側又は両側の最外層に配置されるように第1の層1と第2の層2を積層することで得られる。
(Method for manufacturing electrolyte membrane)
The electrolyte membrane 10 of the present invention is not particularly limited, but can be manufactured as follows, for example. The electrolyte membrane 10 forms the 1st layer 1 using the electrolyte composition containing a solid acid, forms the 2nd layer 2 using the electrolyte composition containing a liquid electrolyte, and the 1st layer 1 is electrolyte. It is obtained by laminating the first layer 1 and the second layer 2 so as to be disposed on the outermost layer on one side or both sides of the film 10.

<第1の層形成用電解質組成物>
第1の層1は第1の層形成用電解質組成物を用いて形成することができる。第1の層形成用電解質組成物は固体酸を含む。固体酸は、上述のものを用いればよい。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
The first layer 1 can be formed using the first layer-forming electrolyte composition. The first layer-forming electrolyte composition contains a solid acid. What is necessary is just to use the above-mentioned solid acid.

第1の層1がバインダーを含まない場合は、固体酸をそのまま第1の層形成用電解質組成物として用いることができ、或いは固体酸を溶媒に分散して第1の層形成用電解質組成物として用いてもよい。第1の層1がバインダーを含む場合、第1の層形成用電解質組成物は、固体酸とバインダーを混合することにより作製することができる。或いは、第1の層形成用電解質組成物は、固体酸をバインダーの溶液若しくはバインダーのディスパージョンに添加した後、さらに溶媒を加えて作製してもよい。溶媒は、バインダーを凝集させないものを用いることができる。具体的には、水、エタノール、メタノール、1−ブタノ−ル、t−ブタノ−ル、プロパノール、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等を用いることができる。   When the first layer 1 does not contain a binder, the solid acid can be used as it is as the first layer-forming electrolyte composition, or the first layer-forming electrolyte composition can be obtained by dispersing the solid acid in a solvent. It may be used as When the 1st layer 1 contains a binder, the electrolyte composition for 1st layer formation can be produced by mixing a solid acid and a binder. Alternatively, the first layer-forming electrolyte composition may be prepared by adding a solid acid to a binder solution or binder dispersion and then adding a solvent. As the solvent, a solvent that does not aggregate the binder can be used. Specifically, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide and the like can be used.

第1の層形成用電解質組成物は、分散機で混合・分散することが好ましい。分散機としては、例えば超音波分散機、ホモゲナイザー、遊星ボールミル、ボールミル分散、スターラー分散等を用いることができる。   The first layer-forming electrolyte composition is preferably mixed and dispersed by a disperser. As the disperser, for example, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a planetary ball mill, a ball mill dispersion, a stirrer dispersion, or the like can be used.

第1の層形成用電解質組成物において、固体酸の含有量は20〜100重量%であることが好ましく、50〜100重量%であることがさらに好ましい。第1の層形成用電解質組成物における固体酸の割合が20重量%より少ないとイオン伝導性が乏しい恐れがある。また、優れたイオン伝導性を保持しつつ成形性を良好にするという観点から、第1の層形成用電解質組成物において、バインダーの含有量は60重量%以下であることが好ましく、50重量%以下であることがさらに好ましい。本発明において、第1の層形成用電解質組成物における各組成の含有量は、第1の層形成用電解質組成物の固形分に対する各組成の重量の割合をいう。なお、本発明において、バインダーの重量は、バインダーの固形分の重量をいう。   In the first layer-forming electrolyte composition, the solid acid content is preferably 20 to 100% by weight, and more preferably 50 to 100% by weight. If the ratio of the solid acid in the first layer-forming electrolyte composition is less than 20% by weight, the ion conductivity may be poor. Further, from the viewpoint of improving moldability while maintaining excellent ion conductivity, the binder content in the first layer-forming electrolyte composition is preferably 60% by weight or less, and 50% by weight. More preferably, it is as follows. In the present invention, the content of each composition in the first layer forming electrolyte composition refers to the ratio of the weight of each composition to the solid content of the first layer forming electrolyte composition. In the present invention, the weight of the binder refers to the weight of the solid content of the binder.

<第2の層形成用電解質組成物>
第2の層2は第2の層形成用電解質組成物を用いて形成することができる。第2の層形成用電解質組成物は液状電解質を含む。第2の層2がバインダーと固体酸のいずれも含まない場合は、液状電解質をそのまま第2の層形成用電解質組成物として用いることができる。第2の層2がバインダー及び/又は固体酸を含む場合は、液状電解質と固体酸及び/又はバインダーを混合することにより作製した第2の層形成用電解質組成物を用いて第2の層を形成することができる。液状電解質、バインダー、固体酸としては、上述のものを用いることができる。なお、第2の層形成用電解質組成物は、第1の層形成用電解質組成物と同様の手法で作製することができる。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
The second layer 2 can be formed using the second layer forming electrolyte composition. The second layer forming electrolyte composition contains a liquid electrolyte. When the second layer 2 contains neither a binder nor a solid acid, the liquid electrolyte can be used as it is as the second layer forming electrolyte composition. When the second layer 2 contains a binder and / or a solid acid, the second layer is formed using the second layer-forming electrolyte composition prepared by mixing the liquid electrolyte and the solid acid and / or the binder. Can be formed. As the liquid electrolyte, binder, and solid acid, those described above can be used. The second layer forming electrolyte composition can be produced by the same method as the first layer forming electrolyte composition.

電解質膜の機械的強度及びイオン伝導性を高めるという観点から、第2の層形成用電解質組成物における液状電解質の含有量は10〜90重量%であることが好ましく、20〜80重量%であることがさらに好ましい。また、電解質膜の機械的強度及びイオン伝導性を高めるという観点から、第2の層形成用電解質組成物における固体酸の含有量は、10〜90重量%であることが好ましく、15〜85重量%であることがさらに好ましい。また、優れたイオン伝導性を保持しつつ成形性を高めるという観点から、第2の層形成用電解質組成物におけるバインダーの含有量は60重量%以下であることが好ましく、50重量%以下であることがさらに好ましい。本発明において、第2の層形成用電解質組成物における各組成の含有量は、第2の層形成用電解質組成物の固形分と液状電解質のトータル重量に対する各組成の重量の割合をいう。   From the viewpoint of increasing the mechanical strength and ionic conductivity of the electrolyte membrane, the content of the liquid electrolyte in the second layer forming electrolyte composition is preferably 10 to 90% by weight, and preferably 20 to 80% by weight. More preferably. Further, from the viewpoint of increasing the mechanical strength and ionic conductivity of the electrolyte membrane, the content of the solid acid in the second layer forming electrolyte composition is preferably 10 to 90% by weight, and 15 to 85% by weight. % Is more preferable. From the viewpoint of improving moldability while maintaining excellent ion conductivity, the binder content in the second layer-forming electrolyte composition is preferably 60% by weight or less, and preferably 50% by weight or less. More preferably. In the present invention, the content of each composition in the second layer forming electrolyte composition refers to the ratio of the weight of each composition to the solid content of the second layer forming electrolyte composition and the total weight of the liquid electrolyte.

<電解質膜の作製>
電解質膜の作製は、特に限定されないが、例えば以下のように行うことができる。
<Preparation of electrolyte membrane>
The production of the electrolyte membrane is not particularly limited, but can be performed as follows, for example.

(1)まず、第1の層形成用電解質組成物を基材に塗布し、乾燥して第1の層を形成する。次に、基材上に形成した第1の層の主面上に第2の層形成用電解質組成物を塗布し、乾燥して第2の層を形成し、第1の層と第2の層を積層する。或いは、必要に応じて、上記のように第1の層と第2の層を積層した後、さらに第2の層の主面上に第1の層形成用電解質組成物を塗布し、乾燥して第2の層の両方の主面上に第1の層を形成する。
(2)まず、第2の層形成用電解質組成物を基材に塗布し、乾燥して第2の層を形成する。次に、基材上に形成した第2の層の主面上に第1の層形成用電解質組成物を塗布し、乾燥して第1の層を形成し、第1の層と第2の層を積層する。或いは、必要に応じて、基材上に形成した第2の層から基材を剥離した後、第2の層の両方の主面上に第1の層形成用電解質組成物を塗布し、乾燥して第2の層の両方の主面上に第1の層を形成する。
(3)まず、第1の層形成用電解質組成物及び第2の層形成用電解質組成物を各々基材に塗布し、乾燥して第1の層及び第2の層を形成する。次に、基材上に形成した第1の層と基材上に形成した第2の層を、第1の層が電解質膜の片側又は両側の最外層に配置されるように積層する。
(4)第1の層形成用電解質組成物を一軸プレスしてペレットを作製し、第1の層を形成し、第2の層形成用電解質組成物を基材に塗布し、乾燥して第2の層を形成した後、第1の層が電解質膜の片側又は両側の最外層に配置されるように第1の層と第2の層を積層する。
(5)まず、第2の層形成用電解質組成物を基材に塗布し、乾燥して第2の層を形成する。次に、第2の層の主面上に第1の層形成用電解質組成物を配置し固体酸を溶融させた後冷却固化することで第1の層を形成するとともに、第1の層が電解質膜の片側又は両側の最外層に配置されるように第1の層と第2の層を積層する。
なお、上記のいずれの場合でも、基材は第1の層と第2の層を積層する前後において適宜剥離すればよい。
(1) First, the first layer-forming electrolyte composition is applied to a substrate and dried to form the first layer. Next, the second layer-forming electrolyte composition is applied on the main surface of the first layer formed on the substrate, and dried to form the second layer. The first layer and the second layer Laminate the layers. Alternatively, if necessary, after laminating the first layer and the second layer as described above, the first layer-forming electrolyte composition is further applied onto the main surface of the second layer and dried. The first layer is formed on both main surfaces of the second layer.
(2) First, the second layer-forming electrolyte composition is applied to a substrate and dried to form a second layer. Next, the first layer-forming electrolyte composition is applied onto the main surface of the second layer formed on the substrate, and dried to form the first layer. The first layer and the second layer Laminate the layers. Or after peeling a base material from the 2nd layer formed on the base material as needed, the electrolyte composition for 1st layer formation is apply | coated on both main surfaces of a 2nd layer, and it dries. Thus, the first layer is formed on both main surfaces of the second layer.
(3) First, the first layer-forming electrolyte composition and the second layer-forming electrolyte composition are each applied to a substrate and dried to form a first layer and a second layer. Next, the first layer formed on the substrate and the second layer formed on the substrate are laminated so that the first layer is disposed on the outermost layer on one side or both sides of the electrolyte membrane.
(4) The first layer-forming electrolyte composition is uniaxially pressed to produce pellets, the first layer is formed, the second layer-forming electrolyte composition is applied to a substrate, dried, and then dried. After forming the two layers, the first layer and the second layer are laminated so that the first layer is disposed on the outermost layer on one side or both sides of the electrolyte membrane.
(5) First, the second layer forming electrolyte composition is applied to a substrate and dried to form a second layer. Next, the first layer-forming electrolyte composition is disposed on the main surface of the second layer, the solid acid is melted and then cooled and solidified to form the first layer. The first layer and the second layer are laminated so as to be disposed on the outermost layer on one side or both sides of the electrolyte membrane.
In any of the above cases, the substrate may be peeled off appropriately before and after the first layer and the second layer are laminated.

電解質組成物の塗布方法としては、特に限定されないが、例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー塗工、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷、圧延法等の方法を適用することができる。   The method for applying the electrolyte composition is not particularly limited, and examples thereof include knife coaters, bar coaters, spray coating, dip coaters, spin coaters, roll coaters, die coaters, curtain coaters, screen printing, and rolling methods. Can be applied.

乾燥は、熱処理により行うことができる。熱処理温度(乾燥温度)は、好ましくは50〜300℃程度であり、より好ましくは90〜200℃である。熱処理温度が、50℃程度より低いと電解質組成物中に含まれる溶媒が除去できない恐れがあり、300℃程度を超えるとバインダーや液状電解質が熱分解する恐れがある。また、熱処理時間(乾燥時間)は、好ましくは10分〜5時間程度であり、より好ましくは10分〜3時間程度である。   Drying can be performed by heat treatment. The heat treatment temperature (drying temperature) is preferably about 50 to 300 ° C, more preferably 90 to 200 ° C. If the heat treatment temperature is lower than about 50 ° C., the solvent contained in the electrolyte composition may not be removed, and if it exceeds about 300 ° C., the binder or the liquid electrolyte may be thermally decomposed. The heat treatment time (drying time) is preferably about 10 minutes to 5 hours, more preferably about 10 minutes to 3 hours.

基材としては、例えば、高分子フィルム、塗工紙、非塗工紙等を用いることができる。高分子フィルムとしては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート(PET)等で構成される高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂で構成される高分子フィルムを用いてもよい。塗工紙としては、例えば、アート紙、コート紙、軽量コート紙等を用いることができ、非塗工紙としては、例えば、ノート用紙、コピー用紙等を用いることができる。中でも、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、PETフィルムがより好ましい。   As the substrate, for example, a polymer film, coated paper, non-coated paper or the like can be used. Examples of the polymer film include polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate (PET). A polymer film composed of, for example, can be used. Further, heat resistance of ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. A polymer film made of a conductive fluororesin may be used. As the coated paper, for example, art paper, coated paper, lightweight coated paper or the like can be used, and as the non-coated paper, for example, notebook paper, copy paper or the like can be used. Among these, a polymer film that is inexpensive and easily available is preferable, and a PET film is more preferable.

また、基材としては、触媒層付電極や触媒転写フィルムを用いることもでき、この場合触媒層側に電解質組成物を塗布してもよい。   Moreover, as a base material, an electrode with a catalyst layer and a catalyst transfer film can also be used. In this case, the electrolyte composition may be applied to the catalyst layer side.

別々に形成した第1の層1と第2の層2の積層は、例えば、第1の層1の主面と第2の層2の主面が接するように重ねることで行うことができる。また、第1の層1の主面と第2の層2の主面が接するように重ねた後、熱プレス、加圧プレス等のプレスを行ってもよい。なお、プレスは特に限定されないが、温度−10〜300℃、圧力0.1〜30MPaの条件で行うことが好ましい。   Lamination | stacking of the 1st layer 1 and the 2nd layer 2 which were formed separately can be performed by overlapping so that the main surface of the 1st layer 1 and the main surface of the 2nd layer 2 may contact | connect, for example. Moreover, after superimposing so that the main surface of the 1st layer 1 and the main surface of the 2nd layer 2 may contact, you may perform press, such as a hot press and a pressure press. In addition, although a press is not specifically limited, It is preferable to carry out on conditions with a temperature of -10-300 degreeC and a pressure of 0.1-30 MPa.

第1の層形成用電解質組成物の一軸プレスは、特に限定されないが、例えば、0.1〜30MPaで行うことが好ましく、0.5〜5MPaで行うことがより好ましい。   Although the uniaxial press of the electrolyte composition for 1st layer formation is not specifically limited, For example, it is preferable to carry out at 0.1-30 Mpa, and it is more preferable to carry out at 0.5-5 Mpa.

また、第1の層形成用電解質組成物の溶融は、固体酸の融点以上の温度で行えばよく、特に限定されないが、例えば固体酸の融点より5℃以上高い温度で行うことが好ましく、10℃以上高い温度で行うことがより好ましい。また、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、冷却温度は、固体酸の融点未満の範囲内で、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。   The melting of the first layer-forming electrolyte composition may be performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the solid acid, and is not particularly limited. It is more preferable to carry out at a temperature higher by at least ° C. The treatment time is about 5 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours. Further, the cooling temperature may be appropriately determined within the range below the melting point of the solid acid. 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.

基材の剥離は、通常の方法で行えばよく、特に限定されないが、例えば、180度剥離などにより行うことができる。   The substrate may be peeled by a normal method, and is not particularly limited. For example, the substrate can be peeled by 180 degrees.

上記のように、固体酸を含む電解質組成物を用いて第1の層を形成し、液状電解質を含む電解質組成物を用いて第2の層を形成し、第1の層が電解質膜の片側又は両側の最外層に配置されるように第1の層と第2の層を積層することで、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された電解質膜が得られる。   As described above, the first layer is formed using the electrolyte composition containing the solid acid, the second layer is formed using the electrolyte composition containing the liquid electrolyte, and the first layer is on one side of the electrolyte membrane. Alternatively, by laminating the first layer and the second layer so as to be disposed on the outermost layers on both sides, the mechanical strength is excellent, and there is good ionic conductivity in a non-humidified state. An electrolyte membrane in which the liquid electrolyte is prevented from seeping out is obtained.

[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模式的断面図である。触媒層−電解質膜積層体20は、図2に示すように、電解質膜10と、一対の触媒層6、7とを備え、電解質膜10の両方の主面上に触媒層6、7がそれぞれ配置されている。なお、図2では、図1と同一の部分には同一の符合を付けており、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 20 includes an electrolyte membrane 10 and a pair of catalyst layers 6 and 7, and the catalyst layers 6 and 7 are respectively formed on both main surfaces of the electrolyte membrane 10. Has been placed. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. 2 and 1 have the same function.

触媒層6、7は、触媒を含有した層であればよく、特に限定されないが、反応場を増加させるという観点から、さらに実施形態1で示した液状電解質を含むことが好ましい。液状電解質は、液状電解質を含む触媒ペーストを用いて触媒層を作製することで触媒層に含ませることができる。或いは、液状電解質を含んでいない触媒層に液状電解質を塗布して含浸させることで、触媒層に液状電解質を含ませてもよい。なお、液状電解質は、触媒層の細孔を塞がない程度で含有されることが好ましい。   The catalyst layers 6 and 7 may be layers containing a catalyst, and are not particularly limited. However, from the viewpoint of increasing the reaction field, it is preferable that the catalyst layers 6 and 7 further include the liquid electrolyte shown in the first embodiment. The liquid electrolyte can be included in the catalyst layer by preparing the catalyst layer using a catalyst paste containing the liquid electrolyte. Or you may make a catalyst layer contain a liquid electrolyte by apply | coating and impregnating a liquid electrolyte to the catalyst layer which does not contain a liquid electrolyte. The liquid electrolyte is preferably contained in such an amount that does not block the pores of the catalyst layer.

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よく、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;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;モリブデンカーバイド等の無機物質等を挙げることができる。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, iron-cobalt-nickel-supported carbon, etc .; platinum black, platinum-ruthenium black, platinum-cobalt Examples thereof include metal fine particles such as black, gold black and silver black; 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、さらにバインダーを含有してもよい。触媒層6、7の形成には、触媒のみでも成形可能であるが、バインダーを添加してペースト化したものを塗工・成形することにより、機械的強度に優れた触媒層を得ることができる。バインダーとしては、例えば、実施形態1で示したバインダーを用いることができる。   The catalyst layers 6 and 7 may further contain a binder. The catalyst layers 6 and 7 can be formed by using only a catalyst, but a catalyst layer having excellent mechanical strength can be obtained by coating and molding a paste obtained by adding a binder. . As the binder, for example, the binder shown in Embodiment 1 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。触媒層6、7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 base material, the thickness of the electrolyte membrane, and the like. The thickness of the catalyst layers 6 and 7 is about 20-3000 micrometers, for example, Preferably, it is about 30-2000 micrometers.

触媒層−電解質膜積層体20は、例えば、触媒を含む触媒ペーストを電解質膜10の両方の主面上に塗布し、乾燥することにより触媒層6、7を形成することで製造できる。また、特に限定されることではないが、カソード側に液状電解質が多いとカソードから生成した水と同時に液状電解質が触媒層へ流れやすいため、電解質膜10における第1の層1をカソード側にするのが好ましい。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate 20 can be produced, for example, by forming the catalyst layers 6 and 7 by applying a catalyst paste containing a catalyst onto both main surfaces of the electrolyte membrane 10 and drying. In addition, although not particularly limited, since the liquid electrolyte tends to flow to the catalyst layer simultaneously with the water generated from the cathode when there is a large amount of liquid electrolyte on the cathode side, the first layer 1 in the electrolyte membrane 10 is set to the cathode side. Is preferred.

上記触媒ペーストは、例えば触媒と、液状電解質と、溶媒を含む混合物を、分散機で混合・分散して得られる。分散機としては、超音波分散機、ホモゲナイザー、ボールミル等を用いることができる。上記触媒ペーストがバインダーを含む場合、上記バインダー(固形分)の添加量は、触媒ペースト中の固形分と液状電解質のトータル重量に対して50重量%以下であることが好ましく、40重量%以下であることがより好ましい。この場合、触媒と液状電解質をバインダーの溶液若しくはディスパージョンに添加した後、溶媒を加えて触媒ペーストを作製してもよい。溶媒は、バインダーを凝集させないものを用いることができる。具体的には水、エタノール、メタノール、1−ブタノール、t−ブタノール、プロパノール、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等を用いることができる。   The catalyst paste is obtained, for example, by mixing and dispersing a mixture containing a catalyst, a liquid electrolyte, and a solvent with a disperser. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used. When the catalyst paste contains a binder, the amount of the binder (solid content) added is preferably 50% by weight or less, and 40% by weight or less based on the total weight of the solid content and the liquid electrolyte in the catalyst paste. More preferably. In this case, the catalyst paste and the liquid electrolyte may be added to a binder solution or dispersion, and then a solvent may be added to produce a catalyst paste. As the solvent, a solvent that does not aggregate the binder can be used. Specifically, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide and the like can be used.

触媒ペーストの塗工量としては、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、好ましくは約0.1〜1.0mg/cm2程度、より好ましくは約0.3〜0.6mg/cm2程度である。 As the coating amount of the catalyst paste, for example, when platinum-supported carbon is used, the platinum-supported amount is preferably about 0.1 to 1.0 mg / cm 2 , more preferably about 0.3 to 0.6 mg / cm 2. it is cm 2.

電解質膜10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のが好ましい。
The method of applying the catalyst paste on the electrolyte membrane 10 is not particularly limited, and for example,
Screen printing, blade coating, die coating, spray coating, dispenser coating, inkjet coating, and the like can be used. Of these, it is preferable to use screen printing or blade coating because of the ease of preparation of the catalyst paste.

乾燥は、例えば熱処理により行うことができる。熱処理温度(乾燥温度)は、例えば、約50〜300℃、好ましくは約100〜250℃である。乾燥温度が約50℃より低いと、触媒ペーストに含まれる溶媒が除去できない恐れがある。一方、乾燥温度が約300℃を超えると、液状電解質やバインダーが熱分解する恐れがある。また、乾燥時間は、例えば、約10分〜5時間、好ましくは約10分〜3時間である。   Drying can be performed by heat treatment, for example. The heat treatment temperature (drying temperature) is, for example, about 50 to 300 ° C, preferably about 100 to 250 ° C. If the drying temperature is lower than about 50 ° C., the solvent contained in the catalyst paste may not be removed. On the other hand, when the drying temperature exceeds about 300 ° C., the liquid electrolyte and the binder may be thermally decomposed. The drying 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、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された触媒層−電解質膜積層体を提供することができる。   According to the present embodiment, there is provided a catalyst layer-electrolyte membrane laminate that has excellent mechanical strength, has good ionic conductivity in a non-humidified state, and prevents the liquid electrolyte from exuding from the electrolyte membrane. be able to.

[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模式的断面図である。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30は、実施形態1で示した電解質膜10と、一対の触媒電極16、17とを備え、触媒電極16、17が電解質膜10の両方の主面上に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 30 according to Embodiment 3 of the present invention includes the electrolyte membrane 10 shown in Embodiment 1 and a pair of catalyst electrodes 16 and 17. The electrolyte membrane 10 is disposed on both main surfaces. 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 conductive material having gas diffusibility, such as a catalyst and 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。触媒電極16、17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 of the catalyst electrodes 16 and 17 is, for example, about 20 to 3000 μm, and 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染み込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30は、上記の実施形態1で示した電解質膜10を用い、その両方の主面に触媒電極16、17を圧着等により形成して製造することができる。また、特に限定されることではないが、カソード側に液状電解質が多いとカソードから生成した水と同時に液状電解質が触媒層へ流れやすいため、電解質膜10における第1の層をカソード側にするのが好ましい。   The membrane electrode assembly 30 according to the present embodiment can be manufactured by using the electrolyte membrane 10 shown in the first embodiment and forming the catalyst electrodes 16 and 17 on both main surfaces thereof by pressure bonding or the like. Although not particularly limited, since the liquid electrolyte tends to flow to the catalyst layer simultaneously with the water generated from the cathode if there is a large amount of liquid electrolyte on the cathode side, the first layer in the electrolyte membrane 10 is made the cathode side. Is preferred.

本実施形態によれば、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された膜電極接合体を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a membrane electrode assembly that has excellent mechanical strength, has good ionic conductivity in a non-humidified state, and prevents the liquid electrolyte from exuding from the electrolyte membrane. .

[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模式的断面図である。図4に示すように、本発明の実施形態4に係る燃料電池40は、実施形態1で示した電解質膜10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、電解質膜10の両方の主面上に触媒電極16、17及びセパレータ28、29がこの順番でそれぞれ積層されている。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 40 according to Embodiment 4 of the present invention includes the electrolyte membrane 10 shown in Embodiment 1, the pair of catalyst electrodes 16 and 17 shown in Embodiment 3, and the pair of separators 28. 29, and catalyst electrodes 16 and 17 and separators 28 and 29 are laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane 10, respectively. 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40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、白金族金属の酸化物、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 material of the separators 28 and 29 may be any material having stable conductivity even in the environment inside the fuel cell 40. In general, a carbon plate having a flow path is used. Further, the separators 28 and 29 are made of a metal such as stainless steel, and a film made of a conductive material such as chromium, a platinum group metal, an oxide of a platinum group metal, or a conductive polymer is formed on the surface of the metal. It may be.

なお、セパレータ28、29は、燃料電池40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 function as a current collector when used in a fuel cell in which a plurality of fuel cells 40 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電解質膜10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、電解質膜10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。
(Fuel cell operating principle)
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 conveyed to the cathode side catalyst electrode 16 by the electrolyte membrane 10. 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 electrolyte membrane 10 and electrons and oxidant gas coming from the external circuit 23. Reacts to produce water. In this way, it functions as a fuel cell.

本実施形態に係る燃料電池40は、燃料電池の作製に用いられる公知の技術を用いて、電解質膜10の両方の主面上に触媒電極16、17及びセパレータ28、29をこの順番で積層することにより、製造することができる。   In the fuel cell 40 according to the present embodiment, the catalyst electrodes 16 and 17 and the separators 28 and 29 are laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane 10 by using a known technique used for manufacturing a fuel cell. Can be manufactured.

本実施形態によれば、機械的強度に優れ、無加湿状態で良好なイオン伝導性を有しつつ、電解質膜からの液状電解質の染み出しが防止された電解質膜を用いることにより、安定性に優れ、高性能な燃料電池を提供することができる。   According to the present embodiment, by using an electrolyte membrane that is excellent in mechanical strength, has good ionic conductivity in a non-humidified state, and prevents leakage of the liquid electrolyte from the electrolyte membrane, stability is achieved. An excellent and high-performance fuel cell can be provided.

以下において、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら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)   Example 1

<固体酸>
固体酸として、以下のように作製したリン酸ケイ素(SiP27)を用いた。二酸化ケイ素(SiO2)と液体リン酸を1:2.5のモル比で配合し、得られた混合物をめのうばちに入れ、水あめ状になるまで混ぜた後、アルミナ坩堝に入れて乾燥後、約700℃で3時間焼成する。焼成後、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、リン酸ケイ素(SiP27)を得た。
<Solid acid>
As the solid acid, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) prepared as follows was used. Silicon dioxide (SiO 2 ) and liquid phosphoric acid are blended at a molar ratio of 1: 2.5, and the resulting mixture is placed in an agate noodle and mixed until it becomes a starch candy, then put in an alumina crucible and dried. And calcining at about 700 ° C. for 3 hours. After firing, the obtained product was pulverized in an agate bowl to obtain silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

液状電解質として、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム 硫酸水素塩(メルク株式会社製、以下においてEMIm−HSO4 -とも記す。)を用いた。バインダーとして、M.L.Di Vona et al、Polymer 46(2005)1754−1758頁に記載されている方法に基づいて下記のように合成したスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(以下において、SPEEKとも記す。)を用いた。 As a liquid electrolyte is the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulphate - was used (manufactured by Merck Co., EMIm-HSO 4 below and also referred.). As a binder, M.I. L. A sulfonated polyetheretherketone (hereinafter also referred to as SPEEK) synthesized as described below based on the method described in Di Vona et al, Polymer 46 (2005), pages 1754-1758 was used.

<バインダーの製造例1>
還流冷却管の付いた500mlの丸底フラスコにポリエーテルエーテルケトン(VICTREX社製、以下においてPEEKとも記す。)5gと、96重量%の濃硫酸250mlとを入れ、オイルバス中で50℃に保ち、撹拌しながら18時間還流させた。その後、反応混合物をガラスフィルターでろ過し、ろ取した固形物を純水にて洗浄した。ろ液が中性付近になるまで洗浄を繰り返した後、固形物を50℃で24時間乾燥し、その後60℃で6時間真空乾燥してSPEEKを得た。
<Binder Production Example 1>
A 500 ml round bottom flask equipped with a reflux condenser was charged with 5 g of polyetheretherketone (manufactured by VICTREX, also referred to as PEEK in the following) and 250 ml of 96 wt% concentrated sulfuric acid, and kept at 50 ° C. in an oil bath. The mixture was refluxed for 18 hours with stirring. Thereafter, the reaction mixture was filtered through a glass filter, and the solid matter collected by filtration was washed with pure water. Washing was repeated until the filtrate was close to neutral, and then the solid was dried at 50 ° C. for 24 hours and then vacuum dried at 60 ° C. for 6 hours to obtain SPEEK.

得られたSPEEK1gとDMA(N’N−ジメチルアセトアミド)20gを混合し、オイルバス中で50℃に保ち、24時間撹拌し、SPEEK溶液を作製した。   1 g of the obtained SPEEK and 20 g of DMA (N′N-dimethylacetamide) were mixed, kept at 50 ° C. in an oil bath, and stirred for 24 hours to prepare a SPEEK solution.

<第1の層形成用電解質組成物>
上記で得られたSPEEK溶液20gと、上記で得られたリン酸ケイ素(SiP27)9gを分散機で混合・分散して第1の層形成用電解質組成物を作製した。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
20 g of the SPEEK solution obtained above and 9 g of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained above were mixed and dispersed with a disperser to produce a first layer forming electrolyte composition.

<第2の層形成用電解質組成物>
上記で得られたSPEEK溶液6gと、イオン液体(EMIm−HSO4 -)0.7gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
6 g of the SPEEK solution obtained above and 0.7 g of ionic liquid (EMIm-HSO 4 ) were mixed and dispersed by a disperser to prepare a second layer forming electrolyte composition.

<電解質膜の作製>
第1の層形成用電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥して厚み30μmの第1の層を形成した。次いで、第2の層形成用電解質組成物をブレードコーターで第1の層の主面上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥して第2の層を形成するとともに、第1の層と第2の層を積層した。その後、第1の層からPETフィルムを剥離し、トータル厚みが100μmのイオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
The first layer-forming electrolyte composition was coated on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes to form a first layer having a thickness of 30 μm. Next, the second layer-forming electrolyte composition is applied onto the main surface of the first layer with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes to form the second layer. A layer and a second layer were laminated. Thereafter, the PET film was peeled off from the first layer to obtain an ion conductive electrolyte membrane having a total thickness of 100 μm.

(実施例2)
<固体酸>
固体酸として、以下のように作製したリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体(CsH2PO4/SiP27)を用いた。
(Example 2)
<Solid acid>
As a solid acid, a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) prepared as follows (CsH 2 PO 4 / SiP 2 O 7 ) was used.

まず、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)を、以下のようにして作製した。炭酸セシウム(Cs2CO3)の水溶液に、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌しながら、液体リン酸を少量ずつ滴下し、100〜150℃程度の温度で、1〜3時間程度、撹拌して水を蒸発させた。なお、炭酸セシウム(Cs2CO3)と液体リン酸は炭酸セシウム1モルに対して液体リン酸が2モルとなる量を用いた。その後、オーブンに入れて、100〜150℃程度の温度で約1日乾燥させた。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、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)を得た。 First, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) was produced as follows. Liquid phosphoric acid is added dropwise to an aqueous solution of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) with a stirrer using a stirrer or the like, and stirred at a temperature of about 100 to 150 ° C. for about 1 to 3 hours. The water was evaporated. In addition, cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and liquid phosphoric acid were used in such an amount that 2 mol of liquid phosphoric acid was used per 1 mol of cesium carbonate. Then, it put into oven and dried for about 1 day at the temperature of about 100-150 degreeC. After drying, the obtained product was pulverized in an agate bowl to form a powder, and cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) was obtained.

次に、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)と、実施例1と同様にして得られたリン酸ケイ素(SiP27)を1:2のモル数で配合し、得られた混合物を分散機で分散させて、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を得た。 Next, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained in the same manner as in Example 1 were blended in a molar number of 1: 2, and the resulting mixture was obtained. Was dispersed with a disperser to obtain a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

液状電解質として、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリフラート(メルク株式会社製、以下においてEMIm−TfOとも記す。)を用いた。バインダーとして、実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液を用いた。   As the liquid electrolyte, 1-ethyl-3-methylimidazolium triflate (manufactured by Merck Co., Ltd., hereinafter also referred to as EMIm-TfO), which is an ionic liquid, was used. As a binder, the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 was used.

<第1の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、上記で得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体9gを分散機で混合・分散して第1の層形成用電解質組成物を作製した。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
20 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 and 9 g of the composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained above were mixed with a disperser. -Disperse | distributed and produced the electrolyte composition for 1st layer formation.

<第2の層形成用電解質組成物>
イオン液体(EMIm−TfO)0.1gと、上記で得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体0.4gを乳鉢ですり混ぜ、第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
Mix 0.1g of ionic liquid (EMIm-TfO) and 0.4g of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained above in a mortar. 2 layer forming electrolyte composition was produced.

<電解質膜の作製>
第1の層形成用電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥して厚み10μmの第1の層を形成した。次いで、第2の層形成用電解質組成物を、3MPaの圧力で一軸プレスを行い、直径1.2cm、厚み2mmのペレットを作製することで、第2の層を形成した。次いで、第1の層の主面と接するように第1の層と第2の層を積層した後、第1の層からPETフィルムを剥離し、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
The first layer-forming electrolyte composition was coated on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes to form a first layer having a thickness of 10 μm. Next, the second layer-forming electrolyte composition was uniaxially pressed at a pressure of 3 MPa to produce pellets having a diameter of 1.2 cm and a thickness of 2 mm, thereby forming a second layer. Next, after laminating the first layer and the second layer so as to be in contact with the main surface of the first layer, the PET film was peeled off from the first layer to obtain an ion conductive electrolyte membrane.

(実施例3)
<第1の層形成用電解質組成物>
実施例2と同様にして第1の層形成用電解質組成物を得た。
(Example 3)
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
A first layer forming electrolyte composition was obtained in the same manner as Example 2.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20g、イオン液体(EMIm−TfO)3gと、実施例2と同様にして得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体6gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
20 g of SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 3 g of ionic liquid (EMIm-TfO), cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (in the same manner as in Example 2) 6 g of a composite of SiP 2 O 7 ) was mixed and dispersed with a disperser to prepare a second layer forming electrolyte composition.

<電解質膜の作製>
第1の層形成用電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥して厚み10μmの第1の層を形成した。次いで、第2の層形成用電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥して厚み50μmの第2の層を形成した。次いで、第2の層のPETフィルムを剥離した後、第2の層を第1の層で挟むように、第1の層を第2の層の両方の主面に重ねて積層し、第1の層からPETフィルムを剥離し、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
The first layer-forming electrolyte composition was coated on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes to form a first layer having a thickness of 10 μm. Next, the second layer-forming electrolyte composition was coated on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes to form a second layer having a thickness of 50 μm. Next, after peeling the PET film of the second layer, the first layer is laminated on both main surfaces of the second layer so that the second layer is sandwiched between the first layers. The PET film was peeled from this layer to obtain an ion conductive electrolyte membrane.

(実施例4)
<第1の層形成用電解質組成物>
実施例2と同様にして第1の層形成用電解質組成物を得た。
(Example 4)
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
A first layer forming electrolyte composition was obtained in the same manner as Example 2.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、イオン液体(EMIm−TfO)7gと、実施例2と同様にして得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体2gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
20 g of SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 7 g of ionic liquid (EMIm-TfO), cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate obtained in the same manner as in Example 2 2 g of the (SiP 2 O 7 ) composite was mixed and dispersed with a disperser to prepare a second layer-forming electrolyte composition.

<電解質膜の作製>
上記で得られた第1の層形成用電解質組成物と第2の層形成用電解質組成物を用いた以外は、実施例3と同様にして、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
An ion-conducting electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the first layer-forming electrolyte composition and the second layer-forming electrolyte composition obtained above were used.

(実施例5)
液状電解質として、イオン液体であるEMIm−HSO4 -(メルク株式会社製)を用いた。バインダーとして、実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液を用いた。
(Example 5)
As the liquid electrolyte, EMIm-HSO 4 (manufactured by Merck Ltd.), which is an ionic liquid, was used. As a binder, the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 was used.

<固体酸>
固体酸として、以下のように作製したリン酸二水素カリウム(KH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体(KH2PO4/SiP27)を用いた。
<Solid acid>
As a solid acid, a composite of potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) prepared as follows was used (KH 2 PO 4 / SiP 2 O 7 ).

まず、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)を、以下のようにして作製した。炭酸カリウム(K2CO3)の水溶液に、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌しながら、液体リン酸を少量ずつ滴下し、100〜150℃程度の温度で、1〜3時間程度、撹拌して水を蒸発させた。なお、炭酸カリウム(K2CO3)と液体リン酸は炭酸セシウム1モルに対して液体リン酸が2モルとなる量を用いた。その後、オーブンに入れて、100〜150℃程度の温度で約1日乾燥させた。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、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)を得た。 First, potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) was produced as follows. While stirring with a stirrer using a stirrer or the like, liquid phosphoric acid is added dropwise to an aqueous solution of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and stirred at a temperature of about 100 to 150 ° C. for about 1 to 3 hours. The water was evaporated. In addition, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and liquid phosphoric acid were used in such an amount that the liquid phosphoric acid was 2 moles per mole of cesium carbonate. Then, it put into oven and dried for about 1 day at the temperature of about 100-150 degreeC. After drying, the obtained product was pulverized in an agate bowl to form a powder, and potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) was obtained.

次に、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)と、実施例1と同様にして得られたリン酸ケイ素(SiP27)を1:2のモル数で配合し、得られた混合物を分散機で分散させて、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体を得た。 Next, potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained in the same manner as in Example 1 were blended in a molar ratio of 1: 2, and the resulting mixture was obtained. Was dispersed with a disperser to obtain a composite of potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).

<第1の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、上記で得られたリン酸二水素カリウム(KH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体9gを分散機で混合・分散して第1の層形成用電解質組成物を作製した。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
20 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 and 9 g of the complex of potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained above were mixed using a disperser. -Disperse | distributed and produced the electrolyte composition for 1st layer formation.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、イオン液体(EMIm−HSO4 -)6gと、実施例1と同様にして作製したリン酸ケイ素(SiP27)3gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
Disperse 20 g of SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 6 g of ionic liquid (EMIm-HSO 4 ), and 3 g of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) produced in the same manner as in Example 1. A second layer forming electrolyte composition was prepared by mixing and dispersing.

<電解質膜の作製>
上記で得られた第1の層形成用電解質組成物と第2の層形成用電解質組成物を用いた以外は、実施例3と同様にして、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
An ion-conducting electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the first layer-forming electrolyte composition and the second layer-forming electrolyte composition obtained above were used.

(実施例6)
<固体酸>
固体酸として、以下のように作製した金属リン酸塩(リン酸スズ)を用いた。まず、酸化スズ(SnO2、Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In23、ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素二アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、これらを薬さじで混合した。その後、得られた混合物を坩堝に投入し、約650℃で、約2時間程度焼成し、得られた生成物をめのうばちで粉砕してリン酸スズを得た。なお、得られたリン酸スズはインジウムが一部ドープされたピロリン酸塩である(Sn0.9In0.127)。
(Example 6)
<Solid acid>
As a solid acid, a metal phosphate (tin phosphate) produced as follows was used. First, 13.56 g (0.09 mol) of tin oxide (SnO 2 , manufactured by Nano Tec) and 1.40 g (0.0050 mol) of indium oxide (In 2 O 3 , manufactured by Nacalai Tesque) were added to dihydrogen phosphate. Ammonium (Nacalai Tesque) 27.99 g (0.212 mol) was added, and these were mixed with a spoon. Thereafter, the obtained mixture was put into a crucible and baked at about 650 ° C. for about 2 hours, and the obtained product was pulverized with an agate nail to obtain tin phosphate. The obtained tin phosphate is a pyrophosphate salt partially doped with indium (Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 ).

液状電解質として、イオン液体であるEMIm−TfO(メルク株式会社製)を用いた。バインダーとして、実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液を用いた。   As the liquid electrolyte, EMIm-TfO (Merck Co., Ltd.), which is an ionic liquid, was used. As a binder, the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 was used.

<第1の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、上記で得られたリン酸スズ9gを分散機で混合・分散して第1の層形成用電解質組成物を作製した。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
A first layer-forming electrolyte composition was prepared by mixing and dispersing 20 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 and 9 g of tin phosphate obtained above with a disperser.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、イオン液体(EMIm−TfO)2.5gと、上記で得られたリン酸スズ6.5gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
20 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 2.5 g of ionic liquid (EMIm-TfO), and 6.5 g of tin phosphate obtained above were mixed and dispersed with a disperser to obtain a second solution. An electrolyte composition for layer formation was produced.

<電解質膜の作製>
上記で得られた第1の層形成用電解質組成物と第2の層形成用電解質組成物を用いた以外は、実施例3と同様にして、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
An ion-conducting electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the first layer-forming electrolyte composition and the second layer-forming electrolyte composition obtained above were used.

(実施例7)
<固体酸>
第1の層に含まれる固体酸として、以下のように作製した二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を用いた。まず、炭酸セシウム(Cs2CO3)の水溶液に、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌しながら、液体リン酸を少量ずつ滴下し、100〜150℃程度の温度で、1〜3時間程度、撹拌して水を蒸発させた。なお、炭酸セシウム(Cs2CO3)と液体リン酸は炭酸セシウム1モルに対して液体リン酸が4モルとなる量を用いた。その後、オーブンに入れて、約100〜150℃程度の温度で約1日乾燥させた。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、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)を得た。
(Example 7)
<Solid acid>
As the solid acid contained in the first layer, cesium pentahydrogen diphosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) prepared as follows was used. First, liquid phosphoric acid is dropped little by little into an aqueous solution of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) while stirring with a stirrer using a stirrer or the like, and at a temperature of about 100 to 150 ° C. for about 1 to 3 hours. Stir to evaporate the water. In addition, cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and liquid phosphoric acid were used in such an amount that 4 mol of liquid phosphoric acid was used per 1 mol of cesium carbonate. Thereafter, it was put in an oven and dried at a temperature of about 100 to 150 ° C. for about 1 day. After drying, the obtained product was pulverized in an agate bowl into a powder form to obtain cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ).

液状電解質として、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(三菱マテリアル株式会社製、以下においてEMIm−SFIとも記す。)を用いた。   As the liquid electrolyte, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide (manufactured by Mitsubishi Materials Corporation, hereinafter also referred to as EMIm-SFI), which is an ionic liquid, was used.

<第1の層形成用電解質組成物>
上記で得られた二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)を第1の層形成用電解質組成物として用いた。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
The cesium pentahydrogen diphosphate (CsH 5 (PO4) 2 ) obtained above was used as the first layer forming electrolyte composition.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、イオン液体(EMIm−SFI)2gと、実施例2と同様にして得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体7gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
20 g of SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 2 g of ionic liquid (EMIm-SFI), cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate obtained in the same manner as in Example 2 7 g of the (SiP 2 O 7 ) composite was mixed and dispersed with a disperser to prepare a second layer forming electrolyte composition.

<電解質膜の作製>
第2の層形成用電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥して厚み50μmの第2の層を形成した。次いで、第2の層からPETフィルムを剥離し、第1の層形成用電解質組成物を第2の層の両方の主面上に配置し、170℃30分間熱処理した後に室温にて冷却して固化することにより、第1の層を形成するとともに、第1の層と第2の層を積層し、厚み200μmのイオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
The second layer-forming electrolyte composition was applied onto a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes to form a second layer having a thickness of 50 μm. Next, the PET film is peeled off from the second layer, the first layer-forming electrolyte composition is disposed on both main surfaces of the second layer, heat-treated at 170 ° C. for 30 minutes, and then cooled at room temperature. By solidifying, the first layer was formed, and the first layer and the second layer were laminated to obtain an ion conductive electrolyte membrane having a thickness of 200 μm.

(実施例8)
<液状電解質>
アルゴン雰囲気のグローブボックス中で、東京化成工業社製のイミダゾル(Imidazole、以下においてImと記す。)と、和光純薬工業社製のHTFSIを4:1のモル比でゆっくり混合し、イミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(以下において、Im4-HTFSIと記す。)を得た。
(Example 8)
<Liquid electrolyte>
In a glove box in an argon atmosphere, imidazole manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Imidazole, hereinafter referred to as Im) and HTFSI manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. are slowly mixed at a molar ratio of 4: 1, and imidazolium bis (Trifluoromethanesulfonyl) amide (hereinafter referred to as Im4-HTFSI) was obtained.

<第1の層形成用電解質組成物>
実施例2と同様にして第1の層形成用電解質組成物を得た。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
A first layer forming electrolyte composition was obtained in the same manner as Example 2.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、上記で得られたイオン液体(Im4-HTFSI)7gと、実施例1と同様にして得られたリン酸ケイ素(SiP27)2gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
20 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 7 g of the ionic liquid (Im4-HTFSI) obtained above, and 2 g of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained in the same manner as in Example 1. Were mixed and dispersed with a disperser to prepare a second layer forming electrolyte composition.

<電解質膜の作製>
上記で得られた第1の層形成用電解質組成物と第2の層形成用電解質組成物を用いた以外は、実施例3と同様にして、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
An ion-conducting electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the first layer-forming electrolyte composition and the second layer-forming electrolyte composition obtained above were used.

(実施例9)
<液状電解質>
アルゴン雰囲気のグローブボックス中で、東京化成工業社製の2−エチルイミダゾル(2−ethylimidazole、以下においてEtImと記す。)と、和光純薬工業社製のHTFSIを4:1のモル比でゆっくり混合し、2−エチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(以下において、EtIm4-HTFSIと記す。)を得た。
Example 9
<Liquid electrolyte>
In a glove box under an argon atmosphere, 2-ethylimidazole (2-ethylimidazole, hereinafter referred to as EtIm) manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. and HTFSI manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. are slowly added at a molar ratio of 4: 1. By mixing, 2-ethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (hereinafter referred to as EtIm4-HTFSI) was obtained.

<第1の層形成用電解質組成物>
実施例2と同様にして第1の層形成用電解質組成物を得た。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
A first layer forming electrolyte composition was obtained in the same manner as Example 2.

<第2の層形成用電解質組成物>
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液20gと、上記で得られたイオン液体(EtIm4-HTFSI)7gと、実施例2と同様にして得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP27)の複合体2gを分散機で混合・分散して第2の層形成用電解質組成物を作製した。
<Second Layer Forming Electrolyte Composition>
20 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, 7 g of the ionic liquid (EtIm4-HTFSI) obtained above, and cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) obtained in the same manner as in Example 2. ) And 2 g of a composite of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) were mixed and dispersed with a disperser to produce a second layer forming electrolyte composition.

<電解質膜の作製>
上記で得られた第1の層形成用電解質組成物と第2の層形成用電解質組成物を用いた以外は、実施例3と同様にして、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
An ion-conducting electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the first layer-forming electrolyte composition and the second layer-forming electrolyte composition obtained above were used.

(比較例1)
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液18gとイオン液体(EMIm−SFI)0.1gを分散機で混合・分散して作製した電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥した後、PETフィルムを剥離し、厚み60μmのイオン伝導性電解質膜を得た。
(Comparative Example 1)
An electrolyte composition prepared by mixing and dispersing 18 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 and 0.1 g of ionic liquid (EMIm-SFI) with a disperser on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater. And dried at about 95 ° C. for about 60 minutes, and then the PET film was peeled off to obtain an ion conductive electrolyte membrane having a thickness of 60 μm.

(比較例2)
実施例1と同様にして得られたSPEEK溶液16gとイオン液体(EMIm−SFI)0.2gを分散機で混合・分散して作製した電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥した後、PETフィルムを剥離し、厚み70μmのイオン伝導性電解質膜を得た。
(Comparative Example 2)
An electrolyte composition prepared by mixing and dispersing 16 g of the SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 and 0.2 g of ionic liquid (EMIm-SFI) with a disperser on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater. Then, after drying at about 95 ° C. for about 60 minutes, the PET film was peeled off to obtain an ion conductive electrolyte membrane having a thickness of 70 μm.

(比較例3)
実施例1で第1の層形成用電解質組成物として用いた電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥した後、PETフィルムを剥離し、厚み60μmのイオン伝導性電解質膜を得た。
(Comparative Example 3)
The electrolyte composition used as the first layer-forming electrolyte composition in Example 1 was coated on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes, and then the PET film was The film was peeled off to obtain an ion conductive electrolyte membrane having a thickness of 60 μm.

(比較例4)
実施例4で第2の層形成用電解質組成物として用いた電解質組成物をブレードコーターでPETフィルム(厚み:25μm)上に塗工し、約95℃で約60分間乾燥した後、PETフィルムを剥離し、厚み60μmのイオン伝導性電解質膜を得た。しかし、自立性がなくハンドリングが困難であった。また、目視でイオン液体がイオン伝導性電解質膜の表面に染み出しているのが確認された。
(Comparative Example 4)
The electrolyte composition used as the second layer-forming electrolyte composition in Example 4 was coated on a PET film (thickness: 25 μm) with a blade coater and dried at about 95 ° C. for about 60 minutes, and then the PET film was Peeling was performed to obtain an ion conductive electrolyte membrane having a thickness of 60 μm. However, handling was difficult due to lack of independence. Moreover, it was confirmed visually that the ionic liquid oozes out on the surface of the ion conductive electrolyte membrane.

実施例及び比較例で得られた電解質膜のイオン伝導度を以下の方法により測定し、その結果を下記表1〜3に示した。なお、表1〜3には、電解質組成物の各組成及びその含有量についても示した。   The ionic conductivity of the electrolyte membrane obtained in Examples and Comparative Examples was measured by the following method, and the results are shown in Tables 1 to 3 below. Tables 1 to 3 also show each composition of the electrolyte composition and its content.

(イオン伝導度測定)
電解質膜に対し、電気化学測定装置(1255WB型、Solartron社製)で交流インピーダンス負荷を行い、160℃の温度かつ無加湿環境下でのプロトン伝導度を測定した。
(Ion conductivity measurement)
The electrolyte membrane was subjected to AC impedance load with an electrochemical measurement device (1255WB type, manufactured by Solartron), and proton conductivity was measured at a temperature of 160 ° C. and in a non-humidified environment.

Figure 2012195197
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Figure 2012195197
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実施例1〜9で得られた電解質膜は、いずれも160℃の温度かつ無加湿環境下でのプロトン導電率が比較例1〜3の電解質膜よりも高い。また、実施例1〜9で得られた電解質膜では、比較例4で観察されたような電解質膜からのイオン液体の染み出しが目視で確認されなかった。また、実施例1〜9で得られた電解質膜は、比較例4の電解質膜に比べて機械的強度に優れ、自立性があった。   The electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 9 all have a proton conductivity higher than that of Comparative Examples 1 to 3 at a temperature of 160 ° C. and in a non-humidified environment. Moreover, in the electrolyte membrane obtained in Examples 1-9, the ionic liquid oozing out from the electrolyte membrane as observed in Comparative Example 4 was not visually confirmed. In addition, the electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 9 were superior in mechanical strength to the electrolyte membrane of Comparative Example 4 and were self-supporting.

以上のことから、本発明の電解質膜は、機械的強度に優れ自立性があり、電解質膜からの液状電解質の染み出しもなく、無加湿状態で高いイオン伝導性を有することが分かった。   From the above, it was found that the electrolyte membrane of the present invention has excellent mechanical strength and is self-supporting, and does not exude liquid electrolyte from the electrolyte membrane and has high ionic conductivity in a non-humidified state.

本発明は、イオ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 technical fields related to an ion conductive electrolyte membrane and a fuel cell using the same.

1、1a、1b、1c 第1の層
2、2a、2b 第2の層
6、7 触媒層
10 電解質膜
16 カソード側触媒電極
17 アノード側触媒電極
20 触媒層−電解質膜積層体
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 膜電極接合体
40 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b, 1c 1st layer 2, 2a, 2b 2nd layer 6, 7 Catalyst layer 10 Electrolyte membrane 16 Cathode side catalyst electrode 17 Anode side catalyst electrode 20 Catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 21 Fuel flow path 22 Oxidant gas flow path 23 External circuit 28, 29 Separator 30 Membrane electrode assembly 40 Fuel cell

Claims (9)

液状電解質と固体酸とを含む電解質膜であって、
少なくとも第1の層と第2の層を含み、
前記第1の層は固体酸を含み、
前記第2の層は液状電解質を含み、
前記電解質膜の片側又は両側の最外層には第1の層が配置されていることを特徴とする電解質膜。
An electrolyte membrane containing a liquid electrolyte and a solid acid,
Including at least a first layer and a second layer;
The first layer comprises a solid acid;
The second layer includes a liquid electrolyte;
An electrolyte membrane, wherein a first layer is disposed on an outermost layer on one or both sides of the electrolyte membrane.
前記第1の層が前記電解質膜の両側の最外層に配置されている請求項1に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the first layer is disposed on an outermost layer on both sides of the electrolyte membrane. 前記第2の層がさらに固体酸を含む請求項1又は2に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the second layer further contains a solid acid. 前記第1の層及び第2の層の少なくとも一つがバインダーを含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1, wherein at least one of the first layer and the second layer contains a binder. 前記液状電解質が、イオン液体である請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the liquid electrolyte is an ionic liquid. 前記液状電解質が、プロトン供与性及び/又はプロトン受容性を有するイオンを含むイオン液体である請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the liquid electrolyte is an ionic liquid containing ions having proton donating properties and / or proton accepting properties. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜と、一対の触媒層とを備え、
前記電解質膜の両方の主面上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。
The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6 and a pair of catalyst layers,
The catalyst layer-electrolyte membrane laminate, wherein the catalyst layers are respectively disposed on both main surfaces of the electrolyte membrane.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜と、一対の触媒電極とを備え、
前記電解質膜の両方の主面上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。
The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6 and a pair of catalyst electrodes,
The membrane electrode assembly, wherein the catalyst electrodes are respectively disposed on both main surfaces of the electrolyte membrane.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜と、一対の触媒電極と、一対のセパレータとを備え、前記電解質膜の両方の主面上に前記触媒電極と前記セパレータとがこの順番でそれぞれ積層されていることを特徴とする燃料電池。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, a pair of catalyst electrodes, and a pair of separators, wherein the catalyst electrodes and the separators are arranged in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane. A fuel cell, wherein each of the fuel cells is laminated.
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JP2019169321A (en) * 2018-03-23 2019-10-03 公立大学法人首都大学東京 Electrolyte composition for fuel cells, electrolyte for fuel cells using the same, and fuel cell
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