JP2012204274A - Electrolyte membrane and catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly and fuel cell using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

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梨紗 岸本
Kasumi Oi
香澄 大井
Kuniaki Yoshikata
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane which can maintain excellent power generation performance stably for a long period in a hot and non-humidified state, and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the electrolyte membrane, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: An electrolyte membrane 10 of the present invention is an electrolyte membrane containing a solid polymer compound having an imidazole group, in which a first layer 1 contains a solid acid and a binder and a second layer 2 contains a solid polymer compound having an imidazole group and a liquid electrolyte, the first layer 1 being disposed on both principal surfaces of the second layer 2. The electrolyte membrane 10 is obtained by forming resin film using a second layer formation resin composition containing a solid polymer compound having an imidazole group, and then forming a second layer 2 by impregnating the resultant resin film with a liquid electrolyte, and, thereafter, forming a first layer on both principal surfaces of the second layer which was obtained by using a first layer formation electrolyte composition containing a solid acid and a binder.

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、並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate using the same, a membrane electrode assembly and a fuel cell, and a method for producing the same.

近年、環境意識の高まりとともに、CO2や汚染物質を排出しないクリーンエネルギーとして燃料電池が注目されている。その中でも、エネルギー効率が高く、温度領域が100℃前後と一般用に取り扱いやすい固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)の開発が期待されている。 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、一般的にデュポン社製の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、80℃以上の温度でプロトン伝導性が著しく低下する問題や、加湿機構を備える必要があるためシステムが煩雑になるという問題等がある。 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 that is generally known as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont is used, but protons are conducted in a state where the proton conduction mechanism is H 3 O +. Therefore, there is a problem that proton conductivity is remarkably lowered at a temperature of 80 ° C. or higher, and a system is complicated because it is necessary to provide a humidifying mechanism.

そこで、無加湿条件下で使用できる電解質膜として、リン酸を含浸させたPBI(ポリベンズイミダゾール)膜が提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。しかし、ポリベンズイミダゾール自体にはイオン伝導性がないため、含浸するリン酸量を多くする必要があり、強酸であるリン酸が染み出しやすい問題や、低分子化合物であるリン酸が徐々に流出して電解質膜のイオン伝導性が時間とともに低下するといった問題がある。   Therefore, PBI (polybenzimidazole) membrane impregnated with phosphoric acid has been proposed as an electrolyte membrane that can be used under non-humidified conditions (see, for example, Patent Documents 1 to 5). However, polybenzimidazole itself does not have ionic conductivity, so it is necessary to increase the amount of phosphoric acid to be impregnated. Thus, there is a problem that the ionic conductivity of the electrolyte membrane decreases with time.

特表2001-510931号公報Special table 2001-510931 gazette 特表平11−503262号公報Japanese National Patent Publication No. 11-503262 特開2003−327826号公報JP 2003-327826 A 特開2008−218299号公報JP 2008-218299 A 特開2007−115426号公報JP 2007-115426 A

本発明は、上記従来の問題を解決するため、高温かつ無加湿状態で良好な発電性能を長期間安定的に持続できる電解質膜、及びそれを用いた触媒層−電解質膜積層体、膜電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法を提供する。   In order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides an electrolyte membrane that can stably maintain good power generation performance for a long period of time in a high temperature and non-humidified state, and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate and membrane electrode joint using the electrolyte membrane Body, fuel cell, and manufacturing method thereof.

本発明の電解質膜は、イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む電解質膜であって、上記第1の層は、固体酸とバインダーを含み、上記第2の層は、イミダゾール基を有する固体高分子化合物と液状電解質を含み、上記第1の層は上記第2の層の両方の主面上に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 including a solid polymer compound having an imidazole group, wherein the first layer includes a solid acid and a binder, and the second layer includes a solid polymer having an imidazole group. It includes a molecular compound and a liquid electrolyte, and the first layer is disposed on both main surfaces of the second layer.

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、一対の触媒層と、一対のガス拡散層とを備え、上記電解質膜の両方の主面上に上記触媒層と上記ガス拡散層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 membrane electrode assembly of the present invention comprises the electrolyte membrane of the present invention, a pair of catalyst layers, and a pair of gas diffusion layers, and the catalyst layer and the gas diffusion layer on both main surfaces of the electrolyte membrane. Are stacked in this order.

本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜と、一対の触媒層と、一対のガス拡散層と、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層と上記ガス拡散層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 includes the electrolyte membrane of the present invention, a pair of catalyst layers, a pair of gas diffusion layers, and a pair of separators, and the catalyst layer and the gas on both main surfaces of the electrolyte membrane. The diffusion layer and the separator are laminated in this order.

本発明の電解質膜の製造方法は、イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む電解質膜の製造方法であって、イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む第2の層形成用樹脂組成物を用いて樹脂膜を形成した後、得られた樹脂膜に液状電解質を含浸させて第2の層を形成する工程と、固体酸とバインダーを含む第1の層形成用電解質組成物を用いて得られた第2の層の両方の主面上に第1の層をそれぞれ形成する工程を含むことを特徴とする。   The method for producing an electrolyte membrane of the present invention is a method for producing an electrolyte membrane containing a solid polymer compound having an imidazole group, and uses the second layer-forming resin composition containing a solid polymer compound having an imidazole group. And forming a second layer by impregnating the obtained resin film with a liquid electrolyte, and using the first layer-forming electrolyte composition containing a solid acid and a binder. A step of forming the first layer on each of the main surfaces of the second layer.

本発明は、イミダゾール基を有する固体高分子化合物と液状電解質を含む第2の層の両方の主面上に、固体酸とバインダーを含む第1の層を配置することにより、電解質膜からの液状電解質の流出を防ぎ、高温かつ無加湿状態で良好な発電性能を長期間安定的に持続できる電解質膜、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。また、本発明の製造方法によれば、本発明の電解質膜が容易に得られる。   The present invention provides a liquid from an electrolyte membrane by disposing a first layer containing a solid acid and a binder on both main surfaces of a solid polymer compound having an imidazole group and a second layer containing a liquid electrolyte. Provided are an electrolyte membrane capable of preventing electrolyte from flowing out and stably maintaining good power generation performance for a long period of time in a high temperature and non-humidified state, and a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the electrolyte membrane . Further, according to the production method of the present invention, the electrolyte membrane of the present invention can be easily obtained.

図1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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an 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.

[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1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1に示すように、電解質膜10は、第1の層1(1a、1b)と第2の層2を含み、第2の層2の両方の主面上には第1の層1a、1bがそれぞれ配置されている。そして、第1の層1は固体酸とバインダーを含み、第2の層2はイミダゾール基を有する固体高分子化合物と液状電解質を含む。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い。第1の層1と第2の層2に含まれる固体酸の種類は同様であってもよく、異なっていてもよい。また、成形性が良好になり、機械的強度に優れるという観点から、第2の層2は、さらにバインダーを含んでもよい。
(Electrolyte membrane)
FIG. 1 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. 1, the electrolyte membrane 10 includes a first layer 1 (1a, 1b) and a second layer 2, and the first layer 1a, 1b is arranged. The first layer 1 includes a solid acid and a binder, and the second layer 2 includes a solid polymer compound having an imidazole group and a liquid electrolyte. Further, from the viewpoint of enhancing ion conductivity, the second layer 2 may further contain a solid acid. The types of solid acids contained in the first layer 1 and the second layer 2 may be the same or different. Further, from the viewpoint of good moldability and excellent mechanical strength, the second layer 2 may further contain a binder.

電解質膜10は、その厚みは特に限定されないが、通常20〜1000μmであり、機械的強度の観点から、20〜300μm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5〜1000μmであり、機械的強度の観点から、約10〜300μm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5〜1000μmであり、機械的強度の観点から、10〜300μmであることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane 10 is not particularly limited, but is usually 20 to 1000 μm, and preferably 20 to 300 μm from the viewpoint of mechanical strength. Moreover, although the thickness of the 1st layer 1 is not limited, Usually, it is 5-1000 micrometers, and it is preferable that it is about 10-300 micrometers from a viewpoint of mechanical strength. The thickness of the second layer 2 is not limited, but is usually 5 to 1000 μm, and preferably 10 to 300 μm from the viewpoint of mechanical strength.

<イミダゾール基を有する固体高分子化合物>
本発明において、イミダゾール基を有する固体高分子化合物は、第2の層の基本構造をなすものである。
<Solid polymer compound having imidazole group>
In the present invention, the solid polymer compound having an imidazole group forms the basic structure of the second layer.

イミダゾール基を有する固体高分子化合物としては、特に限定されないが、耐熱性に優れるという観点から、ポリベンズイミダゾール、ポリイミダゾール、ポリビニルイミダゾールからなる群から選ばれる一種以上の高分子化合物を用いることが好ましく、ポリベンズイミダゾールを用いることがより好ましい。   The solid polymer compound having an imidazole group is not particularly limited, but it is preferable to use one or more polymer compounds selected from the group consisting of polybenzimidazole, polyimidazole, and polyvinylimidazole from the viewpoint of excellent heat resistance. More preferably, polybenzimidazole is used.

また、ポリベンズイミダゾールは、特に限定されないが、公知の技術により製造することができ、例えば、米国特許第3313783号公報、米国特許第3509108号公報、米国特許第3555389号公報及び米国特許4483977号公報等に記載されている製造方法に基づいて製造することが好ましい。   Polybenzimidazole is not particularly limited, but can be produced by a known technique. For example, U.S. Pat. No. 3,313,783, U.S. Pat. No. 3,509,108, U.S. Pat. No. 3,555,389 and U.S. Pat. It is preferable to manufacture based on the manufacturing method described in the above.

<液状電解質>
液状電解質は、第2の層にイオン伝導性をもたらすものである。液状電解質としては、イオン伝導性を有するものであればよく、特に限定されない。
<Liquid electrolyte>
The liquid electrolyte provides ionic conductivity to the second layer. The liquid electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity.

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.

上記強酸としては、例えば、液体リン酸、硫酸、硝酸、フッ酸、塩酸、臭化水素酸等を用いることが好ましい。本発明において、液体リン酸とは、リン酸水溶液、リン酸溶液などの液状のリン酸をいう。また、本発明において、リン酸は、オルトリン酸、ピロリン酸、トリポリリン酸、ポリリン酸、メタリン酸、パラリン酸等を含む。   As the strong acid, for example, liquid phosphoric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid and the like are preferably used. In the present invention, liquid phosphoric acid refers to liquid phosphoric acid such as phosphoric acid aqueous solution and phosphoric acid solution. In the present invention, phosphoric acid includes orthophosphoric acid, pyrophosphoric acid, tripolyphosphoric acid, polyphosphoric acid, metaphosphoric acid, paraphosphoric acid, and the like.

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、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 these, 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 1-methyl-3-methylimidazolium cation, 1-ethyl-3-methyl. More preferably, it is at least one selected from the group consisting of an imidazolium 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 at least one 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.

液状電解質としては、イオン伝導性に優れるという観点から、液体リン酸、硫酸及びイオン液体からなる群から選ばれる一種以上を用いることが好ましく、液体リン酸を用いることがより好ましく、リン酸水溶液を用いることがさらに好ましい。また、イミダゾール基を有する固体高分子化合物としてポリベンズイミダゾールを用い、液状電解質としてリン酸水溶液を用いると、100〜300℃の高温かつ無加湿状態で優れたイオン伝導性を有するため好ましい。   As the liquid electrolyte, it is preferable to use one or more selected from the group consisting of liquid phosphoric acid, sulfuric acid and ionic liquid from the viewpoint of excellent ionic conductivity, more preferably liquid phosphoric acid, and aqueous phosphoric acid solution. More preferably, it is used. Moreover, it is preferable to use polybenzimidazole as the solid polymer compound having an imidazole group and use an aqueous phosphoric acid solution as the liquid electrolyte because it has excellent ion conductivity at a high temperature of 100 to 300 ° C. and in a non-humidified state.

<固体酸>
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。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。本発明において、無加湿雰囲気下とは、もの(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、もの(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>
In the present invention, the “solid acid” means a solid that exhibits acid characteristics. 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. In the present invention, the non-humidified atmosphere means that intentional humidification is not performed in an atmosphere in which an object (solid acid) is placed. In addition, room temperature means that, for the purpose of the present invention, intentional temperature adjustment is not performed in an atmosphere in which an object (solid acid) is placed.

上記有機固体酸としては、有機酸であればよく、特に限定されない。イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有する有機固体酸及びナフタレン系化合物等を用いることが好ましい。上記スルホン酸基を有する化合物としては、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を用いることができる。また、上記ナフタレン系化合物としては、例えばナフタレン、2−メチルナフタレン、1−ナフトール、2−ナフトール、ナフトエ酸、ナフトニトリル、ナフチルアミン、アセナフテン等を用いることができる。上記有機酸固体酸は単独又は一種以上を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 acid. From the viewpoint of ion conductivity, it is preferable to use an organic solid acid having a sulfonic acid group, a naphthalene compound, or the like. Examples of the compound having a sulfonic acid group include benzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, 2-naphthalenesulfonic acid, 1,5-naphthalenedisulfonic acid, 2,6-naphthalenedisulfonic acid, 1,3,6-naphthalenetri Sulfonic acid, 1,3,5,7-naphthalene tetrasulfonic acid and the like can be used. Examples of the naphthalene-based compound include naphthalene, 2-methylnaphthalene, 1-naphthol, 2-naphthol, naphthoic acid, naphthonitrile, naphthylamine, and acenaphthene. The organic acid solid acids may be used singly or in combination of one or more.

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 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 excess is volatilized at a high temperature, so that excess phosphoric acid does not adhere and a reproducible metal phosphate can be obtained. it can.

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 acid.

上記一般式(1)で表される金属リン酸塩とリン酸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 acid, 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、プロトン伝導性に優れるという観点から、下記一般式(2)で表される金属リン酸塩又は金属硫酸塩を用いることが好ましい。   Moreover, as said solid acid, it is preferable to use the metal phosphate or metal sulfate represented by following General formula (2) from a viewpoint that it is excellent in proton conductivity.

[化2]
ab(XOtc (2)
[Chemical formula 2]
L a H b (XO t ) c (2)

但し、一般式(2)中、LはK、Rb及びCsからなる群から選ばれる一種であり、XはP及びSからなる群から選ばれる一種であり、a、b、c及びtは有理数である。   However, in General formula (2), L is 1 type chosen from the group which consists of K, Rb, and Cs, X is 1 type chosen from the group which consists of P and S, and a, b, c, and t are rational numbers. It is.

上記一般式(2)で表される金属リン酸塩の中でも、下記一般式(3)で表される金属リン酸塩又は金属硫酸塩を用いることがより好ましい。   Among the metal phosphates represented by the general formula (2), it is more preferable to use a metal phosphate or a metal sulfate represented by the following general formula (3).

[化3]
Csab(XOtc (3)
[Chemical formula 3]
Cs a H b (XO t ) c (3)

上記一般式(3)で表される金属リン酸塩又は金属硫酸塩としては、例えばリン酸セシウム(セシウムリン酸)、硫酸セシウム等が挙げられる。また、上記リン酸セシウムとしては、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO42)等が挙げられる。 Examples of the metal phosphate or metal sulfate represented by the general formula (3) include cesium phosphate (cesium phosphate) and cesium sulfate. Examples of the cesium phosphate include cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), and the like.

また、上記固体酸としては、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, 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 those composites are, for example, “Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and Koichi Eguchi, The 3 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る。その後、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 starchy candy. Then, it puts into an alumina crucible and fires 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。 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.

<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、特に限定されず、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。   The fluorine-based polymer is not particularly limited. For example, tetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, fluorinated ethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), 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、特に限定されず、例えばデュポン社製のNafion(登録商標)、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)、旭化成社製のアシプレックス(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸系、旭化成社製のアクイヴィオン(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, perfluorosulfonic acid such as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., and Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei. For example, a sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer such as Aquivion (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation 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スルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸(スルホン化ポリエーテルエーテルケトン)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 sulfone sulfonic acid, polyether. Ether ketone sulfonic acid (sulfonated polyether ether ketone) 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観点から、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、ポリベンズイミダゾール、ポリイミダゾール、ポリピリジン、ポリピリミジン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基づいて合成したものを用いることができる。   Among the binders mentioned above, 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. Acid, polybenzimidazole, polyimidazole, polypyridine, and polypyrimidine are preferably used. The polyether ether ketone sulfonic acid is not particularly limited. L. Those synthesized based on the method described in Di Vona et al, Polymer 46 (2005) pp. 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、例えば第2の層2を形成した後、第2の層2の両方の主面上に第1の層1(1a、1b)をそれぞれ形成することで作製することができる。
(Method for manufacturing electrolyte membrane)
The electrolyte membrane 10 of the present invention is not particularly limited. For example, after the second layer 2 is formed, the first layer 1 (1a, 1b) is formed on both main surfaces of the second layer 2, respectively. Can be produced.

<第2の層の形成>
まず、イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む第2の層形成用樹脂組成物を基材上に塗布し、乾燥して樹脂膜を形成する。なお、イミダゾール基を有する固体高分子化合物としては上述のものを用いればよい。
<Formation of second layer>
First, a second layer-forming resin composition containing a solid polymer compound having an imidazole group is applied onto a substrate and dried to form a resin film. In addition, what was mentioned above should just be used as a solid polymer compound which has an imidazole group.

第2の層形成用樹脂組成物としては、イミダゾール基を有する固体高分子化合物と溶媒とを含む混合物を、分散機で混合・分散して得られる樹脂組成物を用いることができる。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。   As the second layer-forming resin composition, a resin composition obtained by mixing and dispersing a mixture containing a solid polymer compound having an imidazole group and a solvent with a disperser can be used. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used.

上記溶媒としては、イミダゾール基を有する固体高分子化合物を分散できるものであればよく特に限定されない。例えば、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、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、メタンスルホン酸等を用いることができる。   The solvent is not particularly limited as long as it can disperse a solid polymer compound having an imidazole group. For example, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, methanesulfonic acid and the like can be used.

第2の層形成用樹脂組成物は、さらに固体酸及び/又はバインダーを含んでもよい。イオン伝導性と成形性又は機械的強度との両立という観点から、第2の層形成用樹脂組成物における固体酸とイミダゾール基を有する固体高分子化合物の配合量は、質量比で、10:1〜1:10であることが好ましく、2:1〜1:5であることがより好ましく、1:1〜1:5であることがさらに好ましい。また、イオン伝導性と成形性又は機械的強度との両立という観点から、第2の層形成用樹脂組成物におけるバインダーとイミダゾール基を有する固体高分子化合物の配合量は、質量比で、1:1〜1:10であることが好ましく、1:1〜1:5であることがより好ましい。なお、本発明において、バインダーの質量は、バインダーの固形分の質量をいう。   The second layer forming resin composition may further contain a solid acid and / or a binder. From the viewpoint of achieving both ion conductivity and moldability or mechanical strength, the blending amount of the solid polymer having a solid acid and an imidazole group in the second layer-forming resin composition is 10: 1. It is preferably ˜1: 10, more preferably 2: 1 to 1: 5, and still more preferably 1: 1 to 1: 5. From the viewpoint of achieving both ion conductivity and moldability or mechanical strength, the blending amount of the solid polymer compound having a binder and an imidazole group in the second layer-forming resin composition is 1: It is preferably 1 to 1:10, and more preferably 1: 1 to 1: 5. In the present invention, the mass of the binder refers to the mass of the solid content of the binder.

上記基材としては、例えば、高分子フィルム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。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 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. Among these, a polymer film that is inexpensive and easily available is preferable, and a PET film is more preferable.

第2の層形成用樹脂組成物の基材への塗布方法としては、特に限定されず、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、圧延法等の塗布方法を用いることができる。   The method for applying the second layer-forming resin composition to the substrate is not particularly limited. For example, knife coater, bar coater, spray coating, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater. Application methods such as screen printing and rolling can be used.

また、上記において、乾燥温度は、例えば50〜300℃、好ましくは100〜250℃である。乾燥温度が50℃より低いと、樹脂組成物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300℃を超えると、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10分〜5時間、好ましくは10分〜3時間である。また、乾燥方法としては、自然乾燥、遠赤乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、加熱等の方法が挙げられる。   Moreover, in the above, drying temperature is 50-300 degreeC, for example, Preferably it is 100-250 degreeC. If the drying temperature is lower than 50 ° C, the solvent contained in the resin composition may not be removed. On the other hand, when the drying temperature exceeds 300 ° C., the binder may be thermally decomposed. The drying time is, for example, 10 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 3 hours. Examples of the drying method include natural drying, far-red drying, hot air drying, reduced pressure drying, and heating.

次に、得られた樹脂膜に液状電解質を含浸して第2の層2を形成する。液状電解質としては上述のものを用いればよい。なお、基材は、樹脂膜に液状電解質を含浸する前後に、180度剥離等により剥離すればよいが、含浸の容易さから、樹脂膜に液状電解質を含浸する前に剥離することが好ましい。   Next, the obtained resin film is impregnated with a liquid electrolyte to form the second layer 2. What is necessary is just to use the above-mentioned as a liquid electrolyte. The substrate may be peeled off by 180 degree peeling before or after impregnating the resin film with the liquid electrolyte. However, it is preferable to peel the resin film before impregnating the resin film with the liquid electrolyte.

含浸は、特に限定されないが、例えば液状電解質中に樹脂膜を浸漬することにより行うことができる。浸漬時の液状電解質の温度は、例えば室温〜200℃であり、安全性・取り扱いやすさの観点から、室温〜100℃であることが好ましい。また、浸漬時間は、樹脂膜へ液状電解質を含浸する場合の狙いの含浸率に応じて適宜調整する。なお、必要に応じて、樹脂膜を液状電解質中に浸漬した後、室温〜100℃の温度で、1〜60分間乾燥してもよい。乾燥方法としては、自然乾燥、遠赤乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、加熱等の方法が挙げられる。安全性及び操作性の観点から、液状電解質としては、リン酸水溶液を用いることが好ましく、75〜122質量%のリン酸水溶液を用いることがより好ましい。   The impregnation is not particularly limited, but can be performed, for example, by immersing a resin film in a liquid electrolyte. The temperature of the liquid electrolyte at the time of immersion is, for example, room temperature to 200 ° C., and is preferably room temperature to 100 ° C. from the viewpoint of safety and ease of handling. Further, the immersion time is appropriately adjusted according to the target impregnation rate when the resin film is impregnated with the liquid electrolyte. In addition, after immersing a resin film in a liquid electrolyte as needed, you may dry for 1 to 60 minutes at the temperature of room temperature-100 degreeC. Examples of the drying method include natural drying, far-red drying, hot air drying, reduced pressure drying, and heating. From the viewpoint of safety and operability, it is preferable to use a phosphoric acid aqueous solution as the liquid electrolyte, and it is more preferable to use a 75 to 122 mass% phosphoric acid aqueous solution.

上記樹脂膜への液状電解質の含浸率(ドープ量)は、樹脂膜の質量に対して150〜400質量%であることが好ましく、150〜300質量%であることがより好ましい。   The impregnation rate (doping amount) of the liquid electrolyte into the resin film is preferably 150 to 400% by mass, and more preferably 150 to 300% by mass with respect to the mass of the resin film.

上記液状電解質の含浸率(ドープ量)は、液状電解質を含浸する前の樹脂膜の質量をW1とし、液状電解質を含浸した後の樹脂膜の質量をW2とすると、下記に示す数式(3)により求めることができる。 The impregnation rate (doping amount) of the liquid electrolyte is expressed by the following formula (W 1) where W 1 is the mass of the resin film before impregnating the liquid electrolyte, and W 2 is the mass of the resin film after impregnating the liquid electrolyte. 3).

[数3]
含浸率(%)=(W2−W1)/W1×100 (3)
[Equation 3]
Impregnation rate (%) = (W 2 −W 1 ) / W 1 × 100 (3)

また、上記樹脂膜がポリベンズイミダゾール膜であり、液状電解質がリン酸水溶液である場合、イオン伝導性に優れるという観点から、上記リン酸水溶液のポリベンズイミダゾール膜に対する含浸率は、150〜400質量%であることが好ましく、150〜300質量%であることがより好ましい。   Further, when the resin film is a polybenzimidazole film and the liquid electrolyte is a phosphoric acid aqueous solution, the impregnation ratio of the phosphoric acid aqueous solution to the polybenzimidazole film is 150 to 400 mass from the viewpoint of excellent ion conductivity. %, And more preferably 150 to 300% by mass.

<第1の層の形成>
第2の層2の両方の主面上に固体酸とバインダーを含む第1の層形成用電解質組成物を塗布し、乾燥して第1の層1a、1bをそれぞれ形成する。或いは、まず、固体酸とバインダーを含む第1の層形成用電解質組成物を基材上に塗布し、乾燥して第1の層1a、1bをそれぞれ形成する。次に、基材上に形成された第1の層1a、1bを第1の層1a、1bの主面と第2の層2の主面が接するように第2の層2の両方の主面上にそれぞれ配置して積層物を得る。その後、得られた積層物の両側からホットプレス等の熱プレス処理を行い、その後第1の層1a、1bから基材を剥離することで、第2の層2の両方の主面上に第1の層1a、1bをそれぞれ形成する。なお、固体酸、バインダー及び基材としては上述のものを用いればよい。
<Formation of the first layer>
The first layer-forming electrolyte composition containing a solid acid and a binder is applied on both main surfaces of the second layer 2 and dried to form the first layers 1a and 1b, respectively. Alternatively, first, a first layer-forming electrolyte composition containing a solid acid and a binder is applied onto a substrate and dried to form first layers 1a and 1b, respectively. Next, the first layers 1a and 1b formed on the substrate are both main layers of the second layer 2 so that the main surfaces of the first layers 1a and 1b and the main surface of the second layer 2 are in contact with each other. Arrange each on the surface to obtain a laminate. Thereafter, a hot pressing process such as hot pressing is performed from both sides of the obtained laminate, and then the base material is peeled off from the first layers 1a and 1b. 1 layers 1a and 1b are formed. In addition, what is necessary is just to use the above-mentioned thing as a solid acid, a binder, and a base material.

第1の層形成用電解質組成物としては、固体酸とバインダーを含む混合物を、分散機で混合・分散して得られる電解質組成物を用いることができる。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。   As the first layer-forming electrolyte composition, an electrolyte composition obtained by mixing and dispersing a mixture containing a solid acid and a binder with a disperser can be used. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used.

上記第1の層形成用電解質組成物は、さらに溶媒を含んでもよい。上記溶媒としては、バインダーを凝集させないものであればよく特に限定されない。例えば、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、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、メタンスルホン酸等を用いることができる。第1の層形成用電解質組成物が溶媒を含む場合、固体酸を上記バインダー溶液若しくはディスパージョンに添加した後、溶媒を加えて第1の層形成用電解質組成物を作製してもよい。   The first layer forming electrolyte composition may further contain a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it does not aggregate the binder. For example, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, methanesulfonic acid and the like can be used. When the first layer-forming electrolyte composition contains a solvent, the solid acid may be added to the binder solution or dispersion, and then the solvent may be added to produce the first layer-forming electrolyte composition.

上記第1の層形成用電解質組成物において、電池性能を高めるという観点から、固体酸とバインダーの配合量は、質量比で、10:0.5〜10:10であることが好ましく、10:0.5〜10:5であることがより好ましく、10:0.5〜10:3であることがさらに好ましい。   In the first layer-forming electrolyte composition, from the viewpoint of enhancing battery performance, the blending amount of the solid acid and the binder is preferably 10: 0.5 to 10:10 in terms of mass ratio. It is more preferably 0.5 to 10: 5, and further preferably 10: 0.5 to 10: 3.

なお、固体酸として金属リン酸塩とリン酸で構成された電解質を用いる場合、金属リン酸塩を粉末状にし、リン酸とバインダーを加えて混合・分散し、第1の層形成用電解質組成物を作製することができる。或いは、金属リン酸塩にリン酸を所定量加えた後、100〜200℃で、30分〜2時間焼成したものにバインダーを添加して第1の層形成用電解質組成物を作製してもよい。上記において、金属リン酸塩とリン酸の配合量は、質量比で、5:0.2〜5:2、好ましくは5:0.3〜5:1.2、より好ましくは5:0.8〜5:1、最も好ましくは5:0.9になるように調整する。上記の場合、焼成処理により、リン酸に含まれる水が揮発するとともに、金属リン酸塩上のオルトリン酸が縮合してピロリン酸又はメタリン酸等のリン酸縮合体が生成され、生成されたリン酸縮合体と金属リン酸塩が架橋されることにより、金属リン酸塩周辺にリン酸とのネットワークが形成されて電荷を有するリン酸が高密度に集積し、良好なプロトン伝導性が発現するとともに、電解質の強度が増大すると推測される。   When an electrolyte composed of metal phosphate and phosphoric acid is used as the solid acid, the metal phosphate is powdered, mixed and dispersed by adding phosphoric acid and a binder, and the first layer forming electrolyte composition Can be made. Alternatively, after adding a predetermined amount of phosphoric acid to the metal phosphate, a binder is added to the product fired at 100 to 200 ° C. for 30 minutes to 2 hours to prepare the first layer-forming electrolyte composition. Good. In the above, the compounding quantity of metal phosphate and phosphoric acid is 5: 0.2-5: 2, preferably 5: 0.3-5: 1.2, more preferably 5: 0. Adjust to 8-5: 1, most preferably 5: 0.9. In the above case, the water contained in the phosphoric acid is volatilized by the baking treatment, and the orthophosphoric acid on the metal phosphate is condensed to produce a phosphoric acid condensate such as pyrophosphoric acid or metaphosphoric acid. By cross-linking the acid condensate and the metal phosphate, a network with phosphoric acid is formed around the metal phosphate, and the charged phosphoric acid accumulates at high density, and good proton conductivity is expressed. At the same time, the strength of the electrolyte is estimated to increase.

第2の層2の主面上又は基材上への第1の層形成用電解質組成物の塗布は、特に限定されず、例えば第2の層形成用樹脂組成物の基材への塗布時の塗布方法と同様の塗布方法で行うことができる。また、乾燥は、上記樹脂膜の形成時の乾燥と同様な条件で行うことができる。   Application | coating of the electrolyte composition for 1st layer formation on the main surface of 2nd layer 2 or a base material is not specifically limited, For example, the time of application | coating to the base material of 2nd layer formation resin composition It can carry out with the application | coating method similar to the apply | coating method of this. The drying can be performed under the same conditions as the drying at the time of forming the resin film.

上記において、第1の層形成時の積層物に対する熱プレス処理は、特に限定されず、各種のプレス処理で行うことができる。また、熱プレスする際の圧力は、特に限定されないが、例えば、通常0.5〜10MPa、好ましくは1〜10MPaである。また、熱プレスする際の温度は、特に限定されないが、例えば、通常30〜200℃、好ましくは50〜250℃である。また、熱プレスする際のプレス時間は、温度に応じて適宜決めればよく、例えば、通常10〜240秒、好ましくは30〜180秒である。   In the above, the heat press process with respect to the laminated body at the time of 1st layer formation is not specifically limited, It can carry out by various press processes. Moreover, the pressure at the time of hot pressing is not particularly limited, but is usually 0.5 to 10 MPa, preferably 1 to 10 MPa, for example. Moreover, the temperature at the time of hot pressing is not particularly limited, but is usually 30 to 200 ° C., preferably 50 to 250 ° C., for example. Moreover, what is necessary is just to determine suitably the press time at the time of hot-pressing according to temperature, for example, normally 10 to 240 second, Preferably it is 30 to 180 second.

また、基材上に形成された第1の層からの基材の剥離は、特に限定されず、180度剥離等により行うことができる。   Moreover, peeling of the base material from the 1st layer formed on the base material is not specifically limited, It can carry out by 180 degree peeling.

本実施形態によれば、イミダゾール基を有する固体高分子化合物と液状電解質を含む第2の層の両方の主面上に、固体酸とバインダーを含む第1の層を配置することにより、電解質膜からの液状電解質の流出を防ぎ、高温かつ無加湿状態で良好な発電性能を長期間安定的に持続できる電解質膜を提供することができる。   According to this embodiment, an electrolyte membrane is provided by disposing a first layer containing a solid acid and a binder on both main surfaces of a solid polymer compound having an imidazole group and a second layer containing a liquid electrolyte. Thus, it is possible to provide an electrolyte membrane that can prevent liquid electrolyte from flowing out and can stably maintain good power generation performance for a long period of time in a high temperature and non-humidified state.

[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. Is arranged. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. 2 and 1 have the same function.

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、反応場を増加させるという観点から、実施形態1で示した固体酸を含んでもよい。固体酸としては、密着性の観点から、電解質膜と同様の固体酸を含むことが好ましい。   The catalyst layers 6 and 7 may contain the solid acid shown in Embodiment 1 from the viewpoint of increasing the reaction field. The solid acid preferably contains the same solid acid as the electrolyte membrane from the viewpoint of adhesion.

また、触媒層6、7は、反応場を増加させるという観点から、実施形態1で示した液状電解質を含んでもよい。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。液状電解質としては、イオン伝導度、取り扱い性等の観点から、濃度が約75〜122質量%のリン酸水溶液を用いることが好ましい。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。   Moreover, the catalyst layers 6 and 7 may contain the liquid electrolyte shown in Embodiment 1 from a viewpoint of increasing a reaction field. 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. As the liquid electrolyte, it is preferable to use an aqueous phosphoric acid solution having a concentration of about 75 to 122% by mass from the viewpoints of ion conductivity, handleability, and the like. The liquid electrolyte is preferably contained in such an amount that does not block the pores of the catalyst layer.

また、触媒層6、7は、バインダーを含有してもよい。触媒層6、7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。   Moreover, the catalyst layers 6 and 7 may 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20〜3000μmであり、好ましくは30〜2000μm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, for example, 20 to 3000 μm, and preferably 30 to 2000 μm.

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、乾燥して触媒層6、7を形成することで製造できる。或いは、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基材上に塗布し、乾燥して触媒層を形成した後、基材上に形成された触媒層を触媒層6、7の主面と電解質膜10の主面が接するように電解質膜10の両方の主面上にそれぞれ配置して積層物を得、得られた積層物の両側からホットプレス等の熱プレス処理を行い、その後基材を剥離することで製造できる。   The catalyst layer-electrolyte membrane laminate 20 can be manufactured, for example, by applying a catalyst paste containing a catalyst on both main surfaces of the electrolyte membrane 10 and drying to form the catalyst layers 6, 7. Alternatively, in the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 20, for example, a catalyst paste containing a catalyst is applied on a substrate and dried to form a catalyst layer, and then the catalyst layer formed on the substrate is converted to the catalyst layer 6. , 7 and the main surface of the electrolyte membrane 10 are arranged on both main surfaces of the electrolyte membrane 10 to obtain a laminate, and hot press treatment such as hot pressing is performed from both sides of the obtained laminate. And then the substrate can be peeled off.

上記触媒ペーストは、例えば触媒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。また、上記触媒ペーストは、固体酸、バインダー、液状電解質等を含んでもよい。   The catalyst paste is obtained, for example, by mixing and dispersing a mixture containing a catalyst and a solvent with a disperser. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used. The catalyst paste may contain a solid acid, a binder, a liquid electrolyte, and the like.

上記溶媒としては、触媒を分散できるものであればよく、特に限定されない。例えば、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、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等を用いることができる。   The solvent is not particularly limited as long as it can disperse the catalyst. For example, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and the like can be used.

上記触媒ペーストが固体酸を含む場合、触媒と固体酸からなる固形分の濃度は、塗工性の観点から、触媒ペーストに対して50質量%以下であることが好ましく、より好ましくは40質量%以下である。また、触媒と固体酸の配合量は、質量比で10:1〜0.1:1であることが好ましく、より好ましくは5:1〜0.25:1である。   When the catalyst paste contains a solid acid, the concentration of the solid content composed of the catalyst and the solid acid is preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass with respect to the catalyst paste, from the viewpoint of coatability. It is as follows. Moreover, it is preferable that the compounding quantity of a catalyst and a solid acid is 10: 1-0.1: 1 by mass ratio, More preferably, it is 5: 1-0.25: 1.

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に対して50質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましい。この場合、触媒と固体酸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。   When the said catalyst paste contains a binder, it is preferable that the addition amount of the said binder (solid content) is 50 mass% or less with respect to solid content in a catalyst paste, and it is more preferable that it is 40 mass% or less. In this case, after adding the catalyst and the solid acid to the binder solution or dispersion, a solvent may be added to produce a catalyst paste.

上記触媒ペーストが固体酸と液状電解質を含む場合、上記固体酸と液状電解質の配合量は、質量比で1:50〜10:1であることが好ましく、より好ましくは1:50〜1:5である。   When the catalyst paste contains a solid acid and a liquid electrolyte, the blending amount of the solid acid and the liquid electrolyte is preferably 1:50 to 10: 1 by mass ratio, more preferably 1:50 to 1: 5. It is.

基材としては、実施形態1で述べた基材と同様のものを用いることができる。中でも、触媒層の製造工程における寸法安定性及び剥離性の点から、PTFE、ポリエステルで構成される高分子フィルムがより好ましい。また、触媒層との剥離性を向上させるため、離型層・剥離層等を設けた高分子フィルム等の基材を用いてもよい。   As the substrate, the same substrate as described in Embodiment 1 can be used. Especially, the polymer film comprised from PTFE and polyester is more preferable from the point of the dimensional stability in the manufacturing process of a catalyst layer, and peelability. Moreover, in order to improve the peelability from the catalyst layer, a substrate such as a polymer film provided with a release layer, a release layer or the like may 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0.1〜3.0mg/cm2、より好ましくは0.1〜1.5mg/cm2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 0.1 to 3.0 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 1.5 mg / cm 2 . is there.

電解質膜又は基材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の塗布方法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 to the electrolyte membrane or the substrate is not particularly limited, and for example, screen printing, blade coating, die coating, spray coating, dispenser coating, ink jet coating, or the like is used. Can do. Of these, it is preferable to use screen printing or blade coating because of the ease of preparation of the catalyst paste.

また、上記において、乾燥温度は、例えば50〜300℃、好ましくは100〜250℃である。乾燥温度が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300℃を超えると、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10分〜5時間、好ましくは10分〜3時間である。また、乾燥方法としては、自然乾燥、遠赤乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、加熱等の方法が挙げられる。   Moreover, in the above, drying temperature is 50-300 degreeC, for example, Preferably it is 100-250 degreeC. If the drying temperature is lower than 50 ° C, the solvent contained in the catalyst paste may not be removed. On the other hand, when the drying temperature exceeds 300 ° C., the binder may be thermally decomposed. The drying time is, for example, 10 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 3 hours. Examples of the drying method include natural drying, far-red drying, hot air drying, reduced pressure drying, and heating.

上記において、熱プレス処理は、特に限定されず、各種のプレス処理で行うことができる。また、熱プレスする際の圧力は、特に限定されないが、例えば、通常0.5〜10MPa、好ましくは1〜10MPaである。また、熱プレスする際の温度は、特に限定されないが、例えば、通常30〜200℃、好ましくは50〜250℃である。また、熱プレスする際のプレス時間は、温度に応じて適宜決めればよく、例えば、通常10〜240秒、好ましくは30〜180秒である。   In the above, the heat press process is not particularly limited, and can be performed by various press processes. Moreover, the pressure at the time of hot pressing is not particularly limited, but is usually 0.5 to 10 MPa, preferably 1 to 10 MPa, for example. Moreover, the temperature at the time of hot pressing is not particularly limited, but is usually 30 to 200 ° C., preferably 50 to 250 ° C., for example. Moreover, what is necessary is just to determine suitably the press time at the time of hot-pressing according to temperature, for example, normally 10 to 240 second, Preferably it is 30 to 180 second.

本実施形態によれば、高温かつ無加湿状態で良好な発電性能を長期間安定的に持続できる触媒層−電解質膜積層体を提供することができる。   According to this embodiment, it is possible to provide a catalyst layer-electrolyte membrane laminate that can stably maintain good power generation performance for a long period of time in a high temperature and non-humidified state.

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

(膜電極接合体)
図3は、本発明の実施形態3に係る膜電極接合体の一例を示す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、一対の触媒層6、7と、一対のガス拡散層8、9とを備え、電解質膜10の両方の主面上に触媒層6、7とガス拡散層8、9とがこの順番でそれぞれ積層されている。図3では、図1〜図2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〜図2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, the pair of catalyst layers 6 and 7, and the pair of gas diffusion layers 8 and 9 shown in Embodiment 1. The catalyst layers 6 and 7 and the gas diffusion layers 8 and 9 are respectively laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane 10. In FIG. 3, the same parts as those in FIGS. 3 and FIGS. 1 to 2 have the same functions.

ガス拡散層8、9は、多孔質体等ガス拡散性を有する導電性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。   The gas diffusion layers 8 and 9 are made of a conductive material having gas diffusibility, such as a porous body, so that fuel gas or oxidant gas can flow therethrough.

ガス拡散層8、9の厚みは、触媒層や電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すればよい。その厚みは、例えば通常100〜400μmであり、好ましくは150〜350μmである。   The thicknesses of the gas diffusion layers 8 and 9 may be appropriately determined in consideration of the thickness of the catalyst layer and the electrolyte membrane. The thickness is normally 100 to 400 μm, for example, and preferably 150 to 350 μm.

ガス拡散層としては、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が用いられる。また、これら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ガス拡散層への触媒ペースト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ることが望ましい。   As the gas diffusion layer, for example, carbon paper, carbon cloth, carbon felt or the like is used. Moreover, you may use what performed the water-repellent process to these. Further, it is desirable to use a gas diffusion layer provided with a planarization layer in order to prevent the catalyst paste from penetrating into the gas diffusion layer when the catalyst paste is applied to the gas diffusion layer.

膜電極接合体30は、例えば以下のように作製することができる。まず、ガス拡散層8、9の主面上に実施形態2で述べたのと同様の触媒ペーストを塗布し、乾燥して触媒層を形成してガス拡散電極16、17を得る。次いで、ガス拡散電極16、17を触媒層6、7の主面と電解質膜10の主面が接するように電解質膜10の両方の主面上にそれぞれ配置し、得られた積層物の両側からホットプレス等の熱プレス処理を行い、膜電極接合体30を得る。なお、カソード側に配置されるガス拡散電極はカソード側触媒電極16となり、アノード側に配置されるガス拡散電極はアノード側触媒電極17となる。   The membrane electrode assembly 30 can be manufactured as follows, for example. First, a catalyst paste similar to that described in the second embodiment is applied on the main surfaces of the gas diffusion layers 8 and 9, and dried to form a catalyst layer, whereby gas diffusion electrodes 16 and 17 are obtained. Next, the gas diffusion electrodes 16 and 17 are arranged on both main surfaces of the electrolyte membrane 10 so that the main surfaces of the catalyst layers 6 and 7 and the main surface of the electrolyte membrane 10 are in contact with each other, and from both sides of the obtained laminate. A hot pressing process such as hot pressing is performed to obtain the membrane electrode assembly 30. The gas diffusion electrode arranged on the cathode side becomes the cathode side catalyst electrode 16, and the gas diffusion electrode arranged on the anode side becomes the anode side catalyst electrode 17.

上記において、触媒層が液状電解質を含む場合は、液状電解質を含む触媒ペーストを用いて触媒層を形成すればよい。或いは、液状電解質を含んでいない触媒ペーストを用いてガス拡散層の主面上に触媒層を形成してガス拡散電極を得た後、ガス拡散電極の主面上(触媒層の主面上)に液状電解質を塗布することにより、触媒層に液状電解質を含ませてもよい。   In the above, when the catalyst layer contains a liquid electrolyte, the catalyst layer may be formed using a catalyst paste containing a liquid electrolyte. Alternatively, after forming a catalyst layer on the main surface of the gas diffusion layer using a catalyst paste that does not contain a liquid electrolyte to obtain a gas diffusion electrode, on the main surface of the gas diffusion electrode (on the main surface of the catalyst layer) A liquid electrolyte may be included in the catalyst layer by applying a liquid electrolyte to the catalyst layer.

ガス拡散層への触媒ペーストの塗布は、上記実施形態2における触媒層形成時の基材への触媒ペーストの塗布方法と同様な方法で行うことができる。また、乾燥及び熱プレス処理は、それぞれ、上記実施形態2における触媒層の形成時の乾燥及び熱プレスと同様な条件で行うことができる。   The application of the catalyst paste to the gas diffusion layer can be performed by the same method as the method of applying the catalyst paste to the base material when forming the catalyst layer in the second embodiment. Further, the drying and hot pressing treatments can be performed under the same conditions as the drying and hot pressing at the time of forming the catalyst layer in the second embodiment, respectively.

また、ガス拡散層への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0.1〜3.0mg/cm2、より好ましくは0.1〜1.5mg/cm2である。 The amount of catalyst paste applied to the gas diffusion layer is, for example, when platinum-supported carbon is used, the platinum-supported amount is preferably 0.1 to 3.0 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 0.1 mg / cm 2 . 1.5 mg / cm 2 .

本実施形態によれば、高温かつ無加湿状態で良好な発電性能を長期間安定的に持続できる膜電極接合体を提供することができる。   According to this embodiment, it is possible to provide a membrane electrode assembly that can stably maintain good power generation performance for a long period of time in a high temperature and non-humidified state.

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

(燃料電池)
図4は、本発明の実施形態4に係る燃料電池の一例を示す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、電解質膜10と、一対の触媒層6、7と、一対のガス拡散層8、9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層6、7と、ガス拡散層8、9と、セパレータ28、29とがこの順番でそれぞれ積層されている。図4では、図1〜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〜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 an electrolyte membrane 10, a pair of catalyst layers 6, 7, a pair of gas diffusion layers 8, 9, and a pair of separators 28, 29. The catalyst layers 6, 7, the gas diffusion layers 8, 9, and the separators 28, 29 are laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane 10. In FIG. 4, the same parts as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. 4 and FIGS. 1 to 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から来る電子及び酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このようにして燃料電池として機能する。
<Operating principle of fuel cell>
A fuel capable of supplying hydrogen, such as hydrogen gas or methanol, is supplied to the anode-side catalyst electrode 17 through the fuel flow path 21, and protons (H + ) and electrons (e ) are generated from the fuel. The generated protons are 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を順次積層することにより、製造することができる。   The fuel cell 40 according to the present embodiment is formed by sequentially stacking the catalyst electrodes 16 and 17 and the separators 28 and 29 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、高温かつ無加湿状態で良好な発電性能を長期間安定的に持続できる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 can stably maintain good power generation performance for a long period of time in a high temperature and non-humidified state, it is possible to provide a fuel cell with excellent stability and high performance.

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)
<ポリベンズイミダゾール>
ポリベンズイミダゾールは、米国特許第3313783号公報、米国特許第3509108号公報、米国特許第3555389号公報及び米国特許第4483977号公報等に記載されている製造方法を参考として、以下のようにして作製した。3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル(3,3’,4,4’−tetraaminobiphenyl、Aldrich社製)56.35g(0.263モル)に、イソフタル酸(isophthalic acid、和光社製)43.69g(0.263モル)と、リン酸トリフェニル(triphenylphosphite、和光社製)0.6gをフラスコに加え、混合した。フラスコ内を窒素パージし、上記混合物を約1時間、スターラーで攪拌しながら415℃までに急速に昇温させ、415℃でさらに1時間攪拌した。得られた合成物を室温になるまで冷却し、ポリベンズイミダゾールを得た。
Example 1
<Polybenzimidazole>
Polybenzimidazole is produced as described below with reference to the production methods described in US Pat. No. 3,313,783, US Pat. No. 3,509,108, US Pat. No. 3,555,389, US Pat. No. 4,483,997, and the like. did. To 56.35 g (0.263 mol) of 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl (3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, Aldrich), isophthalic acid (isophthalic acid, Wako) ) 43.69 g (0.263 mol) and 0.6 g of triphenyl phosphate (manufactured by Wako) were added to the flask and mixed. The flask was purged with nitrogen, and the mixture was rapidly heated to 415 ° C. while stirring with a stirrer for about 1 hour, and further stirred at 415 ° C. for 1 hour. The obtained composite was cooled to room temperature to obtain polybenzimidazole.

<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を用いた。まず、酸化スズ(SnO2、Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)に、酸化インジウム(In23、ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)と、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、混合した。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った(Sn0.9In0.127)。
<Solid acid>
A metal phosphate prepared as follows was used as the solid acid. First, tin oxide (SnO 2 , manufactured by Nano Tec) 13.56 g (0.09 mol), indium oxide (In 2 O 3 , manufactured by Nacalai Tesque) 1.40 g (0.0050 mol), and phosphoric acid 27.9 g (0.212 mol) of diammonium hydrogen (manufactured by Nacalai Tesque) was added and mixed. The obtained mixture was put into a crucible, fired at about 650 ° C. for about 2 hours, and the resulting product was pulverized with an agate nail to obtain tin phosphate. The obtained tin phosphate was a pyrophosphate salt partially doped with indium (Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 ).

<バインダー>
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。まず、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)5gと、96%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、ガラスフィルターでろ過し、反応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、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>
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. First, 5 g of polyetheretherketone (manufactured by VICTREX) and 250 ml of 96% concentrated sulfuric acid were placed in a 500 ml round bottom flask equipped with a reflux condenser and kept at 50 ° C. in an oil bath and refluxed for 18 hours while stirring. I let you. Then, it filtered with the glass filter and wash | cleaned the reaction solid substance with the pure water. Washing was repeated until the filtrate became nearly neutral, then 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)9gを混合し、室温で約3時間攪拌し、10質量%のSPEEK溶液を作製した。   1 g of the obtained SPEEK and 9 g of DMA (N′N-dimethylacetamide) were mixed and stirred at room temperature for about 3 hours to prepare a 10 mass% SPEEK solution.

<第1の層形成用電解質組成物>
上記で得られたリン酸スズ5gに10質量%のSPEEK溶液5gを加え、分散機で分散して第1の層形成用電解質組成物を作製した。
<First Layer-Forming Electrolyte Composition>
5 g of a 10 mass% SPEEK solution was added to 5 g of the tin phosphate obtained above, and dispersed with a disperser to prepare a first layer-forming electrolyte composition.

<第2の層形成用樹脂組成物>
上記で得られたPBI1gをN,N−ジメチルアセトアミド33gに添加し、オイルバス中で撹拌して溶解させて第2の層形成用樹脂組成物を得た。
<Second layer forming resin composition>
1 g of PBI obtained above was added to 33 g of N, N-dimethylacetamide, and the mixture was stirred and dissolved in an oil bath to obtain a second layer-forming resin composition.

<電解質膜の作製>
上記で得られた第2の層形成用樹脂組成物をPETフィルム(厚み50μm)上にブレードコーターで塗工し、約120℃で、約30分間乾燥して厚み50μmのPBI膜を得た。次に、PBI膜からPETフィルムを剥離し、85質量%リン酸(H3PO4)水溶液中に室温で10分間浸漬することで、PBI膜へのリン酸のドープ率を200質量%にし、第2の層2を形成した。次に、第2の層2の両方の主面上に、上記で得られた第1の層形成用電解質組成物を塗布して乾燥し、それぞれ厚みが20μmの第1の層1a、1bを形成し、イオン伝導性電解質膜を得た。
<Preparation of electrolyte membrane>
The second layer-forming resin composition obtained above was applied onto a PET film (thickness 50 μm) with a blade coater and dried at about 120 ° C. for about 30 minutes to obtain a PBI film having a thickness of 50 μm. Next, the PET film is peeled from the PBI film, and immersed in an 85% by mass phosphoric acid (H 3 PO 4 ) aqueous solution at room temperature for 10 minutes, so that the PBI film has a phosphoric acid doping rate of 200% by mass, A second layer 2 was formed. Next, on both main surfaces of the second layer 2, the first layer-forming electrolyte composition obtained above is applied and dried, and the first layers 1a and 1b each having a thickness of 20 μm are formed. An ion conductive electrolyte membrane was obtained.

<膜電極接合体の作製>
白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1g、バインダー(「Nafion2020CS」、デュポン社製)2.5g、溶媒(n−ブタノールとt−ブタノールを1:1の質量比で混合したもの)6.0gを混合し、分散機で約3時間混合し、触媒ペーストを作製した。得られた触媒ペーストをガス拡散層(「SGL34BC」、SGLカーボン社製)上に白金担持量が約0.5mg/cm2となるようにブレードコーターで塗工し、約140℃で、約30分間乾燥して触媒層を形成し、ガス拡散電極を得た。次に、得られたガス拡散電極を触媒層の主面が電解質膜の主面と接するように上記で得られた電解質膜の両方の主面上に配置し、得られた積層物を両側から160℃、3MPaの条件で熱プレスし、膜電極接合体を得た。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Platinum-supported carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1 g, binder (“Nafion2020CS”, manufactured by DuPont) 2.5 g, solvent (mixed n-butanol and t-butanol at a mass ratio of 1: 1) 6.0 g was mixed and mixed with a disperser for about 3 hours to prepare a catalyst paste. The obtained catalyst paste was applied on a gas diffusion layer (“SGL34BC”, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) with a blade coater so that the amount of platinum supported was about 0.5 mg / cm 2. The catalyst layer was formed by drying for a minute to obtain a gas diffusion electrode. Next, the obtained gas diffusion electrode is arranged on both main surfaces of the electrolyte membrane obtained above so that the main surface of the catalyst layer is in contact with the main surface of the electrolyte membrane, and the obtained laminate is disposed from both sides. A membrane electrode assembly was obtained by hot pressing under conditions of 160 ° C. and 3 MPa.

(実施例2)
PBI膜を85質量%リン酸水溶液中に室温で5分間浸漬し、PBI膜へのリン酸のドープ率を150質量%にした以外は、実施例1と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 2)
Electrolyte membrane and membrane electrode assembly in the same manner as in Example 1, except that the PBI film was immersed in an 85 mass% phosphoric acid aqueous solution for 5 minutes at room temperature, and the doping rate of phosphoric acid into the PBI film was changed to 150 mass%. Got.

(実施例3)
<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)の複合体を用いた。
(Example 3)
<Solid acid>
As the solid acid, a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) prepared as follows 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、Aldrich社製)28.4g(0.09モル)及び水10gをビーカーに入れ、スターラーにて撹拌した。次いで、スターラーにて撹拌しながら85質量%リン酸水溶液20.1g(0.17モル)を少量ずつ滴下した。その後、ホットプレート上で約120℃で、約2時間乾燥し、水を蒸発させた。得られた生成物を坩堝に投入し、約120℃で、約3日間乾燥し、得られた生成物をめのうばちで粉砕して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. 28.4 g (0.09 mol) of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 , manufactured by Aldrich) and 10 g of water were placed in a beaker and stirred with a stirrer. Subsequently, 20.1 g (0.17 mol) of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution was added dropwise little by little while stirring with a stirrer. Then, it dried at about 120 degreeC on the hotplate for about 2 hours, and water was evaporated. The obtained product was put into a crucible, dried at about 120 ° C. for about 3 days, and the obtained product was pulverized with an agate nail to obtain cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ).

次に、リン酸ケイ素(SiP27)を以下のようにして作製した。二酸化ケイ素(SiO2、東ソーシリカ社製)8.0g(0.13モル)及び85質量%リン酸水溶液38.4g(0.33モル)をめのうばちに入れ、水あめ状になるまで混合した。その後、得られた混合物をアルミナ坩堝に投入し、100〜200℃で、約60時間程度の仮焼成した後、約700℃、約4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ケイ素(SiP27)を得た。 Next, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) was produced as follows. 8.0 g (0.13 mol) of silicon dioxide (SiO 2 , manufactured by Tosoh Silica) and 38.4 g (0.33 mol) of 85% by weight aqueous phosphoric acid solution were placed in an agate noodle and mixed until it became a candy-like shape. . After that, the obtained mixture was put into an alumina crucible, and calcined at 100 to 200 ° C. for about 60 hours, and then calcined at about 700 ° C. for about 4 hours. By grinding, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) was obtained.

最後に、上記で得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)2.0g(0.0087モル)と、上記で得られたリン酸ケイ素(SiP27)3.5g(0.017モル)をポットミルで分散し、リン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体(CsH2PO4−SiP27)を得た。 Finally, 2.0 g (0.0087 mol) of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) obtained above and 3.5 g of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained above (0. 017 mol) was dispersed with a pot mill to obtain a composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate (CsH 2 PO 4 —SiP 2 O 7 ).

<電解質膜及び膜電極接合体の作製>
リン酸スズの替わりに上記で得られたリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物を作製した以外は、実施例1と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
<Preparation of electrolyte membrane and membrane electrode assembly>
An electrolyte membrane in the same manner as in Example 1 except that the first layer-forming electrolyte composition was prepared using the composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate obtained above instead of tin phosphate. And the membrane electrode assembly was obtained.

(実施例4)
リン酸スズの替わりに実施例3と同様にして得られたリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物を作製した以外は、実施例2と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
Example 4
Example 2 except that a first layer-forming electrolyte composition was prepared using a composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate obtained in the same manner as Example 3 instead of tin phosphate. Similarly, an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were obtained.

(実施例5)
<固体酸>
タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体(WPA−KHSO4)を以下のようにして作製した。WPA(12タングスト(VI)リン酸n水和物、ナカライテスク社製)をあらかじめ温度60℃で乾燥し、六水和物(WPA・6H2O)とした。次いで、得られたタングステンリン酸六水和物(WPA・6H2O)4.5gと硫酸水素カリウム(KHSO4、ナカライテスク社製)4gとボールをめのうポットに入れ、遊星ボールミル(フリッチェ・ジャパン株式会社製、P−7)を用い、720rpmで10分間混合し、タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体(WPA−KHSO4)を得た。
(Example 5)
<Solid acid>
A composite of tungsten phosphate and potassium hydrogen sulfate (WPA-KHSO 4 ) was produced as follows. WPA (12 Tungsto (VI) phosphate n-hydrate, manufactured by Nacalai Tesque) was previously dried at a temperature of 60 ° C. to obtain hexahydrate (WPA · 6H 2 O). Next, 4.5 g of the obtained tungsten phosphate hexahydrate (WPA · 6H 2 O), 4 g of potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 , manufactured by Nacalai Tesque) and a ball are put in an agate pot, and a planetary ball mill (Fritche Japan) P-7) was used and mixed at 720 rpm for 10 minutes to obtain a complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (WPA-KHSO 4 ).

<電解質膜及び膜電極接合体の作製>
リン酸スズの替わりに上記で得られたタングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物を作製した以外は、実施例1と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
<Preparation of electrolyte membrane and membrane electrode assembly>
An electrolyte membrane and membrane in the same manner as in Example 1 except that the first layer-forming electrolyte composition was prepared using the composite of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate obtained in place of tin phosphate. An electrode assembly was obtained.

(実施例6)
リン酸スズの替わりに実施例5と同様にして得られたタングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物を作製した以外は、実施例2と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 6)
The same procedure as in Example 2 was conducted except that a first layer-forming electrolyte composition was prepared using a composite of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate obtained in the same manner as in Example 5 instead of tin phosphate. Thus, an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were obtained.

(実施例7)
<第2の層形成用樹脂組成物>
実施例1と同様にして作製したPBI1gをN,N−ジメチルアセトアミド33gに添加し、オイルバス中で撹拌して溶解させた後、得られた溶解液中に実施例1と同様にして作製したリン酸スズ0.5gを分散させて第2の層形成用樹脂組成物を得た。
(Example 7)
<Second layer forming resin composition>
1 g of PBI produced in the same manner as in Example 1 was added to 33 g of N, N-dimethylacetamide and dissolved by stirring in an oil bath, and then produced in the same manner as in Example 1 in the resulting solution. A second layer-forming resin composition was obtained by dispersing 0.5 g of tin phosphate.

<電解質膜及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた第2の層形成用樹脂組成物を用いた以外は、実施例2と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
<Preparation of electrolyte membrane and membrane electrode assembly>
An electrolyte membrane and a membrane / electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 2 except that the second layer-forming resin composition obtained above was used.

(実施例8)
第2の層形成用樹脂組成物作製時のリン酸スズの添加量を0.25gにした以外は、実施例7と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 8)
An electrolyte membrane and a membrane / electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 7 except that the amount of tin phosphate added during the production of the second layer forming resin composition was changed to 0.25 g.

(実施例9)
第1の層形成用電解質組成物作製時のSPEEK溶液の添加量を2.5gにした以外は、実施例7と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
Example 9
An electrolyte membrane and a membrane / electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 7 except that the amount of the SPEEK solution added during production of the first layer forming electrolyte composition was 2.5 g.

(実施例10)
第1の層形成用電解質組成物作製時のSPEEK溶液の添加量を10gにした以外は、実施例7と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 10)
An electrolyte membrane and a membrane / electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 7 except that the amount of the SPEEK solution added at the time of preparing the first layer-forming electrolyte composition was 10 g.

(実施例11)
リン酸スズの替わりに実施例3と同様にして得られたリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物及び第2の層形成用樹脂組成物を作製した以外は、実施例7と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 11)
A first layer-forming electrolyte composition and a second layer-forming resin composition using a composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate obtained in the same manner as in Example 3 instead of tin phosphate An electrolyte membrane and a membrane / electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 7 except that was prepared.

(実施例12)
リン酸スズの替わりに実施例3と同様にして得られたリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物及び第2の層形成用樹脂組成物を作製した以外は、実施例8と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 12)
A first layer-forming electrolyte composition and a second layer-forming resin composition using a composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate obtained in the same manner as in Example 3 instead of tin phosphate An electrolyte membrane and a membrane / electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 8 except that was prepared.

(実施例13)
リン酸スズの替わりに実施例5と同様にして得られたタングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物及び第2の層形成用樹脂組成物を作製した以外は、実施例7と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 13)
A first layer-forming electrolyte composition and a second layer-forming resin composition were prepared using a composite of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate obtained in the same manner as in Example 5 instead of tin phosphate. Except that, an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 7.

(実施例14)
リン酸スズの替わりに実施例5と同様にして得られたタングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を用いて第1の層形成用電解質組成物及び第2の層形成用樹脂組成物を作製した以外は、実施例8と同様にして電解質膜及び膜電極接合体を得た。
(Example 14)
A first layer-forming electrolyte composition and a second layer-forming resin composition were prepared using a composite of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate obtained in the same manner as in Example 5 instead of tin phosphate. Except that, an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 8.

(実施例15)
実施例1と同様にして得られたガス拡散電極の両方の主面上(触媒層の主面上)に85質量%リン酸水溶液0.5gを塗工した以外は、実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 15)
Except that 0.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution was applied on both main surfaces (on the main surface of the catalyst layer) of the gas diffusion electrode obtained in the same manner as in Example 1, the same as in Example 1. Thus, a membrane electrode assembly was produced.

(実施例16)
触媒ペーストに85質量%リン酸水溶液0.5gをさらに添加した以外は、実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 16)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution was further added to the catalyst paste.

(比較例1)
<電解質膜の作製>
実施例1と同様して作製した第2の層形成用樹脂組成物をPETフィルム(厚み50μm)上にブレードコーターで塗工し、約120℃で、約30分間乾燥して厚み50μmのPBI膜を得た。次に、PBI膜からPETフィルムを剥離し、85質量%リン酸水溶液中に室温で10分間浸漬することで、リン酸のドープ率が200質量%のPBI膜を得、イオン伝導性電解質膜とした。
(Comparative Example 1)
<Preparation of electrolyte membrane>
A second layer-forming resin composition produced in the same manner as in Example 1 was coated on a PET film (thickness 50 μm) with a blade coater, dried at about 120 ° C. for about 30 minutes, and a PBI film having a thickness of 50 μm. Got. Next, the PET film is peeled from the PBI film, and immersed in an 85% by mass phosphoric acid aqueous solution at room temperature for 10 minutes to obtain a PBI film having a phosphoric acid doping rate of 200% by mass. did.

<膜電極接合体の作製>
上記で得られた電解質膜を用いた以外は、実施例1と同様にして膜電極接合体を得た。
<Preparation of membrane electrode assembly>
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte membrane obtained above was used.

(起電力の測定)
実施例及び比較例で得られた膜電極接合体を、JARI標準セルにセル組みし、160℃かつ無加湿雰囲気下で300mA/cm2の電流密度に相当する定電流を得る条件で発電を行い、長時間に渡って電流を作動させ、電圧の経時変化を測定し、得られた500時間経過後の電圧低下量(V)を下記表1〜表3に示した。ここで、JARI標準セルとは、(財)日本自動車研究所(JARI:Japan Auto mobile Research Institute)において、PEFCの基礎研究及びPEFC用材料(膜、電極触媒、構成部品等)の評価試験用として開発されたセルを意味する。なお、表1〜表3には、電解質膜の各組成についても示した。
(Measurement of electromotive force)
The membrane electrode assemblies obtained in the examples and comparative examples are assembled into a JARI standard cell, and power generation is performed under the condition of obtaining a constant current corresponding to a current density of 300 mA / cm 2 at 160 ° C. and in a non-humidified atmosphere. Then, the current was operated for a long time, the change with time of voltage was measured, and the obtained voltage drop amount (V) after 500 hours was shown in Tables 1 to 3 below. Here, the JARI standard cell is used for basic research of PEFC and evaluation tests of PEFC materials (membranes, electrode catalysts, components, etc.) at the Japan Automobile Research Institute (JARI). It means the developed cell. Tables 1 to 3 also show each composition of the electrolyte membrane.

Figure 2012204274
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Figure 2012204274
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表1〜表3から、リン酸を含浸させたPBI膜で構成された第2の層の両側に固体酸とバインダーを含む第1の層が配置されている電解質膜を用いた実施例1〜16の膜電極接合体は、500時間経過時の電圧低下量がゼロに近く、電池性能の耐久性に優れていることが分かる。これに対して、リン酸を含浸させたPBI膜のみで構成された電解質膜を用いた比較例1の膜電極接合体では、時間の経過と共に電池性能の低減が確認された。これは、リン酸を含浸させたPBI膜の両側に固体酸とバインダーを含む第1の層が配置されることにより、PBI膜からのリン酸の流出が防止されているためであると推測される。   From Table 1 to Table 3, Examples 1 to 1 using an electrolyte membrane in which a first layer containing a solid acid and a binder is disposed on both sides of a second layer composed of a PBI membrane impregnated with phosphoric acid. It can be seen that the membrane electrode assembly No. 16 has an excellent battery performance durability with a voltage drop amount of almost zero after 500 hours. On the other hand, in the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 using the electrolyte membrane composed only of the PBI membrane impregnated with phosphoric acid, the battery performance was confirmed to decrease with time. This is presumably because the outflow of phosphoric acid from the PBI film is prevented by arranging the first layer containing the solid acid and the binder on both sides of the PBI film impregnated with phosphoric acid. The

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.

6、7 触媒層
8、9 ガス拡散層
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
6, 7 Catalyst layer 8, 9 Gas diffusion layer 10 Electrolyte membrane 16 Cathode side catalyst electrode 17 Anode side catalyst electrode 20 Catalyst layer-electrolyte membrane laminate 21 Fuel channel 22 Oxidant gas channel 23 External circuit 28, 29 Separator 30 Membrane electrode assembly 40 Fuel cell

Claims (9)

イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む電解質膜であって、
前記第1の層は、固体酸とバインダーを含み、
前記第2の層は、イミダゾール基を有する固体高分子化合物と液状電解質を含み、
前記第1の層は前記第2の層の両方の主面上に配置されていることを特徴とする電解質膜。
An electrolyte membrane comprising a solid polymer compound having an imidazole group,
The first layer includes a solid acid and a binder,
The second layer includes a solid polymer compound having an imidazole group and a liquid electrolyte,
The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the first layer is disposed on both main surfaces of the second layer.
前記イミダゾール基を有する固体高分子化合物が、ポリベンズイミダゾール、ポリイミダゾール及びポリビニルイミダゾールからなる群から選ばれる一種以上の高分子化合物である請求項1に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the solid polymer compound having an imidazole group is one or more polymer compounds selected from the group consisting of polybenzimidazole, polyimidazole, and polyvinylimidazole. 前記液状電解質が、液体リン酸、硫酸及びイオン液体からなる群から選ばれる一種以上である請求項1又は2に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the liquid electrolyte is at least one selected from the group consisting of liquid phosphoric acid, sulfuric acid, and an ionic liquid. 前記固体酸が、下記一般式(1)で表される金属リン酸塩である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜。
1-xx27 (1)
但し、上記一般式(1)中、xは0≦x<0.5であり、M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、N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。
The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid acid is a metal phosphate represented by the following general formula (1).
M 1-x N x P 2 O 7 (1)
However, in said general formula (1), x is 0 <= x <0.5, M is from Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al. N is a kind selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La, Sb, Y, Nb and Mg.
前記バインダーが、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及び炭化水素系イオノマーからなる群から選ばれる一種以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the binder is at least one selected from the group consisting of a fluorine-based polymer, a hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based ionomer, and a hydrocarbon-based ionomer. 請求項1〜5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 5 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1〜5のいずれか1項に記載の電解質膜と、一対の触媒層と、一対のガス拡散層とを備え、
前記電解質膜の両方の主面上に前記触媒層と前記ガス拡散層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膜電極接合体。
The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, a pair of catalyst layers, and a pair of gas diffusion layers,
The membrane electrode assembly, wherein the catalyst layer and the gas diffusion layer are respectively laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質膜と、一対の触媒層と、一対のガス拡散層と、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層と前記ガス拡散層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 5, a pair of catalyst layers, a pair of gas diffusion layers, and a pair of separators,
The fuel cell, wherein the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the separator are respectively laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane.
イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む電解質膜の製造方法であって、
イミダゾール基を有する固体高分子化合物を含む第2の層形成用樹脂組成物を用いて樹脂膜を形成した後、得られた樹脂膜に液状電解質を含浸させて第2の層を形成する工程と、
固体酸とバインダーを含む第1の層形成用電解質組成物を用いて得られた第2の層の両方の主面上に第1の層をそれぞれ形成する工程を含むことを特徴とする電解質膜の製造方法。
A method for producing an electrolyte membrane comprising a solid polymer compound having an imidazole group,
Forming a resin film using the second layer-forming resin composition containing a solid polymer compound having an imidazole group, and then impregnating the obtained resin film with a liquid electrolyte to form a second layer; ,
An electrolyte membrane comprising a step of respectively forming a first layer on both major surfaces of a second layer obtained by using a first layer-forming electrolyte composition containing a solid acid and a binder Manufacturing method.
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