JP3535942B2 - Proton conductor and electrochemical device using the same - Google Patents
Proton conductor and electrochemical device using the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、プロトンを伝導イ
オン種とするプロトン伝導体、さらにはこのプロトン伝
導体を用いた燃料電池などの電気化学素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a proton conductor having a proton as a conductive ion species, and an electrochemical device such as a fuel cell using the proton conductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】固体中をイオンが移動する物質は、電池
をはじめとする電気化学素子を構成する材料として精力
的に研究されており、現在Li+、Ag+、Cu+、H+、
F-など様々な伝導イオン種のイオン伝導体が見いださ
れている。中でもプロトン(H+)を伝導イオン種とす
るものは、下記に示すように燃料電池、エレクトロクロ
ミック表示素子など様々な電気化学素子への応用が期待
されている。水素を燃料とした燃料電池では、以下の式
(1)の反応が生じる。この反応により生成したプロト
ンは、電解質中を移動し、空気極で式(2)の反応によ
り消費される。すなわち、プロトン伝導体を電解質とし
て用いることにより、水素を燃料とする燃料電池を構成
することができることになる。2. Description of the Related Art A substance in which ions move in a solid has been vigorously studied as a material constituting an electrochemical device such as a battery, and currently Li + , Ag + , Cu + , H + ,
Ionic conductors of various conducting ion species such as F − have been found. Among them, those using proton (H + ) as a conductive ion species are expected to be applied to various electrochemical devices such as a fuel cell and an electrochromic display device as shown below. In a fuel cell using hydrogen as a fuel, the reaction of the following formula (1) occurs. The protons generated by this reaction move in the electrolyte and are consumed by the reaction of the formula (2) at the air electrode. That is, by using the proton conductor as the electrolyte, a fuel cell using hydrogen as a fuel can be constructed.
【0003】[0003]
【化1】 [Chemical 1]
【0004】現在では、プロトン伝導体としてイオン交
換膜を用いた高分子固体電解質型燃料電池の開発が盛ん
に行われており、据置用電源、電気自動車用の電源など
への応用が期待されている。酸化タングステン、酸化モ
リブデンなどの遷移金属酸化物は、結晶格子中のイオン
サイトへのプロトンの出入りにより色の変化が生じる。
例えば、酸化タングステンは淡黄色であるが、式(3)
で表される電気化学反応により、結晶格子中にプロトン
が挿入されて青色を呈する。この反応が可逆的に生じる
ため表示素子(エレクトロクロミック表示素子)あるい
は調光ガラスの材料となるが、その際には電解質として
プロトン伝導性のものを用いることが必要である。Currently, polymer solid oxide fuel cells using an ion exchange membrane as a proton conductor are being actively developed, and they are expected to be applied to stationary power sources, power sources for electric vehicles and the like. There is. In transition metal oxides such as tungsten oxide and molybdenum oxide, color change occurs due to protons entering and leaving the ion sites in the crystal lattice.
For example, tungsten oxide has a light yellow color, but has the formula (3)
By the electrochemical reaction represented by, protons are inserted into the crystal lattice, and a blue color is exhibited. Since this reaction occurs reversibly, it becomes a material for a display element (electrochromic display element) or a light control glass, and in that case, it is necessary to use a proton conductive material as an electrolyte.
【0005】[0005]
【化2】 [Chemical 2]
【0006】以上のように、プロトン伝導体を電解質と
して用いることにより、様々な電気化学素子を構成する
ことができる。このような電気化学素子を構成するため
に用いられるプロトン伝導体は、室温付近で高いプロト
ン伝導性を示すことが必要である。このようなプロトン
伝導体としては、ウラニルリン酸水和物あるいはモリブ
ドリン酸水和物などの無機物、あるいはフッ化ビニル系
高分子にパーフルオロスルフォン酸を含む側鎖のついた
高分子イオン交換膜などの有機物が知られている。As described above, various electrochemical devices can be constructed by using the proton conductor as the electrolyte. The proton conductor used for constructing such an electrochemical device is required to exhibit high proton conductivity near room temperature. Examples of such a proton conductor include an inorganic substance such as uranyl phosphate hydrate or molybdophosphoric acid hydrate, or a polymer ion exchange membrane having a side chain containing perfluorosulfonic acid in a vinyl fluoride polymer. Organics are known.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上記の無機プロトン伝
導体は、結晶水中のプロトンが伝導に寄与しているた
め、高温下では結晶水が脱離し、プロトン伝導性が低下
するという問題があった。プロトン伝導体を応用して得
られる電気化学素子としては、つぎに挙げるような燃料
電池、エレクトロクロミック表示素子などがある。燃料
電池は、据置用、電気自動車用などの比較的大電流を発
生するための電源としての用途が有望視されている。そ
のような用途には、大面積の固体電解質層を構成する必
要がある。また、エレクトロクロミック表示素子の利点
の一つは、視野角の広さである。エレクトロクロミック
表示素子は、液晶表示板のように偏光板を用いないた
め、広い角度から認識することができる。この特性よ
り、エレクトロクロミック素子は液晶表示素子などの他
の表示素子に比べて、大面積の表示を行う際に有効であ
る。このような用途に使用するためにも、電解質層の大
面積化は不可欠な技術となっている。The above-mentioned inorganic proton conductor has a problem that the proton in the crystal water contributes to conduction, so that the crystal water is desorbed at a high temperature and the proton conductivity is lowered. . Examples of the electrochemical device obtained by applying the proton conductor include the following fuel cells and electrochromic display devices. BACKGROUND ART Fuel cells are promising applications as a power source for generating a relatively large current for stationary use, electric vehicle use, and the like. For such applications, it is necessary to construct a large area solid electrolyte layer. Further, one of the advantages of the electrochromic display element is the wide viewing angle. Since the electrochromic display element does not use a polarizing plate like a liquid crystal display plate, it can be recognized from a wide angle. Due to this characteristic, the electrochromic device is more effective in displaying a large area than other display devices such as a liquid crystal display device. The large area of the electrolyte layer is an indispensable technology for use in such applications.
【0008】無機質の物質を薄膜状に形成する方法とし
ては、蒸着法、キャスト法などが挙げられる。しかしな
がら、蒸着法による薄膜形成法では、コストが高いもの
となる上に大面積の薄膜を得ることが困難である。キャ
スト法は、プロトン伝導体を含むゾルを基板上にキャス
トし、ゲル化することで大面積のプロトン伝導性薄膜を
得る方法であるが、このような方法で得られる薄膜には
溶媒が蒸発する際に形成される細孔が存在する。その結
果、例えばプロトン伝導体を燃料電池へ応用する際に
は、燃料電池の活物質が水素ならびに酸素の気体である
ため、これらの気体がプロトン伝導体ゲルの細孔を通過
してしまい、発電効率が低下する問題がある。As a method for forming an inorganic substance in a thin film form, a vapor deposition method, a casting method and the like can be mentioned. However, in the thin film forming method by the vapor deposition method, the cost is high and it is difficult to obtain a large area thin film. The casting method is a method in which a sol containing a proton conductor is cast on a substrate and gelated to obtain a large-area proton-conducting thin film, but the solvent is evaporated in the thin film obtained by such a method. There are pores formed at that time. As a result, when the proton conductor is applied to a fuel cell, for example, since the active material of the fuel cell is a gas of hydrogen and oxygen, these gases pass through the pores of the proton conductor gel, resulting in power generation. There is a problem of reduced efficiency.
【0009】このような課題を解決し、大面積の電解質
層を作製する一つの方法として、固体電解質粉末に可塑
性樹脂を加えて複合化する方法が提案されている。しか
しながら、先に述べた結晶水によりプロトン伝導が生じ
る化合物を可塑性樹脂と複合化した場合には、結晶水間
でのプロトンのホッピング運動が可塑性樹脂により阻害
されるため、プロトン伝導性が低下する。あるいは高温
において結晶水が脱離することでもプロトン伝導性が低
下するという問題があった。イオン交換膜は、比較的容
易に加工性に優れた大面積の膜が得られる利点がある。
しかし、現在のところ高価なものであり、さらに低コス
トのプロトン伝導体の開発が望まれていた。また、イオ
ン交換樹脂は、含水量が高い状態(数十%)でのみ高い
イオン伝導性を示すものであり、乾燥するとプロトン伝
導性が低下するという問題も有していた。本発明は、以
上の課題を解決し、プロトン伝導性に優れ、乾燥雰囲気
下でもプロトン伝導性の低下のないプロトン伝導体を提
供することを目的とするものである。As one method for solving such problems and producing an electrolyte layer having a large area, a method has been proposed in which a plastic resin is added to solid electrolyte powder to form a composite. However, when the above-described compound that causes proton conduction due to water of crystallization is combined with a plastic resin, the hopping motion of protons between water of crystallization is hindered by the plastic resin, so that the proton conductivity is lowered. Alternatively, desorption of water of crystallization at a high temperature has a problem that the proton conductivity is lowered. The ion exchange membrane has an advantage that a large-area membrane excellent in workability can be obtained relatively easily.
However, at present, it is expensive, and there has been a demand for the development of a lower cost proton conductor. Further, the ion exchange resin exhibits high ionic conductivity only in a state where the water content is high (several tens%), and there is a problem that the proton conductivity decreases when dried. An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a proton conductor having excellent proton conductivity and having no decrease in proton conductivity even in a dry atmosphere.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明のプロトン伝導体
は、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化合
物、およびスルホン基を側鎖に持つ重合体からなる結着
材より構成される。酸化ケイ素とブレーンステッド酸を
主体とする化合物としては、ゾル−ゲル法により合成さ
れたものが好ましい。ブレーンステッド酸としては、リ
ン酸またはその誘導体を用いることが好ましい。酸化ケ
イ素とブレーンステッド酸を主体とする化合物は、酸化
ケイ素とリン酸を主体とする化合物であり、この化合物
をリン酸とシリコンアルコキシドを含むゾルより合成す
る際にゾルに含まれるリン酸のシリコンアルコキシドに
対する混合比を、モル比で0.5以下とすることが好ま
しい。また、ブレーンステッド酸としては、過塩素酸ま
たはその誘導体を用いることが好ましい。本発明の電気
化学素子は、上記のいずれかのプロトン伝導体を用いて
構成される。本発明は、また、(A)ゾル−ゲル法によ
り、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化合
物の前駆体を得る工程、(B)前記前駆体を、加熱し
て、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化合
物を得る工程、(C)前記酸化ケイ素とブレーンステッ
ド酸を主体とする化合物を、スルホン基を側鎖として持
つ重合体を溶媒に溶解させた溶液と混合する工程、
(D)得られた混合物から前記溶媒を除去して、プロト
ン伝導体を得る工程を包含する、プロトン伝導体の製造
方法に関する。 The proton conductor of the present invention is a binder composed of a compound containing silicon oxide and Bronsted acid as a main component, and a polymer having a sulfone group as a side chain.
Composed of wood . The compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid is preferably one synthesized by a sol-gel method . As the Bronsted acid, phosphoric acid or its derivative is preferably used. A compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid is a compound mainly composed of silicon oxide and phosphoric acid, and when this compound is synthesized from a sol containing phosphoric acid and silicon alkoxide, silicon of phosphoric acid contained in the sol. The mixing ratio with respect to the alkoxide is preferably 0.5 or less. Moreover, as the Bronsted acid, it is preferable to use perchloric acid or a derivative thereof . The electrochemical device of the present invention is constituted by using any one of the above proton conductors. The present invention also relates to (A) the sol-gel method.
Is a compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid.
Obtaining a precursor of the product, (B) heating the precursor
A compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid.
(C) the silicon oxide and brain stain
Compounds containing sulfonic acid as a side chain
Mixing the polymer with a solution of the polymer in a solvent,
(D) removing the solvent from the resulting mixture to
Of a proton conductor, including the step of obtaining a proton conductor
Regarding the method.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】酸化ケイ素にブレーンステッド酸
を加えると、ブレーンステッド酸がプロトンのドナーと
して作用し、酸化ケイ素の表面には末端基として−OH
基が高濃度で結合した構造となる。この−OH基のプロ
トンがホッピング運動を行うため、高いプロトン伝導性
を示す。これまでに知られている酸化ケイ素を用いたプ
ロトン伝導体としては、硫酸を表面に担持したシリカゲ
ルが挙げられる。本発明により得られるプロトン伝導体
においては、ブレーンステッド酸の濃度により−OH基
による赤外線吸収スペクトルの位置に変化がみられる。
このことより、本発明によるプロトン伝導体は、単に酸
を表面に担持しただけのものではなく、酸化ケイ素とブ
レーンステッド酸が化合物を形成したものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION When a Bronsted acid is added to silicon oxide, the Bronsted acid acts as a proton donor, and the surface of silicon oxide has --OH as an end group.
The structure is such that groups are bound at a high concentration. Since the protons of this —OH group perform hopping motion, they show high proton conductivity. Examples of known proton conductors using silicon oxide include silica gel having sulfuric acid supported on the surface thereof. In the proton conductor obtained by the present invention, the position of the infrared absorption spectrum by the —OH group changes depending on the concentration of Bronsted acid.
From this, the proton conductor according to the present invention is not only one in which an acid is supported on the surface, but one in which silicon oxide and a Bronsted acid form a compound.
【0012】また、結晶水によりプロトン伝導が生じる
物質を用いた場合には、乾燥雰囲気下では結晶水を失う
ことにより、プロトン伝導性が低下する。それに対し
て、本発明によるプロトン伝導体においては、プロトン
伝導は酸化ケイ素表面に結合した−OH基を中心に起こ
る。このように化学結合した−OH基は、乾燥雰囲気下
でも脱離しにくいため、プロトン伝導性の低下はほとん
ど生じない。しかしながら、このような酸化ケイ素とブ
レーンステッド酸より得られたプロトン伝導体は、堅く
脆い固体状のものであり、さらに粉砕した場合の粉末粒
子は成型性に乏しいものであるため、実用素子へ応用す
るためには結着材との複合化などによりプロトン伝導体
の成型性・加工性を高める必要がある。ここで結着材と
して用いられる物質としては、プロトン伝導性を妨げな
い物質を用いる必要がある。スルホン基を側鎖に持つ重
合体を結着材として用いることにより、酸化ケイ素表面
に結合した−OH基のプロトンが、スルホン基の−SO
3 -を介して移動することができ、高いプロトン伝導性を
保ったまま高い成型性、加工性を付与することができ
る。ここで用いられるスルホン基を側鎖に持つ重合体と
しては、例えば式(4)で表されるスルホン化したポリ
イソプレンなどが用いられる。Further, when a substance which causes proton conduction due to water of crystallization is used, the water of crystallization is lost in a dry atmosphere, so that the proton conductivity is lowered. On the other hand, in the proton conductor according to the present invention, proton conduction mainly occurs at the —OH group bonded to the silicon oxide surface. Since the —OH group chemically bonded in this way is hard to be desorbed even in a dry atmosphere, the proton conductivity is hardly reduced. However, since the proton conductor obtained from such silicon oxide and Bronsted acid is a hard and brittle solid, and the powder particles when pulverized have poor moldability, they are applied to practical devices. In order to do so, it is necessary to improve the moldability and workability of the proton conductor by combining it with a binder. Here, as the substance used as the binder, it is necessary to use a substance that does not interfere with the proton conductivity. By using a polymer having a sulfone group as a side chain as a binder, the proton of the —OH group bonded to the surface of silicon oxide becomes a —SO of the sulfone group.
3 - can move through, while high moldability maintaining high proton conductivity, it is possible to impart processability. As the polymer having a sulfone group in its side chain used here, for example, a sulfonated polyisoprene represented by the formula (4) is used.
【0013】[0013]
【化3】 [Chemical 3]
【0014】また、酸化ケイ素に結合した−OH基のほ
とんどは酸化ケイ素表面に存在する。ゾル−ゲル法によ
り合成された、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体
とする化合物は、高表面積のものとなり、−OH基の密
度を高いものとすることができる。その結果、プロトン
伝導性が優れたものとなることから、酸化ケイ素とブレ
ーンステッド酸を主体とする化合物の合成法としては、
ゾル−ゲル法が好ましく用いられる。さらに、上記のゾ
ル−ゲル法により得られた、酸化ケイ素とブレーンステ
ッド酸を主体とする化合物には、微孔中に溶液が存在し
ており、ブレーンステッド酸はこの溶液中に存在する。
そのため、温度や大気中の水蒸気圧の変化により溶液の
組成が変化し、プロトン伝導性が変化するなど、特性が
不安定となりやすい。100℃以上の温度で加熱するこ
とにより、微孔中に存在する水分が取り除かれ、ブレー
ンステッド酸がアモルファスの骨格に結合した構造とな
り、その結果、特性が安定化する。例えば、ブレーンス
テッド酸としてリン酸を用い、酸化ケイ素とリン酸を主
体とする化合物を得る際に、100℃より低い温度で熱
処理したものでは、その赤外吸収スペクトルにPO4 3-
に帰属される吸収ピークが現れ、化合物の微孔中にリン
酸水溶液が存在しているものと考えられる。それに対し
て、さらに高い熱処理温度で加熱した場合、PO4 3-に
帰属される吸収ピークの強度は低下し、それにともない
Si−O−Pの構造に帰属される吸収ピークが現れる。
これは、用いたリン酸がアモルファスの骨格に結合した
ことを示唆している。その結果、化合物の構造、特性が
安定化される。また、加熱温度が200℃を超える場合
には、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化
合物が、脱水反応により分解し、結晶化することによ
り、プロトン伝導性が低下する。以上のことより、プロ
トン伝導性を低下させずにプロトン伝導体の特性を安定
化するために、ゾル−ゲル法により合成された、酸化ケ
イ素とブレーンステッド酸を主体とする化合物の前駆体
を、100℃以上200℃以下の温度で加熱することが
望ましい。Most of the --OH groups bonded to silicon oxide are present on the surface of silicon oxide. The compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid, which is synthesized by the sol-gel method, has a high surface area and can have a high density of —OH groups. As a result, since the proton conductivity will be excellent, as a method for synthesizing the compound mainly containing silicon oxide and Bronsted acid,
The sol-gel method is preferably used. Further, the compound containing silicon oxide and Bronsted acid as a main component obtained by the sol-gel method has a solution in the micropores, and the Bronsted acid is present in this solution.
For this reason, the composition of the solution changes due to changes in temperature and water vapor pressure in the atmosphere, and the proton conductivity changes, and the characteristics tend to become unstable. By heating at a temperature of 100 ° C. or higher, water present in the micropores is removed, and a structure in which the Bronsted acid is bonded to the amorphous skeleton is formed, and as a result, the characteristics are stabilized. For example, when phosphoric acid is used as the Bronsted acid and a compound mainly containing silicon oxide and phosphoric acid is heat-treated at a temperature lower than 100 ° C., its infrared absorption spectrum shows PO 4 3-
It is considered that the absorption peak attributed to (1) appears, and the aqueous phosphoric acid solution is present in the micropores of the compound. The other hand, if it was heated at a higher heat treatment temperature, PO 4 intensity of the absorption peak attributed to 3 drops, absorption peak appears to be attributable to the structure of accompanying Si-O-P to it.
This suggests that the phosphoric acid used was bound to the amorphous skeleton. As a result, the structure and characteristics of the compound are stabilized. If the heating temperature exceeds 200 ° C., the compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid is decomposed by the dehydration reaction and crystallized, so that the proton conductivity is lowered. From the above, in order to stabilize the characteristics of the proton conductor without lowering the proton conductivity, a precursor of a compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid, which was synthesized by the sol-gel method.
And it is desirable to heat at a temperature of 100 ° C. or higher 200 ° C..
【0015】また、リン酸あるいはその誘導体は3価の
ブレーンステッド酸であり、この酸を用いてプロトン伝
導体を合成した場合にはプロトン濃度が高いものとな
り、高いイオン伝導性を示すプロトン伝導体が得られ
る。従って、ブレーンステッド酸としては、リン酸ある
いはその誘導体が特に好ましく用いられる。酸化ケイ素
とプレーンステッド酸を主体とした化合物において、ブ
レーンステッド酸の含有量が多いほど、得られた化合物
中の−OH濃度が高いものとなり、高いプロトン伝導性
を示す。しかしながら、ブレーンステッド酸としてリン
酸を用いた場合、リン酸の含有量が余りにも高い場合に
は、得られた化合物が潮解性を示し、多湿雰囲気で膨潤
するなどし、その加工性、成型性が低下する。その上、
プロトン伝導体の電気特性が変化するため、これを用い
た電気化学素子の特性が低下する。そのため、酸化ケイ
素とブレーンステッド酸を主体とする化合物を、リン酸
とシリコンアルコキシドを含むゾルより合成する際に、
ゾルに含まれるリン酸のシリコンアルコキシドに対する
混合比を、モル比で0.5以下とし、得られる化合物が
潮解性を示さないものとすることが好ましい。また、過
塩素酸はプロトンドナーとしての作用が強いため、酸化
ケイ素に対するドーパントとしてこのブレーンステッド
酸を用いた場合、合成されたプロトン伝導体のプロトン
伝導性が高いものとなる。このことより、ブレーンステ
ッド酸としては過塩素酸が特に好ましく用いられる。ま
た、このようにして得られたプロトン伝導体は、比較的
容易に大面積の薄膜状に形成することができるため、電
気化学素子用の電解質として有効である。Phosphoric acid or its derivative is a trivalent Bronsted acid, and when a proton conductor is synthesized using this acid, the proton concentration becomes high and the proton conductor showing high ionic conductivity. Is obtained. Therefore, phosphoric acid or its derivative is particularly preferably used as the Bronsted acid. In a compound mainly composed of silicon oxide and plainsted acid, the higher the content of Bronsted acid, the higher the -OH concentration in the obtained compound, and high proton conductivity. However, when phosphoric acid is used as the Bronsted acid, if the content of phosphoric acid is too high, the resulting compound exhibits deliquescent and swells in a humid atmosphere, resulting in its processability and moldability. Is reduced. Moreover,
Since the electric characteristics of the proton conductor change, the characteristics of the electrochemical device using the same deteriorate. Therefore, when synthesizing a compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid from a sol containing phosphoric acid and silicon alkoxide,
It is preferable that the mixing ratio of phosphoric acid contained in the sol to the silicon alkoxide is 0.5 or less so that the resulting compound does not exhibit deliquescent property. Further, since perchloric acid has a strong action as a proton donor, when this Bronsted acid is used as a dopant for silicon oxide, the synthesized proton conductor has high proton conductivity. From this, perchloric acid is particularly preferably used as the Bronsted acid. Further, the proton conductor thus obtained can be formed into a thin film having a large area relatively easily, and is therefore effective as an electrolyte for an electrochemical device.
【0016】[0016]
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
《実施例1》本実施例においては、酸化ケイ素とブレー
ンステッド酸を主体とする化合物としてリン酸をドープ
したシリカゲル、スルホン基を側鎖に持つ重合体として
スルホン化したポリイソプレンをそれぞれ用い、プロト
ン伝導体を作製した例について説明する。まず、リン酸
をドープしたシリカゲルを以下の方法により合成した。
シリカゲルを合成するための出発物質としては、テトラ
エトキシシラン(以下、TEOSで表す)を用い、エタノー
ルで希釈した。この時、TEOSとエタノールの混合比はモ
ル比で1:4となるようにした。この溶液に、さらにTE
OSに対してモル比で8の純水、TEOSに対してHClがモ
ル比で0.01となる量の3.6wt%塩酸水溶液、お
よびTEOSに対してモル比で0.01のテトラエチルアン
モニウムテトラフルオロボレートを加え、5分間攪拌し
た。その後、85wt%リン酸水溶液をTEOS:H3PO4
=1:0.5となるように加え、密閉容器中で3時間攪
拌した。次に、5時間放置してゲル化した後、150℃
で2時間加熱した。こうしてリン酸をドープしたシリカ
ゲルを得た。EXAMPLES Examples of the present invention will be described in detail below. Example 1 In this example, silica gel doped with phosphoric acid as a compound mainly containing silicon oxide and Bronsted acid, sulfonated polyisoprene as a polymer having a sulfone group as a side chain were used, and a proton was used. An example of producing a conductor will be described. First, silica gel doped with phosphoric acid was synthesized by the following method.
Tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS) was used as a starting material for synthesizing silica gel, and diluted with ethanol. At this time, the mixing ratio of TEOS and ethanol was set to a molar ratio of 1: 4. Add TE to this solution.
Pure water with a molar ratio of 8 to OS, a 3.6 wt% hydrochloric acid aqueous solution with a molar ratio of HCl to TEOS of 0.01, and tetraethylammonium tetrachloride with a molar ratio of 0.01 to TEOS. Fluoroborate was added and stirred for 5 minutes. Then, 85 wt% phosphoric acid aqueous solution was added to TEOS: H 3 PO 4
= 1: 0.5, and the mixture was stirred in a closed container for 3 hours. Next, let stand for 5 hours to gel, and then 150 ℃
Heated for 2 hours. Thus, silica gel doped with phosphoric acid was obtained.
【0017】スルホン化したポリイソプレンとしては、
スルホン化率(ポリマー中の全モノマー単位における、
スルホン化したモノマー単位のモル分率)が、5,1
0,30,50%のものを用いた。また、比較のため
に、スルホン化していないポリイソプレンも用いた。こ
れらのスルホン化したポリイソプレンを、スルホン化率
が0%のものについてはジオキサン、スルホン化率が5
%および10%のものについてはトルエン、スルホン化
率が30%および50%のものについては水にそれぞれ
溶解させた。以上のようにして得たリン酸をドープした
シリカゲルを粉砕し、スルホン化したイソプレンの溶液
中で攪拌した。ただし、シリカゲルとスルホン化したイ
ソプレンの比が重量比で20:1となるようにした。最
後に、攪拌しつつ溶媒を揮発させ、プロトン伝導体を得
た。As the sulfonated polyisoprene,
Sulfonation rate (in all monomer units in the polymer,
The molar fraction of the sulfonated monomer units) is 5,1
The thing of 0,30,50% was used. For comparison, non-sulfonated polyisoprene was also used. For these sulfonated polyisoprenes, those having a sulfonation rate of 0% have dioxane and sulfonation rates of 5%.
% And 10% were dissolved in toluene, and those having a sulfonation rate of 30% and 50% were dissolved in water. The phosphoric acid-doped silica gel obtained as described above was ground and stirred in a solution of sulfonated isoprene. However, the weight ratio of silica gel to sulfonated isoprene was set to 20: 1. Finally, the solvent was volatilized with stirring to obtain a proton conductor.
【0018】このようにして得たプロトン伝導体のイオ
ン伝導度を以下の方法で測定した。プロトン伝導体20
0mgを直径10mmのペレット状に加圧成形し、その
両面に金箔を圧接し伝導度測定用の電極とした。このよ
うにして構成した電気化学セルを用い、交流インピーダ
ンス法により各温度におけるこれらのプロトン伝導体の
イオン伝導度を測定した。その結果を図1に示す。この
結果より、用いたイソプレンのスルホン化率が高いほど
イオン伝導度は高い値を示しており、結着材としてスル
ホン化したイソプレンを用いることにより、高いイオン
伝導性を有するプロトン伝導体を得ることができること
がわかった。また、このプロトン伝導体を、乾燥剤とし
て五酸化二リンを入れたデシケーター中に入れ、100
℃の温度で7日間保存し、その後イオン伝導度を測定し
たところ、伝導度の低下はほとんど観測されなかった。
以上のように本発明によると、高いイオン伝導性を示
し、乾燥雰囲気下でもイオン伝導度の低下のないプロト
ン伝導体が得られることがわかった。The ionic conductivity of the thus obtained proton conductor was measured by the following method. Proton conductor 20
0 mg was pressure-molded into a pellet having a diameter of 10 mm, and gold foil was pressed against both surfaces of the pellet to obtain an electrode for conductivity measurement. The ionic conductivity of these proton conductors at each temperature was measured by the AC impedance method using the electrochemical cell configured in this manner. The result is shown in FIG. From these results, the higher the sulfonation rate of the isoprene used is, the higher the ionic conductivity is, and by using the sulfonated isoprene as the binder, it is possible to obtain a proton conductor having high ionic conductivity. I found that The proton conductor was placed in a desiccator containing diphosphorus pentoxide as a desiccant to obtain 100
When stored at a temperature of ° C for 7 days and then measured for ionic conductivity, almost no decrease in conductivity was observed.
As described above, according to the present invention, it was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0019】《実施例2》本実施例においては、酸化ケ
イ素とブレーンステッド酸を主体とする化合物の加熱温
度を変化させた以外は、実施例1と同様の方法でプロト
ン伝導体を作製した。まず、リン酸をドープしたシリカ
ゲルを以下の方法により合成した。実施例1と同様に、
テトラエトキシシラン(TEOS)をエタノールで希釈した
溶液に、純水、3.6wt%塩酸水溶液、およびテトラ
エチルアンモニウムテトラフルオロボレートを加え、攪
拌した後、85wt%リン酸水溶液を加え、密閉容器中
で攪拌した。次いで、5時間放置してゲル化した後、6
0℃〜250℃の温度で2時間加熱した。こうしてリン
酸をドープしたシリカゲルを得た。また、比較のために
加熱処理を行わず、リン酸をドープしたシリカゲルを得
た。スルホン化したポリイソプレンとしては、実施例1
で用いたもののうちスルホン化率が50%のものを用い
た。Example 2 In this example, a proton conductor was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature of the compound mainly containing silicon oxide and Bronsted acid was changed. First, silica gel doped with phosphoric acid was synthesized by the following method. Similar to Example 1,
To a solution of tetraethoxysilane (TEOS) diluted with ethanol, pure water, 3.6 wt% hydrochloric acid aqueous solution and tetraethylammonium tetrafluoroborate were added and stirred, then 85 wt% phosphoric acid aqueous solution was added and stirred in a closed container. did. Then, after leaving for 5 hours to gel, 6
It was heated at a temperature of 0 ° C to 250 ° C for 2 hours. Thus, silica gel doped with phosphoric acid was obtained. For comparison, heat treatment was not performed, and silica gel doped with phosphoric acid was obtained. As the sulfonated polyisoprene, Example 1 was used.
The one having a sulfonation rate of 50% was used.
【0020】以上のようにして得たリン酸をドープした
シリカゲルを粉砕し、スルホン化したイソプレンの水溶
液中で攪拌した。ただし、シリカゲルとスルホン化した
イソプレンの比が重量比で20:1となるようにした。
最後に、攪拌しつつ溶媒を揮発させ、プロトン伝導体を
得た。このようにして得たプロトン伝導体のイオン伝導
度を実施例1と同様の方法で測定した。その結果得られ
た室温でのイオン伝導度とリン酸をドープしたシリカゲ
ルの加熱温度の関係を図2に示す。ただし、図2中にお
いて、加熱処理を行わなかったシリカゲルを用いた結果
については、熱処理温度を室温の25℃として示してい
る。この結果より、加熱温度が200℃以下の場合にイ
オン伝導度は10-4S/cmを超える高い値を示してお
り、加熱温度を200℃以下とすることにより、高いイ
オン伝導性を有するプロトン伝導体を得ることができる
ことがわかった。また、このプロトン伝導体を、乾燥剤
として五酸化二リンを入れたデシケーター中に入れ、1
00℃で7日間保存し、その後イオン伝導度を測定した
ところ、100℃以上で加熱処理を行ったものについて
は伝導度の低下はほとんど観測されなかった。一方、加
熱処理を行わなかったもの、および60℃で加熱処理を
行ったものについては、1〜2桁のイオン伝導度の低下
が見られた。以上のように、ゾル−ゲル法により合成さ
れた酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化合
物の加熱温度を100℃以上200℃以下とする本発明
によると、高いイオン伝導性を示し、かつ乾燥雰囲気下
でもイオン伝導度の低下のないプロトン伝導体が得られ
ることがわかった。The silica gel doped with phosphoric acid obtained as described above was ground and stirred in an aqueous solution of sulfonated isoprene. However, the weight ratio of silica gel to sulfonated isoprene was set to 20: 1.
Finally, the solvent was volatilized with stirring to obtain a proton conductor. The ionic conductivity of the thus obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1. The relationship between the resulting ionic conductivity at room temperature and the heating temperature of phosphoric acid-doped silica gel is shown in FIG. However, in FIG. 2, the heat treatment temperature is shown as 25 ° C., which is room temperature, for the results obtained using silica gel that has not been heat-treated. From these results, the ionic conductivity shows a high value exceeding 10 −4 S / cm when the heating temperature is 200 ° C. or lower, and by setting the heating temperature to 200 ° C. or lower, protons having high ionic conductivity are obtained. It has been found that a conductor can be obtained. The proton conductor was placed in a desiccator containing diphosphorus pentoxide as a desiccant, and 1
When the sample was stored at 00 ° C. for 7 days and then the ionic conductivity was measured, almost no decrease in conductivity was observed for the sample that was heat-treated at 100 ° C. or higher. On the other hand, a decrease in ionic conductivity of one to two orders of magnitude was observed for those that were not heat-treated and those that were heat-treated at 60 ° C. As described above, according to the present invention in which the heating temperature of the compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid synthesized by the sol-gel method is 100 ° C. or more and 200 ° C. or less, high ionic conductivity is exhibited and drying is performed. It was found that a proton conductor having no decrease in ionic conductivity can be obtained even in an atmosphere.
【0021】《実施例3》本実施例においては、酸化ケ
イ素とブレーンステッド酸を主体とする化合物を得る際
のTEOSとH3PO4の混合比を変化させた以外は、実施例
1と同様の方法でプロトン伝導体を作製した。まず、リ
ン酸をドープしたシリカゲルを以下の方法により合成し
た。実施例1と同様に、テトラエトキシシラン(TEOS)
をエタノールで希釈した溶液に、純水、3.6wt%塩
酸水溶液、およびテトラエチルアンモニウムテトラフル
オロボレートを加え、攪拌した。その後、85wt%リ
ン酸水溶液をTEOS:H3PO4=1:0.2〜1.0とな
るように加え、密閉容器中で3時間攪拌した。次いで、
5時間放置してゲル化した後、150℃の温度で2時間
加熱して、リン酸をドープしたシリカゲルを得た。スル
ホン化したポリイソプレンとしては、実施例1で用いた
もののうちスルホン化率が50%のものを用いた。Example 3 This example is the same as Example 1 except that the mixing ratio of TEOS and H 3 PO 4 at the time of obtaining a compound mainly containing silicon oxide and Bronsted acid was changed. A proton conductor was produced by the method described in 1. First, silica gel doped with phosphoric acid was synthesized by the following method. As in Example 1, tetraethoxysilane (TEOS)
Pure water, a 3.6 wt% hydrochloric acid aqueous solution, and tetraethylammonium tetrafluoroborate were added to the solution diluted with ethanol and stirred. Thereafter, a 85 wt% phosphoric acid aqueous solution TEOS: H 3 PO 4 = 1 : 0.2~1.0 become so, and the mixture was stirred for 3 hours in a closed vessel. Then
After leaving it for 5 hours for gelation, it was heated at a temperature of 150 ° C. for 2 hours to obtain silica gel doped with phosphoric acid. As the sulfonated polyisoprene, one having a sulfonation rate of 50% among those used in Example 1 was used.
【0022】以上のようにして得たリン酸をドープした
シリカゲルを粉砕し、スルホン化したイソプレンの水溶
液中で攪拌した。ただし、シリカゲルとスルホン化した
イソプレンの比が重量比で20:1となるようにした。
最後に、攪拌しつつ溶媒を揮発させ、プロトン伝導体を
得た。このようにして得たプロトン伝導体のイオン伝導
度を実施例1と同様の方法で測定した。その結果得られ
た室温でのイオン伝導度とリン酸をドープしたシリカゲ
ルを得る際に用いたゾル中のTEOSとリン酸の比(H3P
O4/TEOS)の関係を図3に示す。この結果より、ゾル
中のリン酸濃度が高いほど、高いプロトン伝導性を示す
プロトン伝導体を得ることができることがわかった。つ
づいて、これらのプロトン伝導体を80℃、相対湿度8
0%の恒温恒湿槽中で保存し、その経時変化を観察し
た。その結果、H3PO4/TEOS≧0.75のものについ
ては、プロトン伝導体が膨潤し、プロトン伝導体の機械
的強度が極端に低下した。これに対して、H3PO4/TE
OS≦0.5のものについては、外観上も変化が見られ
ず、さらに保存後のイオン伝導度を測定したところ、プ
ロトン伝導性についても大きな変化は見られなかった。
以上のように、リン酸をドープしたシリカゲルを得る際
に用いたゾル中のTEOSとリン酸の比をH3PO4/TEOS≦
0.5とする本発明によると、高いイオン伝導性を示
し、かつ大気中の水分に対しても安定なプロトン伝導体
が得られることがわかった。The silica gel doped with phosphoric acid obtained as described above was ground and stirred in an aqueous solution of sulfonated isoprene. However, the weight ratio of silica gel to sulfonated isoprene was set to 20: 1.
Finally, the solvent was volatilized with stirring to obtain a proton conductor. The ionic conductivity of the thus obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1. The resulting ionic conductivity at room temperature and the ratio of TEOS to phosphoric acid (H 3 P in the sol used in obtaining the silica gel doped with phosphoric acid)
The relationship of O 4 / TEOS) is shown in FIG. From these results, it was found that the higher the phosphoric acid concentration in the sol, the more proton conductive material having high proton conductivity can be obtained. Next, these proton conductors were heated at 80 ° C and relative humidity of 8
The sample was stored in a 0% constant temperature and humidity chamber, and its change with time was observed. As a result, regarding H 3 PO 4 /TEOS≧0.75, the proton conductor swelled and the mechanical strength of the proton conductor was extremely lowered. On the other hand, H 3 PO 4 / TE
For OS ≦ 0.5, no change in appearance was observed, and when the ionic conductivity after storage was measured, no significant change was observed in proton conductivity.
As described above, the ratio of TEOS to phosphoric acid in the sol used for obtaining the silica gel doped with phosphoric acid is H 3 PO 4 / TEOS ≦
According to the present invention in which the ratio is 0.5, it was found that a proton conductor exhibiting high ionic conductivity and stable to moisture in the atmosphere can be obtained.
【0023】《実施例4》本実施例においては、ブレー
ンステッド酸として実施例1で用いたリン酸に代えて過
塩素酸を用いてプロトン伝導体を合成した例について説
明する。実施例1と同様に、TEOSをエタノールで希釈し
たものに、純水、塩酸、および過塩素酸を加えた。この
時、TEOSとエタノール、純水、塩酸の混合割合は、モル
比で1:8:4:0.05となるようにした。この溶液
に、生成すると考えられる過塩素酸をドープしたシリカ
ゲルの重量に対し20%となるように過塩素酸を加え、
室温で3時間攪拌の後、5時間ゲル化し、最後に150
℃で2時間減圧乾燥した。こうして過塩素酸をドープし
たシリカゲルを得た。スルホン化したポリイソプレンと
しては、実施例1で用いたものを用いた。上記で得た過
塩素酸をドープしたシリカゲルに、実施例1と同様の方
法でスルホン化したイソプレンを加え、プロトン伝導体
を得た。Example 4 In this example, an example in which a proton conductor is synthesized by using perchloric acid instead of the phosphoric acid used in Example 1 as the Bronsted acid will be described. As in Example 1, pure water, hydrochloric acid, and perchloric acid were added to TEOS diluted with ethanol. At this time, the mixing ratio of TEOS, ethanol, pure water, and hydrochloric acid was set to a molar ratio of 1: 8: 4: 0.05. To this solution, perchloric acid was added so as to be 20% with respect to the weight of silica gel doped with perchloric acid which is considered to be produced,
Stir at room temperature for 3 hours, then gel for 5 hours and finally 150
It was dried under reduced pressure at ℃ for 2 hours. Thus, silica gel doped with perchloric acid was obtained. As the sulfonated polyisoprene, the one used in Example 1 was used. Sulfonated isoprene was added to the silica gel doped with perchloric acid obtained above in the same manner as in Example 1 to obtain a proton conductor.
【0024】このようにして得たプロトン伝導体のイオ
ン伝導度を実施例1と同様の方法で測定した結果、イオ
ン伝導率はポリイソプレンのスルホン化率が高いものと
なるにつれて高い値を示し、スルホン化率が50%のポ
リイソプレンを用いた場合の室温でのイオン伝導度は
3.2×10-4S/cmの値を示した。また、実施例1
と同様に乾燥雰囲気下で保存した場合も伝導度の低下は
観測されなかった。以上のように本発明によると、高い
イオン伝導性を示し、乾燥雰囲気下でもイオン伝導度の
低下のないプロトン伝導体が得られることがわかった。As a result of measuring the ionic conductivity of the thus obtained proton conductor by the same method as in Example 1, the ionic conductivity shows a higher value as the sulfonation rate of polyisoprene becomes higher, When polyisoprene having a sulfonation ratio of 50% was used, the ionic conductivity at room temperature showed a value of 3.2 × 10 −4 S / cm. In addition, Example 1
Similarly to the above, no decrease in conductivity was observed when stored in a dry atmosphere. As described above, according to the present invention, it was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0025】《実施例5》本実施例においては、ブレー
ンステッド酸として実施例1で用いたリン酸に代えてリ
ン酸誘導体の一つであるリンタングステン酸(H3PW
12O40・29H2O)を用いてプロトン伝導体を合成し
た例について説明する。リンタングステン酸をドープし
たシリカゲルは、過塩素酸に代えてリンタングステン酸
を用いた以外は実施例4と同様の方法で合成した。ただ
し、TEOS、エタノール、純水、および塩酸の混合溶液に
リンタングステン酸を加える際には、生成すると考えら
れるリンモリブデン酸をドープしたシリカゲルの重量に
対し、リンタングステン酸の重量が45%になるように
加えた。スルホン化したポリイソプレンとしては、実施
例1で用いたものを用いた。上記で得たリンタングステ
ン酸をドープしたシリカゲルに、実施例1と同様の方法
でスルホン化したイソプレンを加え、プロトン伝導体を
得た。Example 5 In this example, instead of the phosphoric acid used in Example 1 as the Bronsted acid, phosphotungstic acid (H 3 PW), which is one of the phosphoric acid derivatives, was used.
An example in which a proton conductor is synthesized using 12 O 40 .29H 2 O) will be described. Silica gel doped with phosphotungstic acid was synthesized by the same method as in Example 4 except that phosphotungstic acid was used instead of perchloric acid. However, when phosphotungstic acid is added to a mixed solution of TEOS, ethanol, pure water, and hydrochloric acid, the weight of phosphotungstic acid becomes 45% with respect to the weight of silica gel doped with phosphomolybdic acid which is considered to be generated. So added. As the sulfonated polyisoprene, the one used in Example 1 was used. Sulfonated isoprene was added to the silica gel doped with phosphotungstic acid obtained above in the same manner as in Example 1 to obtain a proton conductor.
【0026】このようにして得たプロトン伝導体のイオ
ン伝導度を実施例1と同様の方法で測定した結果、イオ
ン伝導率はポリイソプレンのスルホン化率が高いものと
なるにつれて高い値を示し、スルホン化率が50%のポ
リイソプレンを用いた場合の室温でのイオン伝導度は
1.1×10-4S/cmの値を示した。また、実施例1
と同様に乾燥雰囲気下で保存した場合も伝導度の低下は
観測されなかった。以上のように本発明によると、高い
イオン伝導性を示し、乾燥雰囲気下でもイオン伝導度の
低下のないプロトン伝導体が得られることがわかった。The ionic conductivity of the thus obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1. As a result, the ionic conductivity showed a higher value as the sulfonation ratio of polyisoprene increased. When polyisoprene having a sulfonation rate of 50% was used, the ionic conductivity at room temperature showed a value of 1.1 × 10 −4 S / cm. In addition, Example 1
Similarly to the above, no decrease in conductivity was observed when stored in a dry atmosphere. As described above, according to the present invention, it was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0027】《実施例6》本実施例においては、ブレー
ンステッド酸として実施例5で用いたリンタングステン
酸に代えてリン酸誘導体の一つであるリンモリブデン酸
(H3PMo12O4 0・29H2O)を用いた以外は、実施
例5と同様の方法でプロトン伝導体を合成し、そのイオ
ン伝導性を調べた。その結果、イオン伝導率はポリイソ
プレンのスルホン化率が高いものとなるにつれて高い値
を示し、スルホン化率が50%のポリイソプレンを用い
た場合の室温でのイオン伝導度は8.6×10-5S/c
mの値を示した。また、実施例1と同様に乾燥雰囲気下
で保存した場合も伝導度の低下は観測されなかった。以
上のように本発明によると、高いイオン伝導性を示し、
乾燥雰囲気下でもイオン伝導度の低下のないプロトン伝
導体が得られることがわかった。Example 6 In this example, instead of the phosphotungstic acid used in Example 5 as the Bronsted acid, phosphomolybdic acid (H 3 PMo 12 O 4 0. 29H 2 O) was used, and a proton conductor was synthesized in the same manner as in Example 5, and its ionic conductivity was examined. As a result, the ionic conductivity shows a higher value as the sulfonation rate of polyisoprene becomes higher, and the ionic conductivity at room temperature when polyisoprene having a sulfonation rate of 50% is used is 8.6 × 10. -5 S / c
The value of m is shown. Also, when the sample was stored in a dry atmosphere as in Example 1, no decrease in conductivity was observed. As described above, according to the present invention, high ionic conductivity is exhibited,
It was found that a proton conductor having no decrease in ionic conductivity can be obtained even in a dry atmosphere.
【0028】《実施例7》本実施例においては、酸化ケ
イ素を生成する原材料として実施例1で用いたTEOSに代
えてシリコンイソプロポキシドを用いた以外は、実施例
1と同様の方法でプロトン伝導体を合成した。このよう
にして得たプロトン伝導体のイオン伝導度を実施例1と
同様の方法で測定した結果、イオン伝導率はポリイソプ
レンのスルホン化率が高いものとなるにつれて高い値を
示し、スルホン化率が50%のポリイソプレンを用いた
場合の室温でのイオン伝導度は1.4×10-4S/cm
の値を示した。また、実施例1と同様に乾燥雰囲気下で
保存した場合も伝導度の低下は観測されなかった。以上
のように本発明によると、高いイオン伝導性を示し、乾
燥雰囲気下でもイオン伝導度の低下のないプロトン伝導
体が得られることがわかった。Example 7 In this example, a proton was prepared in the same manner as in Example 1 except that silicon isopropoxide was used as the raw material for producing silicon oxide instead of TEOS used in Example 1. A conductor was synthesized. The ionic conductivity of the thus obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1. As a result, the ionic conductivity showed a higher value as the sulfonation rate of polyisoprene was higher, and the sulfonation rate was higher. Ionic conductivity at room temperature is 1.4 × 10 -4 S / cm when 50% polyisoprene is used.
The value of was shown. Also, when the sample was stored in a dry atmosphere as in Example 1, no decrease in conductivity was observed. As described above, according to the present invention, it was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0029】《実施例8》本実施例においては、スルホ
ン基を側鎖に持つ重合体であるスルホン化したポリイソ
プレンの量を変化させた以外は実施例1と同様の方法で
プロトン伝導体を得た。リン酸をドープしたシリカゲル
は、実施例1と同様の方法で合成した。このシリカゲル
にスルホン化したイソプレンとシリカゲルの重量比が
1:50となるようにスルホン化したポリイソプレンの
溶液を加え、攪拌しつつ溶媒を揮発させ、プロトン伝導
体を得た。このようにして得たプロトン伝導体のイオン
伝導度を実施例1と同様の方法で測定した結果、イオン
伝導率はポリイソプレンのスルホン化率が高いものとな
るにつれて高い値を示し、スルホン化率が50%のポリ
イソプレンを用いた場合の室温でのイオン伝導度は1.
8×10-4S/cmの値を示した。また、実施例1と同
様に乾燥雰囲気下で保存した場合も伝導度の低下は観測
されなかった。以上のように本発明によると、高いイオ
ン伝導性を示し、乾燥雰囲気下でもイオン伝導度の低下
のないプロトン伝導体が得られることがわかった。Example 8 In this example, a proton conductor was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of sulfonated polyisoprene, which is a polymer having a sulfone group in its side chain, was changed. Obtained. The phosphoric acid-doped silica gel was synthesized in the same manner as in Example 1. A solution of sulfonated polyisoprene was added to this silica gel so that the weight ratio of sulfonated isoprene and silica gel was 1:50, and the solvent was volatilized while stirring to obtain a proton conductor. The ionic conductivity of the thus obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1. As a result, the ionic conductivity showed a higher value as the sulfonation rate of polyisoprene was higher, and the sulfonation rate was higher. When using 50% of polyisoprene, the ionic conductivity at room temperature is 1.
The value was 8 × 10 −4 S / cm. Also, when the sample was stored in a dry atmosphere as in Example 1, no decrease in conductivity was observed. As described above, according to the present invention, it was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0030】《実施例9》本実施例においては、スルホ
ン基を側鎖に有する重合体として、実施例1で用いたス
ルホン化したポリイソプレンに代えて、0〜50%のス
ルホン化率でスルホン化したスチレン−エチレン−ブチ
レン−スチレンブロック共重合体を用いた以外は実施例
1と同様の方法でプロトン伝導体を得た。このようにし
て得たプロトン伝導体のイオン伝導度を実施例1と同様
の方法で測定した結果、イオン伝導率はスチレン−エチ
レン−ブチレン−スチレンブロック共重合体のスルホン
化率が高いものとなるにつれて高い値を示し、スルホン
化率が50%のものを用いた場合の室温でのイオン伝導
度は2.1×10-4S/cmの値を示した。また、実施
例1と同様に乾燥雰囲気下で保存した場合も伝導度の低
下は観測されなかった。以上のように本発明によると、
高いイオン伝導性を示し、乾燥雰囲気下でもイオン伝導
度の低下のないプロトン伝導体が得られることがわかっ
た。Example 9 In this example, as the polymer having a sulfone group in its side chain, the sulfonated polyisoprene used in Example 1 was replaced with a sulfone having a sulfonation rate of 0 to 50%. A proton conductor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the modified styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer was used. The ionic conductivity of the thus-obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1, and as a result, the ionic conductivity was that the styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer had a high sulfonation ratio. The ionic conductivity at room temperature was 2.1 × 10 −4 S / cm when a sulfonation rate of 50% was used. Also, when the sample was stored in a dry atmosphere as in Example 1, no decrease in conductivity was observed. According to the present invention as described above,
It was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0031】《実施例10》本実施例においては、スル
ホン基を側鎖に有する重合体として、実施例1で用いた
スルホン化したポリイソプレンに代えて、0〜50%の
スルホン化率でスルホン化したイソプレン−スチレンラ
ンダム共重合体を用いた以外は実施例1と同様の方法で
プロトン伝導体を得た。このようにして得たプロトン伝
導体のイオン伝導度を実施例1と同様の方法で測定した
結果、イオン伝導率はイソプレン−スチレンランダム共
重合体のスルホン化率が高いものとなるにつれて高い値
を示し、スルホン化率が50%のものを用いた場合の室
温でのイオン伝導度は1.7×10-4S/cmの値を示
した。また、実施例1と同様に乾燥雰囲気下で保存した
場合も伝導度の低下は観測されなかった。以上のように
本発明によると、高いイオン伝導性を示し、乾燥雰囲気
下でもイオン伝導度の低下のないプロトン伝導体が得ら
れることがわかった。Example 10 In this example, as the polymer having a sulfone group in the side chain, the sulfonated polyisoprene used in Example 1 was replaced with a sulfone having a sulfonation rate of 0 to 50%. A proton conductor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the modified isoprene-styrene random copolymer was used. The ionic conductivity of the thus-obtained proton conductor was measured by the same method as in Example 1. As a result, the ionic conductivity increased as the sulfonation rate of the isoprene-styrene random copolymer increased. The ionic conductivity at room temperature when the sulfonation rate was 50% was 1.7 × 10 −4 S / cm. Also, when the sample was stored in a dry atmosphere as in Example 1, no decrease in conductivity was observed. As described above, according to the present invention, it was found that a proton conductor having high ionic conductivity and having no decrease in ionic conductivity even in a dry atmosphere can be obtained.
【0032】《実施例11》本実施例では、実施例1で
得たプロトン伝導体を用い、エレクトロクロミック表示
素子を構成した例について説明する。エレクトロクロミ
ック表示素子の表示極4には酸化タングステン(W
O3)薄膜を用いた。図4に示すように、透明電極とし
てITO層2をスパッタ蒸着法により表面に形成したガ
ラス基板1上に、酸化タングステン薄膜3を電子ビーム
蒸着法により形成した。また、対極8には以下の方法で
得たプロトンをドープした酸化タングステン(HxW
O3)薄膜を用いた。まず、上記の表示極と同様にIT
O電極6を形成したガラス基板5上に酸化タングステン
薄膜7を形成した。このガラス基板を塩化白金酸(H2
PtCl6)水溶液中に浸漬し、水素気流中で乾燥させ
ることにより、酸化タングステンをタングステンブロン
ズ(HxWO3)とした。Example 11 In this example, an example in which an electrochromic display device is constructed by using the proton conductor obtained in Example 1 will be described. The display electrode 4 of the electrochromic display element has tungsten oxide (W
O 3 ) thin film was used. As shown in FIG. 4, a tungsten oxide thin film 3 was formed by electron beam evaporation on a glass substrate 1 on the surface of which an ITO layer 2 was formed as a transparent electrode by sputtering evaporation. Further, the counter electrode 8 has a proton-doped tungsten oxide (H x W) obtained by the following method.
O 3 ) thin film was used. First, as with the display pole above, IT
A tungsten oxide thin film 7 was formed on the glass substrate 5 on which the O electrode 6 was formed. This glass substrate is treated with chloroplatinic acid (H 2
The tungsten oxide was converted into tungsten bronze (H x WO 3 ) by immersing it in an aqueous solution of PtCl 6 ) and drying it in a hydrogen stream.
【0033】エレクトロクロミック表示素子の電解質層
9は以下の方法で形成した。まず、実施例1で得たリン
酸をドープしたシリカゲルに、スルホン化率50%のス
ルホン化したポリイソプレンの水溶液を加えた。さら
に、この電解質層は、エレクトロクロミック表示素子の
反射板も兼ねるので、白色に着色させるために、アルミ
ナ粉末をシリカゲルに対して重量比で5%の割合で加え
た。この混合物をスラリー状となるまで混練し、ドクタ
ーブレード法により、先に得た表示極4の表面に50μ
mの厚さに塗布し電解質層とした。このようにして得た
電解質層9を表面に形成した表示極4に、先に得た対極
8を電解質層9を覆うようにかぶせ、さらに減圧下で溶
媒を揮発させた。その断面図を図5に示す。さらに、端
面を紫外線硬化樹脂10で接着封止し、エレクトロクロ
ミック表示素子を得た。11および12はリード端子で
ある。The electrolyte layer 9 of the electrochromic display element was formed by the following method. First, the silica gel doped with phosphorus acid obtained in Example 1 was added an aqueous solution of sulfonated ratio 50% sulfonated polyisoprene. Further, since this electrolyte layer also serves as a reflection plate of the electrochromic display element, alumina powder was added to the silica gel in a weight ratio of 5% in order to color it white. This mixture was kneaded until it became a slurry, and 50 μm was applied to the surface of the display electrode 4 obtained above by a doctor blade method.
It was applied to a thickness of m to form an electrolyte layer. The counter electrode 8 obtained above was covered so as to cover the electrolyte layer 9, and the solvent was volatilized under reduced pressure. The sectional view is shown in FIG. Further, the end face was adhesively sealed with an ultraviolet curable resin 10 to obtain an electrochromic display element. 11 and 12 are lead terminals.
【0034】このようにして得たエレクトロクロミック
表示素子の表示極に対極に対して−1Vの電圧を2秒印
加して表示極を着色し、その後+1Vの電圧を2秒間印
加して消色する作動サイクル試験を行った。その結果、
10000サイクル経過後も性能の低下がなく発色・消
色を行うことができた。以上のように本発明によるプロ
トン伝導体を用いることにより、エレクトロクロミック
表示素子が得られることがわかった。A voltage of -1 V is applied to the display electrode of the electrochromic display device thus obtained for 2 seconds with respect to the counter electrode to color the display electrode, and then a voltage of +1 V is applied for 2 seconds to erase the color. A working cycle test was performed. as a result,
Even after the lapse of 10,000 cycles, color development / decolorization could be performed without deterioration in performance. As described above, it was found that an electrochromic display device can be obtained by using the proton conductor according to the present invention.
【0035】《実施例12》
本実施例では、実施例1で得たプロトン伝導体を用い、
図6に示す構造の酸水素燃料電池を構成した例について
説明する。まず、実施例1で得たリン酸をドープしたシ
リカゲルに、スルホン化率50%のスルホン化したポリ
イソプレンの水溶液を加えたものをスラリー状となるま
で混練し、ポリ4フッ化エチレン板上にドクターブレー
ド法により厚さ50μmの厚さに塗布した。さらに減圧
下でトルエンを揮発させた後、ポリ4フッ化エチレン板
上より剥がし、燃料電池用の電解質層を得た。ガス拡散
電極としては、E-Tech社製のガス拡散電極(白金担持量
0.35mg/cm2)を用いた。このガス拡散電極に
上記の電解質層を形成したものと同じシリカゲルを分散
させたスルホン化率50%のスルホン化したポリイソプ
レンの水溶液を噴霧し、減圧下で乾燥させ電極とした。
この電極20、21で上記の電解質層22をはさみ、1
50℃の温度でホットプレスすることで燃料電池素子を
構成した。Example 12 In this example, the proton conductor obtained in Example 1 is used,
An example of constructing an oxyhydrogen fuel cell having the structure shown in FIG. 6 will be described. First, the phosphoric acid-doped silica gel obtained in Example 1 was mixed with an aqueous solution of sulfonated polyisoprene having a sulfonation rate of 50% and kneaded to form a slurry, and polytetrafluoride was added. It was applied on an ethylene plate by a doctor blade method to a thickness of 50 μm. Further, after toluene was volatilized under reduced pressure, it was peeled off from the polytetrafluoroethylene plate to obtain an electrolyte layer for a fuel cell. As the gas diffusion electrode, a gas diffusion electrode manufactured by E-Tech (platinum supported amount: 0.35 mg / cm 2 ) was used. Spraying an aqueous solution of the gas diffusion electrode above the sulfonation rate of 50% with the same silica gel is dispersed as the formation of the electrolyte layer sulfonated poly isoprene <br/> Ren and the electrode was dried under reduced pressure .
The electrodes 20 and 21 sandwich the electrolyte layer 22 and 1
A fuel cell element was constructed by hot pressing at a temperature of 50 ° C.
【0036】このようにして得た燃料電池素子を図6で
示したように、H2ガス導入孔23、燃料室24、H2ガ
ス排出孔25をもつステンレス鋼ブロック29と、O2
ガス導入孔26、酸素室27、O2ガス排出孔28をも
つステンレス鋼ブロック30とで挟み、全体を電気絶縁
性の繊維強化プラスチック製の締め付けロッド31、3
2で締め、試験用の燃料電池とした。なお図6中、33
はH2Oのドレイン、34は負極端子、35は正極端子
である。電池試験には、燃料極には3気圧に加圧した水
素、空気極には5気圧に加圧した空気をそれぞれ通じ、
出力電流と電池電圧の関係を調べた。その結果得られた
電圧−電流曲線を図7に示す。400mA/cm2の電
流を取り出した際も電池電圧は0.7V以上の電圧を維
持しており、本実施例により得られた燃料電池が優れた
高出力特性を示すことがわかった。以上のように、本発
明によるプロトン伝導体を用いることにより、優れた特
性の燃料電池が得られることがわかった。The fuel cell device thus obtained, as shown in FIG. 6, has a stainless steel block 29 having an H 2 gas introduction hole 23, a fuel chamber 24 and an H 2 gas discharge hole 25, and an O 2 gas.
It is sandwiched between a gas introduction hole 26, an oxygen chamber 27, and a stainless steel block 30 having an O 2 gas discharge hole 28, and the whole is made up of electrically insulating fiber-reinforced plastic fastening rods 31, 3
It fastened with 2, and it was set as the fuel cell for a test. In FIG. 6, 33
Is a drain of H 2 O, 34 is a negative electrode terminal, and 35 is a positive electrode terminal. In the cell test, hydrogen pressurized to 3 atm was passed through the fuel electrode, and air pressurized to 5 atm was passed through the air electrode.
The relationship between the output current and the battery voltage was investigated. The voltage-current curve obtained as a result is shown in FIG. Even when a current of 400 mA / cm 2 was taken out, the cell voltage was maintained at 0.7 V or higher, and it was found that the fuel cell obtained in this example exhibited excellent high output characteristics. As described above, it was found that a fuel cell having excellent characteristics can be obtained by using the proton conductor according to the present invention.
【0037】なお、上記の実施例においては、スルホン
基を側鎖に持つ重合体として、スルホン化したポリイソ
プレン、スルホン化したスチレン−エチレン−ブチレン
−スチレンブロック共重合体などを用いた例についての
み説明したが、ブタジエン−スチレン共重合体などの実
施例では説明しなかった他の重合体をスルホン化したも
のを用いた場合も同様の効果が得られることはいうまで
もなく、本発明はスルホン基を側鎖に持つ重合体として
これら実施例に挙げたものに限定されるものではない。
また、実施例においては、ブレーンステッド酸としてリ
ン酸、過塩素酸などを用いたものについてのみ説明した
が、その他ホウ酸、ケイ酸あるいはこれらのブレーンス
テッド酸を複数種用いた場合も同様の効果が得られるこ
ともいうまでもなく、本発明はブレーンステッド酸とし
てこれら実施例に挙げたブレーンステッド酸にのみ限定
されるものではない。また、実施例においては、プロト
ン伝導体を用いた電気化学素子として、エレクトロクロ
ミック表示素子、および燃料電池について説明したが、
その他pHセンサー、電気二重層コンデンサなどの実施
例では説明しなかった電気化学素子を構成することがで
きることもいうまでもなく、本発明は電気化学素子とし
てこれら実施例に挙げたものに限定されるものではな
い。In the above examples, only the examples using sulfonated polyisoprene, sulfonated styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer, etc. as the polymer having a sulfone group in the side chain are used. Although described, it is needless to say that the same effect can be obtained when a sulfonated product of other polymer, which is not described in the examples such as butadiene-styrene copolymer, is used. The polymer having a group in the side chain is not limited to those listed in these examples.
Further, in the examples, only those using phosphoric acid, perchloric acid or the like as the Bronsted acid, but other boric acid, silicic acid or the same effect when using a plurality of these Bronsted acid Needless to say, the present invention is not limited only to the Bronsted acids listed in these examples as Bronsted acids. Further, in the examples, the electrochromic display element and the fuel cell were described as the electrochemical element using the proton conductor.
Needless to say, an electrochemical element such as a pH sensor or an electric double layer capacitor, which has not been described in the examples, can be constructed, and the present invention is limited to the electrochemical elements described in these examples. Not a thing.
【0038】[0038]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、プロトン
伝導性に優れ、かつ乾燥雰囲気下でのプロトン伝導性の
低下のないプロトン伝導体を得ることができる。本発明
のプロトン伝導体を用いることにより、優れた特性の電
気化学素子を得ることができる。As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a proton conductor which is excellent in proton conductivity and does not deteriorate in a dry atmosphere. By using the proton conductor of the present invention, an electrochemical device having excellent characteristics can be obtained.
【図1】本発明の実施例ならびに比較例におけるプロト
ン伝導体のイオン伝導度を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing the ionic conductivity of proton conductors in Examples and Comparative Examples of the present invention.
【図2】本発明の実施例ならびに比較例におけるプロト
ン伝導体のイオン伝導度を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing the ionic conductivity of proton conductors in Examples and Comparative Examples of the present invention.
【図3】本発明の実施例ならびに比較例におけるプロト
ン伝導体のイオン伝導度を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the ionic conductivity of proton conductors in Examples and Comparative Examples of the present invention.
【図4】本発明の実施例におけるエレクトロクロミック
表示素子の電極構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an electrode structure of an electrochromic display element in an example of the present invention.
【図5】本発明の実施例におけるエレクトロクロミック
表示素子の縦断面図である。FIG. 5 is a vertical sectional view of an electrochromic display element according to an example of the present invention.
【図6】本発明の実施例における酸水素燃料電池素子の
縦断面図である。FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of an oxyhydrogen fuel cell element according to an example of the present invention.
【図7】本発明の実施例における酸水素燃料電池の特性
を示した電流−電圧曲線である。FIG. 7 is a current-voltage curve showing the characteristics of the oxyhydrogen fuel cell in the example of the present invention.
1、5 ガラス基板 2、6 透明電極層(ITO層) 3、7 酸化タングステン薄膜 4 表示極 8 対極 9 電解質層 10 封止樹脂 11、12リード端子 20 燃料極 21 酸素極 22 電解質層 23 H2ガス導入孔 24 燃料室 25 H2ガス排出孔 26 O2ガス導入孔 27 酸素室 28 O2ガス排出孔 31、32 締め付けロッド 33 H2Oドレイン 34 負極端子 35 正極端子1, 5 Glass substrate 2, 6 Transparent electrode layer (ITO layer) 3, 7 Tungsten oxide thin film 4 Display electrode 8 Counter electrode 9 Electrolyte layer 10 Sealing resin 11, 12 Lead terminal 20 Fuel electrode 21 Oxygen electrode 22 Electrolyte layer 23 H 2 Gas inlet hole 24 Fuel chamber 25 H 2 gas outlet hole 26 O 2 gas inlet hole 27 Oxygen chamber 28 O 2 gas outlet holes 31, 32 Tightening rod 33 H 2 O drain 34 Negative electrode terminal 35 Positive electrode terminal
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01M 8/10 H01M 8/10 (72)発明者 南 努 大阪府大阪狭山市大野台2丁目7番1号 (72)発明者 辰巳砂 昌弘 大阪府堺市丈六445番31 (72)発明者 竹内 安正 東京都中央区築地二丁目11番24号 日本 合成ゴム株式会社内 (72)発明者 別所 啓一 東京都中央区築地二丁目11番24号 日本 合成ゴム株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−192742(JP,A) 特開 昭61−181078(JP,A) 特開 昭62−200258(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 1/06 G02F 1/15 H01M 8/02,8/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI H01M 8/10 H01M 8/10 (72) Inventor Tsutomu Minami 2-7-1 Onodai, Osaka Sayama City, Osaka Prefecture (72) Inventor Masahiro Tatsusuna 445-31, Josoku, Sakai-shi, Osaka (72) Inventor Yasumasa Takeuchi 2-11-24 Tsukiji, Chuo-ku, Tokyo Tokyo Incorporated (72) Inventor, Keiichi, Tokyo 2-chome Tsukiji, Chuo-ku, Tokyo 11-24 No. 24 within Japan Synthetic Rubber Co., Ltd. (56) Reference JP-A-1-192742 (JP, A) JP-A-61-181078 (JP, A) JP-A-62-200258 (JP, A) (58) ) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01B 1/06 G02F 1/15 H01M 8 / 02,8 / 10
Claims (8)
体とする化合物、およびスルホン基を側鎖に持つ重合体
からなる結着材よりなることを特徴とするプロトン伝導
体。1. A compound mainly containing silicon oxide and Bronsted acid, and a polymer having a sulfone group in a side chain.
A proton conductor characterized by comprising a binder made of.
らなる結着材が、スルホン化したポリイソプレンである
請求項1記載のプロトン伝導体。2. A polymer having the sulfone group as a side chain
The proton conductor according to claim 1 , wherein the binder made of sulfonated polyisoprene .
とする化合物が、ゾル−ゲル法により合成されたもので
ある請求項1記載のプロトン伝導体。3. The proton conductor according to claim 1, wherein the compound mainly containing silicon oxide and Bronsted acid is synthesized by a sol-gel method.
その誘導体である請求項1記載のプロトン伝導体。4. The proton conductor according to claim 1, wherein the Bronsted acid is phosphoric acid or a derivative thereof.
体とする化合物が、リン酸とシリコンアルコキシドを含
むゾルより合成されたものであり、前記ゾルに含まれる
リン酸のシリコンアルコキシドに対する混合比が、モル
比で0.5以下である請求項1記載のプロトン伝導体。5. The compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid is synthesized from a sol containing phosphoric acid and silicon alkoxide, and the mixing ratio of phosphoric acid contained in the sol to silicon alkoxide is mol. The proton conductor according to claim 1, which has a ratio of 0.5 or less.
はその誘導体である請求項1記載のプロトン伝導体。6. The proton conductor according to claim 1, wherein the Bronsted acid is perchloric acid or a derivative thereof.
ン伝導体を用いた電気化学素子。7. An electrochemical device using the proton conductor according to claim 1.
とブレーンステッド酸を主体とする化合物の前駆体を得And a precursor of a compound mainly composed of Bronsted acid
る工程、Process, (B)前記前駆体を、加熱して、酸化ケイ素とブレーン(B) The precursor is heated to give silicon oxide and branes.
ステッド酸を主体とする化合物を得る工程、A step of obtaining a compound mainly composed of Sted acid, (C)前記酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とす(C) Mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid
る化合物を、スルホン基を側鎖として持つ重合体を溶媒A compound having a sulfone group as a side chain
に溶解させた溶液と混合する工程、Mixing with a solution dissolved in (D)得られた混合物から前記溶媒を除去して、プロト(D) removing the solvent from the resulting mixture to
ン伝導体を得る工程を包含する、プロトン伝導体の製造Of a proton conductor, including the step of obtaining a proton conductor
方法。Method.
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