JP3997304B2 - Solid electrolyte membrane, process for producing the same, and fuel cell using the solid electrolyte membrane - Google Patents

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Description

本発明は、プロトン導電性を有する固体電解質膜、その製法、及び該固体電解質膜を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte membrane having proton conductivity, a method for producing the same, and a fuel cell using the solid electrolyte membrane.

現在、燃料電池などの材料として広く使用されている含フッ素イオン交換膜(“ナフィ
オン”、“フレミオン”などの商標名で市販されている) は、有機高分子膜であるため、耐熱性が十分でなく、80℃以上の高温での使用は難しい。燃料電池システム全体としてのエネルギー効率の改善を考慮すれば、発電時に発生する廃熱を有効利用するために、100
〜150℃程度の温度で使用できる材料の開発が切望されている。
Currently, fluorine-containing ion exchange membranes (commercially available under trade names such as “Nafion” and “Flemion”), which are widely used as materials for fuel cells, are organic polymer membranes, so they have sufficient heat resistance. In addition, it is difficult to use at high temperatures above 80 ℃. Considering the improvement in the energy efficiency of the entire fuel cell system, 100% can be used to effectively use the waste heat generated during power generation.
Development of materials that can be used at temperatures up to ~ 150 ° C is eagerly desired.

高温において使用可能である無機の固体電解質として、SiO2-P2O5ガラスが提案されて
いる(非特許文献1)。しかしながら、この固体電解質は、無機物のみにより構成されているため、柔軟性に欠けており、脆いという欠点がある。
SiO 2 —P 2 O 5 glass has been proposed as an inorganic solid electrolyte that can be used at high temperatures (Non-Patent Document 1). However, since this solid electrolyte is composed only of an inorganic substance, it has a drawback that it lacks flexibility and is brittle.

特許文献1は、燃料電池におけるプロトン導電部材として、(1)無機プロトン導電材料
と(2)ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリオキサゾリンおよびポリジ
メチルシロキサンから選ばれた少なくとも1種との混合部材を提案している。しかしなが
ら、このプロトン導電部材は、基本的には、ガラス質無機材料を主とし、これにポリマーが混合状態で存在するガラス系材料である。従って、その柔軟性は、無機材料単独の場合に比して、改善されてはいるものの、自立膜として使用することを考慮すれば、十分ではない。
Patent Document 1 proposes a mixed member of (1) an inorganic proton conductive material and (2) at least one selected from polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, polyoxazoline and polydimethylsiloxane as a proton conductive member in a fuel cell. ing. However, this proton conductive member is basically a glass-based material mainly composed of a vitreous inorganic material in which a polymer exists in a mixed state. Therefore, although the flexibility is improved as compared with the case of the inorganic material alone, it is not sufficient when considering use as a self-supporting film.

また、シリコンアルコキシドと界面活性剤からシリカメソ多孔体薄膜を形成し、これから該界面活性剤を除去してシリカメソ多孔質体薄膜を得る方法が記載されている(特許文献2)。しかしながら、このシリカメソ多孔質体薄膜は、プロトン導電性を有するものではない。   Further, a method is described in which a silica mesoporous thin film is formed from silicon alkoxide and a surfactant, and then the surfactant is removed therefrom to obtain a silica mesoporous thin film (Patent Document 2). However, this silica mesoporous thin film does not have proton conductivity.

また、近年、結晶性多孔質シリカであるMCM−41の合成法によりメソ細孔シリカを作成し、−SH基、−SO3H基等をシリカ表面に導入する表面改質方法が報告されてい
る(非特許文献2〜5)。しかし、これらのメソ細孔シリカは、いずれも粉末であり薄膜状のものではない。
特開2002−15742号公報 特開2001−130911号公報 工業材料、Vol.49、No.1、pp56-59 J. Am. Chem. Soc., 124, 15176 (2002) Chem. Comm., 317 (1998) J. Am. Chem. Soc., 124, 9694 (2002) 化学と工業 56, 239 (2003)
In recent years, a surface modification method has been reported in which mesoporous silica is prepared by a synthesis method of MCM-41, which is crystalline porous silica, and -SH groups, -SO 3 H groups and the like are introduced on the silica surface. (Non-Patent Documents 2 to 5). However, these mesoporous silicas are all powders and not thin films.
JP 2002-15742 A JP 2001-130911 A Industrial materials, Vol.49, No.1, pp56-59 J. Am. Chem. Soc., 124, 15176 (2002) Chem. Comm., 317 (1998) J. Am. Chem. Soc., 124, 9694 (2002) Chemistry and Industry 56, 239 (2003)

本発明は、プロトン導電性を有する固体電解質膜、その製法、及び該固体電解質膜を用いた燃料電池を提供することを主な目的とする。   The main object of the present invention is to provide a solid electrolyte membrane having proton conductivity, a method for producing the same, and a fuel cell using the solid electrolyte membrane.

本発明者は、上記の様な技術の現状の問題点を考慮しつつ研究を重ねた結果、ゾルゲル
法により有機−無機ハイブリッド膜を作成した後、有機分子を除去することにより無機多孔質膜を作成し、該無機多孔質膜表面にプロトン導電性を示す官能基を導入して表面改質することにより、プロトン導電性を有する固体電解質膜を製造することに成功し、本発明を完成するに至った。
The present inventor has conducted research while considering the current problems of the technology as described above, and as a result, after creating an organic-inorganic hybrid film by the sol-gel method, the organic porous film is removed by removing organic molecules. The present invention succeeds in producing a solid electrolyte membrane having proton conductivity by introducing a functional group showing proton conductivity into the surface of the inorganic porous membrane and modifying the surface, thereby completing the present invention. It came.

すなわち、本発明は、下記の固体電解質膜、その製法及び該固体電解質膜を用いた燃料電池を提供するものである。
項1. ゾル-ゲル法により無機−有機ハイブリッド膜を製造する第1工程、該無機-有機
ハイブリッド膜から有機分子を除去することにより無機多孔質膜を製造する第2工程、及び該無機多孔質膜の細孔内及び表面にプロトン導電性基を導入する第3工程からなるプロトン導電性固体電解質膜の製法であって、
前記第3工程が、該無機多孔質膜の細孔内及び表面に、プロトン導電性基に変換しうる基を含有するシランカップリング剤を反応させて該無機多孔質膜を表面改質した後、該プロトン導電性基に変換しうる基をプロトン導電性基に化学変換する工程であり、
前記プロトン導電性基に変換しうる基を含有するシランカップリング剤が、式(I):
j k Si[(CH 2 n −Y] m (I)
(式中、Xはアルコキシ基又はハロゲン原子、Rはアルキル基、Yはプロトン導電性基に変換しうる基、jは1、2又は3、kは0、1又は2、mは1、2又は3でありj+k+m=4を満たし、nは2〜11の整数を示す)
で表される化合物であるプロトン導電性固体電解質膜の製法
項2. 前記第1工程が、テトラアルコキシシランと界面活性剤を酸性条件下混合し固化
させて無機−有機ハイブリッド膜を製造する工程である項1に記載の製法。
項3. 前記第2工程が、無機−有機ハイブリッド膜を加熱して無機多孔質膜を製造する
工程である項1に記載の製法。
項4. 無機多孔質膜の厚さが1000μm以下、中心細孔直径が1〜50nm、比表面積が200〜800m2/g、細孔容積が0.1〜1.0cm3/gである項3に記載の製法。
. プロトン導電性基に変換しうる基を含有するシランカップリング剤が、式(II)

3Si−(CH2n−Y (II)
(式中、Xは炭素数1〜6のアルコキシ基又はハロゲン原子、Yは−SH、−P(O)(OR1)(OR2)又は−COOR3、R1、R2及びR3は同一又は異なってアルキル基、アリール基又はアラルキル基、nは2〜8の整数を示す)
で表される化合物である項に記載の製法。
. 前記項1〜のいずれかに記載の製法により製造されるプロトン導電性固体電解
質膜。
. 厚さが1000μm以下、中心細孔直径が1〜50nm、比表面積が200〜800m2/g、細孔容積が0.1〜1.0cm3/gである項に記載のプロトン導電性固体電解質膜。

本発明のプロトン導電性固体電解質膜は、基本的には、ゾル-ゲル法により無機-有機ハイブリッド膜を製造する第1工程、該無機-有機ハイブリッド膜から有機分子を除去する
ことにより無機多孔質膜を製造する第2工程、及び該無機多孔質膜の細孔内及び表面にプロトン導電性を示す官能基を導入する第3工程からなる。以下、各工程について具体的に説明する。
I.第1工程
本工程では、具体的にはテトラアルコキシシランと界面活性剤とを酸性条件下で混合し固化させることにより、無機-有機ハイブリッド膜が形成される。本工程において使用す
る原料、ゾル-ゲル法及び得られる無機-有機ハイブリッド膜について、具体的に説明する。
That is, this invention provides the following solid electrolyte membrane, its manufacturing method, and a fuel cell using this solid electrolyte membrane.
Item 1. A first step of producing an inorganic-organic hybrid membrane by a sol-gel method, a second step of producing an inorganic porous membrane by removing organic molecules from the inorganic-organic hybrid membrane, and a fine process of the inorganic porous membrane. A method for producing a proton conductive solid electrolyte membrane comprising a third step of introducing a proton conductive group into the pores and on the surface ,
After the third step, the inorganic porous membrane is surface-modified by reacting a silane coupling agent containing a group that can be converted into a proton conductive group in and on the pores of the inorganic porous membrane. , A step of chemically converting the proton-conducting group into a proton-conducting group.
A silane coupling agent containing a group that can be converted into the proton conductive group has the formula (I):
X j R k Si [(CH 2) n -Y] m (I)
Wherein X is an alkoxy group or a halogen atom, R is an alkyl group, Y is a group that can be converted into a proton conductive group, j is 1, 2 or 3, k is 0, 1 or 2, m is 1, 2. Or 3 and satisfies j + k + m = 4, and n represents an integer of 2 to 11)
A method for producing a proton conductive solid electrolyte membrane, which is a compound represented by the formula:
Item 2. Item 2. The process according to Item 1, wherein the first step is a step of producing an inorganic-organic hybrid film by mixing and solidifying tetraalkoxysilane and a surfactant under acidic conditions.
Item 3. Item 2. The process according to Item 1, wherein the second step is a step of heating the inorganic-organic hybrid membrane to produce an inorganic porous membrane.
Item 4. Item 4. The method according to Item 3, wherein the inorganic porous membrane has a thickness of 1000 μm or less, a center pore diameter of 1 to 50 nm, a specific surface area of 200 to 800 m 2 / g, and a pore volume of 0.1 to 1.0 cm 3 / g.
Item 5 . A silane coupling agent containing a group that can be converted into a proton conductive group is represented by the formula (II)
:
X 3 Si- (CH 2) n -Y (II)
(Wherein X is an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms or a halogen atom, Y is —SH, —P (O) (OR 1 ) (OR 2 ) or —COOR 3 , R 1 , R 2 and R 3 are The same or different alkyl group, aryl group or aralkyl group, n represents an integer of 2 to 8)
The manufacturing method of claim | item 1 which is a compound represented by these.
Item 6 . 6. A proton conductive solid electrolyte membrane produced by the production method according to any one of items 1 to 5 .
Item 7 . Item 7. The proton conductive solid electrolyte membrane according to Item 6 , having a thickness of 1000 μm or less, a center pore diameter of 1 to 50 nm, a specific surface area of 200 to 800 m 2 / g, and a pore volume of 0.1 to 1.0 cm 3 / g.

The proton conductive solid electrolyte membrane of the present invention is basically composed of a first step of producing an inorganic-organic hybrid membrane by a sol-gel method, an inorganic porous material by removing organic molecules from the inorganic-organic hybrid membrane. It consists of a second step for producing a membrane and a third step for introducing a functional group exhibiting proton conductivity into the pores and on the surface of the inorganic porous membrane. Hereinafter, each step will be specifically described.
I. First Step In this step, specifically, an inorganic-organic hybrid film is formed by mixing and solidifying tetraalkoxysilane and a surfactant under acidic conditions. The raw materials used in this step, the sol-gel method, and the resulting inorganic-organic hybrid film will be specifically described.

テトラアルコキシシラン
本発明においては、無機多孔質の原料(シリカ源)として、テトラアルコキシシランの少なくとも1種を用いる。テトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラn−プロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラn−ブトキシシランなどが例示される。
Tetraalkoxysilane In the present invention, at least one tetraalkoxysilane is used as the inorganic porous raw material (silica source). Examples of tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetra n-propoxysilane, tetraisopropoxysilane, and tetra n-butoxysilane.

界面活性剤
本発明で用いられる界面活性剤としては、例えば、3つのポリアルキレンオキサイド鎖からなるトリブロックコポリマー等も用いることができる。トリブロックコポリマーの中では、ポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖−ポリエチレンオキサイド(EO)鎖で表されるトリブロックコポリマーが好ましい。EO鎖の繰り返し数がx、PO鎖の繰り返し数がyである時、このトリブロックコポリマーは(EO)x(PO)y(EO)xとして表すことができる。本発明で使用できるトリブロックコポリマーの、x、yには特に制限はないが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは15〜20、yは50〜60であることがより好ましい。
Surfactant As the surfactant used in the present invention, for example, a triblock copolymer composed of three polyalkylene oxide chains can be used. Among the triblock copolymers, triblock copolymers represented by polyethylene oxide (EO) chain-polypropylene oxide (PO) chain-polyethylene oxide (EO) chain are preferable. When the number of EO chain repeats is x and the number of PO chain repeats is y, this triblock copolymer can be represented as (EO) x (PO) y (EO) x. The x and y of the triblock copolymer that can be used in the present invention are not particularly limited, but x is preferably 5 to 110, y is preferably 15 to 70, x is 15 to 20, and y is 50 to 60. More preferably.

さらに、ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖−ポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖のトリブロックコポリマー((PO)x(EO)y(PO)x)も好ましく使用できる。ここで、x、yには特に制限はないが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは15〜20、yは50〜60であることがより好ましい。   Furthermore, a triblock copolymer ((PO) x (EO) y (PO) x) of polypropylene oxide (PO) chain-polyethylene oxide (EO) chain-polypropylene oxide (PO) chain can also be preferably used. Here, x and y are not particularly limited, but x is preferably 5 to 110, and y is preferably 15 to 70, more preferably 15 to 20, and y is 50 to 60.

上記のトリブロックコポリマーとしては、(EO)5(PO)70(EO)5、(EO)13(PO)30(EO)13、(EO)20(PO)30(EO)20、(EO)26(PO)39(EO)26、(EO)17(PO)56(EO)17、(EO)17(PO)58(EO)17、(EO)20(PO)70(EO)20、(EO)80(PO)30(EO)80、(EO)106(PO)70(E
O)106、(EO)100(PO)39(EO)100、(EO)19(PO)33(EO)19、(E
O)26(PO)36(EO)26が挙げられる。中でも、(EO)17(PO)56(EO)17、(EO)17(PO)58(EO)17を用いることが好ましい。これらのトリブロックコポリマーはBASF社等から入手可能であり、また、小規模製造レベルで所望のx値とy値を有するトリブロックコポリマーを得ることができる。上記のトリブロックコポリマーは一種或いは二種以上を組み合わせて使用できる。
Examples of the triblock copolymer include (EO) 5 (PO) 70 (EO) 5 , (EO) 13 (PO) 30 (EO) 13 , (EO) 20 (PO) 30 (EO) 20 , (EO). 26 (PO) 39 (EO) 26 , (EO) 17 (PO) 56 (EO) 17 , (EO) 17 (PO) 58 (EO) 17 , (EO) 20 (PO) 70 (EO) 20 , ( EO) 80 (PO) 30 (EO) 80 , (EO) 106 (PO) 70 (E
O) 106 , (EO) 100 (PO) 39 (EO) 100 , (EO) 19 (PO) 33 (EO) 19 , (E
O) 26 (PO) 36 (EO) 26 . Among these, (EO) 17 (PO) 56 (EO) 17 and (EO) 17 (PO) 58 (EO) 17 are preferably used. These triblock copolymers are available from BASF, etc., and triblock copolymers having desired x and y values can be obtained at a small scale production level. The above triblock copolymers can be used singly or in combination of two or more.

他の界面活性剤としては、例えば、アルキルトリエチルアンモニウム、アルキルトリメチルアンモニウム、ジメチルジアルキルアンモニウム、アルキルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム等の末端にアンモニウム基を有する化合物(塩)を使用できる。或いは、末端にスルホン基(−O−SO3−;サルフェート)、カルボキシル基(−CO
O−;カルボキシレート)、リン酸基(−O−PO3−;フォスフェート)等を有する化
合物(塩)等を用いてもよい。これらの界面活性剤は、単独で又は二種以上混合して用いられる。
As other surfactants, for example, compounds (salts) having an ammonium group at the terminal, such as alkyltriethylammonium, alkyltrimethylammonium, dimethyldialkylammonium, alkylammonium, and benzyltrimethylammonium can be used. Alternatively, a terminal is a sulfone group (—O—SO 3 —; sulfate), a carboxyl group (—CO
A compound (salt) or the like having O—; carboxylate), a phosphate group (—O—PO 3 —; phosphate) or the like may be used. These surfactants may be used alone or in combination of two or more.

界面活性剤の使用量としては、テトラアルコキシシランとの混合割合が、テトラアルコキシシラン/界面活性剤=1/1〜10/1(モル比)となるような量を用いると好ましく、特に、テトラアルコキシシラン/界面活性剤=2/1〜5/1(モル比)となるように用いると一層好ましい。   The surfactant is preferably used in such an amount that the mixing ratio with tetraalkoxysilane is tetraalkoxysilane / surfactant = 1/1 to 10/1 (molar ratio). It is more preferable to use it so that alkoxysilane / surfactant = 2/1 to 5/1 (molar ratio).

ゾル-ゲル反応に関与する酸成分としては、硝酸、硫酸、塩酸、酢酸、リン酸などを使
用することができる。酸の使用割合は、テトラアルコキシシラン1モルに対して、0.01〜0.5モル程度であり、より好ましくは0.01〜0.1モル程度である。
As the acid component involved in the sol-gel reaction, nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid, phosphoric acid and the like can be used. The use ratio of the acid is about 0.01 to 0.5 mol, more preferably about 0.01 to 0.1 mol, per 1 mol of tetraalkoxysilane.

ゾル-ゲル法における反応溶媒としては、エタノール、メタノール、プロパノールなど
のアルコール類を使用する。反応溶媒の使用量は、テトラアルコキシシラン1モルに対し、2〜20モル程度であり、より好ましくは5〜10モル程度である。
As a reaction solvent in the sol-gel method, alcohols such as ethanol, methanol, and propanol are used. The usage-amount of a reaction solvent is about 2-20 mol with respect to 1 mol of tetraalkoxysilane, More preferably, it is about 5-10 mol.

無機-有機ハイブリッド膜の製造
上記の原材料を用いて行うゾル-ゲル反応は、反応系内に界面活性剤を存在させる点を
除けば、公知の手法に準じて実施することができる。すなわち、上記の各材料を所定の割合で混合して、ゾルを形成させた後、所定の容器内で膜状に固化させ、次いで乾燥させることにより、所望の無機-有機ハイブリッド材料を得ることができる。例えば、界面活性
剤のアルコール溶液に、酸性分及びテトラアルコキシシランを加え、10〜50℃程度(好ましくは30〜45℃程度)で、5〜40時間程度撹拌すればよい。その後、その溶液を0〜100℃
程度で固化させて無機-有機ハイブリッド膜を得る。
Production of Inorganic-Organic Hybrid Membrane The sol-gel reaction performed using the above raw materials can be carried out according to a known method except that a surfactant is present in the reaction system. That is, each of the above materials is mixed at a predetermined ratio to form a sol, then solidified into a film shape in a predetermined container, and then dried to obtain a desired inorganic-organic hybrid material. it can. For example, an acidic component and tetraalkoxysilane may be added to an alcohol solution of a surfactant and stirred at about 10 to 50 ° C. (preferably about 30 to 45 ° C.) for about 5 to 40 hours. Then the solution was 0-100 ° C
Solidify to a certain degree to obtain an inorganic-organic hybrid film.

本発明方法により製造された無機-有機ハイブリッド膜は、シリカ(SiO2)からなる無
機マトリックス相と、該無機マトリックス相中に均一に分散した界面活性剤からなる有機高分子相とからなっている。この膜中では、無機マトリックス中に界面活性剤が分子オーダーで分散していると考えられる。
The inorganic-organic hybrid film produced by the method of the present invention comprises an inorganic matrix phase composed of silica (SiO 2 ) and an organic polymer phase composed of a surfactant uniformly dispersed in the inorganic matrix phase. . In this film, it is considered that the surfactant is dispersed on the molecular order in the inorganic matrix.

第1工程において得られる、界面活性剤を含有した無機-有機ハイブリッド膜の膜厚は1000μm以下であることが好ましく、1μm〜800μmであることがより好ましい。膜厚が1000μmを超す場合はハイブリッド膜の細孔配列の均一性が悪くなる傾向にある。   The film thickness of the inorganic-organic hybrid film containing the surfactant obtained in the first step is preferably 1000 μm or less, and more preferably 1 μm to 800 μm. When the film thickness exceeds 1000 μm, the uniformity of the pore arrangement of the hybrid film tends to deteriorate.

以上のように、本発明においてはテトラアルコキシシランを酸性溶媒中で部分重合させ、界面活性剤と混合した後、酸性条件下にしてテトラアルコキシシラン部分重合体の縮合反応を抑えつつ薄膜化することから、低粘度で薄膜化することが可能となる。この結果、得られる無機-有機ハイブリッド膜の膜厚を非常に小さくすることができる。また、縮合
反応を抑えつつ薄膜化が可能であるから、薄膜化中にテトラアルコキシシラン部分重合体を含む液体の粘度変化が少なくなり、均一に薄膜化できる。
II.第2工程
本工程では、第1工程で得られる無機-有機ハイブリッド膜から界面活性剤を除去する
方法は、特に制限はないが、例えば、焼成による方法や水やアルコール等の溶媒で処理する方法を用いることができる。これにより、無機多孔質膜が製造される。
As described above, in the present invention, the tetraalkoxysilane is partially polymerized in an acidic solvent, mixed with a surfactant, and then thinned while suppressing the condensation reaction of the tetraalkoxysilane partial polymer under acidic conditions. Therefore, it becomes possible to make a thin film with low viscosity. As a result, the thickness of the resulting inorganic-organic hybrid film can be made very small. Further, since the thinning is possible while suppressing the condensation reaction, the viscosity change of the liquid containing the tetraalkoxysilane partial polymer is reduced during the thinning, and the thinning can be performed uniformly.
II. Second Step In this step, the method for removing the surfactant from the inorganic-organic hybrid film obtained in the first step is not particularly limited, but for example, a method by firing or a method of treating with a solvent such as water or alcohol Can be used. Thereby, an inorganic porous membrane is manufactured.

焼成による方法の場合、その焼成条件は、無機-有機ハイブリッド膜から界面活性剤部
分が除去される条件であれば特に限定はなく、用いる界面活性剤の分解温度等によって適宜選択される。通常、150〜600℃程度で1〜5時間程度加熱すればよい。完全に界面活性剤成分を除去するには2時間以上加熱することが好ましい。例えば、界面活性剤としてトリ
ブロックコポリマーを用いた場合は、160〜220℃程度で2〜5時間程度加熱すればよい。焼成は空気中で行うことが可能であるが、多量の燃焼ガスが発生するため、窒素等の不活性ガスを導入して行ってもよい。
In the case of the method by firing, the firing condition is not particularly limited as long as the surfactant part is removed from the inorganic-organic hybrid film, and is appropriately selected depending on the decomposition temperature of the surfactant to be used. Usually, it may be heated at about 150 to 600 ° C. for about 1 to 5 hours. In order to completely remove the surfactant component, it is preferable to heat for 2 hours or more. For example, when a triblock copolymer is used as the surfactant, it may be heated at about 160 to 220 ° C. for about 2 to 5 hours. Firing can be performed in the air, but since a large amount of combustion gas is generated, it may be performed by introducing an inert gas such as nitrogen.

溶媒を用いて無機-有機ハイブリッド膜から界面活性剤を除去する場合は、例えば、界
面活性剤の溶解性の高い溶媒中に界面活性剤を含有したシリカメソ多孔体薄膜を浸漬する。溶媒としては、水、エタノール、メタノール、アセトン等を使用することができる。
When removing the surfactant from the inorganic-organic hybrid film using a solvent, for example, a silica mesoporous thin film containing a surfactant is immersed in a solvent having a high solubility of the surfactant. As the solvent, water, ethanol, methanol, acetone or the like can be used.

陽イオン性の界面活性剤を用いた場合は、少量の塩酸を添加したエタノールあるいは水中に界面活性剤を含有したシリカメソ多孔体薄膜を浸漬し、50〜70℃で加熱することができる。これにより、陽イオン界面活性剤がプロトンによりイオン交換され抽出される。陰イオン性の界面活性剤を用いた場合は、陰イオンを添加した溶媒中で界面活性剤を抽
出することができる。また、非イオン性の界面活性剤を用いた場合は、溶媒のみで抽出することが可能である。なお、抽出時に超音波を印加することが好ましい。
When a cationic surfactant is used, a silica mesoporous thin film containing a surfactant can be immersed in ethanol or water with a small amount of hydrochloric acid and heated at 50 to 70 ° C. Thereby, a cationic surfactant is ion-exchanged and extracted by protons. When an anionic surfactant is used, the surfactant can be extracted in a solvent to which an anion has been added. In addition, when a nonionic surfactant is used, extraction can be performed only with a solvent. In addition, it is preferable to apply an ultrasonic wave at the time of extraction.

界面活性剤が除去された無機多孔質膜には、その表面及び細孔内に水酸基を有している。該無機多孔質膜は、シリカ(SiO2)を主成分とし、その膜厚は、1000μm以下であり、20〜800μmであることが好ましく、100〜800μmであることがより好ましい。膜厚が1000μmを超す場合は無機多孔質膜の細孔配列の均一性が悪くなる傾向にある。 The inorganic porous membrane from which the surfactant has been removed has hydroxyl groups on the surface and in the pores. The inorganic porous film has silica (SiO 2 ) as a main component, and the film thickness is 1000 μm or less, preferably 20 to 800 μm, and more preferably 100 to 800 μm. When the film thickness exceeds 1000 μm, the uniformity of the pore arrangement of the inorganic porous film tends to deteriorate.

界面活性剤が除去された無機多孔質膜の中心細孔直径は、1〜50nm程度、好ましくは2〜20nm程度、より好ましくは2〜10nm程度であり、その比表面積は、200〜800m2/g程度、好
ましくは300〜700m2/g程度であり、その細孔容積は、0.1-1.0 cm3/g程度、好ましくは0.1-0.6 cm3/g程度である。
The center pore diameter of the inorganic porous membrane from which the surfactant has been removed is about 1 to 50 nm, preferably about 2 to 20 nm, more preferably about 2 to 10 nm, and its specific surface area is 200 to 800 m 2 / About g, preferably about 300 to 700 m 2 / g, and the pore volume is about 0.1-1.0 cm 3 / g, preferably about 0.1-0.6 cm 3 / g.

ここで、中心細孔直径とは、細孔容積(V)を細孔直径(D)で微分した値(dV/dD)を細孔直径(D)に対してプロットした曲線(細孔径分布曲線)の最大ピークにおける細孔直径である。   Here, the center pore diameter is a curve (pore diameter distribution curve) in which a value (dV / dD) obtained by differentiating the pore volume (V) with respect to the pore diameter (D) is plotted against the pore diameter (D). ) At the maximum peak.

なお、細孔径分布曲線は、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、シリカメソ多孔体薄膜を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法あるいは重量法によりその吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットし、吸着等温線を得る。この吸着等温線を用い、Cranston-Inklay法、Pollimore-Heal法、BJH法等の計算法により細孔径分布曲線を求めることができる。
III.第3工程
本工程では、第2工程で得られる無機多孔質膜の表面及び細孔内に存在する−OH基に、プロトン導電性基に変換しうる基を有するシランカップリング剤を反応させ、その後、プロトン導電性基に変換しうる基をプロトン導電性基に化学変換することにより、本発明のプロトン導電性固体電解質膜が製造される。
The pore size distribution curve can be obtained by the method described below. That is, the silica mesoporous thin film is cooled to liquid nitrogen temperature (−196 ° C.), nitrogen gas is introduced, the adsorption amount is obtained by a constant volume method or a gravimetric method, and then the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased. Then, the adsorption amount of nitrogen gas with respect to each equilibrium pressure is plotted, and an adsorption isotherm is obtained. Using this adsorption isotherm, a pore size distribution curve can be obtained by a calculation method such as Cranston-Inklay method, Pollimore-Heal method, BJH method.
III. Third step In this step, the surface of the inorganic porous membrane obtained in the second step and -OH groups present in the pores are reacted with a silane coupling agent having a group that can be converted into a proton conductive group, Then, the proton conductive solid electrolyte membrane of the present invention is manufactured by chemically converting a group that can be converted into a proton conductive group into a proton conductive group.

シランカップリング剤との反応
本発明において、プロトン導電性基に変換しうる基を有するシランカップリング剤とは、ケイ素上に反応性基(アルコキシ基、ハロゲン原子など)及びプロトン導電性基に変換しうる基を有するアルキル基を含むケイ素化合物を意味する。例えば、下記式(I):
jkSi[(CH2n−Y]m (I)
(式中、Xはアルコキシ基又はハロゲン原子、Rはアルキル基、Yはプロトン導電性基に変換しうる基、jは1、2又は3、kは0、1又は2、mは1、2又は3でありj+k+m=4を満たし、nは2〜11の整数を示す)
で表される化合物が挙げられる。
Reaction with Silane Coupling Agent In the present invention, a silane coupling agent having a group that can be converted into a proton conductive group means a reactive group (alkoxy group, halogen atom, etc.) and a proton conductive group on silicon. It means a silicon compound containing an alkyl group having such a group. For example, the following formula (I):
X j R k Si [(CH 2) n -Y] m (I)
Wherein X is an alkoxy group or a halogen atom, R is an alkyl group, Y is a group that can be converted into a proton conductive group, j is 1, 2 or 3, k is 0, 1 or 2, m is 1, 2. Or 3 and satisfies j + k + m = 4, and n represents an integer of 2 to 11)
The compound represented by these is mentioned.

Xで示されるアルコキシ基におけるアルキル部分は、特に限定はないが、通常炭素数1〜6の直鎖又は分岐鎖のアルキルが挙げられる。具体的には、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、tert−ブチル、n−ペンチル、n−ヘキシル等が挙げられる。好ましくは、炭素数1〜4の直鎖又は分岐鎖のアルキル、より好ましくは炭素数1〜3の直鎖又は分岐鎖のアルキルが挙げられる。   The alkyl moiety in the alkoxy group represented by X is not particularly limited, and examples thereof usually include linear or branched alkyl having 1 to 6 carbon atoms. Specific examples include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, n-pentyl, n-hexyl and the like. Preferably, it is C1-C4 linear or branched alkyl, More preferably, C1-C3 linear or branched alkyl is mentioned.

Xで示されるハロゲン原子としては、F、Cl、Br、Iが例示される。そのうち、Cl、Brが好ましく、特にClが好ましい。   Examples of the halogen atom represented by X include F, Cl, Br, and I. Of these, Cl and Br are preferable, and Cl is particularly preferable.

Rで示されるアルキル基は、上述のXで示されるアルコキシ基におけるアルキル部分で示したものが例示される。好ましくはメチル基である。   The alkyl group represented by R is exemplified by the alkyl moiety in the alkoxy group represented by X described above. A methyl group is preferred.

本発明のおいてプロトン導電性基とは、解離しやすいプロトン(水素イオン)を有しこれにより導電性を有する基を意味し、例えば、−SO3H、−PO3H、−COOH等が挙げられる。Yで示されるプロトン導電性基に変換しうる基は、化学変換(酸化反応、加水分解反応等)により上記プロトン導電性基に変換されうる基を意味し、例えば、それぞれ、−SH、−P(O)(OR1)(OR2)(式中、R1及びR2は、同一又は異なって、アルキル基、アリール基又はアラルキル基である)、−COOR3(式中、R3はアルキル基、アリール基又はアラルキル基である)等が挙げられる。 In the present invention, the proton conductive group means a group having a proton (hydrogen ion) that is easily dissociated and thereby having conductivity, such as —SO 3 H, —PO 3 H, —COOH, and the like. Can be mentioned. The group that can be converted into a proton conductive group represented by Y means a group that can be converted into the proton conductive group by chemical conversion (oxidation reaction, hydrolysis reaction, etc.), and includes, for example, —SH and —P, respectively. (O) (OR 1 ) (OR 2 ) (wherein R 1 and R 2 are the same or different and are an alkyl group, an aryl group or an aralkyl group), —COOR 3 (wherein R 3 is an alkyl group) A group, an aryl group or an aralkyl group).

上記のR1、R2及びR3で示されるアルキル基としては、同一又は異なって炭素数1〜
6の直鎖又は分岐鎖のアルキル基が好ましく、例えば、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、tert−ブチル、n−ペンチル、n−ヘキシル等が挙げられる。このうち、メチル、エチルが好ましい。R1、R2及びR3で示される
アリール基としては、同一又は異なってフェニル、トルイル、ナフチル、アンスリル、フェナンスリル等が例示される。R1、R2及びR3で示されるアラルキル基としては、同一
又は異なってベンジル、フェネチル等が例示される。
The alkyl groups represented by R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and have 1 to
6 linear or branched alkyl groups are preferable, and examples thereof include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, n-pentyl, n-hexyl and the like. Of these, methyl and ethyl are preferable. Examples of the aryl group represented by R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and include phenyl, toluyl, naphthyl, anthryl, phenanthryl and the like. Examples of the aralkyl group represented by R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and include benzyl, phenethyl and the like.

jが2又は3、kが0又は1、mが1でありj+k+m=4を満たすものが好ましく、jが3、kが0、mが1でありj+k+m=4を満たすものがより好ましい。   It is preferable that j is 2 or 3, k is 0 or 1, m is 1 and j + k + m = 4 is satisfied, and j is 3, k is 0, m is 1 and j + k + m = 4 is more preferable.

また、nは2〜8の整数が好ましく、2〜5の整数がより好ましく、特に2又は3が好ましい。   N is preferably an integer of 2 to 8, more preferably an integer of 2 to 5, and particularly preferably 2 or 3.

式(I)で表される化合物のうち、好ましいものとしては、式(II):
3Si−(CH2n−Y (II)
(但し、X、Y及びnは前記に同じ)
で表される化合物が挙げられる。
Of the compounds represented by formula (I), preferred are those represented by formula (II):
X 3 Si- (CH 2) n -Y (II)
(However, X, Y and n are the same as above)
The compound represented by these is mentioned.

式(II)において、より好ましくは、Xがメトキシ、エトキシ、イソプロポキシ、n−プロポキシ、n−ブトキシ、Cl、Br、Yが−SH、−P(O)(OCH32、−P(O)(OCH2CH32、−COOCH3、−COOCH2CH3、nが2又は3のものが挙げられる。 In the formula (II), more preferably, X is methoxy, ethoxy, isopropoxy, n-propoxy, n-butoxy, Cl, Br, Y is —SH, —P (O) (OCH 3 ) 2 , —P ( O) (OCH 2 CH 3 ) 2 , —COOCH 3 , —COOCH 2 CH 3 , where n is 2 or 3.

式(I)で表される化合物の好ましい具体例としては、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、2−(ジメトキシフォスフォリル)エチルトリエトキシシラン、2−(ジエトキシフォスフォリル)エチルトリエトキシシラン、2−(メトキシカルボニル)エチルトリエトキシシラン、2−(エトキシカルボニル)エチルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリクロロシシラン、2−トリクロロシリルエチルアセテート等が挙げられる。中でも、3−メルカプトプロピルトリメトキシシランが好ましい。   Preferable specific examples of the compound represented by the formula (I) include 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 2- (dimethoxyphosphoryl) ethyltriethoxysilane, 2- (diethoxy Phosphoryl) ethyltriethoxysilane, 2- (methoxycarbonyl) ethyltriethoxysilane, 2- (ethoxycarbonyl) ethyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrichlorosilane, 2-trichlorosilylethyl acetate and the like. Among these, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane is preferable.

これらのシランカップリング剤は、いずれも市販であるか又は公知の方法により容易に製造することができる。   Any of these silane coupling agents is commercially available or can be easily produced by a known method.

該シランカップリング剤と無機多孔質膜との反応は、該シランカップリング剤の溶液に無機多孔質膜を浸漬して行うことができる。溶媒としては、該シランカップリング剤を溶解しうるものであれば特に限定はなく、ベンゼン、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン等を採用することができる。溶液中の該シランカップリング剤の濃度は、20〜25g/L程度であればよい。浸漬の条件は、特に限定はないが、室温(10〜35℃程度)〜溶媒の沸点の温度範囲で適宜選択できる。反応性の観点から、溶媒中還流するのが好ま
しい。還流温度は、用いる溶媒の沸点にもよるが、通常、30〜200℃程度、好ましくは50〜150℃程度であり、還流時間は、通常5〜24時間程度、好ましくは10〜20時間程度である。これにより、無機多孔質膜の表面にプロトン導電性基に変換しうる基を導入し改質することができ、次いで該基をプロトン導電性基に変換する。
The reaction between the silane coupling agent and the inorganic porous membrane can be performed by immersing the inorganic porous membrane in a solution of the silane coupling agent. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the silane coupling agent, and benzene, toluene, xylene, tetrahydrofuran and the like can be employed. The concentration of the silane coupling agent in the solution may be about 20 to 25 g / L. The conditions for the immersion are not particularly limited, but can be appropriately selected within a temperature range from room temperature (about 10 to 35 ° C) to the boiling point of the solvent. From the viewpoint of reactivity, it is preferably refluxed in a solvent. Although the reflux temperature depends on the boiling point of the solvent used, it is usually about 30 to 200 ° C., preferably about 50 to 150 ° C., and the reflux time is usually about 5 to 24 hours, preferably about 10 to 20 hours. is there. Thus, a group that can be converted into a proton conductive group can be introduced and modified on the surface of the inorganic porous membrane, and then the group is converted into a proton conductive group.

プロトン導電性固体電解質膜の製造
上記の表面改質された無機多孔質膜は、プロトン導電性基を有する無機多孔質膜に変換される。つまり、無機多孔質膜の表面及び細孔内に導入されたにプロトン導電性基に変換しうる基(Y)は、プロトン導電性基に化学変換される。
Production of Proton Conductive Solid Electrolyte Membrane The above surface-modified inorganic porous membrane is converted into an inorganic porous membrane having a proton conductive group. That is, the group (Y) that is introduced into the surface and pores of the inorganic porous membrane and can be converted into a proton conductive group is chemically converted into a proton conductive group.

具体的には、プロトン導電性基に変換しうる基(Y)が−SHの場合は、公知の酸化反応により−SO3Hに変換される。例えば、酸化反応は、硝酸、過酸化水素(水)、酸素
、過酸(例えば、過ギ酸、過酢酸、過安息香酸、mCPBA)等を酸化剤として用いることができる。
Specifically, when the group (Y) that can be converted into a proton conductive group is —SH, it is converted into —SO 3 H by a known oxidation reaction. For example, in the oxidation reaction, nitric acid, hydrogen peroxide (water), oxygen, peracid (eg, formic acid, peracetic acid, perbenzoic acid, mCPBA) or the like can be used as an oxidizing agent.

また、プロトン導電性基に変換しうる基(Y)が−P(O)(OR1)(OR2)の場合は、公知の加水分解反応により−PO3Hに変換される。例えば、水酸化ナトリウム水溶
液、水酸化カリウム水溶液等を用いることができる。
When the group (Y) that can be converted into a proton conductive group is -P (O) (OR 1 ) (OR 2 ), it is converted into -PO 3 H by a known hydrolysis reaction. For example, an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution can be used.

また、プロトン導電性基に変換しうる基(Y)が−COOR3の場合は、公知の加水分
解反応により−CO2Hに変換される。例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウ
ム水溶液、塩酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ギ酸等を用いることができる。
When the group (Y) that can be converted into a proton conductive group is —COOR 3 , it is converted to —CO 2 H by a known hydrolysis reaction. For example, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, hydrochloric acid, trifluoromethanesulfonic acid, formic acid, etc. can be used.

かくして得られる本発明の固体電解質膜は、無機多孔質膜の表面及び細孔内の水酸基の水素原子が、プロトン導電性基を有する基で置換されている。具体的には、下記の式(III)〜式(V)のいずれかで示される基で置換されている。   In the solid electrolyte membrane of the present invention thus obtained, the hydrogen atom of the hydroxyl group in the surface and pores of the inorganic porous membrane is substituted with a group having a proton conductive group. Specifically, it is substituted with a group represented by any of the following formulas (III) to (V).

−Si(CH2n−SO3H (III)
−Si(CH2n−PO3H (IV)
−Si(CH2n−COOH (V)
(式中、nは前記に同じ)
本発明の固体電解質膜は、無機多孔質との間に共有結合等を介してプロトン導電性基(−SO3H、−PO3H、−CO2H等)が結合しているため、熱に対し高い安定性を有す
ると共に、高いプロトン導電性を有している。
-Si (CH 2) n -SO 3 H (III)
-Si (CH 2) n -PO 3 H (IV)
-Si (CH 2) n -COOH ( V)
(Where n is the same as above)
In the solid electrolyte membrane of the present invention, proton conductive groups (—SO 3 H, —PO 3 H, —CO 2 H, etc.) are bonded to the inorganic porous material via a covalent bond or the like. In contrast, it has high stability and high proton conductivity.

本発明の固体電解質膜の厚さは100μm〜1000μm程度、好ましくは100〜800μm程度で
あり、中心細孔直径は1〜50nm程度、好ましくは2〜20nm程であり、比表面積は200〜800m2/g、好ましくは300〜600m2/g程度であり、細孔容積は0.1〜1.0cm3/g、好ましくは0.1〜0.6cm3/g程度である。
The thickness of the solid electrolyte membrane of the present invention is about 100 μm to 1000 μm, preferably about 100 to 800 μm, the center pore diameter is about 1 to 50 nm, preferably about 2 to 20 nm, and the specific surface area is 200 to 800 m 2. / g, preferably about 300 to 600 m 2 / g, and the pore volume is about 0.1 to 1.0 cm 3 / g, preferably about 0.1 to 0.6 cm 3 / g.

本発明の固体電解質膜は、具体的には、温度85℃、相対湿度95%の条件下に10-4〜10-2S/cmオーダー、具体的には、1×10-4〜1×10-2S/cm程度、好ましくは5×10-4〜10-2S/cm程度の高いプロトン導電率を示す。そのため、本発明の固体電解質膜は、プロトン導電性材料として広く用いられ、例えば、燃料電池などにおける固体電解質膜、水電解用膜、センサー用電解質膜などとして好適に用いることができる。 Specifically, the solid electrolyte membrane of the present invention is on the order of 10 −4 to 10 −2 S / cm, specifically 1 × 10 −4 to 1 × under conditions of a temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 95%. 10 -2 S / cm or so, preferably a high degree 5 × 10 -4 ~10 -2 S / cm proton conductivity. Therefore, the solid electrolyte membrane of the present invention is widely used as a proton conductive material, and can be suitably used as, for example, a solid electrolyte membrane, a water electrolysis membrane, a sensor electrolyte membrane in a fuel cell or the like.

本発明の固体電解質膜は、上述の新規な表面改質法により、高いプロトン導電性が達成される。また、本発明の固体電解質膜の基材は、無機化合物であるため耐熱性、耐化学薬品性(耐食性)を有し、高温での使用も可能である。そのため、本発明の固体電解質膜は
、例えば、燃料電池などにおける固体電解質膜、水電解用膜、センサー用電解質膜などとして有用である。
The solid electrolyte membrane of the present invention achieves high proton conductivity by the above-described novel surface modification method. In addition, since the substrate of the solid electrolyte membrane of the present invention is an inorganic compound, it has heat resistance and chemical resistance (corrosion resistance), and can be used at high temperatures. Therefore, the solid electrolyte membrane of the present invention is useful as, for example, a solid electrolyte membrane, a water electrolysis membrane, a sensor electrolyte membrane in a fuel cell or the like.

次に、実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない限り以下の実施例に限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples without departing from the gist thereof.

以下の実施例におけるプロトン導電性試験は、サンプルを環境試験機中(温度、湿度を可変かつ一定に保持できる装置)において電極を2端子法によりサンプルを挟み込み、イ
ンピーダンスアナライザーを用いて行った。
The proton conductivity test in the following examples was performed using an impedance analyzer with the sample sandwiched between the electrodes by a two-terminal method in an environmental test machine (an apparatus capable of keeping temperature and humidity variable and constant).

実施例1
共役ポリマーであるポリ(エチレングリコール)-ブロック-ポリ(プロピレングリコール)-ブロック-ポリ(エチレングリコール) 2.0gをエタノール15 gに溶解した後に70%硝酸 / 水(0.01/4 mol ratio)の溶液1.487gを添加した。更にテトラエトキシシラン4.25gを加
え35-40度で20時間撹拌した。得られた溶液をシャーレー中にて安置したのち、室温で溶
媒を除去することで固化させて有機-無機ハイブリッド膜を得た。有機-無機ハイブリッド膜0.497gを190度で3時間焼成して多孔質膜を得た。
Example 1
Dissolve 2.0g of poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol) -block-poly (ethylene glycol) conjugated polymer in 15 g of ethanol, then solution 1.487 in 70% nitric acid / water (0.01 / 4 mol ratio) g was added. Further, 4.25 g of tetraethoxysilane was added and stirred at 35-40 degrees for 20 hours. The obtained solution was placed in a petri dish and then solidified by removing the solvent at room temperature to obtain an organic-inorganic hybrid film. A porous membrane was obtained by firing 0.497 g of an organic-inorganic hybrid membrane at 190 degrees for 3 hours.

3-メルカトプロピルトリメトキシシラン0.12gに脱水トルエン4.5mLを加えた溶液を作製する。その溶液を用い、多孔質膜0.12gを浸して100℃で20時間リフラックス(還流)することにより多孔質ガラス細孔内表面にチオール基を導入し多孔質ガラス膜を改質した。さらに70%硝酸溶液を用いて酸化反応を行いチオールからスルホン酸へと官能基変換を行った。用いた多孔質ガラス膜Aは、10mm角、厚さ0.6mm、平均細孔径5.8nmである。この膜の85度、相対湿度95%におけるプロトン導電率は、2.7×10-3S/cmであった。このように
本表面改質法により高いプロトン導電性を示す膜が得られた。
A solution is prepared by adding 4.5 mL of dehydrated toluene to 0.12 g of 3-mercatopropyltrimethoxysilane. Using this solution, 0.12 g of the porous membrane was immersed and refluxed (refluxed) at 100 ° C. for 20 hours to introduce thiol groups into the inner surface of the porous glass pores, thereby modifying the porous glass membrane. Furthermore, an oxidation reaction was performed using a 70% nitric acid solution to convert the functional group from thiol to sulfonic acid. The used porous glass film A has a 10 mm square, a thickness of 0.6 mm, and an average pore diameter of 5.8 nm. The proton conductivity of this membrane at 85 ° C. and relative humidity of 95% was 2.7 × 10 −3 S / cm. Thus, a film having high proton conductivity was obtained by this surface modification method.

実施例2
共役ポリマーであるポリ(エチレングリコール)-ブロック-ポリ(プロピレングリコール)-ブロック-ポリ(エチレングリコール) 2.0gをエタノール15 gに溶解した後に70%硝酸 / 水(0.01/4 mol ratio)の溶液1.487gを添加した。更にテトラエトキシシラン4.25gを加
え35-40度で20時間撹拌した。得られた溶液をシャーレー中にて安置して40度で溶媒を除
去することで固化させて有機-無機ハイブリッド膜を得た。有機-無機ハイブリッド膜0.31gを190度で3時間焼成して多孔質膜を得た。
Example 2
Dissolve 2.0g of poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol) -block-poly (ethylene glycol) conjugated polymer in 15 g of ethanol, then solution 1.487 in 70% nitric acid / water (0.01 / 4 mol ratio) g was added. Further, 4.25 g of tetraethoxysilane was added and stirred at 35-40 degrees for 20 hours. The obtained solution was placed in a petri dish and solidified by removing the solvent at 40 degrees to obtain an organic-inorganic hybrid film. A porous membrane was obtained by firing 0.31 g of an organic-inorganic hybrid membrane at 190 ° C. for 3 hours.

3-メルカトプロピルトリメトキシシラン0.14gに脱水トルエン5.5 mLを加えた溶液を
作製する。その溶液を用い、多孔質膜0.14gを浸して100℃で20時間リフラックス(還流)することにより多孔質ガラス細孔内表面にチオール基を導入し多孔質ガラス膜を改質した。さらに70%硝酸溶液を用いて酸化反応を行いチオールからスルホン酸へと官能基変換を行った。用いた多孔質ガラス膜Aは、7mm角、厚さ0.4mm、平均細孔径5.2nmである。この
膜の80度、相対湿度95%におけるプロトン導電率は、6.9×10-4 S/cmであった。このように本表面改質法により高いプロトン導電性を示す膜が得られた。
A solution is prepared by adding 5.5 mL of dehydrated toluene to 0.14 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane. Using this solution, 0.14 g of the porous membrane was immersed and refluxed (refluxed) at 100 ° C. for 20 hours to introduce thiol groups into the inner surface of the porous glass pores, thereby modifying the porous glass membrane. Furthermore, an oxidation reaction was performed using a 70% nitric acid solution to convert the functional group from thiol to sulfonic acid. The used porous glass film A has a size of 7 mm square, a thickness of 0.4 mm, and an average pore diameter of 5.2 nm. The proton conductivity of this membrane at 80 ° C. and 95% relative humidity was 6.9 × 10 −4 S / cm. Thus, a film having high proton conductivity was obtained by this surface modification method.

実施例3
共役ポリマーであるポリ(エチレングリコール)-ブロック-ポリ(プロピレングリコール)-ブロック-ポリ(エチレングリコール) 2.0gをエタノール15 gに溶解した後に70%硝酸 / 水(0.01/4 mol ratio)の溶液1.487gを添加した。更にテトラエトキシシラン4.25gを加
え35-40度で20時間撹拌した。得られた溶液をシャーレー中にて安置して80度で溶媒を除
去することで固化させて有機-無機ハイブリッド膜を得た。有機-無機ハイブリッド膜0.525gを190度で3時間焼成して多孔質膜を得た。
Example 3
Dissolve 2.0g of poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol) -block-poly (ethylene glycol) conjugated polymer in 15 g of ethanol, then solution 1.487 in 70% nitric acid / water (0.01 / 4 mol ratio) g was added. Further, 4.25 g of tetraethoxysilane was added and stirred at 35-40 degrees for 20 hours. The obtained solution was placed in a petri dish and solidified by removing the solvent at 80 degrees to obtain an organic-inorganic hybrid film. A porous membrane was obtained by baking 0.525 g of an organic-inorganic hybrid membrane at 190 degrees for 3 hours.

3-メルカトプロピルトリメトキシシラン0.14gに脱水トルエン5.5mLを加えた溶液を作製する。その溶液を用い、多孔質膜0.15gを浸して100℃で20時間リフラックス(還流)することにより多孔質ガラス細孔内表面にチオール基を導入し多孔質ガラス膜を改質した。さらに70%硝酸溶液を用いて酸化反応を行いチオールからスルホン酸へと官能基変換を行った。用いた多孔質ガラス膜Aは、8mm角、厚さ0.64mm、平均細孔径4.4 nmである。この
膜の85度、相対湿度95%におけるプロトン導電率は、7.0×10-4S/cmであった。このよう
に本表面改質法により高いプロトン導電性を示す膜が得られた。
A solution is prepared by adding 5.5 mL of dehydrated toluene to 0.14 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane. Using the solution, 0.15 g of the porous membrane was immersed and refluxed (refluxed) at 100 ° C. for 20 hours to introduce thiol groups into the inner surface of the porous glass pores, thereby modifying the porous glass membrane. Furthermore, an oxidation reaction was performed using a 70% nitric acid solution to convert the functional group from thiol to sulfonic acid. The used porous glass membrane A has an 8 mm square, a thickness of 0.64 mm, and an average pore diameter of 4.4 nm. The proton conductivity of this membrane at 85 ° C. and 95% relative humidity was 7.0 × 10 −4 S / cm. Thus, a film having high proton conductivity was obtained by this surface modification method.

Claims (8)

ゾル-ゲル法により無機−有機ハイブリッド膜を製造する第1工程、該無機-有機ハイブリッド膜から有機分子を除去することにより無機多孔質膜を製造する第2工程、及び該無機多孔質膜の細孔内及び表面にプロトン導電性基を導入する第3工程からなるプロトン導電性固体電解質膜の製法であって、
前記第3工程が、該無機多孔質膜の細孔内及び表面に、プロトン導電性基に変換しうる基を含有するシランカップリング剤を反応させて該無機多孔質膜を表面改質した後、該プロトン導電性基に変換しうる基をプロトン導電性基に化学変換する工程であり、
前記プロトン導電性基に変換しうる基を含有するシランカップリング剤が、式(I):
j k Si[(CH 2 n −Y] m (I)
(式中、Xはアルコキシ基又はハロゲン原子、Rはアルキル基、Yはプロトン導電性基に変換しうる基、jは1、2又は3、kは0、1又は2、mは1、2又は3でありj+k+m=4を満たし、nは2〜11の整数を示す)
で表される化合物であるプロトン導電性固体電解質膜の製法
A first step of producing an inorganic-organic hybrid membrane by a sol-gel method, a second step of producing an inorganic porous membrane by removing organic molecules from the inorganic-organic hybrid membrane, and a fine process of the inorganic porous membrane. A method for producing a proton conductive solid electrolyte membrane comprising a third step of introducing a proton conductive group into the pores and on the surface ,
After the third step, the inorganic porous membrane is surface-modified by reacting a silane coupling agent containing a group that can be converted into a proton conductive group in and on the pores of the inorganic porous membrane. , A step of chemically converting the proton-conducting group into a proton-conducting group.
A silane coupling agent containing a group that can be converted into the proton conductive group has the formula (I):
X j R k Si [(CH 2) n -Y] m (I)
Wherein X is an alkoxy group or a halogen atom, R is an alkyl group, Y is a group that can be converted into a proton conductive group, j is 1, 2 or 3, k is 0, 1 or 2, m is 1, 2. Or 3 and satisfies j + k + m = 4, and n represents an integer of 2 to 11)
A method for producing a proton conductive solid electrolyte membrane, which is a compound represented by the formula:
前記第1工程が、テトラアルコキシシランと界面活性剤を酸性条件下混合し固化させて無機−有機ハイブリッド膜を製造する工程である請求項1に記載の製法。 The process according to claim 1, wherein the first step is a step of producing an inorganic-organic hybrid film by mixing and solidifying tetraalkoxysilane and a surfactant under acidic conditions. 前記第2工程が、無機−有機ハイブリッド膜を加熱して無機多孔質膜を製造する工程である請求項1に記載の製法。 The method according to claim 1, wherein the second step is a step of heating the inorganic-organic hybrid membrane to produce an inorganic porous membrane. 無機多孔質膜の厚さが1000μm以下、中心細孔直径が1〜50nm、比表面積が200〜800m2/g
、細孔容積が0.1〜1.0cm3/gである請求項3に記載の製法。
The thickness of the inorganic porous membrane is 1000 μm or less, the center pore diameter is 1 to 50 nm, and the specific surface area is 200 to 800 m 2 / g
The process according to claim 3 , wherein the pore volume is 0.1 to 1.0 cm 3 / g.
プロトン導電性基に変換しうる基を含有するシランカップリング剤が、式(II):
3Si−(CH2n−Y (II)
(式中、Xは炭素数1〜6のアルコキシ基又はハロゲン原子、Yは−SH、−P(O)(OR1)(OR2)又は−COOR3、R1、R2及びR3は同一又は異なってアルキル基、アリール基又はアラルキル基、nは2〜8の整数を示す)
で表される化合物である請求項に記載の製法。
A silane coupling agent containing a group that can be converted into a proton conductive group has the formula (II):
X 3 Si- (CH 2) n -Y (II)
(Wherein X is an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms or a halogen atom, Y is —SH, —P (O) (OR 1 ) (OR 2 ) or —COOR 3 , R 1 , R 2 and R 3 are The same or different alkyl group, aryl group or aralkyl group, n represents an integer of 2 to 8)
The process according to claim 1 , wherein the compound is represented by the formula:
前記請求項1〜のいずれかに記載の製法により製造されるプロトン導電性固体電解質膜。 Claim 1-5 proton conducting solid electrolyte membrane produced by the method according to any one of. 厚さが1000μm以下、中心細孔直径が1〜50nm、比表面積が200〜800m2/g、細孔容積が0.1〜1.0cm3/gである請求項に記載のプロトン導電性固体電解質膜。 The proton conductive solid electrolyte membrane according to claim 6 , having a thickness of 1000 µm or less, a central pore diameter of 1 to 50 nm, a specific surface area of 200 to 800 m 2 / g, and a pore volume of 0.1 to 1.0 cm 3 / g. . 前記請求項又はに記載のプロトン導電性固体電解質膜を用いた燃料電池。 A fuel cell using the proton conductive solid electrolyte membrane according to claim 6 or 7 .
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