JP4496119B2 - Proton conducting membrane for fuel cell, membrane electrode composite, and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用電極もしくは固体電解質などに好適に使用されるプロトン伝導体と、プロトン伝導体を含有する膜電極複合体と、膜電極複合体を備えた燃料電池とに関するものである。   The present invention relates to a proton conductor preferably used for a fuel cell electrode or a solid electrolyte, a membrane electrode composite containing the proton conductor, and a fuel cell provided with the membrane electrode composite.

プロトン伝導性固体電解質はエレクトロクロミック材料やセンサー、特に最近は低温で動作する高エネルギー密度の燃料電池への応用に向けて盛んに研究されている。   Proton-conducting solid electrolytes are being actively researched for applications in electrochromic materials and sensors, particularly recently in high energy density fuel cells operating at low temperatures.

燃料電池はプロトン伝導性固体電解質の一方に燃料極(アノード)を設けて水素あるいはメタノールなどの燃料を供給し、電解質の他方の面に酸化剤極(カソード)を設けて酸化剤を供給する。アノードで電気化学的に燃料が酸化され、プロトンと電子(外部回路へ流れる)が生成し、プロトン伝導性固体電解質を通してプロトンはカソードに到達し、酸化剤と外部回路からきた電子とにより水を生成して電力を取り出せる仕組みになっている。   In the fuel cell, a fuel electrode (anode) is provided on one of the proton conductive solid electrolytes to supply a fuel such as hydrogen or methanol, and an oxidant electrode (cathode) is provided on the other surface of the electrolyte to supply an oxidant. The fuel is oxidized electrochemically at the anode, producing protons and electrons (flowing to the external circuit), protons reach the cathode through the proton-conducting solid electrolyte, and water is generated by the oxidant and electrons coming from the external circuit. The power can be taken out.

プロトン伝導性固体電解質としては有機高分子系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸含有高分子が知られており、具体的にはテトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエーテルとの共重合体をベースとし、イオン交換基としてスルホン酸基を有するもの(例えば、デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標)など)が知られている。パーフルオロスルホン酸含有高分子を電解質として用いた場合、膜に含まれる水分が乾燥によって減少しプロトン伝導度の低下が起こるため、高出力を得られる100℃付近での使用は厳しい水管理を必要とし、システムが極めて複雑になる。また、パーフルオロスルホン酸含有高分子は、クラスター構造を持つために疎な分子構造を有し、メタノールなどの有機液体燃料が電解質膜を透過してカソード側へ到達するクロスオーバーを生じやすい。この現象が生じた場合には、供給された液体燃料と酸化剤とが直接反応してしまい、エネルギーを電力として出力することができない。したがって、安定した出力を得ることができないという決定的な問題が生じる。   Perfluorosulfonic acid-containing polymers that are organic polymer ion exchange membranes are known as proton-conducting solid electrolytes, specifically based on a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether, Those having a sulfonic acid group as an exchange group (for example, trade name Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) are known. When a perfluorosulfonic acid-containing polymer is used as the electrolyte, the moisture contained in the membrane is reduced by drying and the proton conductivity decreases, so use at around 100 ° C where high output can be obtained requires strict water management. And the system becomes extremely complex. In addition, the perfluorosulfonic acid-containing polymer has a sparse molecular structure because it has a cluster structure, and a crossover in which an organic liquid fuel such as methanol passes through the electrolyte membrane and reaches the cathode side easily occurs. When this phenomenon occurs, the supplied liquid fuel and oxidant react directly, and energy cannot be output as electric power. Therefore, the critical problem that a stable output cannot be obtained arises.

無機固体酸系イオン交換膜としては固体超強酸性を有する硫酸担持金属酸化物(例えば特許文献1)が知られている。この特許文献1は、ジルコニウム、チタン、鉄、錫、シリコン、アルミニウム、モリブデン、タングステンから選ばれる元素を1種類以上含む酸化物表面に硫酸を担持し、熱処理によって酸化物表面に硫酸を固定化したものを開示している。   As an inorganic solid acid-based ion exchange membrane, a sulfuric acid-supported metal oxide having solid superacidity (for example, Patent Document 1) is known. In Patent Document 1, sulfuric acid is supported on an oxide surface containing one or more elements selected from zirconium, titanium, iron, tin, silicon, aluminum, molybdenum, and tungsten, and sulfuric acid is immobilized on the oxide surface by heat treatment. The thing is disclosed.

また、特許文献2および3には、プロトン伝導性物質として、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物やオキソ酸化合物を使用することが記載されている。この金属酸化物水和物やオキソ酸化合物は、高温下、乾燥空気での発電等による乾燥で水和水や結晶水が抜けると、構造が収縮するため、その後に水を供給しても元の水和物、オキソ酸化合物に戻らず、十分な発電性能を得られないという問題点がある。
特開2002−216537号公報 特開2003−142124号公報 特開2004−296243号公報
Patent Documents 2 and 3 describe the use of proton conductive metal oxide hydrates or oxo acid compounds as proton conductive substances. This metal oxide hydrate or oxo acid compound shrinks when hydration water or crystal water is removed by drying by power generation with dry air at high temperature. However, there is a problem that sufficient power generation performance cannot be obtained without returning to the hydrate or oxo acid compound.
JP 2002-216537 A JP 2003-142124 A JP 2004-296243 A

本発明は、高出力特性を得ることが可能なプロトン伝導性膜、膜電極複合体及び燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a proton conductive membrane, a membrane electrode assembly, and a fuel cell capable of obtaining high output characteristics.

本発明に係る燃料電池用プロトン伝導性膜は、Zr、Ti、SiおよびAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体、および、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、CrおよびVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子を含み、かつ固体超強酸性を示すプロトン伝導性無機酸化物と、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エーテル結合及びアミド結合よりなる群から選択される少なくとも1種類を含む親水性有機高分子とを含有することを特徴とするものである。 The proton conductive membrane for a fuel cell according to the present invention comprises an oxide carrier containing at least one element Y selected from the group consisting of Zr, Ti, Si and Al, and a surface of the oxide carrier. A proton-conducting inorganic oxide which is supported and contains oxide particles containing at least one element X selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V, and which exhibits solid superacidity, and a hydroxyl group And a hydrophilic organic polymer containing at least one selected from the group consisting of a carboxyl group, an ether bond and an amide bond.

本発明に係る膜電極複合体は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置され、前記プロトン伝導性膜からなる電解質膜とを具備することを特徴とするものである。 Wherein the membrane electrode assembly according to the present invention includes a fuel electrode, an oxidant electrode, disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode, that you and a electrolyte membrane comprising the proton conducting membrane It is what.

本発明に係る燃料電池は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置され、前記プロトン伝導性膜からなる電解質膜とを具備することを特徴とするものである。
Fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an oxidant electrode, disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode, characterized that you and a electrolyte membrane comprising the proton conducting membrane Is.

本発明によれば、膜抵抗が低く、かつメタノールのような液体燃料のクロスオーバーを抑制することが可能なプロトン伝導性膜を提供することができる。また、本発明によれば、出力特性を向上することが可能なプロトン伝導性膜、膜電極複合体及び燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a proton conductive membrane having low membrane resistance and capable of suppressing crossover of liquid fuel such as methanol. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a proton conductive membrane, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that can improve output characteristics.

以下、本発明の実施形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

プロトン伝導性膜は、固体超強酸性を示すプロトン伝導性無機酸化物と、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エーテル結合及びアミド結合よりなる群から選択される少なくとも1種類を含む親水性有機高分子とを含有する。   The proton conductive membrane comprises a proton conductive inorganic oxide exhibiting solid superacidity and a hydrophilic organic polymer containing at least one selected from the group consisting of hydroxyl group, carboxyl group, ether bond and amide bond. contains.

固体超強酸性を示すプロトン伝導性無機酸化物としては、例えば、前述した特許文献1に記載されているような硫酸担持金属酸化物からなる固体酸や、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子とを含有するプロトン伝導性無機酸化物(以下、元素X,Y含有のプロトン伝導性無機酸化物と称す)などが挙げられる。   Examples of the proton conductive inorganic oxide exhibiting solid superacidity include, for example, a solid acid composed of a sulfuric acid-supported metal oxide as described in Patent Document 1 described above, and a group composed of Ti, Zr, Si, and Al. An oxide carrier containing at least one element Y selected from: and at least one element X selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V supported on the surface of the oxide carrier. And proton-containing inorganic oxides (hereinafter referred to as elements X and Y-containing proton conductive inorganic oxides) and the like.

硫酸担持金属酸化物は固定化された硫酸根によってプロトン伝導性が発現するものであるが、加水分解により硫酸根が逸脱しやすい。燃料電池は、発電の過程で水を生じるため、特に液体燃料を用いる燃料電池のプロトン伝導性膜として硫酸担持金属酸化物を使用すると、プロトン伝導度の低下を生じる恐れがある。   The sulfate-supporting metal oxide exhibits proton conductivity due to the immobilized sulfate radical, but the sulfate radical tends to deviate by hydrolysis. Since the fuel cell generates water in the process of power generation, the use of a sulfuric acid-supported metal oxide as a proton conductive membrane of a fuel cell that uses liquid fuel may cause a decrease in proton conductivity.

一方、元素X,Y含有のプロトン伝導性無機酸化物における正確なプロトン伝導機構はまだ解明されていないが、元素Yを含有する酸化物担体(以下、酸化物担体Aと称す)の表面に元素Xを含有する酸化物粒子(以下、酸化物粒子Bと称す)が担持されることで、酸化物粒子Bの構造内にルイス酸点が生成し、このルイス酸点が水和することでブレンステッド酸点になり、プロトンの伝導場が形成されると考えられる。また、プロトン伝導性無機酸化物は非晶質構造を有した場合、このこともルイス酸点生成の促進に寄与しているものと推測される。   On the other hand, the exact proton conduction mechanism in the proton conductive inorganic oxide containing elements X and Y has not been elucidated yet, but the element on the surface of the oxide carrier containing element Y (hereinafter referred to as oxide carrier A). By supporting oxide particles containing X (hereinafter referred to as oxide particles B), Lewis acid points are generated in the structure of the oxide particles B, and the Lewis acid points are hydrated so that It is considered that a proton conduction field is formed due to the Stead acid point. In addition, when the proton conductive inorganic oxide has an amorphous structure, it is presumed that this also contributes to the promotion of Lewis acid point generation.

ルイス酸点によるプロトン生成反応に加えて、プロトン伝達に必要な同伴水の分子数を少なくすることができるため、プロトン伝導性無機酸化物の表面に存在する少量の水分子で高いプロトン伝導性を得ることが可能になり、発電時の厳格な水管理が不要となる。   In addition to the proton generation reaction due to the Lewis acid point, the number of entrained water molecules necessary for proton transfer can be reduced, so high proton conductivity can be achieved with a small amount of water molecules present on the surface of the proton conductive inorganic oxide. This makes it possible to eliminate the need for strict water management during power generation.

しかしながら、このプロトン伝導性無機酸化物を含むプロトン伝導性膜は、吸水性に劣り、プロトンの発生に必要な水分を固体超強酸へ十分に供給することができず、膜抵抗が大きかった。また、メタノールなどの液体燃料を用いる燃料電池の場合、メタノールのクロスオーバーを十分に制御することができず、安定した出力を得ることができなかった。   However, the proton conducting membrane containing this proton conducting inorganic oxide is inferior in water absorption, cannot sufficiently supply water necessary for generation of protons to the solid super strong acid, and has high membrane resistance. Further, in the case of a fuel cell using a liquid fuel such as methanol, the methanol crossover could not be sufficiently controlled, and a stable output could not be obtained.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エーテル結合及びアミド結合よりなる群から選択される少なくとも1種類を含む親水性有機高分子をプロトン伝導性膜に含有させることによって、プロトン伝導性無機酸化物と親水性有機高分子との相分離を抑制することができ、プロトン伝導性無機酸化物の分散性が向上されることを見出した。得られたプロトン伝導性膜は、吸水性が高いため、プロトン伝導性無機酸化物に十分な量の水分を供給することができ、高いプロトン伝導性が得られ、膜抵抗を低減することができる。また、このプロトン伝導性膜は、緻密性が高いため、液体燃料の透過を抑えることが可能で、メタノールクロスオーバーを抑制することができる。   As a result of intensive studies, the present inventors have made the proton conductive membrane contain a hydrophilic organic polymer containing at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, an ether bond and an amide bond. It has been found that phase separation between the proton conductive inorganic oxide and the hydrophilic organic polymer can be suppressed, and the dispersibility of the proton conductive inorganic oxide is improved. Since the obtained proton conductive membrane has high water absorption, a sufficient amount of moisture can be supplied to the proton conductive inorganic oxide, high proton conductivity can be obtained, and membrane resistance can be reduced. . Moreover, since this proton conductive membrane has high density, it is possible to suppress the permeation of liquid fuel and to suppress methanol crossover.

従って、このプロトン伝導性膜を電解質膜として使用するか、あるいはプロトン伝導性無機酸化物と親水性有機高分子とを燃料極及び/または酸化剤極に含有させることによって、燃料電池の最大発電量を増加させることができる。   Therefore, by using this proton conductive membrane as an electrolyte membrane, or by containing a proton conductive inorganic oxide and a hydrophilic organic polymer in the fuel electrode and / or the oxidizer electrode, the maximum power generation amount of the fuel cell is obtained. Can be increased.

元素X,Y含有のプロトン伝導性無機酸化物について、さらに説明する。酸化物粒子Bは、元素やpHの環境によってその溶解度が変動するものの、水溶性を有している。この酸化物粒子Bを水溶性の低い酸化物担体Aに焼成による化学的な結合を形成することによって、酸化物粒子Bの水への溶解を抑えることができ、プロトン伝導性無機酸化物の水及び液体燃料に対する安定性を高くすることができる。また、溶出した酸化物粒子Bのイオンによる他の燃料電池材料や装置の汚染も回避することができる。従って、燃料電池において高い長期信頼性を得ることができる。さらに、安価な酸化物担体Aを母材とすることで電池の製造コストを抑えることも可能である。   The proton conductive inorganic oxide containing elements X and Y will be further described. Although the solubility of the oxide particles B varies depending on the element and pH environment, the oxide particles B have water solubility. By forming a chemical bond by calcination of the oxide particles B on the oxide carrier A having low water solubility, the dissolution of the oxide particles B in water can be suppressed, and the water of the proton conductive inorganic oxide can be suppressed. In addition, the stability to liquid fuel can be increased. Further, contamination of other fuel cell materials and devices due to ions of the eluted oxide particles B can be avoided. Therefore, high long-term reliability can be obtained in the fuel cell. Furthermore, the manufacturing cost of the battery can be suppressed by using an inexpensive oxide carrier A as a base material.

酸化物担体Aに酸化物粒子Bが担持されていることの確認は、例えば、X線回折(XRD)、電子プローブ微量分析(EPMA)、X線電子分光法(XPS)、エネルギー分散型X線分析(EDX)などの機器分析により行うことが可能である。また、酸化物担体Aはいずれも白色であるが、酸化物粒子Bは有色(Wが黄色、Moが灰色、Crが緑色、Vがオレンジ色)なので、目視による確認も可能である。   Confirmation that the oxide particles B are supported on the oxide carrier A is, for example, X-ray diffraction (XRD), electron probe microanalysis (EPMA), X-ray electron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray It can be performed by instrumental analysis such as analysis (EDX). In addition, the oxide carriers A are all white, but the oxide particles B are colored (W is yellow, Mo is gray, Cr is green, and V is orange), so that visual confirmation is also possible.

酸化物担体Aは上記元素Y(Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる)を含むガスを分解して酸化物を作る気相法、あるいは上記元素Yを含む金属アルコキシドを原料としてゾル―ゲル法などから合成することができるが、合成方法は限定されるものではなく、複数の元素を含む複合酸化物であっても良い。具体的には、TiO2、ZrO2、SiO2、Al23、Al23−SiO2、TiO2−SiO2、ZrO2−SiO2などが挙げられる。プロトン伝導性を十分に高くするためには、ZrO2を使用することが望ましい。また、製造コストを抑えつつ高いプロトン伝導性を得るには、TiO2を使用することが望ましい。ところで、酸化物担体Aの形状は粒子状、繊維状、平板状、層状、多孔性などの形状が挙げられるが限定されるものではない。 The oxide carrier A contains a gas phase method in which an oxide is produced by decomposing a gas containing the element Y (consisting of at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Al), or the element Y. The metal alkoxide can be synthesized from a sol-gel method or the like as a raw material, but the synthesis method is not limited and may be a complex oxide containing a plurality of elements. Specifically, TiO 2, ZrO 2, SiO 2, Al 2 O 3, Al 2 O 3 -SiO 2, TiO 2 -SiO 2, such as ZrO 2 -SiO 2 and the like. In order to sufficiently increase proton conductivity, it is desirable to use ZrO 2 . Further, in order to obtain high proton conductivity while suppressing the manufacturing cost, it is desirable to use TiO 2 . By the way, examples of the shape of the oxide carrier A include, but are not limited to, particles, fibers, flat plates, layers, and porous shapes.

酸化物担体Aの表面に酸化物粒子Bを担持する方法は、元素X(W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる)を含む物質を溶解した溶液、例えば塩化物、硝酸塩、水素酸、オキソ酸塩などの水溶液あるいは金属アルコキシドのアルコール溶液に酸化物担体Aを分散し、溶媒を除去することで担持した後、熱処理により酸化物粒子Bとするのが望ましいが、担持方法はこれに限定されるものではなく、複数の元素を含む複合酸化物の状態で担持されていてもよい。また、酸化物粒子Bは、酸化物担体Aの表面の少なくとも一部に担持されていれば良く、例えば、酸化物担体Aの表面に点在していたり、あるいは酸化物担体Aの表面を覆うような層状物である場合が挙げられる。また、酸化物粒子Bが酸化物担体Aの表面に担持されていれば良く、酸化物粒子Bまたは酸化物担体Aの結晶性は限定されるものではないが、ルイス酸点生成の促進、酸性度の向上に寄与する可能性、製造コストの低下、製造プロセスの容易さを考慮すれば酸化物粒子Bおよび酸化物担体Aはいずれも非晶質であることが望ましく、さらに酸化物粒子Bは非晶質、酸化物担体Aは結晶であることがより望ましい。ただし、上記とは逆に、酸化物粒子Bと酸化物担体Aのいずれも結晶で使用する場合、あるいは酸化物粒子Bが結晶、酸化物担体Aが非晶質で使用する場合も可能である。   The method of supporting the oxide particles B on the surface of the oxide support A is a solution in which a substance containing the element X (consisting of at least one selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V) is dissolved, for example, chloride It is desirable to disperse the oxide carrier A in an aqueous solution of a product, nitrate, hydrogen acid, oxoacid salt, etc. or an alcohol solution of a metal alkoxide, and carry the oxide carrier B by removing the solvent, and then heat treatment to form oxide particles B. The supporting method is not limited to this, and it may be supported in the state of a composite oxide containing a plurality of elements. The oxide particles B may be supported on at least a part of the surface of the oxide carrier A. For example, the oxide particles B are scattered on the surface of the oxide carrier A or cover the surface of the oxide carrier A. The case where it is such a layered material is mentioned. Further, the oxide particles B only have to be supported on the surface of the oxide carrier A, and the crystallinity of the oxide particles B or the oxide carrier A is not limited. The oxide particles B and the oxide support A are preferably amorphous in consideration of the possibility of contributing to the improvement of the degree of production, the reduction of the production cost, and the ease of the production process. More preferably, the amorphous oxide support A is crystalline. However, contrary to the above, it is possible to use both the oxide particles B and the oxide carrier A in a crystal form, or the oxide particles B to be a crystal and the oxide carrier A to be used in an amorphous form. .

上述したようにプロトン伝導性無機酸化物の表面がプロトンの伝導場になるため、プロトン伝導性無機酸化物の比表面積は可能な限り大きいことが好ましいが、2000m2/gを超えると取り扱いや均一な合成の制御が難しく、比表面積が10m2/g未満のときは、十分なプロトン伝導性が得られない恐れがあるため、10〜2000m2/gの範囲の比表面積を有することが好ましい。 As described above, since the surface of the proton conductive inorganic oxide becomes a proton conduction field, it is preferable that the specific surface area of the proton conductive inorganic oxide is as large as possible, but if it exceeds 2000 m 2 / g, it is handled and uniform. When the specific surface area is less than 10 m 2 / g, there is a possibility that sufficient proton conductivity may not be obtained. Therefore, the specific surface area is preferably in the range of 10 to 2000 m 2 / g.

酸化物担体Aに担持される酸化物粒子Bは、酸化物Bの元素Xと酸化物Aの元素Yとの元素比(X/Y)が0.0001未満になると担持量が少なく、プロトンの伝導場が少ないためにプロトン伝導度が低くなる恐れがある。一方、元素比(X/Y)が20を超えると担持量が多く、プロトンの伝導場を元素Xを含む酸化物粒子Bが覆い隠してしまうためにプロトン伝導度が低くなる可能性がある。したがって、酸化物Bの元素Xと酸化物Aの元素Yとの元素比(X/Y)は0.0001〜20の範囲であることが好ましく、0.01〜1の範囲であることがより望ましい。   The oxide particles B supported on the oxide support A have a small amount of support when the element ratio (X / Y) of the element X of the oxide B to the element Y of the oxide A is less than 0.0001. The proton conductivity may be lowered due to the small conduction field. On the other hand, when the element ratio (X / Y) exceeds 20, the supported amount is large, and the oxide particles B containing the element X cover the proton conduction field, which may lower the proton conductivity. Therefore, the element ratio (X / Y) of the element X of the oxide B to the element Y of the oxide A is preferably in the range of 0.0001 to 20, and more preferably in the range of 0.01 to 1. desirable.

本発明で用いるプロトン伝導性無機酸化物は、例えば、酸化物担体Aに酸化物粒子B前駆体を担持した後、大気中のような酸化雰囲気で熱処理することにより得られる。処理温度が200℃より低いと酸化物担体Aと酸化物粒子Bの間に十分な化学結合が形成されず、得られる酸化物のプロトン伝導性が低くなる可能性がある。一方、処理温度が1000℃を超える高温では、粒子同士の融合が生じて比表面積が小さくなるため、高いプロトン伝導性を得られない恐れがある。熱処理温度は200〜1000℃とすることが好ましいが、400〜700℃で熱処理することがより望ましい。また、200℃では温度が低いため酸化物担体Aと酸化物粒子Bの間に結合が形成しにくく長時間の熱処理を要するが、1000℃付近の高温になると結合が形成しやすいため、短時間での熱処理で合成される。   The proton conductive inorganic oxide used in the present invention can be obtained, for example, by supporting the oxide particle B precursor on the oxide carrier A and then performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere such as the air. When the treatment temperature is lower than 200 ° C., a sufficient chemical bond is not formed between the oxide support A and the oxide particles B, and the proton conductivity of the obtained oxide may be lowered. On the other hand, when the treatment temperature is higher than 1000 ° C., the particles are fused with each other and the specific surface area is reduced, so that high proton conductivity may not be obtained. The heat treatment temperature is preferably 200 to 1000 ° C., more preferably 400 to 700 ° C. Further, since the temperature is low at 200 ° C., it is difficult to form a bond between the oxide carrier A and the oxide particles B, and a long heat treatment is required. It is synthesized by heat treatment at

プロトン伝導性無機酸化物は、固体超強酸性を示すものである。プロトンの解離度を酸強度として表現でき、固体酸の酸強度はHammettの酸度関数H0として表わされ、硫酸の場合H0は−11.93である。プロトン伝導性無機酸化物は、H0<−11.93となる固体超強酸性を示すことがより好ましい。プロトン伝導性無機酸化物の固体超強酸性は、実施例にて後述するようにプロトン伝導性膜の固体超強酸性を測定することにより間接的に求めることができる。 The proton conductive inorganic oxide exhibits solid superacidity. The degree of proton dissociation can be expressed as acid strength, the acid strength of solid acid is expressed as Hammett acidity function H 0 , and in the case of sulfuric acid, H 0 is −11.93. More preferably, the proton-conductive inorganic oxide exhibits solid superacidity so that H 0 <-11.93. The solid superacidity of the proton conductive inorganic oxide can be determined indirectly by measuring the solid superacidity of the proton conductive membrane, as will be described later in Examples.

次に、本発明で用いる親水性有機高分子ついて説明する。   Next, the hydrophilic organic polymer used in the present invention will be described.

親水性有機高分子は、高分子構造中にヒドロキシル基、カルボキシル基、エーテル結合及びアミド結合よりなる群から選択される少なくとも1種類を含有している。   The hydrophilic organic polymer contains at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, an ether bond and an amide bond in the polymer structure.

プロトン伝導性膜において、プロトン伝導性無機酸化物が親水性有機高分子中に含有されているか、もしくはプロトン伝導性無機酸化物が親水性有機高分子により結着していることが望ましい。固体超強酸は水分が表面に存在する場合においてプロトン伝導体としての機能を発現する。固体超強酸を含有もしくは結着する高分子に親水性有機高分子を選択することにより、固体超強酸に十分な水分を供給することが可能となり、高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性固体電解質を実現することができる。   In the proton conductive membrane, it is desirable that the proton conductive inorganic oxide is contained in the hydrophilic organic polymer or the proton conductive inorganic oxide is bound by the hydrophilic organic polymer. The solid superacid exhibits a function as a proton conductor when moisture is present on the surface. By selecting a hydrophilic organic polymer as the polymer containing or binding the solid superacid, it becomes possible to supply sufficient water to the solid superacid, and a proton-conducting solid electrolyte having high proton conductivity can be obtained. Can be realized.

親水性有機高分子の具体例を挙げる。ヒドロキシル基を有する親水性有機高分子としては、例えば、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。カルボキシル基を有する親水性有機高分子としては、例えば、ポリアクリル酸などを挙げることができる。エーテル結合を有する有機高分子としては、例えば、ポリエチレングリコール、セルロースなどが挙げられる。アミド結合を有する有機高分子としては、例えば、ポリアミド、ポリビニルピロリドンなどを挙げることができる。また、エステル結合を有する有機高分子なども考えられる。   Specific examples of the hydrophilic organic polymer will be given. Examples of the hydrophilic organic polymer having a hydroxyl group include polyvinyl alcohol. Examples of the hydrophilic organic polymer having a carboxyl group include polyacrylic acid. Examples of the organic polymer having an ether bond include polyethylene glycol and cellulose. Examples of the organic polymer having an amide bond include polyamide and polyvinyl pyrrolidone. An organic polymer having an ester bond is also conceivable.

特に、ポリビニルアルコールによると、プロトン伝導性無機酸化物との親和性が高くなるため、プロトン伝導性無機酸化物の分散性を良好にすることができ、また、プロトン伝導性無機酸化物と親水性有機高分子との相分離も抑制することができる。その結果、吸水性とメタノール透過抑制に優れたプロトン伝導性膜を実現することができる。   In particular, with polyvinyl alcohol, the affinity with the proton conductive inorganic oxide is increased, so that the dispersibility of the proton conductive inorganic oxide can be improved, and the proton conductive inorganic oxide and the hydrophilic property can be improved. Phase separation from the organic polymer can also be suppressed. As a result, a proton conductive membrane excellent in water absorption and methanol permeation suppression can be realized.

ポリビニルアルコールのケン化度は、50%以上、100%以下にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。ケン化度を50%未満にすると、膜の吸湿性の低下によりプロトン伝導性膜の抵抗が高くなる恐れがある。一方、ケン化度を50%〜100%になると、吸湿性の増加によりメタノールの透過性が大きくなる恐れがあるが、プロトン伝導性膜の抵抗を小さくすることができる。ケン化度の測定方法は以下に説明する通りである。ポリビニルアルコールを水酸化ナトリウムのようなアルカリ性物質で完全にケン化する。完全にケン化したかは赤外吸光分析により確認することができる。ケン化により得られた酢酸塩の量からケン化度を決定できる。   The saponification degree of polyvinyl alcohol is desirably 50% or more and 100% or less. This is due to the reason explained below. When the degree of saponification is less than 50%, the resistance of the proton conductive membrane may increase due to a decrease in hygroscopicity of the membrane. On the other hand, when the degree of saponification is 50% to 100%, the permeability of methanol may increase due to an increase in hygroscopicity, but the resistance of the proton conductive membrane can be reduced. The method for measuring the degree of saponification is as described below. Polyvinyl alcohol is completely saponified with an alkaline substance such as sodium hydroxide. Whether it has been completely saponified can be confirmed by infrared absorption analysis. The degree of saponification can be determined from the amount of acetate obtained by saponification.

親水性高分子は、20℃以上における平衡吸湿率が5%以上であることが望ましい。このような親水性高分子は、高い吸水性を有するため、プロトン伝導性膜の膜抵抗をさらに低くすることができる。より好ましい親水性高分子は、20℃以上、90℃以下における平衡吸湿率が5%以上、95%以下のものである。   The hydrophilic polymer desirably has an equilibrium moisture absorption rate of 5% or higher at 20 ° C. or higher. Such a hydrophilic polymer has high water absorption, so that the membrane resistance of the proton conductive membrane can be further reduced. More preferred hydrophilic polymers are those having an equilibrium moisture absorption rate of 5% or more and 95% or less at 20 ° C. or higher and 90 ° C. or lower.

なお、平衡吸湿率は温度20℃以上、相対湿度95%以上に調節した恒温恒湿中に試料膜を1週間放置して吸湿量が平衡状態となったものの重量を計測し、この試料膜の105℃で2時間乾燥後の重量との差より測定した。なお、試料膜は、親水性高分子を水に溶解させ、得られたスラリーをキャスティングすることにより作製されたものである。   The equilibrium moisture absorption rate was measured by measuring the weight of the sample film when the sample film was allowed to stand for one week in a constant temperature and humidity controlled at a temperature of 20 ° C. or higher and a relative humidity of 95% or higher. It measured from the difference with the weight after drying at 105 degreeC for 2 hours. Note that the sample film was prepared by dissolving a hydrophilic polymer in water and casting the obtained slurry.

プロトン伝導性無機酸化物と親水性高分子の配合比は、高いプロトン伝導度を維持しつつ、液体燃料の透過を阻止する条件を満たすことが望ましい。膜全重量(T)に対しプロトン伝導性無機酸化物(S)の重量比(S/T)が0.1よりも小さいとプロトン伝導性無機酸化物の連続性が低下して伝導度が低くなる恐れがあるため、前記の重量比(S/T)が0.1〜0.999の範囲であることが望ましい。   It is desirable that the mixing ratio of the proton conductive inorganic oxide and the hydrophilic polymer satisfies the condition for preventing the permeation of the liquid fuel while maintaining high proton conductivity. If the weight ratio (S / T) of the proton conductive inorganic oxide (S) to the total membrane weight (T) is less than 0.1, the continuity of the proton conductive inorganic oxide is lowered and the conductivity is low. Therefore, the weight ratio (S / T) is preferably in the range of 0.1 to 0.999.

プロトン伝導性膜は、例えば、プロトン伝導性無機酸化物及び親水性有機高分子を水やアルコールなどの極性溶媒に分散させたスラリーを調製し、このスラリーをガラス基板や樹脂基板上にキャスト、乾燥することによって溶媒を除去した後、200℃以下の温度で熱処理することで作製される。詳細に関しては明らかになっていないが、200℃以下の熱処理によって、プロトン伝導性無機酸化物と親水性有機高分子の間で酸化反応や脱水反応、水素結合からなる相互作用、親水性有機高分子の結晶化などが生じ、親水性有機高分子の膨潤や溶解を防ぐことができるものと推測される。少なくとも、ポリビニルアルコールに関しては、200℃以下の温度で熱処理することで、ポリビニルアルコール中の親水性のヒドロキシル基が固体超強酸により酸化されて疎水性のケトン基になることが赤外分光分析(IR)の結果から示唆されている。   The proton conductive membrane is prepared by, for example, preparing a slurry in which a proton conductive inorganic oxide and a hydrophilic organic polymer are dispersed in a polar solvent such as water or alcohol, and casting the slurry on a glass substrate or a resin substrate, followed by drying. After removing the solvent by doing, it is manufactured by heat treatment at a temperature of 200 ° C. or lower. Although details are not clarified, heat treatment at 200 ° C. or lower causes oxidation reaction or dehydration reaction between proton conductive inorganic oxide and hydrophilic organic polymer, interaction consisting of hydrogen bond, hydrophilic organic polymer. It is presumed that crystallization and the like can occur, and swelling and dissolution of the hydrophilic organic polymer can be prevented. At least with respect to polyvinyl alcohol, infrared spectroscopy (IR) shows that a hydrophilic hydroxyl group in polyvinyl alcohol is oxidized by a solid superacid to become a hydrophobic ketone group by heat treatment at a temperature of 200 ° C. or less. ) Result.

ポリビニルアルコールを用いて上述した方法でスラリー調製及び熱処理を行うことによりプロトン伝導性膜を作製すると、プロトン伝導性無機酸化物に対する親和性を損なうことなく、水のような極性溶媒に対するポリビニルアルコールの溶解性を適度に低くすることができるため、スラリーの分散安定性を良好にしつつ、プロトン伝導性膜の吸水時の形状保持性を高くすることができる。これにより、吸水性に優れ、かつメタノール透過が抑制されたプロトン伝導性膜を実現することができる。また、上記熱処理を施すことにより、スラリー調製に使用する溶媒に水を使用しても形状保持性に優れる膜が得られるため、溶媒への水使用により膜の親水性をさらに高めることが可能である。   When a proton conductive membrane is produced by performing slurry preparation and heat treatment by the above-described method using polyvinyl alcohol, the polyvinyl alcohol is dissolved in a polar solvent such as water without impairing the affinity for the proton conductive inorganic oxide. Therefore, it is possible to improve the shape retention of the proton conductive membrane during water absorption while improving the dispersion stability of the slurry. Thereby, it is possible to realize a proton conductive membrane that is excellent in water absorption and has suppressed methanol permeation. In addition, by performing the above heat treatment, a film having excellent shape retention can be obtained even if water is used as a solvent used for slurry preparation. Therefore, the hydrophilicity of the film can be further increased by using water in the solvent. is there.

熱処理温度は親水性有機高分子の分解や劣化が起こらない温度で実施することが必要であり、200℃以下の温度で熱処理することが望ましい。また、熱処理による効果を十分なものとするために、熱処理温度は100℃以上にすることが望ましい。熱処理温度のより好ましい範囲は、130℃以上、180℃以下である。   The heat treatment temperature must be such that the hydrophilic organic polymer is not decomposed or deteriorated, and the heat treatment is preferably performed at a temperature of 200 ° C. or lower. Moreover, in order to make the effect by heat treatment sufficient, the heat treatment temperature is desirably 100 ° C. or higher. A more preferable range of the heat treatment temperature is 130 ° C. or higher and 180 ° C. or lower.

プロトン伝導性膜を燃料電池の固体電解質膜として使用する際には、一般的にはシートのままで使用されるが、これに限定されるものではなく筒状に成形することも可能である。即ち、プロトン伝導性無機酸化物と上記の親水性有機高分子の分散混合物を、直接膜状にキャスティングする方法、あるいは、該分散混合物を多孔質芯材、織布または不織布などに含浸キャスティングするなどの方法を採用することができる。   When the proton conductive membrane is used as a solid electrolyte membrane of a fuel cell, it is generally used as a sheet, but is not limited to this and can be formed into a cylindrical shape. That is, a method of directly casting a dispersion mixture of proton conductive inorganic oxide and the above-mentioned hydrophilic organic polymer into a film, or impregnating the dispersion mixture into a porous core material, woven fabric or nonwoven fabric, etc. This method can be adopted.

プロトン伝導性固体電解質膜の厚さは、特に、制限はないが強度や液体燃料の透過性、プロトン伝導性など実用に耐え得る膜を得るには10μm以上が好ましく、また、膜抵抗の低減のためには300μm以下が好ましい。特に、燃料電池の内部抵抗を小さくするためには、10〜100μmがより好ましい。   The thickness of the proton conductive solid electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more in order to obtain a membrane that can withstand practical use such as strength, liquid fuel permeability, and proton conductivity, and also reduces membrane resistance. Therefore, 300 μm or less is preferable. In particular, in order to reduce the internal resistance of the fuel cell, 10 to 100 μm is more preferable.

膜の厚さを制御するには、例えば前記のプロトン伝導性無機酸化物と上記の親水性有機高分子の分散混合物を、直接膜状にキャスティングする場合、キャストするプロトン伝導性無機酸化物と上記の親水性有機高分子の分散混合物の量あるいはキャスト面積で変更できるほか、膜形成後、ホットプレス機などにより膜を加熱、加圧して、膜厚さを薄くすることもできるが、特に限定されるものではない。   In order to control the thickness of the membrane, for example, when the dispersion mixture of the proton conductive inorganic oxide and the hydrophilic organic polymer is directly cast into a membrane, the proton conductive inorganic oxide to be cast and the above In addition to the amount of the hydrophilic organic polymer dispersion mixture or cast area, the film thickness can be reduced by heating and pressurizing the film with a hot press machine after film formation. It is not something.

次に、本発明によって提供される電極についてより詳細に説明する。   Next, the electrode provided by the present invention will be described in more detail.

電極は、固体超強酸性を示すプロトン伝導性無機酸化物と、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エーテル結合及びアミド結合よりなる群から選択される少なくとも1種類を含む親水性有機高分子とを含有するものであり、燃料電池の燃料極か、酸化剤極、あるいは燃料極と酸化剤極の双方として利用され得る。   The electrode contains a proton conductive inorganic oxide exhibiting solid superacidity and a hydrophilic organic polymer containing at least one selected from the group consisting of hydroxyl group, carboxyl group, ether bond and amide bond And can be used as a fuel electrode of a fuel cell, an oxidant electrode, or both a fuel electrode and an oxidant electrode.

本発明に係る電極の一実施形態によれば、酸化還元触媒と、前記プロトン伝導性無機酸化物と、結着剤を兼ねる前記親水性有機高分子とを含む触媒層を備えるものが提供される。   According to an embodiment of the electrode according to the present invention, there is provided an electrode including a catalyst layer including a redox catalyst, the proton conductive inorganic oxide, and the hydrophilic organic polymer also serving as a binder. .

燃料極および酸化剤極は、それぞれ、多孔体などのガス拡散性の構造体からなり、燃料ガスや液体燃料または酸化剤ガスが流通可能である。燃料極には燃料の酸化反応、酸化剤極には酸素の還元反応を促進するため、金属触媒が炭素などの導電性支持材料に担持されている。このような金属触媒は、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、マンガン、バナジウムなどが挙げられ、単体で使用しても二元系、三元系合金であっても良い。特に白金は触媒活性が高く、多くの場合で使用されている。また、金属触媒を担持する支持材料は導電性が備わっていれば良く、炭素材料が良く用いられている。例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられる。   Each of the fuel electrode and the oxidant electrode is made of a gas diffusible structure such as a porous body, and fuel gas, liquid fuel, or oxidant gas can flow therethrough. In order to promote a fuel oxidation reaction on the fuel electrode and an oxygen reduction reaction on the oxidant electrode, a metal catalyst is supported on a conductive support material such as carbon. Examples of such a metal catalyst include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, molybdenum, manganese, vanadium, and the like. A ternary or ternary alloy may be used. In particular, platinum has a high catalytic activity and is used in many cases. In addition, the support material for supporting the metal catalyst only needs to have conductivity, and a carbon material is often used. Examples thereof include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, and graphite.

炭素材料への金属触媒の担持方法は特に限定されないが、触媒となる金属元素を含む物質を溶解した溶液、例えば、塩化物、硝酸塩、水素酸、オキソ酸塩などの水溶液あるいは金属アルコキシドのアルコール溶液などに炭素材料を分散して、溶媒を除去することで担持した後、還元雰囲気で熱処理することで炭素材料への金属触媒の担持が可能である。触媒となる金属の粒径は、通常は1〜50nmであり、触媒金属量は電極が形成された状態で0.01〜10mg/cm2である。 The method for supporting the metal catalyst on the carbon material is not particularly limited, but a solution in which a substance containing a metal element that serves as a catalyst is dissolved, for example, an aqueous solution of chloride, nitrate, hydrogen acid, oxoacid salt, or an alcohol solution of metal alkoxide. It is possible to support the metal catalyst on the carbon material by dispersing the carbon material in the substrate and removing the solvent and then carrying the heat treatment in a reducing atmosphere. The particle size of the metal serving as the catalyst is usually 1 to 50 nm, and the amount of the catalyst metal is 0.01 to 10 mg / cm 2 with the electrode formed.

燃料極および酸化剤極の触媒層におけるプロトン伝導性無機酸化物は電解質膜までプロトンを運搬する経路となるため十分な連続性が維持されていることが望ましく、プロトン伝導性無機酸化物単体で、あるいは上記炭素材料へ担持して使用しても良い。プロトン伝導性無機酸化物は電極が形成された状態で0.01〜50mg/cm2であることが好ましい。 It is desirable that the proton conductive inorganic oxide in the catalyst layer of the fuel electrode and the oxidant electrode has a sufficient continuity because it is a path for transporting protons to the electrolyte membrane. Alternatively, the carbon material may be supported and used. The proton conductive inorganic oxide is preferably 0.01 to 50 mg / cm 2 in a state where an electrode is formed.

金属触媒あるいは金属触媒担持炭素とプロトン伝導性無機酸化物とを触媒層に固定化するために結着剤として親水性有機高分子を使用する。親水性有機高分子としては、前述したプロトン伝導性膜で説明したものと同様なものを挙げることができる。プロトン伝導性、導電性を高く維持しつつ多孔性を保持した触媒層構造を形成することが望ましいため、金属触媒あるいは金属触媒担持炭素およびプロトン伝導性無機酸化物と親水性有機高分子との配合比は、触媒層全重量(C)に対して親水性高分子(P)の重量比(P/C)が0.5よりも大きいとプロトン伝導性無機酸化物や金属触媒の連続性が低下してプロトンで伝導度、導電度が低くなる恐れがあるため、前記の重量比P/Cが0.001〜0.5の範囲であることが望ましい。   A hydrophilic organic polymer is used as a binder to immobilize the metal catalyst or metal catalyst-supporting carbon and the proton conductive inorganic oxide in the catalyst layer. Examples of the hydrophilic organic polymer include the same ones as described for the proton conductive membrane. Because it is desirable to form a catalyst layer structure that maintains porosity while maintaining high proton conductivity and conductivity, blending metal catalyst or metal catalyst-supported carbon and proton conductive inorganic oxide with hydrophilic organic polymer If the weight ratio (P / C) of the hydrophilic polymer (P) to the total weight (C) of the catalyst layer is greater than 0.5, the continuity of the proton conductive inorganic oxide or metal catalyst is lowered. Since the proton conductivity and conductivity may be lowered, the weight ratio P / C is preferably in the range of 0.001 to 0.5.

電極は触媒層単体で形成されていても、また触媒層を他の支持体上に形成し電極としても良い。電極の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば上記金属触媒、プロトン伝導性無機酸化物及び親水性高分子を水やアルコールなどの有機溶媒に混合、分散してスラリーとし、このスラリーを支持体上に塗布、乾燥、焼成して触媒層を形成する。支持体は特に限定されるものではなく、例えば電解質膜を支持体とし、電解質膜上に触媒層を形成して膜電極複合体としてもよい。あるいはガス透過性、導電性を有する炭素製のペーパー、フェルト、クロスなどに触媒層を形成し、電解質膜と合わせ膜電極複合体としてもよい。   The electrode may be formed as a single catalyst layer, or the catalyst layer may be formed on another support as an electrode. The method for forming the electrode is not particularly limited. For example, the metal catalyst, proton conductive inorganic oxide, and hydrophilic polymer are mixed and dispersed in an organic solvent such as water or alcohol to form a slurry, and this slurry is supported. The catalyst layer is formed by coating, drying and firing on the body. The support is not particularly limited. For example, an electrolyte membrane may be used as a support, and a catalyst layer may be formed on the electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly. Alternatively, a catalyst layer may be formed on carbon paper, felt, cloth, etc. having gas permeability and conductivity, and a composite membrane electrode assembly may be formed with the electrolyte membrane.

本発明の一実施形態によれば、燃料極と、酸化剤極と、燃料極及び酸化剤極の間に配置される電解質膜とを具備する膜電極複合体において、電解質膜は、前述のプロトン伝導性膜を使用することを特徴とし、あるいは燃料極および/または酸化剤極は、前述の触媒層を含むことを特徴とし、あるいは燃料極および/または酸化剤極並びに電解質膜は、前述の触媒層と前述のプロトン伝導性膜との両方を含むことを特徴とする膜電極複合体を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, in a membrane electrode assembly including a fuel electrode, an oxidizer electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidizer electrode, the electrolyte membrane is the proton described above. A conductive membrane is used, or the fuel electrode and / or the oxidant electrode includes the above-described catalyst layer, or the fuel electrode and / or the oxidant electrode and the electrolyte membrane are the above-described catalyst. A membrane electrode assembly comprising both the layer and the above-described proton conductive membrane can be provided.

電解質膜と電極との接合は、加熱、加圧できる装置を用いて実施される。一般的にはホットプレス機により行われる。その際のプレス温度は電極、電解質膜に結着剤として使用する親水性高分子のガラス転移温度以上であれば良く、一般には100〜400℃である。プレス圧は使用する電極の硬さに依存するが、通常、5〜200kg/cm2である。 The joining of the electrolyte membrane and the electrode is performed using an apparatus that can be heated and pressurized. Generally, it is performed by a hot press machine. The press temperature in that case should just be more than the glass transition temperature of the hydrophilic polymer used as a binder for an electrode and an electrolyte membrane, and is generally 100-400 degreeC. The press pressure depends on the hardness of the electrode used, but is usually 5 to 200 kg / cm 2 .

次いで、本発明に係る膜電極複合体を備えた燃料電池について、図面を参照して説明する。図1は本発明の燃料電池の一実施形態に係る液体燃料電池を模式的に示した断面図を示す。液体燃料電池のスタック100は、複数の単電池を積層することによって形成される。スタック100の側面には、燃料導入路1が配置されている。燃料導入路1には、液体燃料タンク(図示しない)から導入管(図示しない)を通して液体燃料が供給される。各単電池は、燃料極(アノード)2と、酸化剤極(カソード)3と、燃料極2及び酸化剤極3の間に配置された電解質膜4とから構成された膜電極複合体(起電部)5を備える。燃料極2および酸化剤極3は、燃料や酸化剤ガスを流通させるとともに電子を通すように、導電性の多孔質体で構成されていることが望ましい。   Next, a fuel cell including the membrane electrode assembly according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a liquid fuel cell according to an embodiment of the fuel cell of the present invention. The liquid fuel cell stack 100 is formed by stacking a plurality of unit cells. A fuel introduction path 1 is disposed on the side surface of the stack 100. Liquid fuel is supplied to the fuel introduction path 1 from a liquid fuel tank (not shown) through an introduction pipe (not shown). Each unit cell includes a membrane electrode assembly (starting electrode) 2, an oxidant electrode (cathode) 3, and an electrolyte membrane 4 arranged between the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3. Electric part) 5. It is desirable that the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 are made of a conductive porous body so that fuel and oxidant gas can be circulated and electrons can pass therethrough.

各単電池は、燃料極2に積層された燃料気化部6と、燃料気化部6に積層された燃料浸透部7と、酸化剤極3に積層されたカソードセパレータ8とをさらに備える。燃料浸透部7は、液体燃料を保持する機能を有する。この液体燃料は、燃料導入路1から供給される。この燃料気化部6は、燃料浸透部7に保持された液体燃料の気化成分を燃料極2に導く役割をなす。カソードセパレータ8の酸化剤極3と対向する面には、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給溝9が連続溝として設けられている。また、カソードセパレータ8は、隣り合う起電部5同士を直列に接続する役割も果たしている。   Each unit cell further includes a fuel vaporization unit 6 stacked on the fuel electrode 2, a fuel permeation unit 7 stacked on the fuel vaporization unit 6, and a cathode separator 8 stacked on the oxidant electrode 3. The fuel permeation unit 7 has a function of holding liquid fuel. This liquid fuel is supplied from the fuel introduction path 1. The fuel vaporization unit 6 serves to guide the vaporized component of the liquid fuel held in the fuel permeation unit 7 to the fuel electrode 2. An oxidant gas supply groove 9 for flowing an oxidant gas is provided as a continuous groove on the surface of the cathode separator 8 facing the oxidant electrode 3. The cathode separator 8 also plays a role of connecting the adjacent electromotive parts 5 in series.

なお、図1のように単電池を積層してスタック100を構成する場合、セパレーター8、燃料浸透部7および燃料気化部6は、発生した電子を伝導する集電板としての機能も果たすため、カーボンを含有した多孔質体などの導電性材料により形成されることが望ましい。   When the stack 100 is configured by stacking single cells as shown in FIG. 1, the separator 8, the fuel permeation unit 7, and the fuel vaporization unit 6 also serve as a current collector plate that conducts the generated electrons. It is desirable to be formed of a conductive material such as a porous body containing carbon.

上述したように、図1の単電池におけるセパレーター8は、酸化剤ガスを流すチャンネルとしての機能を併せ持つものである。このように、セパレーターとチャンネルとの両方の機能を有する部品8(以下、チャンネル兼用セパレーターと称する)を用いることによって、部品点数を削減することができるので、よりいっそう燃料電池の小型化を図ることが可能となる。あるいは、このセパレーター8に代えて通常のチャンネルを用いることもできる。   As described above, the separator 8 in the unit cell of FIG. 1 also has a function as a channel through which the oxidant gas flows. In this way, the number of components can be reduced by using the component 8 having both functions of a separator and a channel (hereinafter referred to as a channel separator), thereby further reducing the size of the fuel cell. Is possible. Alternatively, a normal channel can be used in place of the separator 8.

燃料貯蔵タンク(図示せず)から液体燃料導入路1に液体燃料を供給する方法としては、燃料貯蔵タンク内に収容された液体燃料を自由落下させて、液体燃料導入路1に導入する方法が挙げられる。この方法は、スタック100の上面より高い位置に燃料貯蔵タンクを設けなければならないという構造上の制約はあるものの、液体燃料導入路1に確実に液体燃料を導入することができる。他の方法としては、液体燃料導入部1の毛管力によって、燃料貯蔵タンクから液体燃料を引き込む方法が挙げられる。この方法を採用した場合には、燃料貯蔵タンクと液体燃料導入路1との接続点、すなわち液体燃料導入路1に設けられた燃料入口の位置を、スタック100の上面より高くする必要がない。したがって、例えば、自然落下法と組み合わせると、燃料タンクの設置場所を自在に設定することができるという利点がある。   As a method of supplying liquid fuel from a fuel storage tank (not shown) to the liquid fuel introduction path 1, there is a method in which the liquid fuel stored in the fuel storage tank is freely dropped and introduced into the liquid fuel introduction path 1. Can be mentioned. In this method, although there is a structural limitation that the fuel storage tank must be provided at a position higher than the upper surface of the stack 100, the liquid fuel can be reliably introduced into the liquid fuel introduction path 1. As another method, there is a method of drawing the liquid fuel from the fuel storage tank by the capillary force of the liquid fuel introduction unit 1. When this method is employed, the connection point between the fuel storage tank and the liquid fuel introduction path 1, that is, the position of the fuel inlet provided in the liquid fuel introduction path 1 does not need to be higher than the upper surface of the stack 100. Therefore, for example, when combined with the natural fall method, there is an advantage that the installation location of the fuel tank can be freely set.

ただし、毛管力で液体燃料導入路1に導入された液体燃料を、引き続き円滑に毛管力で燃料浸透部7に供給するためには、液体燃料導入路1の毛管力より燃料浸透部7への毛管力のほうが大きくなるように設定することが望まれる。なお、液体燃料導入路1の数は、スタック100の側面に沿って1つに限定されるものではなく、スタックの他方の側面にも液体燃料導入路1を形成することが可能である。   However, in order to continuously supply the liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction path 1 by the capillary force to the fuel permeation unit 7 smoothly by the capillary force, the liquid fuel introduction path 1 is supplied to the fuel penetration part 7 by the capillary force of the liquid fuel introduction path 1. It is desirable to set the capillary force to be larger. The number of liquid fuel introduction paths 1 is not limited to one along the side surface of the stack 100, and the liquid fuel introduction paths 1 can be formed on the other side surface of the stack.

また、上述したような燃料貯蔵タンクは電池本体から着脱可能とすることができる。これによって、燃料貯蔵タンクを交換することで、電池の作動を継続して長時間行なうことが可能となる。また、燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路1への液体燃料の供給は、上述したような自然落下やタンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成、あるいは、液体燃料導入路1の毛管力によって燃料を引き出すような構成とすることもできる。   The fuel storage tank as described above can be detachable from the battery body. Thus, by replacing the fuel storage tank, the operation of the battery can be continued for a long time. In addition, the liquid fuel is supplied from the fuel storage tank to the liquid fuel introduction path 1 in a configuration in which the liquid fuel is pushed out by the natural fall or the internal pressure in the tank as described above, or the capillary force of the liquid fuel introduction path 1. The fuel can be drawn out by the above.

上述したような手法によって、液体燃料導入路1内に導入された液体燃料は、燃料浸透部7に供給される。燃料浸透部7の形態は、液体燃料をその内部に保持し、気化した燃料のみを燃料気化部6を通して燃料極2に供給するような機能を有していれば特に限定されるものではない。例えば、液体燃料の通路を有して、その燃料気化部6との界面に気液分離膜を具備するものとすることができる。さらに、補機を用いずに毛管力により燃料浸透部7に液体燃料を供給する場合には、燃料浸透部7の形態は、液体燃料を毛管力で浸透し得るものであれば特に限定されるものではなく、粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙法で製造した不織布、繊維を織った織布等のほかに、ガラスやプラスチック等の板との間に形成された狭い隙間等も用いることができる。   The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction path 1 by the method described above is supplied to the fuel permeation unit 7. The form of the fuel permeation unit 7 is not particularly limited as long as it has a function of holding the liquid fuel therein and supplying only the vaporized fuel to the fuel electrode 2 through the fuel vaporization unit 6. For example, a liquid fuel passage may be provided, and a gas-liquid separation membrane may be provided at the interface with the fuel vaporization unit 6. Furthermore, when liquid fuel is supplied to the fuel permeation unit 7 by capillary force without using an auxiliary device, the form of the fuel permeation unit 7 is particularly limited as long as the liquid fuel can be permeated by capillary force. In addition to porous materials made of particles and fillers, non-woven fabrics made by the papermaking method, woven fabrics made of fibers, etc., narrow gaps formed between plates made of glass or plastic are also used. be able to.

ここで、燃料浸透部7として多孔質体を用いた場合について説明する。液体燃料を燃料浸透部7側に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部7を構成する多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このような毛管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部7の孔を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径を制御するとともに、液体燃料導入部1側の燃料浸透部7側面から少なくとも他の一面まで連続した連続孔とすることによって、液体燃料を横方向で円滑に毛管力で供給することが可能となる。   Here, the case where a porous body is used as the fuel permeation portion 7 will be described. As the capillary force for drawing the liquid fuel to the fuel permeation unit 7 side, first, the capillary force of the porous body itself constituting the fuel permeation unit 7 is mentioned. When such capillary force is used, a so-called continuous hole is formed by connecting the holes of the fuel permeation unit 7 which is a porous body, and the diameter of the hole is controlled, and the side surface of the fuel permeation unit 7 on the liquid fuel introduction unit 1 side is controlled. By forming continuous holes from at least one other surface, it is possible to supply liquid fuel smoothly in the lateral direction with capillary force.

燃料浸透部7として用いられる多孔質体の孔径等は、液体燃料導入路1の液体燃料を引き込むことができるものであればよく、特に限定されるものではないが、液体燃料導入路1の毛管力を考慮したうえで、0.01〜150μm程度とすることが好ましい。また、多孔質体における孔の連続性の指標となる孔の体積は、20〜90%程度とすることが好ましい。孔径が0.01μmより小さい場合には燃料浸透部7の製造が困難となり、一方、150μmを越えると毛管力が低下するおそれがある。また、孔の体積が20%未満となると連続孔の量が減少して閉鎖された孔が増えるため、十分な毛管力を得ることが困難になる。その一方、孔の体積が90%を越えると連続孔の量は増加するものの、強度的に弱くなるとともに製造が困難となる。実用的には、燃料浸透部7を構成する多孔質体は、孔径が0.5〜100μmの範囲であることが好ましく、孔の体積は30〜75%の範囲とすることが望ましい。   The pore diameter and the like of the porous body used as the fuel permeation section 7 are not particularly limited as long as the liquid fuel in the liquid fuel introduction path 1 can be drawn in. The capillary of the liquid fuel introduction path 1 is not particularly limited. In consideration of the force, it is preferable to be about 0.01 to 150 μm. Moreover, it is preferable that the volume of the hole used as the parameter | index of the continuity of the hole in a porous body shall be about 20 to 90%. When the pore diameter is smaller than 0.01 μm, it is difficult to manufacture the fuel permeation portion 7. On the other hand, when it exceeds 150 μm, the capillary force may be reduced. Further, when the pore volume is less than 20%, the amount of continuous pores is reduced and the number of closed pores is increased, so that it is difficult to obtain sufficient capillary force. On the other hand, if the volume of the pores exceeds 90%, the amount of continuous pores increases, but the strength becomes weak and the manufacture becomes difficult. Practically, the porous body constituting the fuel permeation portion 7 preferably has a pore diameter in the range of 0.5 to 100 μm, and the pore volume is preferably in the range of 30 to 75%.

このような燃料電池は、室温からでも電池反応が生じ、作動温度範囲を室温〜150℃の範囲にすることが可能であるが、50℃〜150℃の高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が向上し電極過電圧が減少するために望ましい。また、電解質膜のプロトン伝導能を十分に発揮させるため、水分管理が容易な温度で作動させることが望ましい。   In such fuel cells, a cell reaction occurs even from room temperature, and it is possible to make the operating temperature range from room temperature to 150 ° C. However, it is more effective to operate at a high temperature of 50 ° C. to 150 ° C. It is desirable for improving the catalytic activity and reducing the electrode overvoltage. Further, in order to sufficiently exhibit the proton conductivity of the electrolyte membrane, it is desirable to operate at a temperature at which moisture management is easy.

[実施例]
以下、具体的ではあるが限定的ではない実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific but non-limiting examples.

〔実施例1〕
塩化バナジウムVCl3を2g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末をメノウ乳鉢で粉砕して粉末状にした後、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱し、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が51m2/gである酸化バナジウム担持酸化ケイ素を得た。この酸化バナジウム担持酸化ケイ素についてX線回折測定を行ったところ、回折ピークはすべて酸化ケイ素に帰属されるものしか観測されず、酸化バナジウムは非晶質構造を有していることを確認することができた。
[Example 1]
A mixed solution in which 5 g of silicon oxide SiO 2 was added to 300 ml of distilled water in which 2 g of vanadium chloride VCl 3 was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring, and water was removed at an evaporation rate of 100 ml / hour. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. After this powder was pulverized in an agate mortar to form a powder, it was heated to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./hour in an alumina crucible, and further maintained at 700 ° C. for 4 hours, thereby vanadium oxide vanadium element ( A vanadium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of X) of silicon oxide to silicon element (Y) of 0.1 and a specific surface area of 51 m 2 / g was obtained. When X-ray diffraction measurement was performed on this vanadium oxide-supported silicon oxide, it was confirmed that all diffraction peaks were attributed to silicon oxide, and that vanadium oxide had an amorphous structure. did it.

なお、プロトン伝導性無機材料粉末の元素比(X/Y)及び比表面積は以下に説明する方法で測定した。元素比(X/Y)の測定方法はエネルギー分散型X線分析(EDX)、X線電子分光法(XPS)、原子吸光分析により行った。比表面積の測定方法はBET法により行った。   In addition, the element ratio (X / Y) and specific surface area of proton conductive inorganic material powder were measured by the method demonstrated below. The element ratio (X / Y) was measured by energy dispersive X-ray analysis (EDX), X-ray electron spectroscopy (XPS), and atomic absorption analysis. The specific surface area was measured by the BET method.

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%ポリビニルアルコール(PVA)の水溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーを四フッ化エチレンペルフルオロアルコキシビニルエーテル共重合体(PFA)樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃、150℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は151μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of an aqueous solution of 5% polyvinyl alcohol (PVA) and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was put in a petri dish made of a tetrafluoroethylene perfluoroalkoxy vinyl ether copolymer (PFA) resin, and the solvent was dried at 60 ° C. and 150 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 151 μm.

〔実施例2〕
塩化クロム6水和物CrCl3・6H2Oを3g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末をメノウ乳鉢で粉砕して粉末状にした後、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱し、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が52m2/gであるある酸化クロム担持酸化ケイ素を得た。この酸化クロム担持酸化ケイ素についてX線回折測定を行ったところ、回折ピークはすべて酸化ケイ素に帰属されるものしか観測されず、酸化クロムは非晶質構造を有していることを確認することができた。
[Example 2]
A mixed solution of 5 g of silicon oxide SiO 2 added to 300 ml of distilled water in which 3 g of chromium chloride hexahydrate CrCl 3 · 6H 2 O was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring, and water was added at an evaporation rate of 100 ml / hour. Removed. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. This powder was pulverized in an agate mortar to form a powder, and then heated to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./hour in an alumina crucible, and further maintained at 700 ° C. for 4 hours, whereby chromium element of chromium oxide ( A chromium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of 0.1) of X) to silicon element (Y) of silicon oxide of 0.1 and a specific surface area of 52 m 2 / g was obtained. When X-ray diffraction measurement was performed on this chromium oxide-supported silicon oxide, only diffraction peaks attributable to silicon oxide were observed, and it was confirmed that chromium oxide had an amorphous structure. did it.

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%PVAの水溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーをPFA樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃、150℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は151μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of 5% PVA aqueous solution and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was placed in a petri dish made of PFA resin, and the solvent was dried at 60 ° C. and 150 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 151 μm.

〔実施例3〕
モリブデン酸アンモニウム(NH46Mo724・4H2Oを2g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末をメノウ乳鉢で粉砕して粉末状にした後、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱し、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が55m2/gである酸化モリブデン担持酸化ケイ素を得た。この酸化モリブデン担持酸化ケイ素についてX線回折測定を行ったところ、回折ピークはすべて酸化ケイ素に帰属されるものしか観測されず、酸化モリブデンは非晶質構造を有していることを確認することができた。
Example 3
A mixed solution obtained by adding 5 g of silicon oxide SiO 2 to 300 ml of distilled water in which 2 g of ammonium molybdate (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring and evaporated at 100 ml / hour. Water was removed at a rate. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. This powder was pulverized in an agate mortar to form a powder, and then heated to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./hour in an alumina crucible, and further maintained at 700 ° C. for 4 hours, whereby molybdenum element of molybdenum oxide ( Molybdenum oxide-supporting silicon oxide having an element ratio X / Y of X) of silicon oxide to silicon element (Y) of 0.1 and a specific surface area of 55 m 2 / g was obtained. When X-ray diffraction measurement was performed on this molybdenum oxide-supported silicon oxide, it was confirmed that all diffraction peaks were attributed to silicon oxide, and that molybdenum oxide had an amorphous structure. did it.

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%PVAの水溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーをPFA樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃、150℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は155μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of 5% PVA aqueous solution and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was placed in a petri dish made of PFA resin, and the solvent was dried at 60 ° C. and 150 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 155 μm.

〔実施例4〕
タングステン酸ナトリウム2水和物NaWO4・2H2Oを3g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g、0.1規定硝酸水溶液150mlを加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末を0.1規定硝酸水溶液100mlに分散し、吸引ろ過を行って不要なナトリウムイオンを除去した。ろ過後の固形分は100℃の乾燥器内で6時間保持して水分を除去した後、メノウ乳鉢で粉砕して粉末状にし、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が50m2/gである酸化タングステン担持酸化ケイ素を得た。この酸化タングステン担持酸化ケイ素についてX線回折測定を行ったところ、回折ピークはすべて酸化ケイ素に帰属されるものしか観測されず、酸化タングステンは非晶質構造を有していることを確認することができた。
Example 4
A mixed solution obtained by adding 5 g of silicon oxide SiO 2 and 150 ml of 0.1 N aqueous nitric acid solution to 300 ml of distilled water in which 3 g of sodium tungstate dihydrate NaWO 4 .2H 2 O was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring. The water was removed at an evaporation rate of 100 ml / hour. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. This powder was dispersed in 100 ml of a 0.1 N aqueous nitric acid solution, and suction filtration was performed to remove unnecessary sodium ions. The solid content after filtration is kept in a dryer at 100 ° C. for 6 hours to remove moisture, then pulverized in an agate mortar to form a powder, and heated to 700 ° C. in an alumina crucible at a heating rate of 100 ° C./hour. Further, by holding at 700 ° C. for 4 hours, the element ratio X / Y between the tungsten element (X) of tungsten oxide and the silicon element (Y) of silicon oxide is 0.1, and the specific surface area is 50 m 2 / g. A tungsten oxide-supported silicon oxide was obtained. When X-ray diffraction measurement was performed on this tungsten oxide-supported silicon oxide, it was confirmed that all diffraction peaks were attributed to silicon oxide, and that tungsten oxide had an amorphous structure. did it.

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%PVAの水溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーをPFA樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃、150℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は150μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of 5% PVA aqueous solution and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was placed in a petri dish made of PFA resin, and the solvent was dried at 60 ° C. and 150 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 150 μm.

〔実施例5〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が54m2/gである酸化バナジウム担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmの電解質膜を得た。
Example 5
The same operation as in Example 1 was conducted except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y between the vanadium element (X) of vanadium oxide and the titanium element (Y) of titanium oxide was changed. Of vanadium oxide having a specific surface area of 54 m 2 / g was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 155 μm was obtained.

〔実施例6〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は実施例2と同様の操作を行い、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が49m2/gである酸化クロム担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚157μmの電解質膜を得た。
Example 6
The same operation as in Example 2 was conducted except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y of chromium element (X) of chromium oxide and titanium element (Y) of titanium oxide was changed. Was 0.1 and the specific surface area was 49 m 2 / g. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 157 μm was obtained.

〔実施例7〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は実施例3と同様の操作を行い、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が48m2/gである酸化モリブデン担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmの電解質膜を得た。
Example 7
The same operation as in Example 3 was conducted except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y of molybdenum element (X) of molybdenum oxide to titanium element (Y) of titanium oxide was changed. Of titanium oxide with a specific surface area of 48 m 2 / g was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 150 μm was obtained.

〔実施例8〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は実施例4と同様の操作を行い、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が50m2/gである酸化タングステン担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚154μmの電解質膜を得た。
Example 8
The same operation as in Example 4 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y of tungsten element (X) of tungsten oxide and titanium element (Y) of titanium oxide was changed. Of tungsten oxide having a specific surface area of 50 m 2 / g was obtained. Furthermore, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 154 μm was obtained.

〔実施例9〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が53m2/gである酸化バナジウム担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚149μmの電解質膜を得た。
Example 9
The same operation as in Example 1 was carried out except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y between the vanadium element (X) of vanadium oxide and the zirconium element (Y) of zirconium oxide was Of vanadium oxide and zirconium oxide having a specific surface area of 53 m 2 / g. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 149 μm was obtained.

〔実施例10〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は実施例2と同様の操作を行い、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が50m2/gである酸化クロム担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmの電解質膜を得た。
Example 10
The same operation as in Example 2 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y between chromium element (X) of chromium oxide and zirconium element (Y) of zirconium oxide was changed. Was 0.1 and the specific surface area was 50 m 2 / g. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 151 μm was obtained.

〔実施例11〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は実施例3と同様の操作を行い、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が51m2/gである酸化モリブデン担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmの電解質膜を得た。
Example 11
The same operation as in Example 3 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y between the molybdenum element (X) of molybdenum oxide and the zirconium element (Y) of zirconium oxide was Was obtained, and molybdenum oxide-supported zirconium oxide having a specific surface area of 51 m 2 / g was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 151 μm was obtained.

〔実施例12〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は実施例4と同様の操作を行い、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が50m2/gである酸化タングステン担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚153μmの電解質膜を得た。
Example 12
The same operation as in Example 4 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y of tungsten element (X) of tungsten oxide and zirconium element (Y) of zirconium oxide was changed. Of tungsten oxide having a specific surface area of 50 m 2 / g was obtained. Furthermore, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PVA composite membrane of 0.9 and a film thickness of 153 μm was obtained.

〔実施例13〕
5%PVAの水溶液2gを5%PVAの水溶液1.5gと5%ポリアクリル酸(PA)の水溶液0.5gの混合溶液2gに変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が53m2/gである酸化バナジウム担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA・PA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚153μmであった
Example 13
The same operation as in Example 1 was carried out except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of a mixed solution of 1.5 g of 5% PVA aqueous solution and 0.5 g of 5% polyacrylic acid (PA) aqueous solution. An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supporting silicon oxide having an element ratio X / Y of 0.1 to 0.1 and a specific surface area of 53 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material to the proton conductive inorganic material-PVA · PA composite membrane total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 153 .mu.m.

〔実施例14〕
5%PVAの水溶液2gを5%PVAの水溶液1.5gと5%PAの水溶液0.5gの混合溶液2gに変更した以外は実施例2と同様の操作を行い、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が54m2/gである酸化クロム担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA・PA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmであった
Example 14
The same operation as in Example 2 was performed except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of a mixed solution of 1.5 g of 5% PVA aqueous solution and 0.5 g of 5% PA aqueous solution. ) And silicon oxide (Y) of silicon oxide , an electrolyte membrane containing chromium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of 0.1 and a specific surface area of 54 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material to the proton conductive inorganic material-PVA · PA composite membrane total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 151μm.

〔実施例15〕
5%PVAの水溶液2gを5%PVAの水溶液1.5gと5%PAの水溶液0.5gの混合溶液2gに変更した以外は実施例3と同様の操作を行い、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が50m2/gである酸化モリブデン担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA・PA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmであった
Example 15
The same operation as in Example 3 was performed except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of a mixed solution of 1.5 g of 5% PVA aqueous solution and 0.5 g of 5% PA aqueous solution. ) And silicon oxide (Y) of silicon oxide was 0.1, and an electrolyte membrane containing molybdenum oxide-supported silicon oxide having a specific surface area of 50 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material to the proton conductive inorganic material-PVA · PA composite membrane total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 155 .mu.m.

〔実施例16〕
5%PVAの水溶液2gを5%PVAの水溶液1.5gと5%PAの水溶液0.5gの混合溶液2gに変更した以外は実施例4と同様の操作を行い、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が51m2/gである酸化タングステン担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA・PA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmであった
Example 16
The same operation as in Example 4 was performed except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of a mixed solution of 1.5 g of 5% PVA aqueous solution and 0.5 g of 5% PA aqueous solution, and the tungsten element of tungsten oxide (X ) And silicon oxide (Y) of silicon oxide , an electrolyte membrane containing tungsten oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of 0.1 and a specific surface area of 51 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material to the proton conductive inorganic material-PVA · PA composite membrane total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 150 [mu] m.

〔実施例17〕
5%PVAの水溶液2gを5%ポリエチレングリコール(PEG)の水溶液2gに変更した以外は実施例5と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が52m2/gである酸化バナジウム担持酸化チタンを含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PEG複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmであった
Example 17
The same operation as in Example 5 was performed except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of 5% polyethylene glycol (PEG) aqueous solution, and vanadium element (X) of vanadium oxide and titanium element (Y) of titanium oxide An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported titanium oxide having an element ratio X / Y of 0.1 and a specific surface area of 52 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material -PEG composite film total weight (T) proton conductive inorganic material for (S) is 0.9, a film thickness of 151μm.

〔実施例18〕
5%PVAの水溶液2gを5%Nylon6の蟻酸溶液2gに変更した以外は実施例5と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が51m2/gである酸化バナジウム担持酸化チタンを含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−Nylon6複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚157μmであった
Example 18
The same operation as in Example 5 was conducted except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of 5% Nylon 6 formic acid solution, and the element ratio of vanadium oxide vanadium element (X) to titanium oxide titanium element (Y). An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported titanium oxide having an X / Y of 0.1 and a specific surface area of 51 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material -Nylon6 composite film total weight (T) proton conductive inorganic material for (S) is 0.9, a film thickness of 157μm.

〔比較例1〕
電解質膜としてDupont社製のナフィオン117膜(登録商標)を用意した。
[Comparative Example 1]
As an electrolyte membrane, a Nafion 117 membrane (registered trademark) manufactured by Dupont was prepared.

〔比較例2〕
5%PVAの水溶液2gを5%ポリスチレン(PS)のトルエン溶液2gに、乾燥温度を60度と150度から60度のみに変更した以外は実施例5と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が54m2/gである酸化バナジウム担持酸化チタンを含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PS複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmであった
[Comparative Example 2]
The same operation as in Example 5 was performed except that 2 g of 5% PVA aqueous solution was changed to 2 g of 5% polystyrene (PS) toluene solution and the drying temperature was changed from 60 degrees and 150 degrees to only 60 degrees, and vanadium oxide vanadium. An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported titanium oxide having an element ratio X / Y of element (X) to titanium element (Y) of titanium oxide of 0.1 and a specific surface area of 54 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material -PS proton conductive inorganic material to the composite film to the total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 155 .mu.m.

得られた実施例1〜18のプロトン伝導性膜は水分を与えることで大きく膨潤し、PFA樹脂製シャーレから容易に剥がし取ることができた。このとき、膜は柔軟性を備え、m−ニトロトルエン(pKa=−11.99)、p−ニトロフルオロベンゼン(pKa=−12.40)、p−ニトロクロロベンゼン(pKa=−12.70)、m−ニトロクロロベンゼン(pKa=−13.16)、2、4−ジニトロトルエン(pKa=−13.75)、2、4−ジニトロフルオロベンゼン(pKa=−14.52)からなる酸性指示薬により、固体超強酸性を示すことがわかった。各プロトン伝導性膜のHammettの酸度関数H0を下記表1に示す。 The obtained proton conductive membranes of Examples 1 to 18 were greatly swollen by applying moisture, and could be easily peeled off from the petri dish made of PFA resin. At this time, the membrane has flexibility, m-nitrotoluene (pKa = -11.99), p-nitrofluorobenzene (pKa = -12.40), p-nitrochlorobenzene (pKa = -12.70), m -An acidic indicator consisting of nitrochlorobenzene (pKa = -13.16), 2,4-dinitrotoluene (pKa = -13.75), 2,4-dinitrofluorobenzene (pKa = -14.52) It was found to show strong acidity. Table 1 below shows the Hammett acidity function H 0 of each proton conductive membrane.

これに対し、比較例2のプロトン伝導性膜は膨潤するまでに実施例の場合に比べて多量な水分を必要とした。   On the other hand, the proton conductive membrane of Comparative Example 2 required a large amount of moisture as compared with the example in order to swell.

また、実施例1〜18及び比較例1〜2の電解質膜を用いて以下に説明する方法で液体燃料電池を組み立てた。   Moreover, the liquid fuel cell was assembled by the method demonstrated below using the electrolyte membrane of Examples 1-18 and Comparative Examples 1-2.

白金担持カソード触媒を含有する電極(触媒量:Pt4mg/cm2、E−tek社製)に5%ナフィオン溶液を含浸させたものを酸化剤極3として用意した。また、白金・ルテニウム担持触媒アノード触媒を含有する電極(触媒量:Pt−Ru4mg/cm2、E−tek社製)に5%ナフィオン溶液を含浸させたものを燃料極2として用意した。 An oxidizer electrode 3 was prepared by impregnating an electrode containing a platinum-supported cathode catalyst (catalyst amount: Pt 4 mg / cm 2 , manufactured by E-tek) with a 5% Nafion solution. Further, an electrode containing a platinum / ruthenium supported catalyst anode catalyst (amount of catalyst: Pt—Ru 4 mg / cm 2 , manufactured by E-tek) impregnated with a 5% Nafion solution was prepared as the fuel electrode 2.

燃料極2と酸化剤極3の間にプロトン伝導性膜4を配置し、120℃で5分間、100kg/cm2の圧力でホットプレスして接合することにより膜電極複合体5を作製し、起電部を得た。 A proton conductive membrane 4 is disposed between the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3, and the membrane electrode assembly 5 is manufactured by hot pressing at 120 ° C. for 5 minutes at a pressure of 100 kg / cm 2 , An electromotive part was obtained.

こうして得られた起電部5の燃料極2に、燃料気化部6としての平均孔径100μmかつ気孔率70%のカーボン多孔質板を積層した。この燃料気化部6上に燃料浸透部7としての平均孔径5μm、気孔率40%のカーボン多孔質板を配置した。これらを、酸化剤ガス供給溝9付きの酸化剤極ホルダー10と、燃料極ホルダー11との内部に組み込んで、図2に示すような構成を有する単電池を作製した。この単電池の反応面積は10cm2である。なお、酸化剤極ホルダー10の酸化剤ガス供給溝9は、深さが2mmで、幅が1mmである。 A carbon porous plate having an average pore diameter of 100 μm and a porosity of 70% as the fuel vaporization section 6 was laminated on the fuel electrode 2 of the electromotive section 5 thus obtained. A carbon porous plate having an average pore diameter of 5 μm and a porosity of 40% as a fuel permeation unit 7 was disposed on the fuel vaporization unit 6. These were incorporated into the oxidant electrode holder 10 with the oxidant gas supply groove 9 and the fuel electrode holder 11 to produce a unit cell having the configuration shown in FIG. The reaction area of this unit cell is 10 cm 2 . The oxidant gas supply groove 9 of the oxidant electrode holder 10 has a depth of 2 mm and a width of 1 mm.

このようにして得た液体燃料電池に、20%メタノール水溶液を図2に示すように燃料浸透部7の側面から毛管力で導入した。一方、酸化剤ガスとして1atmの空気を100ml/minでガスチャンネル9に流し、発電を行なった。発電反応に伴って発生した炭酸ガス(CO2)は、図2に示されるように燃料気化部6から放出した。最大発電量を下記表1に示す。 A 20% aqueous methanol solution was introduced into the liquid fuel cell thus obtained from the side surface of the fuel permeation section 7 by capillary force as shown in FIG. On the other hand, 1 atm of air as oxidant gas was allowed to flow through the gas channel 9 at 100 ml / min for power generation. Carbon dioxide gas (CO 2 ) generated along with the power generation reaction was released from the fuel vaporization section 6 as shown in FIG. The maximum power generation amount is shown in Table 1 below.

表1に、各プロトン伝導性膜についてのメタノール透過性と膜抵抗の測定結果を示した。ここで、メタノール透過性と膜抵抗は、それぞれ、比較例1のナフィオン117膜の場合を1として、相対値で表わした。   Table 1 shows the measurement results of methanol permeability and membrane resistance for each proton conductive membrane. Here, the methanol permeability and the membrane resistance were expressed as relative values, assuming that the Nafion 117 membrane of Comparative Example 1 was 1.

なお、メタノールの透過性はプロトン伝導性膜を10cm2の面積を持つセルに挿み込み、片方のセルに10%メタノール水溶液、もう片側のセルには純水を入れ、室温で一定時間経過後、純水を入れたセル側のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、メタノールの透過性を測定した。膜は、水に16時間浸した後、水を切りメタノールの透過性を測定した。 For methanol permeability, a proton conductive membrane is inserted into a cell having an area of 10 cm 2 , 10% methanol aqueous solution is placed in one cell, and pure water is placed in the other cell. The methanol concentration on the cell side containing pure water was measured by gas chromatography, and the methanol permeability was measured. The membrane was immersed in water for 16 hours, then drained and the methanol permeability was measured.

また、膜の電気抵抗は四端子直流法により測定した。すなわち、プロトン伝導性膜を10cm2の面積を持つセルに挿みこみ、両セルに10%硫酸水溶液を入れ、室温で直流電流を通電させ、プロトン伝導性膜の有無による電圧降下を測定し、膜抵抗を測定した。

Figure 0004496119
Moreover, the electrical resistance of the film was measured by a four-terminal DC method. That is, a proton conductive membrane was inserted into a cell having an area of 10 cm 2 , a 10% sulfuric acid aqueous solution was put into both cells, a direct current was passed at room temperature, and a voltage drop due to the presence or absence of the proton conductive membrane was measured. Resistance was measured.
Figure 0004496119

表1から明らかなように、実施例1〜18のプロトン伝導性膜は、比較例1のナフィオン117膜と比較してメタノール透過性、膜抵抗は大きく低下したことがわかる。また、実施例5、実施例17、実施例18、比較例2に示すように、膜に使用する高分子材料を変更して高分子の平衡吸湿率を変化させることにより、無機材料と有機材料の濡れ性や分散性、膜の吸水性が変わり、膜の微構造に影響してプロトン伝導性やメタノール透過性が変わることがわかった。すなわち、平衡吸湿率を0.05%、10%、20%、25%と大きくすることにより、プロトン伝導性膜の膜抵抗が小さくなり、また、平衡吸湿率が小さい方がメタノール透過性が小さくなる。   As is clear from Table 1, it can be seen that the proton conductive membranes of Examples 1 to 18 have greatly reduced methanol permeability and membrane resistance as compared to the Nafion 117 membrane of Comparative Example 1. Further, as shown in Example 5, Example 17, Example 18, and Comparative Example 2, by changing the polymer material used for the membrane and changing the equilibrium moisture absorption rate of the polymer, an inorganic material and an organic material are obtained. The wettability, dispersibility, and water absorption of the membrane changed, and the proton conductivity and methanol permeability changed by affecting the microstructure of the membrane. That is, by increasing the equilibrium moisture absorption rate to 0.05%, 10%, 20%, and 25%, the membrane resistance of the proton conductive membrane decreases, and the smaller the equilibrium moisture absorption rate, the smaller the methanol permeability. Become.

表1の比較例1で示されるように、ナフィオン117膜を電解質膜として備えた燃料電池においては、20%メタノール溶液ではクロスオーバーや膜の抵抗が大きく、最大でも2.0mW/cm2の発電量しか得ることができなかった。これに対して、実施例1〜18のプロトン伝導性膜を電解質膜として備えた燃料電池では、クロスオーバーが抑制され、かつ膜抵抗が低下したために良好な発電量が得られた。そのうち、酸化物担体としてZrO2を使用した実施例9〜12の燃料電池の発電量が大きく、最も優れていたのはタングステン酸化物粒子が担持されている実施例12であった。 As shown in Comparative Example 1 of Table 1, in a fuel cell equipped with a Nafion 117 membrane as an electrolyte membrane, a 20% methanol solution has large crossover and membrane resistance, and power generation of 2.0 mW / cm 2 at maximum. Only quantity could be obtained. On the other hand, in the fuel cell provided with the proton conductive membranes of Examples 1 to 18 as the electrolyte membrane, a good power generation amount was obtained because the crossover was suppressed and the membrane resistance was reduced. Among them, the power generation amount of the fuel cells of Examples 9 to 12 using ZrO 2 as the oxide carrier was large, and the most excellent example was Example 12 on which tungsten oxide particles were supported.

実施例1〜18のプロトン伝導性膜を電解質膜として用いた単位セルについて、燃料として20%メタノール水溶液を供給し、空気を流すとともに、セルの両面を40℃に加熱して10mA/cm2の電流をとり、電池性能の時間的安定性を観測した。その結果、数時間経過後でも出力は安定していた。さらに150℃で同様の測定を行った結果、数時間経過後でも出力は安定していた。 About the unit cell which used the proton-conductive membrane of Examples 1-18 as an electrolyte membrane, while supplying 20% methanol aqueous solution as a fuel, flowing air and heating both surfaces of a cell to 40 degreeC, 10 mA / cm < 2 > The current was taken and the temporal stability of the battery performance was observed. As a result, the output was stable even after several hours. Furthermore, as a result of performing the same measurement at 150 ° C., the output was stable even after several hours.

ナフィオン117膜(比較例1)を電解質膜として備えた燃料電池について、燃料として20%メタノール水溶液を供給し、空気を流すとともに、セルの両面を40℃に加熱して10mA/cm2の電流をとり、電池性能の時間的安定性を観測した。その結果、数分のうちに、出力を得ることが不可能になった。さらに150℃で同様の測定を行った結果、加湿を厳密に制御できなかったため、電解質膜が乾燥して出力を得ることはできなかった。 For a fuel cell equipped with a Nafion 117 membrane (Comparative Example 1) as an electrolyte membrane, a 20% aqueous methanol solution was supplied as fuel, air was allowed to flow, and both sides of the cell were heated to 40 ° C. to produce a current of 10 mA / cm 2 . Then, the temporal stability of the battery performance was observed. As a result, it became impossible to obtain an output within a few minutes. Furthermore, as a result of performing the same measurement at 150 ° C., humidification could not be strictly controlled, so that the electrolyte membrane was dried and an output could not be obtained.

〔実施例19〕
5%PVA(ケン化度100%)の水溶液2gを5%PVA(ケン化度85%)の水溶液2gに変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が53m2/gである酸化バナジウム担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA(ケン化度85%)複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmであった
Example 19
The same operation as in Example 1 was carried out except that 2 g of an aqueous solution of 5% PVA (saponification degree 100%) was changed to 2 g of an aqueous solution of 5% PVA (saponification degree 85%), and the vanadium element (X) of vanadium oxide was used. An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of silicon oxide to silicon element (Y) of 0.1 and a specific surface area of 53 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane has a proton conductive inorganic material-PVA (degree of saponification of 85%), the ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the composite membrane is 0.9, and the film thickness is 151 μm . There was .

〔実施例20〕
5%PVA(ケン化度100%)の水溶液2gを5%PVA(ケン化度70%)の水溶液2gに変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が51m2/gである酸化バナジウム担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA(ケン化度70%)複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmであった
Example 20
The same operation as in Example 1 was carried out except that 2 g of an aqueous solution of 5% PVA (degree of saponification 100%) was changed to 2 g of an aqueous solution of 5% PVA (degree of saponification 70%), and the vanadium element (X) of vanadium oxide was used. An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of silicon oxide to silicon element (Y) of 0.1 and a specific surface area of 51 m 2 / g was obtained. The electrolyte membrane has a proton conductive inorganic material-PVA (saponification degree 70%) composite membrane total weight (T) ratio of proton conductive inorganic material (S) S / T of 0.9 and a film thickness of 150 μm . There was .

この電解質膜を用いて前述した実施例1で説明したのと同様にして液体燃料電池を作製した。   Using this electrolyte membrane, a liquid fuel cell was produced in the same manner as described in Example 1 above.

得られた実施例19、20について、プロトン伝導性膜のメタノール透過性並びに膜抵抗と、燃料電池の最大発電量とを前述したのと同様にして測定し、その結果を下記表2に示す。なお、表2には、前述した実施例1の結果を併記する。

Figure 0004496119
For Examples 19 and 20, the methanol permeability and membrane resistance of the proton conductive membrane and the maximum power generation amount of the fuel cell were measured in the same manner as described above, and the results are shown in Table 2 below. Table 2 also shows the results of Example 1 described above.
Figure 0004496119

表2から明らかなように、PVAのケン化度が低下していくほど平衡吸湿率が低下するため、固体超強酸に十分な水分が供給されなくなり、膜抵抗が大きくなるが、メタノールの透過性も低下した。これらの条件が総合され、結果的に膜特性が決定されており、PVAのケン化度が増加していくほど出力が向上することがわかった。   As is apparent from Table 2, the equilibrium moisture absorption decreases as the degree of saponification of PVA decreases, so that sufficient water is not supplied to the solid superacid and membrane resistance increases, but methanol permeability Also declined. These conditions were combined, and as a result, the film characteristics were determined, and it was found that the output improved as the degree of saponification of PVA increased.

〔実施例21〕
乾燥温度を60℃と150℃から60℃と100℃に変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。このプロトン伝導性無機材料の比表面積は53m2/gだった。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmであった
Example 21
The same operation as in Example 1 was performed except that the drying temperature was changed from 60 ° C. and 150 ° C. to 60 ° C. and 100 ° C., and the element ratio of vanadium oxide (V) of vanadium oxide to silicon element (Y) of silicon oxide An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported silicon oxide having X / Y of 0.1 was obtained. The specific surface area of this proton conductive inorganic material was 53 m 2 / g. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material -PVA proton conductive inorganic material to the composite film to the total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 150 [mu] m.

〔実施例22〕
乾燥温度を60℃と150℃から60℃と180℃に変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化ケイ素を含む電解質膜を得た。このプロトン伝導性無機材料の比表面積は55m2/gだった。前記電解質膜は、プロトン伝導性無機材料−PVA複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmであった
[Example 22]
The same operation as in Example 1 was carried out except that the drying temperature was changed from 60 ° C. and 150 ° C. to 60 ° C. and 180 ° C., and the element ratio of vanadium element (X) of vanadium oxide to silicon element (Y) of silicon oxide An electrolyte membrane containing vanadium oxide-supported silicon oxide having X / Y of 0.1 was obtained. The specific surface area of this proton conductive inorganic material was 55 m 2 / g. The electrolyte membrane is the ratio S / T of the proton conductive inorganic material -PVA proton conductive inorganic material to the composite film to the total weight (T) (S) of 0.9 and a thickness of 151μm.

この電解質膜を用いて前述した実施例1で説明したのと同様にして液体燃料電池を作製した。   Using this electrolyte membrane, a liquid fuel cell was produced in the same manner as described in Example 1 above.

得られた実施例21、22について、プロトン伝導性膜のメタノール透過性並びに膜抵抗と、燃料電池の最大発電量とを前述したのと同様にして測定し、その結果を下記表3に示す。なお、表3には、前述した実施例1の結果を併記する。

Figure 0004496119
For the obtained Examples 21 and 22, the methanol permeability and membrane resistance of the proton conductive membrane and the maximum power generation amount of the fuel cell were measured in the same manner as described above, and the results are shown in Table 3 below. Table 3 also shows the results of Example 1 described above.
Figure 0004496119

表3からも明らかなように、熱処理温度が高くなるほど平衡吸湿率が低下したことがわかった。これは高温の熱処理ほどPVAと固体超強酸の反応が促進され、PVA内の親水性のヒドロキシル基が疎水性のケトン基へ変換され、平衡吸湿率が低下したと推定される。すなわち、熱処理温度が低い方が膜の吸水性が高くなり、固体超強酸に十分な水分が供給され、膜抵抗が小さくなった。一方、メタノールの透過性については、高温の熱処理を実施した電解質膜ほど緻密性が高くなり、小さくなった。これらの条件が総合され、結果的に膜特性が決定されており、150℃の熱処理が最も高い出力を示した。   As apparent from Table 3, it was found that the equilibrium moisture absorption rate decreased as the heat treatment temperature increased. It is presumed that the higher the heat treatment, the more the reaction between PVA and the solid superacid is promoted, the hydrophilic hydroxyl group in PVA is converted to the hydrophobic ketone group, and the equilibrium moisture absorption rate is lowered. That is, the lower the heat treatment temperature, the higher the water absorption of the film, the sufficient water was supplied to the solid super strong acid, and the film resistance was reduced. On the other hand, as for the permeability of methanol, the electrolyte membrane subjected to high temperature heat treatment became denser and smaller. These conditions were synthesized, and as a result, the film characteristics were determined, and the heat treatment at 150 ° C. showed the highest output.

〔実施例23〕
実施例1で得られたプロトン伝導性無機材料と白金・ルテニウム担持触媒、PVA、水を重量比で0.45/0.45/0.1/5.0の割合で混合したスラリーを調製し、32mm×32mmのカーボンクロス上に塗布して触媒量:Pt−Ru4mg/cm2の燃料極を作製した。
Example 23
A slurry was prepared by mixing the proton conductive inorganic material obtained in Example 1, the platinum / ruthenium supported catalyst, PVA, and water in a weight ratio of 0.45 / 0.45 / 0.1 / 5.0. A fuel electrode having a catalyst amount of Pt—Ru 4 mg / cm 2 was prepared by coating on a 32 mm × 32 mm carbon cloth.

また、実施例1で得られたプロトン伝導性無機材料と白金担持触媒、PVA、水を重量比で0.45/0.45/0.1/5.0の割合で混合したスラリーを調製し、32mm×32mmのカーボンクロス上に塗布して触媒量:Pt4mg/cm2の酸化剤極を作製した。 In addition, a slurry was prepared by mixing the proton conductive inorganic material obtained in Example 1, the platinum-supported catalyst, PVA, and water at a weight ratio of 0.45 / 0.45 / 0.1 / 5.0. And an oxidant electrode having a catalyst amount of Pt 4 mg / cm 2 was prepared by coating on a 32 mm × 32 mm carbon cloth.

さらに、電解質膜として比較例1で使用したのと同様なナフィオン117膜を用意した。   Furthermore, a Nafion 117 membrane similar to that used in Comparative Example 1 was prepared as the electrolyte membrane.

上記燃料極、酸化剤極及び電解質膜を使用すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして燃料電池を作製した。   A fuel cell was fabricated in the same manner as described in Example 1 except that the fuel electrode, the oxidant electrode, and the electrolyte membrane were used.

〔実施例24〕
実施例23で得られた燃料極及び酸化剤極と、実施例1で得られたプロトン伝導性膜を使用すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして燃料電池を作製した。
Example 24
A fuel cell was fabricated in the same manner as described in Example 1 except that the fuel electrode and the oxidant electrode obtained in Example 23 and the proton conductive membrane obtained in Example 1 were used. did.

得られた実施例23、24について、燃料電池のセル抵抗と最大発電量を測定し、その結果を下記表4に示す。なお、表4には、前述した実施例1、比較例1の結果を併記する。

Figure 0004496119
For the obtained Examples 23 and 24, the cell resistance and the maximum power generation amount of the fuel cell were measured, and the results are shown in Table 4 below. Table 4 also shows the results of Example 1 and Comparative Example 1 described above.
Figure 0004496119

表4から明らかなように、実施例1,23,24の燃料電池は、比較例1の燃料電池に比して高い出力特性を示した。これは、実施例1では、電解質膜のメタノール透過性が低いためであり、実施例23では、電極に使用したプロトン伝導体の抵抗が小さいためであり、最も高い出力が得られた実施例24では、実施例1の電解質膜と実施例23の電極の双方を使用したためである。   As is clear from Table 4, the fuel cells of Examples 1, 23, and 24 exhibited higher output characteristics than the fuel cell of Comparative Example 1. This is because in Example 1, the methanol permeability of the electrolyte membrane is low, and in Example 23, the resistance of the proton conductor used for the electrode is small, and Example 24 obtained the highest output. This is because both the electrolyte membrane of Example 1 and the electrode of Example 23 were used.

以上の結果から、燃料極、酸化剤極及び電解質膜のうち少なくともいずれかに、プロトン伝導性無機酸化物及び親水性有機高分子を含むプロトン伝導性材料を含有させると、プロトン伝導性とメタノール透過性の双方を満足できることがわかった。   From the above results, when proton conductive materials including proton conductive inorganic oxides and hydrophilic organic polymers are included in at least one of the fuel electrode, the oxidant electrode, and the electrolyte membrane, proton conductivity and methanol permeability are obtained. It was found that both sexes can be satisfied.

以上詳述したように本発明によれば、小型で性能が高く、しかも安定した出力を供給可能な燃料電池を得ることが可能となり、その工業的価値は絶大である。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to obtain a fuel cell that is small in size, high in performance, and capable of supplying a stable output, and its industrial value is tremendous.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明の燃料電池の一実施形態に係る液体燃料電池を模式的に示した断面図。1 is a cross-sectional view schematically showing a liquid fuel cell according to an embodiment of the fuel cell of the present invention. 実施例1の液体燃料電池の構成を模式的に示した断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the liquid fuel cell of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…液体燃料導入路、2…アノード、3…カソード、4…電解質膜、5…膜電極複合体(起電部)、6…燃料気化部、7…燃料浸透部、8…カソードセパレータ、9…酸化剤ガス供給溝、10…酸化剤極側ホルダー、11…燃料極側ホルダー、100…スタック。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Liquid fuel introduction path, 2 ... Anode, 3 ... Cathode, 4 ... Electrolyte membrane, 5 ... Membrane electrode assembly (electromotive part), 6 ... Fuel vaporization part, 7 ... Fuel penetration part, 8 ... Cathode separator, 9 ... oxidant gas supply groove, 10 ... oxidant electrode side holder, 11 ... fuel electrode side holder, 100 ... stack.

Claims (6)

Zr、Ti、SiおよびAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体、および、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、CrおよびVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子を含み、かつ固体超強酸性を示すプロトン伝導性無機酸化物と、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エーテル結合及びアミド結合よりなる群から選択される少なくとも1種類を含む親水性有機高分子とを含有することを特徴とする燃料電池用プロトン伝導性膜。 An oxide carrier containing at least one element Y selected from the group consisting of Zr, Ti, Si and Al, and a group consisting of W, Mo, Cr and V supported on the surface of the oxide carrier A proton conductive inorganic oxide containing oxide particles containing at least one element X selected from the group consisting of a solid super-acidic acid, and a group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, an ether bond and an amide bond A proton conductive membrane for a fuel cell, comprising a hydrophilic organic polymer containing at least one selected. 前記プロトン伝導性無機酸化物及び前記親水性有機高分子を含むスラリーを製膜し、200℃以下で熱処理が施されたものであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用プロトン伝導性膜。   2. The proton conductivity for a fuel cell according to claim 1, wherein a slurry containing the proton conductive inorganic oxide and the hydrophilic organic polymer is formed and heat-treated at 200 ° C. or lower. film. 前記親水性有機高分子は、20℃以上における平衡吸湿率が5%以上であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用プロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the hydrophilic organic polymer has an equilibrium moisture absorption rate of 5% or more at 20 ° C or more. 前記プロトン伝導性無機酸化物は、Hammettの酸度関数H0が、H0<−11.93となるプロトン伝導性無機酸化物であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の燃料電池用プロトン伝導性膜。 4. The proton conductive inorganic oxide according to claim 1, wherein the acidity function H 0 of Hammett is a proton conductive inorganic oxide satisfying H 0 <−11.93. 5. Proton conducting membrane for fuel cells. 燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置され、請求項1〜4いずれか1項記載のプロトン伝導性膜からなる電解質膜とを具備することを特徴とする膜電極複合体。 A fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane that is disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode and includes the proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 4. Membrane electrode composite. 燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置され、請求項1〜4いずれか1項記載のプロトン伝導性膜からなる電解質膜とを具備することを特徴とする燃料電池。 A fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane that is disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode and includes the proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 4. Fuel cell.
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