JP4517398B2 - Electrolytes - Google Patents

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Description

本発明は、電解質に関し、さらに詳しくは、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、触媒層内電解質等として好適な電解質に関する。   The present invention relates to an electrolyte. More specifically, the present invention is used in various electrochemical devices such as fuel cells, water electrolysis apparatuses, hydrohalic acid electrolysis apparatuses, salt electrolysis apparatuses, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, and gas sensors. The present invention relates to an electrolyte suitable as an electrolyte membrane, an electrolyte in a catalyst layer, and the like.

燃料電池や水電解装置などの各種電気化学デバイスには、一般に、固体高分子電解質が用いられている。この場合、固体高分子電解質は、膜状に成形され、その両面に電極を接合した膜電極接合体(MEA)の状態で使用される。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボン繊維、カーボンペーパー等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、電極触媒と固体高分子電解質との複合体からなる。   Generally, solid polymer electrolytes are used in various electrochemical devices such as fuel cells and water electrolysis devices. In this case, the solid polymer electrolyte is used in the form of a membrane electrode assembly (MEA) in which a membrane is formed and electrodes are bonded to both surfaces thereof. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon fiber, carbon paper, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and is generally composed of a composite of an electrode catalyst and a solid polymer electrolyte.

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。
また、全フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含み、C−F結合を含まない電解質)、又は、部分フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む電解質)の使用も検討されている。
The electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA includes a perfluorinated electrolyte excellent in oxidation resistance (an electrolyte that does not contain a C—H bond in the polymer chain. For example, Nafion (registered trademark, DuPont). ), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.) are generally used.
In addition, perfluorinated electrolytes are excellent in oxidation resistance but are generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the solid polymer fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte that includes a C—H bond and does not include a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorine electrolyte The use of (electrolytes containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain) has also been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、炭化水素系電解質は、全フッ素系電解質に比べて安価であるが、過酸化物ラジカルにより劣化しやすいという問題がある。一方、全フッ素系電解質は、炭化水素系電解質に比べて耐酸化性に優れているが、使用条件が過酷になると、全フッ素系電解質であっても劣化するという問題がある。   However, in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as a vehicle-mounted power source, there remain problems to be solved. For example, hydrocarbon electrolytes are less expensive than perfluorinated electrolytes, but have a problem that they are easily degraded by peroxide radicals. On the other hand, perfluorinated electrolytes have better oxidation resistance than hydrocarbon based electrolytes. However, when the use conditions become severe, there is a problem that even perfluorinated electrolytes deteriorate.

そこでこの問題を解決するために従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献1には、酸素極の触媒層中にセリウム含有酸化物を含有させた膜電極接合体が開示されている。同文献には、酸素極にセリウム含有酸化物を添加することによって、酸素極において生成した過酸化水素が酸化分解され、ラジカルによる電解質膜の劣化を抑制できる点が記載されている。   In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made. For example, Patent Document 1 discloses a membrane electrode assembly in which a cerium-containing oxide is contained in a catalyst layer of an oxygen electrode. This document describes that by adding a cerium-containing oxide to the oxygen electrode, hydrogen peroxide generated at the oxygen electrode is oxidatively decomposed and deterioration of the electrolyte membrane due to radicals can be suppressed.

また、特許文献2には、フッ素系電解質に酸化防止剤が添加された固体高分子電解質が開示されている。同文献には、フッ素系電解質に酸化防止剤(特に、リン系酸化防止剤)を添加すると、ラジカルの生成が抑制され、発生したラジカルが不活性化され、及び/又は、過酸化物が安定な化合物に分解するため、フルオロカーボン骨格の浸食が抑制される点が記載されている。   Patent Document 2 discloses a solid polymer electrolyte in which an antioxidant is added to a fluorine-based electrolyte. In this document, when an antioxidant (particularly a phosphorus-based antioxidant) is added to a fluorine-based electrolyte, the generation of radicals is suppressed, the generated radicals are inactivated, and / or the peroxide is stable. It describes that the erosion of the fluorocarbon skeleton is suppressed because it decomposes into a new compound.

さらに、電解質ではないが、特許文献3には、粉末状の金属修飾アパタイトと無機コーティング液剤とを含み、金属修飾アパタイトの含有率が0.01〜5wt%であるコーティング液を基材に塗布する金属修飾アパタイト含有膜の形成方法が開示されている。同文献には、カルシウムハイドロキシアパタイト(Ca10(PO)(OH))のCaの一部をTiに置換すると、分解対象物の接触効率が高い光触媒となる点、及び、コーティング液中に金属修飾アパタイトを適切に分散させると、金属修飾アパタイトの含有率が低い場合であっても十分な抗菌性や防汚性が得られる点が記載されている。 Further, although not an electrolyte, Patent Document 3 discloses that a coating liquid containing powdery metal-modified apatite and an inorganic coating liquid agent and having a metal-modified apatite content of 0.01 to 5 wt% is applied to a substrate. A method for forming a metal-modified apatite-containing film is disclosed. In this document, when a part of Ca of calcium hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) is replaced with Ti, it becomes a photocatalyst with high contact efficiency of the decomposition target, and in the coating liquid It is described that, when the metal-modified apatite is appropriately dispersed, sufficient antibacterial properties and antifouling properties can be obtained even when the content of the metal-modified apatite is low.

特開2004−327074号公報JP 2004-327074 A 特開2004−134294号公報JP 2004-134294 A 特開2003−334883号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-334883

特許文献1、2に開示されている方法は、電解質膜や触媒層内電解質のラジカルによる劣化を抑制する有効な方法の1つである。しかしながら、セリウム含有酸化物や酸化防止剤は、相対的に水への溶解度が大きい。そのため、水を含む環境下において長期間使用すると、これらが系外に溶出しやすい。また、酸化防止剤の種類によっては、酸化防止剤自身が過酸化物ラジカルによって劣化する場合がある。そのため、電解質膜の耐久性をさらに向上させる方法が望まれている。
また、セリウム含有酸化物や酸化防止剤は、一般に、プロトン伝導性を示さない。そのため、耐久性を向上させるためにこれらの添加量を多くすると、プロトン伝導性が低下したり、あるいは、膜が脆化する場合がある。
The methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 are one of effective methods for suppressing deterioration of electrolyte membranes and electrolyte in the catalyst layer due to radicals. However, cerium-containing oxides and antioxidants have a relatively high solubility in water. Therefore, when used for a long time in an environment containing water, these are likely to elute out of the system. Moreover, depending on the kind of antioxidant, antioxidant itself may deteriorate with a peroxide radical. Therefore, a method for further improving the durability of the electrolyte membrane is desired.
Further, cerium-containing oxides and antioxidants generally do not exhibit proton conductivity. For this reason, if the amount of these additives added is increased in order to improve durability, proton conductivity may be reduced or the membrane may become brittle.

本発明が解決しようとする課題は、長期間に渡ってラジカルに対する耐久性を維持することが可能な電解質を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、ラジカルに対する高い耐久性を有し、しかも、低コストでかつ相対的に高いプロトン伝導度を有する電解質を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide an electrolyte capable of maintaining durability against radicals over a long period of time.
Another object of the present invention is to provide an electrolyte having a high durability against radicals and having a relatively high proton conductivity at a low cost.

上記課題を解決するために本発明に係る電解質は、Caがドープされたリン酸チタニアを含むことを要旨とする。この場合、リン酸チタニアは、その骨格中にホスホン酸基を持つものが好ましい。   In order to solve the above problems, an electrolyte according to the present invention is characterized in that it contains titania phosphate doped with Ca. In this case, the titania phosphate preferably has a phosphonic acid group in its skeleton.

Caドープリン酸チタニア(特に、ホスホン酸基を持つCaドープリン酸チタニア)は、相対的に高いプロトン伝導性を示す。また、リン酸チタニア中のTiの一部をCaで置換すると、過酸化水素分解作用が向上する。さらに、Caドープリン酸チタニアは、相対的に水及び熱水に対する溶解度が小さい。そのため、これを例えば固体高分子型燃料電池の電解質膜あるいは触媒層内電解質に適用すれば、燃料電池の耐久性を向上させることができる。   Ca-doped titania phosphate (particularly Ca-doped titania having a phosphonic acid group) exhibits relatively high proton conductivity. Further, when a part of Ti in titania phosphate is replaced with Ca, the hydrogen peroxide decomposition action is improved. Furthermore, Ca-doped titania phosphate has relatively low solubility in water and hot water. Therefore, if this is applied to, for example, an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell or an electrolyte in a catalyst layer, the durability of the fuel cell can be improved.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る電解質は、Caがドープされたリン酸チタニア、すなわち、Ca−Ti−P−Oで構成される金属酸化物を含むことを特徴とする。
Caドープリン酸チタニア中に含まれるPは、プロトン伝導に寄与する。Pは、Ti−O−Tiで構成される骨格中にホスホン酸基(−PO(OH))の形で導入されているのが好ましい。骨格の一部を構成する形で導入されたPは、プロトン伝導にほとんど寄与しないのに対し、ホスホン酸基は、プロトン伝導に寄与する。また、ホスホン酸基は、過酸化水素をラジカル分解させる機能を有する金属イオンをキレート的に補足機能も備えているので、過酸化水素に対する耐久性を向上させることができる。
さらに、Caドープリン酸チタニアに含まれるCaは、リン酸チタニアが持つ過酸化水素分解触媒としての機能を高める作用がある。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The electrolyte according to the present invention is characterized by including a metal oxide composed of phosphoric titania doped with Ca, that is, Ca-Ti-PO.
P contained in Ca-doped titania phosphate contributes to proton conduction. P is preferably introduced into the skeleton composed of Ti—O—Ti in the form of a phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ). P introduced in a form constituting a part of the skeleton hardly contributes to proton conduction, whereas the phosphonic acid group contributes to proton conduction. Moreover, since the phosphonic acid group also has a chelating supplement function for metal ions having the function of radically decomposing hydrogen peroxide, durability against hydrogen peroxide can be improved.
Further, Ca contained in the Ca-doped titania phosphate has an action of enhancing the function as a hydrogen peroxide decomposition catalyst possessed by the phosphate titania.

Caドープリン酸チタニアのプロトン伝導性及び過酸化水素分解性は、その組成に依存する。一般に、Ca/P比(mass%)が大きくなるほど、プロトン伝導性及び過酸化水素分解性が向上する。リン酸チタニアにCaをドープすると、Pの結合が切れにくくなり、プロトン伝導性及び過酸化水素分解性が向上する。高い特性を得るためには、Ca/P比は、0.4以上が好ましく、さらに好ましくは0.7以上、さらに好ましくは0.8以上、さらに好ましくは、0.9以上である。
一方、Ca/P比が大きくなりすぎると、金属酸化物全体に含まれるPの量が少なくなるので、逆にプロトン伝導性及び過酸化水素分解性が低下する。高い特性を得るためには、Ca/P比は、3.0以下が好ましく、さらに好ましくは2.1以下、さらに好ましくは1.8以下、さらに好ましくは1.5以下である。
The proton conductivity and hydrogen peroxide decomposability of Ca-doped titania phosphate depend on its composition. Generally, as the Ca / P ratio (mass%) increases, proton conductivity and hydrogen peroxide decomposability improve. When Ca is added to titania phosphate, P bonds are not easily broken, and proton conductivity and hydrogen peroxide decomposability are improved. In order to obtain high characteristics, the Ca / P ratio is preferably 0.4 or more, more preferably 0.7 or more, still more preferably 0.8 or more, and still more preferably 0.9 or more.
On the other hand, when the Ca / P ratio is too large, the amount of P contained in the entire metal oxide is reduced, and conversely, proton conductivity and hydrogen peroxide decomposability are lowered. In order to obtain high characteristics, the Ca / P ratio is preferably 3.0 or less, more preferably 2.1 or less, still more preferably 1.8 or less, and still more preferably 1.5 or less.

また、一般に、Caの置換量が多くなるほど(すなわち、Ti/Ca比(mass%)が小さくなるほど)、過酸化水素分解性が高くなる。高い特性を得るためには、Ti/Ca比は、0.70以下が好ましく、さらに好ましくは0.65以下、さらに好ましくは0.50以下、さらに好ましくは0.35以下である。
一方、Caの置換量が多くなりすぎると、逆に過酸化水素分解性が低下する。高い特性を得るためには、Ti/Ca比は、0.05以上が好ましく、さらに好ましくは0.11以上、さらに好ましくは0.13以上、さらに好ましくは、0.15以上である。
In general, as the amount of substitution of Ca increases (that is, the Ti / Ca ratio (mass%) decreases), the hydrogen peroxide decomposability increases. In order to obtain high characteristics, the Ti / Ca ratio is preferably 0.70 or less, more preferably 0.65 or less, further preferably 0.50 or less, and further preferably 0.35 or less.
On the other hand, when the amount of substitution of Ca becomes too large, the hydrogen peroxide decomposability is reduced. In order to obtain high characteristics, the Ti / Ca ratio is preferably 0.05 or more, more preferably 0.11 or more, further preferably 0.13 or more, and further preferably 0.15 or more.

Caドープリン酸チタニアの比表面積は、過酸化水素分解触媒としての反応場の大きさを示す指標であると同時に、導電基であるホスホン酸基の多さを表す指標となる。一般に、比表面積が高くなるほど、プロトン伝導性及び過酸化水素分解性に優れた電解質となる。高い特性を得るためには、Caドープリン酸チタニアの比表面積は、30m/g以上が好ましく、さらに好ましくは100m/g以上、さらに好ましくは150m/g以上、さらに好ましくは200m/g以上である。 The specific surface area of the Ca-doped titania phosphate is an index indicating the size of the reaction field as a hydrogen peroxide decomposition catalyst and at the same time an index indicating the number of phosphonic acid groups that are conductive groups. In general, the higher the specific surface area, the more excellent the proton conductivity and the hydrogen peroxide decomposability. In order to obtain high characteristics, the specific surface area of the Ca-doped titania is preferably 30 m 2 / g or more, more preferably 100 m 2 / g or more, further preferably 150 m 2 / g or more, more preferably 200 m 2 / g. That's it.

Caドープリン酸チタニアは、結晶質であっても良く、あるいは、非晶質であっても良い。Caドープリン酸チタニアが結晶質である場合、ナノサイズの細孔が少ないので、保水性・含水率が低下し、プロトン伝導性は低下する。しかしながら、耐熱性が高くなるので、高温で使用した場合であっても、高い過酸化水素分解作用を示す。
これに対し、Caドープリン酸チタニアが非晶質である場合、耐熱性は若干低下するが、ナノサイズの細孔が多いので、保水性・含水率が高くなる。また、表面層に分布する導電基の量も必然的に増大するので、水を導電媒体とする電解質においては、高いプロトン伝導性を示す。さらに、過酸化水素との反応場が増大するので、高い過酸化水素分解作用を示す。
The Ca-doped titania phosphate may be crystalline or amorphous. When the Ca-doped titania phosphate is crystalline, there are few nano-sized pores, so the water retention / water content decreases and the proton conductivity decreases. However, since the heat resistance is high, even when used at high temperatures, it exhibits a high hydrogen peroxide decomposition action.
On the other hand, when the Ca-doped titania is amorphous, the heat resistance is slightly lowered, but the water retention / water content is increased because there are many nano-sized pores. In addition, since the amount of conductive groups distributed in the surface layer inevitably increases, an electrolyte using water as a conductive medium exhibits high proton conductivity. Furthermore, since the reaction field with hydrogen peroxide increases, it shows a high hydrogen peroxide decomposition action.

Caドープリン酸チタニアは、後述する方法を用いると、粉末状として得られる。また、粉末状のCaドープリン酸チタニアは、これをそのまま触媒層に添加することもできる。さらに、粉末状のCaドープリン酸チタニアは、これにバインダ(結合剤)など、他の成分を添加して複合体とし、これを電解質膜あるいは触媒層内電解質として使用することもできる。
粉末状をそのままあるいは複合体として使用する場合、その粒子形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の形状を有するものを用いることができる。すなわち、粒子形態は、球状、板状、層状、繊維状、柱状、チューブ状等、いずれであっても良い。
また、Caドープリン酸チタニアを複合体として用いる場合、他の成分としては、具体的には、
(1) SBS、PPSなどのエラストマ、トリエトキシシリル、ポリイミド、ポリアミドイミド、エマルジョンラテックス、液晶ポリマ等の樹脂、
(2) シリカ、水酸化チタニア、ZnO、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコニア、チタン等のゲル、
(3) ナフィオン(登録商標)に代表される各種フッ素系電解質や各種炭化水素系電解質等の高分子電解質、
などがある。
Ca-doped titania phosphate is obtained as a powder when using the method described later. In addition, powdered Ca-doped titania can be added to the catalyst layer as it is. Furthermore, powdered Ca-doped titania can be combined with other components such as a binder (binder) to form a composite, which can be used as an electrolyte membrane or an electrolyte in a catalyst layer.
When the powder form is used as it is or as a composite, the particle shape is not particularly limited, and those having various shapes can be used according to the purpose. That is, the particle form may be any of spherical shape, plate shape, layer shape, fiber shape, columnar shape, tube shape, and the like.
Moreover, when using Ca dope titania as a composite, as other components, specifically,
(1) Elastomers such as SBS and PPS, triethoxysilyl, polyimide, polyamideimide, emulsion latex, resin such as liquid crystal polymer,
(2) Gels such as silica, titania hydroxide, ZnO, barium titanate, zirconia titanate, titanium,
(3) Polymer electrolytes such as various fluorine-based electrolytes and various hydrocarbon-based electrolytes represented by Nafion (registered trademark),
and so on.

次に、本発明に係る電解質の製造方法について説明する。
本発明に係る電解質は、Ca含有化合物とTi含有化合物とを溶解させた第1溶液に、P含有化合物を溶解させた第2溶液を添加することにより得られる。第1溶液に第2溶液を加えると、Ca−Ti−P−Oで構成される金属酸化物の沈殿を得ることができる。この時、溶液中にアルカリ水溶液を添加し、pH調製する必要はない。
Next, the manufacturing method of the electrolyte which concerns on this invention is demonstrated.
The electrolyte according to the present invention can be obtained by adding a second solution in which a P-containing compound is dissolved to a first solution in which a Ca-containing compound and a Ti-containing compound are dissolved. When a 2nd solution is added to a 1st solution, precipitation of the metal oxide comprised by Ca-Ti-PO can be obtained. At this time, it is not necessary to adjust the pH by adding an alkaline aqueous solution to the solution.

Ca含有化合物としては、具体的には、硝酸カルシウム(Ca(NO))、炭酸カルシウム(CaCO)、硫酸カルシウム(CaSO)などを用いることができる。Ti含有化合物としては、具体的には、四塩化チタン(TiCl)、四硫酸チタン(Ti(SO))、硫酸チタン(TiSO)などを用いることができる。P含有化合物としては、具体的には、オルトリン酸(HPO)、五酸化リン(P)などを用いることができる。
第1溶液及び第2溶液の溶媒には、通常、水が用いられるが、Ca含有化合物、Ti含有化合物及びP含有化合物を溶解可能なものである限り、水以外の溶媒を用いても良い。
第1溶液中に含まれるCa含有化合物及びTi含有化合物の濃度、並びに、第2溶液中に含まれるP含有化合物の濃度は、目的とする組成が得られるように、適宜最適な濃度を選択する。
Specifically, calcium nitrate (Ca (NO 3 ) 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), calcium sulfate (CaSO 4 ) and the like can be used as the Ca-containing compound. Specifically, titanium tetrachloride (TiCl 4 ), titanium tetrasulfate (Ti (SO 4 ) 4 ), titanium sulfate (TiSO 4 ), or the like can be used as the Ti-containing compound. Specifically, orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ), or the like can be used as the P-containing compound.
As the solvent of the first solution and the second solution, water is usually used, but a solvent other than water may be used as long as it can dissolve the Ca-containing compound, Ti-containing compound and P-containing compound.
The concentration of the Ca-containing compound and the Ti-containing compound contained in the first solution and the concentration of the P-containing compound contained in the second solution are appropriately selected so as to obtain the intended composition. .

得られた沈殿物を、pH6になるまでイオン交換水で繰り返し水洗し、乾燥させると、所望の組成を有するCaドープリン酸チタニアが得られる。
さらに、得られた粉末を適当な形状に成形・焼結すれば、所定の形状を有するCaドープリン酸チタニアが得られる。また、得られた粉末に樹脂、ゲル、高分子電解質等の他の成分を加え、これを所定の形状(例えば、膜状)に成形すれば、Caドープリン酸チタニアを含む複合体が得られる。さらに、触媒を含むペーストにCaドープリン酸チタニア及び必要に応じて高分子電解質を加え、これを適当な基材表面に塗布すれば、Caドープリン酸チタニアを含む触媒層が得られる。
When the obtained precipitate is repeatedly washed with ion-exchanged water until pH 6 and dried, Ca-doped titania having a desired composition is obtained.
Furthermore, when the obtained powder is molded and sintered into an appropriate shape, Ca-doped titania having a predetermined shape can be obtained. Moreover, the composite containing Ca dope titania is obtained if other components, such as resin, gel, and polymer electrolyte, are added to the obtained powder, and this is formed into a predetermined shape (for example, a film shape). Furthermore, a catalyst layer containing Ca-doped titania can be obtained by adding Ca-doped titania and, if necessary, a polymer electrolyte to the paste containing the catalyst, and applying this to a suitable substrate surface.

次に、本発明に係る電解質の作用について説明する。
リン酸チタニア(TiPO)、リン酸セリア(CePO)、リン酸水素カルシウム(CaHPO)等のリン酸塩は、いずれも、過酸化水素分解作用を有している。また、これらのリン酸塩は、いずれも、その構造内にホスホン酸基を有しているので、プロトン伝導性を示す。しかしながら、リン酸塩の過酸化水素分解能力は、リン酸塩の組成によって大きく異なる。
また、例えば、リン酸セリアは、相対的に高い過酸化水素分解能力を有しているが、過酸化水素を含む水の存在下においては、相対的に分解しやすい。そのため、リン酸セリアを、長期間、水を含む環境下で使用し続けると、Pが溶出し、長期間に渡って高い過酸化物分解作用を維持するのは困難である。また、Pの溶出は、プロトン伝導に寄与するホスホン酸基の消失を意味しており、プロトン伝導度の低下を招く。
Next, the operation of the electrolyte according to the present invention will be described.
Phosphate salts such as titania phosphate (TiPO 4 ), ceria phosphate (CePO 4 ), calcium hydrogen phosphate (CaHPO 4 ) all have a hydrogen peroxide decomposition action. In addition, since these phosphates all have a phosphonic acid group in the structure, they exhibit proton conductivity. However, the hydrogen peroxide decomposition ability of phosphate greatly varies depending on the phosphate composition.
Further, for example, ceria phosphate has a relatively high hydrogen peroxide decomposition ability, but is relatively easily decomposed in the presence of water containing hydrogen peroxide. Therefore, if ceria phosphate is continuously used in an environment containing water for a long time, P is eluted and it is difficult to maintain a high peroxide decomposition action for a long time. Moreover, the elution of P means the disappearance of the phosphonic acid group contributing to proton conduction, leading to a decrease in proton conductivity.

これに対し、リン酸チタニアのTiの一部をCaで置換すると、リン酸チタニアのみの場合に比べて、過酸化水素分解能力が向上する。このような効果が得られる理由の詳細は不明であるが、おそらく、
(1) Ti系リン酸塩とCa系リン酸塩とを複合化させることによって、両相が持つ過酸化水素分解作用が、相互作用によって高められたこと、及び、
(2) Caをドープすることによって高比表面積化しやすくなり、過酸化水素分解反応の反応場が著しく増大したこと、
によると考えられる。
さらに、リン酸チタニアのTiの一部をCaで置換すると、高い過酸化水素分解作用及びプロトン伝導性を長期間に渡って維持することができる。これは、
(1)Ca−Ti−P−O化合物自体の溶解性が低いため、あるいは、
(2)Caドープによってチタニア骨格とPとの結合がより安定になるために、
水の存在下で長期間使用した場合であっても、Pの溶出が抑制されるためと考えられる。
On the other hand, when a part of Ti of the titania phosphate is replaced with Ca, the hydrogen peroxide decomposition ability is improved as compared with the case of titania phosphate alone. Details of why this effect is available are unknown, but probably
(1) By combining Ti phosphate and Ca phosphate, the hydrogen peroxide decomposition action of both phases was enhanced by the interaction, and
(2) By doping Ca, it becomes easy to increase the specific surface area, and the reaction field of the hydrogen peroxide decomposition reaction is remarkably increased.
It is thought that.
Furthermore, when a part of Ti of titania phosphate is replaced with Ca, high hydrogen peroxide decomposition action and proton conductivity can be maintained over a long period of time. this is,
(1) Because the solubility of the Ca—Ti—PO compound itself is low, or
(2) Since the bond between the titania skeleton and P becomes more stable due to Ca doping,
This is probably because the elution of P is suppressed even when used for a long time in the presence of water.

そのため、例えば、粉末状のCaドープリン酸チタニアを固体高分子型燃料電池の電解質膜あるいは触媒層に添加すれば、電解質膜のプロトン伝導度を低下させることなく、電解質膜の過酸化物ラジカルによる劣化を長期にわたって抑制することができる。
また、例えば、Caドープリン酸チタニアを主成分とする電解質を燃料電池の電解質膜や触媒層内電解質に適用すれば、100℃を超える高温においても作動させることが可能な燃料電池が得られる。
Therefore, for example, if powdered Ca-doped titania is added to the electrolyte membrane or catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane is deteriorated by peroxide radicals without reducing the proton conductivity of the electrolyte membrane. Can be suppressed over a long period of time.
For example, when an electrolyte mainly composed of Ca-doped titania is applied to an electrolyte membrane or an electrolyte in a catalyst layer of a fuel cell, a fuel cell that can be operated at a high temperature exceeding 100 ° C. can be obtained.

(実施例1)
所定量の四塩化チタン及び硝酸カルシウムを水に溶解させ、数分〜数10分以上攪拌した。これに、所定量のオルトリン酸を含む水溶液を添加し、Caドープリン酸チタニア(Ca−Ti−P−O系酸化物)からなる沈殿物を得た。得られた沈殿物をイオン交換水で繰り返し水洗し、大気中、200〜400℃で熱処理した。
Example 1
A predetermined amount of titanium tetrachloride and calcium nitrate were dissolved in water and stirred for several minutes to several tens of minutes or more. An aqueous solution containing a predetermined amount of orthophosphoric acid was added thereto to obtain a precipitate composed of Ca-doped titania phosphate (Ca—Ti—PO system oxide). The obtained precipitate was repeatedly washed with ion-exchanged water and heat-treated at 200 to 400 ° C. in the atmosphere.

(比較例1、2)
出発原料として四塩化チタン及びオルトリン酸のみを用いた以外は、実施例1と同一の手順に従い、リン酸チタニア(TiPO)を合成した(比較例1)。
また、出発原料として硝酸セリウム及びオルトリン酸のみを用いた以外は、実施例1と同一の手順に従い、リン酸セリア(CePO)を合成した(比較例2)。
(Comparative Examples 1 and 2)
Titania phosphate (TiPO 4 ) was synthesized according to the same procedure as in Example 1 except that only titanium tetrachloride and orthophosphoric acid were used as starting materials (Comparative Example 1).
Further, ceria phosphate (CePO 4 ) was synthesized according to the same procedure as in Example 1 except that only cerium nitrate and orthophosphoric acid were used as starting materials (Comparative Example 2).

図1に、合成された試料の比表面積を示す。図1より、リン酸チタニアにCaをドープした試料(Ca/P比=0.91、1.38)の比表面積は、リン酸チタニア及びリン酸セリアに比べて著しく増大していることがわかる。   FIG. 1 shows the specific surface area of the synthesized sample. As can be seen from FIG. 1, the specific surface area of the sample doped with Ca in titania phosphate (Ca / P ratio = 0.91, 1.38) is significantly increased compared to titania phosphate and ceria phosphate. .

次に、実施例1及び比較例1、2で得られた試料について、H分解性評価を行った。すなわち、1wt%H溶液30ml中に合成された試料0.1gを加え、超音波混合を1分間実施した。次いで、これをポリテトラフルオロエチレン容器に入れ、100℃×1hrで熱処理した。熱処理後、水冷してH残量を測定した。
図2に、各試料のH分解率を示す。図2より、
(1) リン酸チタニアにCaをドープする場合において、Ca/P比を最適化すると、H分解率が著しく向上すること、
(2) Ca/P比を0.7〜2.1とすると、過酸化水素分解率は、TiPOと同等以上となること、
(3) Ca/P比を0.8〜1.8とすると、過酸化水素分解率は、CePOと同等以上となること、及び、
(4) Ca/P比を0.9〜1.5とすると、過酸化水素分解率は、ほぼ80%以上になること、がわかる。
Next, the samples obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated for H 2 O 2 decomposability. That is, 0.1 g of the synthesized sample was added to 30 ml of 1 wt% H 2 O 2 solution, and ultrasonic mixing was performed for 1 minute. Subsequently, this was put into a polytetrafluoroethylene container and heat-treated at 100 ° C. × 1 hr. After the heat treatment, it was cooled with water and the remaining amount of H 2 O 2 was measured.
FIG. 2 shows the H 2 O 2 decomposition rate of each sample. From FIG.
(1) In the case where Ca is doped into titania phosphate, when the Ca / P ratio is optimized, the decomposition rate of H 2 O 2 is significantly improved.
(2) When the Ca / P ratio is 0.7 to 2.1, the decomposition rate of hydrogen peroxide is equal to or higher than that of TiPO 4 .
(3) When the Ca / P ratio is 0.8 to 1.8, the hydrogen peroxide decomposition rate is equal to or higher than that of CePO 4 , and
(4) It is understood that when the Ca / P ratio is 0.9 to 1.5, the hydrogen peroxide decomposition rate is approximately 80% or more.

図3に、Caドープリン酸チタニアのTi/Ca比と過酸化水素分解率との関係を示す。図3より、
(1) Ti/Ca比を0.05以上とすると、過酸化水素分解率は、TiPOと同等以上になること、
(2) Ti/Ca比を0.11〜0.64とすると、過酸化水素分解率は、CePOと同等以上になること、
(3) Ti/Ca比を0.13〜0.50とすると、過酸化水素分解率は、ほぼ70%以上になること、及び、
(4) Ti/Ca比を0.15〜0.35とすると、過酸化水素分解率は、ほぼ80%以上になること、がわかる。
FIG. 3 shows the relationship between the Ti / Ca ratio of Ca-doped titania phosphate and the hydrogen peroxide decomposition rate. From FIG.
(1) When the Ti / Ca ratio is 0.05 or higher, the hydrogen peroxide decomposition rate is equal to or higher than that of TiPO 4 .
(2) When the Ti / Ca ratio is 0.11 to 0.64, the decomposition rate of hydrogen peroxide is equal to or higher than that of CePO 4 .
(3) When the Ti / Ca ratio is 0.13 to 0.50, the hydrogen peroxide decomposition rate is approximately 70% or more, and
(4) It can be seen that when the Ti / Ca ratio is 0.15 to 0.35, the hydrogen peroxide decomposition rate is approximately 80% or more.

さらに、実施例1及び比較例1、2で得られた試料について、化学的安定性評価を行った。すなわち、試料0.2gを98℃に加熱した3wt%H溶液20mlに1〜7時間浸漬した。次いで、0.1μmのフィルタで溶液を濾過し、ろ液中のP溶出量をICP発光分析法を用いて測定した。さらに、測定されたP溶出量から重量減少を算出した。
リン酸チタニアの場合、1時間の浸漬試験後の重量減少(P溶出量に相当する)は、5mass%以上であった。一方、リン酸セリアの場合、1時間の浸漬試験後の重量減少は32mass%であり、リン酸チタニアより大きな重量変化が認められた。これに対し、Caドープリン酸チタニアの場合、1時間の浸漬試験後の重量減少は、1〜4mass%であった。
図4に、Ca/P比が2.2であるCaドープリン酸チタニアとリン酸セリウムの3wt%過酸化水素水溶液(98℃)への浸漬時間とP溶出量との関係を示す。図4より、リン酸セリウムは、浸漬試験初期から多量のPが溶出しているのに対し、Caドープリン酸チタニアは、Pの溶出が抑制されていることがわかる。これは、リン酸チタニアにCaをドープすることによって、チタニア骨格とPとの結合がより安定化したためと考えられる。
Furthermore, chemical stability evaluation was performed on the samples obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. That is, 0.2 g of a sample was immersed in 20 ml of a 3 wt% H 2 O 2 solution heated to 98 ° C. for 1 to 7 hours. Next, the solution was filtered with a 0.1 μm filter, and the amount of P elution in the filtrate was measured using ICP emission spectrometry. Furthermore, weight loss was calculated from the measured amount of elution of P.
In the case of titania phosphate, the weight loss (corresponding to the P elution amount) after a 1 hour immersion test was 5 mass% or more. On the other hand, in the case of ceria phosphate, the weight loss after the immersion test for 1 hour was 32 mass%, and a larger weight change was observed than that of titania phosphate. On the other hand, in the case of Ca-doped titania phosphate, the weight loss after a 1-hour immersion test was 1 to 4 mass%.
FIG. 4 shows the relationship between the immersion time and the P elution amount in a 3 wt% aqueous hydrogen peroxide solution (98 ° C.) of Ca-doped titania and cerium phosphate having a Ca / P ratio of 2.2. From FIG. 4, it can be seen that a large amount of P was eluted from the initial stage of the immersion test for cerium phosphate, whereas the dissolution of P was suppressed for Ca-doped titania. This is thought to be because the bonding between the titania skeleton and P was further stabilized by doping Ca into titania phosphate.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る電解質は、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、触媒層等を構成する材料として用いることができる。   The electrolyte according to the present invention includes electrolyte membranes and catalysts used in various electrochemical devices such as fuel cells, water electrolysis devices, hydrohalic acid electrolysis devices, salt electrolysis devices, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, and gas sensors. It can be used as a material constituting a layer or the like.

合成されたCaドープリン酸チタニア(実施例1)、リン酸チタニア(比較例1)、及び、リン酸セリウム(比較例2)の比表面積を示す図である。It is a figure which shows the specific surface area of the synthetic | combination Ca dope titania (Example 1), phosphate titania (comparative example 1), and cerium phosphate (comparative example 2). 合成されたCaドープリン酸チタニア(実施例1)、リン酸チタニア(比較例1)、及び、リン酸セリウム(比較例2)のH分解率を示す図である。Synthesized Ca the doped acid titania (Example 1), titania phosphate (Comparative Example 1), and a diagram showing the H 2 O 2 decomposition ratio of cerium phosphate (Comparative Example 2). Caドープリン酸チタニアのTi/Ca比とH分解率との関係を示す図である。Is a diagram showing the relationship between the Ti / Ca ratio of Ca the doped acid titania and H 2 O 2 decomposition rate. Ca/P比が2.2であるCaドープリン酸チタニアとリン酸セリウムの3wt%過酸化水素水溶液(98℃)への浸漬時間とP溶出量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the immersion time in 3 wt% hydrogen peroxide aqueous solution (98 degreeC) of Ca dope titania and Ca cerium phosphate whose Ca / P ratio is 2.2, and P elution amount.

Claims (8)

Caがドープされたリン酸チタニアを含む電解質。   An electrolyte containing Ca-doped titania phosphate. 前記リン酸チタニアの骨格中にホスホン酸基を持つ請求項1に記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1, wherein the phosphonic acid group has a phosphonic acid group in the skeleton of the titania phosphate. 前記リン酸チタニア中のCa/P比(mass%)が0.4以上3.0以下である請求項1又は2に記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1 or 2, wherein a Ca / P ratio (mass%) in the titania phosphate is 0.4 or more and 3.0 or less. 前記リン酸チタニア中のTi/Ca比(mass%)が0.05以上である請求項1から3までのいずれかに記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein a Ti / Ca ratio (mass%) in the titania phosphate is 0.05 or more. 前記リン酸チタニアの比表面積が30m/g以上である請求項1から4までのいずれかに記載の電解質。 5. The electrolyte according to claim 1, wherein the titania phosphate has a specific surface area of 30 m 2 / g or more. 前記リン酸チタニアは、非晶質である請求項1から5までのいずれかに記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the titania phosphate is amorphous. 前記リン酸チタニアは、結晶質である請求項1から5までのいずれかに記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the titania phosphate is crystalline. 樹脂、ゲル、及び/又は、高分子電解質をさらに含む請求項1から7までのいずれかに記載の電解質。
The electrolyte according to any one of claims 1 to 7, further comprising a resin, a gel, and / or a polymer electrolyte.
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