JP4610820B2 - Inorganic electrolyte membrane and inorganic electrolyte membrane fuel cell - Google Patents

Inorganic electrolyte membrane and inorganic electrolyte membrane fuel cell Download PDF

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Description

【0001】
【発明の技術分野】
本発明は、無機電解質膜および該無機電解質膜を用いた燃料電池に関する。
さらに詳しくは、高温安定性に優れ、長期運転あるいは高温運転においても高い電圧を維持できる安定性に優れた燃料電池用無機電解質膜に関する。
【0002】
【発明の技術的背景】
近年、クリーンな水素をエネルギー源とする高効率、無公害でCO2等温暖化ガスを発生しない発電システムとして燃料電池が注目されている。このような燃料電池は、家庭や事業所など固定設備、自動車などの移動設備などでの使用を目的に本格的な開発研究が行われている。
【0003】
燃料電池は使用する電解質膜によって分類され、アルカリ電解質膜型、固体高分子電解質膜型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質膜型に分けられる。このとき固体高分子電解質膜型およびリン酸型は電荷移動体がプロトンであり、プロトン型燃料電池ともいわれる。
この燃料電池に用いる燃料としては、天然ガス、LPガス、都市ガス、アルコール、ガソリン、灯油、軽油などの炭化水素系燃料が挙げられる。
【0004】
このような炭化水素系燃料を、まず水蒸気改質、部分酸化などの反応により水素ガス、COガスに変換し、COガスを除去して水素ガスを得る。この水素は、アノードに供給され、アノードの金属触媒によってプロトン(水素イオン)と電子に解離し、電子は回路を通じて仕事をしながらカソードに流れ、プロトン(水素イオン)は電解質膜を拡散してカソードに流れ、カソードにてこの電子、水素イオンとカソードに供給される酸素とから水となって電解質膜に拡散する。すなわち、酸素と燃料ガスに由来する水素とを供給して水を生成する過程で電流を取り出すメカニズムになっている。
【0005】
このような燃料電池に用いられる電解質膜としてはスルホン酸基を有するポリスチレン系の陽イオン交換膜、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合膜、フルオロカーボンマトリックスにトリフルオロエチレンをグラフト化した膜、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等が用いられている。
しかしながら、このような有機樹脂膜からなる電解質膜中のプロトンの移動、すなわち膜のイオン電導度は、膜中の含水率に依存し、長期運転した場合、あるいは約80℃以上の高温運転すると、膜内の含水率が低下し、その結果、イオン電導度が低下し、発生電圧の低下をきたすなどの問題があった。
【0006】
このため、特開平6−103983号公報には、高分子膜にリン酸基を持つ化合物を含有させることで、高分子膜に良好な保水性能を発揮させ、これにより、80℃あるいはそれ以上の運転温度において好適に使用可能な固体高分子電解質膜型燃料電池も提案されている。
また、特開2001−143723号公報には、80℃あるいはそれ以上の運転温度において好適に使用可能な燃料電池用電解質膜として、五酸化リンを含む非晶質シリカ成形体からなるものが開示されている。
【0007】
しかしながら、これらの提案された固体高分子電解質膜を100℃以上の高温で長期にわたり使用すると、高温のため膜の含水率が低下したり、樹脂成分を用いた電解質膜では樹脂成分の劣化によりプロトン導電性が低下し、このため電圧が降下し、電池の性能が低下する問題があった。
そこで、本発明者らは、このような高温条件での長期間使用による電池性能の向上させる手段について鋭意検討した結果、酸化アンチモン粒子はプロトン導電性が高く、しかも高温で高い保水性を有しており、この酸化アンチモン粒子と無機マトリックス成分とから固体電解質膜を構成することで、長期間高温下で使用しても高い電池性能を有する燃料電池が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0008】
【発明の目的】
本発明は、長期間高温下で使用しても高い電池性能を有する燃料電池が得られることが可能な無機電解質膜を提供することを目的としている。
【0009】
【発明の概要】
本発明に係る無機電解質膜は、無機プロトン導電性酸化物粒子と無機マトリックス成分とからなる。
前記無機プロトン導電性酸化物粒子が、下記式(1)で表される水和酸化アンチモン粒子とからなり、該粒子の平均粒子径が5〜50nmの範囲にあり、水和酸化アンチモン粒子の含有量が酸化物(Sb25)換算で5〜80重量%の範囲にあることが好ましい。
【0010】
Sb25・nH2O (1)
n=0.1〜5
前記無機マトリックス成分は、ZrO2、SiO2、TiO2、Al23から選ばれる1種以上の無機酸化物からなることが好ましい。
本発明に係る燃料電池は、前記無機電解質膜を用いてなる。
【0011】
【発明の具体的説明】
以下、本発明に係る無機電解質膜および無機電解質膜型燃料電池について説明する。
無機電解質膜
本発明に係る無機電解質膜は、無機マトリックス成分と無機プロトン導電性酸化物粒子とからなる。
【0012】
[無機プロトン導電性酸化物粒子]
本発明に用いる無機プロトン導電性酸化物粒子としては、酸化アンチモン粒子、タングステン酸、錫酸、モリブデン酸などのヘテロポリ酸、希土類イオンを導入した結晶性アルミノシリケート、多孔性結晶性リン酸アルミニウム等があげられる。
【0013】
このような無機プロトン導電性酸化物粒子は、保水性能が高いことが必要であり、下記式(1)で表される水和酸化アンチモン粒子であることが好ましい。
本発明に用いる水和酸化アンチモン粒子は、酸化アンチモンの水和物であり、下記式で表される。(結晶水ではない、単なる付着水を除く)
Sb25・nH2O (1)
n=0.1〜5
酸化アンチモン粒子は、プロトン導電性を有しており、無機電解質膜の導電性を高めるために配合される。
【0014】
このような水和酸化アンチモン粒子の平均粒子径は、5〜50nm、さらには5〜25nmの範囲にあることが好ましい。平均粒子径が5nm未満の場合は、粉体抵抗(体積抵抗値)が1010Ω・cmを越えることがあり、このため陽イオンの伝導性が低く、このため充分な出力電圧が得られないことがある。平均粒子径が上限範囲を越えると、無機電解質膜の製造方法にもよるが、電解質膜中に水和酸化アンチモン粒子を充分に導入することができない場合があり、導入できたとしても無機電解質膜の強度が不充分となることがある。
【0015】
水和酸化アンチモン粒子の水分含有量としては、100℃で1時間乾燥したときの水分含有量が、概ね0.5〜22重量%、さらには2〜22重量%の範囲にあることが好ましい。
さらに、好ましくは、200℃で乾燥した後の水分含有量が0.25〜10重量%、さらには0.5〜10重量%の範囲にあることが望ましい。
【0016】
水和酸化アンチモン粒子の200℃で乾燥した後の水分含有量が0.25重量%未満の場合は、無機プロトン導電性粒子として水和酸化アンチモン粒子を用いた効果が得られず、高温運転、長期運転した場合に電圧が降下し、電池の性能が低下する傾向にある。
200℃で乾燥した後の水分含有量が10重量%を越えたものは得ることが困難である。
【0017】
また、本発明に用いる水和酸化アンチモン粒子は無機電解質膜の調製に用いる際に前記水分含有量範囲にある必要はなく、無機電解質膜を調製した後、加湿処理等によって前記水分範囲として用いることもできる。
本発明で使用される水和酸化アンチモン粒子は、粉体抵抗(体積抵抗値)が1010Ω・cm未満、さらには107Ω・cm未満であることが好ましい。
【0018】
導電性酸化物粒子の体積抵抗値が1010Ω・cmを越えると、無機電解質膜中の含有量にもよるが、電気抵抗を低く維持する効果が不充分となり充分な出力電圧が得られないことがある。
[無機マトリックス成分]
無機マトリックス成分は、高温で分解するものでZrO2、SiO2、TiO2、Al23から選ばれる1種または2種以上の無機酸化物からなることが好ましい。
【0019】
これらの無機マトリックス成分を用いると多孔質で膜の強度、保水性等に優れるとともに熱安定性、耐久性に優れた無機電解質膜が得られる。
このような無機マトリックス成分としては、Zr、Si、Ti、Alの金属塩および/または有機金属化合物の加水分解・重縮合物が好適である。
金属塩としては、塩化物、硫酸塩、硝酸塩などが挙げられる。
【0020】
有機金属化合物としては、ケイ酸液、アルコキシシラン、ジルコニウムテトラブトキシド、シリコンテトラプロポキシド、チタニウムテトラプロポキシドなどおよびこれらの加水分解物などが挙げられる。
さらに無機マトリックス成分は、さらにZrO2 ゾル、SiO2 ゾル、TiO2 ゾル、Al23ゾル、SiO2・Al23 複合ゾル等、従来公知のゾルから形成されたものであってもよい。
【0021】
これら無機マトリックス成分のうち、本発明では、シリカからなるものが好ましくは、特に、アルカリ金属ケイ酸塩水溶液を脱アルカリして得られるケイ酸液または下記式[1]で表されるアルコキシシランなどの有機ケイ素化合物から形成されたものが好ましい。
aSi(OR')4-a [1]
(式中、Rはビニル基、アリール基、アクリル基、炭素数1〜8のアルキル基、水素原子またはハロゲン原子であり、R'はビニル基、アリール基、アクリル基、炭系数1〜8のアルキル基、−C24OCn2n+1(n=1〜4)または水素原子であり、aは0〜3の整数である。)
このようなアルコキシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラオクチルシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシランなどが挙げられる。
【0022】
[無機電解質膜]
本発明に係る無機電解質膜は、前記無機マトリックス成分と無機プロトン導電性酸化物粒子と構成される。
無機電解質膜中の無機プロトン導電性酸化物粒子の含有量が酸化物として5〜80重量%、さらには30〜75重量%の範囲にあることが好ましい。
【0023】
無機プロトン導電性酸化物粒子の含有量が前記下限未満の場合は、得られる膜の導電性が不充分となり、出力電圧が低くなり、高い保水性と導電性を有する無機プロトン導電性酸化物粒子を用いた効果が充分得られないことがあり、無機プロトン導電性酸化物粒子の含有量が前記上限を越えるとマトリックス成分が少なく得られる電解質膜の強度が不充分となることがある。
【0024】
さらに、本発明に用いる無機電解質膜には必要に応じて保水性能を有する成分を配合して用いることができる。保水性能を有する成分としては、シリカ・アルミナ、ゼオライト(結晶性アルミノシリケート)、粘土鉱物、チタンナノチューブなどの多孔性無機酸化物等の他これらにあるいは他の高比表面積を有する多孔性無機化合物にスルホン基、リン酸基、カルボキシル基などで修飾した無機化合物の微粒子等を好適に用いることができる。
【0025】
このような保水性能を有する成分の配合量は無機電解質膜中に概ね30重量%以下の範囲にあることが好ましい。
また、本発明に係る無機電解質膜は、膜厚が0.01〜10mm、さらには0.05〜5mmの範囲にあることが好ましい。
無機電解質膜の膜厚が0.01mm 未満の場合は、充分な膜の強度が得られず、加工の際にクラックが入ったり、ピンホールが生じることがある。
【0026】
無機電解質膜の膜厚が10mmを越えると、プロトン導電性が低下するとともに、塗布液法で膜を形成する場合には充分な膜の強度が得られないことがある。
このように、無機電解質膜が、無機マトリックス成分と、高温保水性能および導電性に優れた無機プロトン導電性酸化物粒子とから構成されているので、有機樹脂からなる高分子膜では困難であった100℃以上の高温運転する場合であっても安定的に高い出力電圧を維持できる。
【0027】
本発明に係る無機電解質膜は、通常、多孔質であり、気孔率が5%以上、好ましくは10%以上のものが好適である。
[無機電解質膜の製造方法]
このような無機電解質膜は、バインダーとして作用する無機マトリックス成分の前駆体と無機プロトン導電性酸化物粒子と必要に応じて用いる保水性能を有する成分微粒子が分散媒に分散した無機電解質膜形成用塗料を用いて形成することができる。
【0028】
無機プロトン導電性酸化物粒子と必要に応じて用いる保水性能を有する成分微粒子としては前記したと同様のものを用いる。
無機マトリックス成分の前駆体としては、前記したZr、Si、Ti、Alの金属塩および有機金属化合物が挙げられ、これらは加水分解されていてもよく、また部分加水分解されていてもよい。さらに、前記したように、ZrO2 ゾル、SiO2 ゾル、TiO2 ゾル、Al23ゾル、SiO2・Al23複合ゾル等を用いることもでき、さらにまた前記加水分解物とゾルを混合して用いることもできる。
【0029】
このような無機マトリックス成分の前駆体としては、シリカ前駆体からなるものが好ましく、具体的には、アルカリ金属ケイ酸塩水溶液を脱アルカリして得られるケイ酸液または前記式[1]で表されるアルコキシシランなどの有機ケイ素化合物の部分加水分解物、加水分解物などが好適である。
このようなアルコキシランとしては、前記したものが例示される。
【0030】
上記のアルコキシシランの1種以上を、たとえば水−アルコール混合溶媒中で酸触媒の存在下、加水分解すると、アルコキシシランの加水分解重縮合物を含むマトリックス成分の前駆体の分散液が得られる。このよう分散液中に含まれるマトリックス成分の前駆体の濃度は、酸化物換算で1〜15重量%、好ましくは2〜10重量%であることが好ましい。
【0031】
このような無機マトリックス成分の前駆体の分散液と、無機プロトン導電性酸化物粒子と、必要に応じて用いる保水性能を有する成分微粒子を分散媒に混合、分散させて無機電解質膜形成用塗料を調製する。このときの各成分の配合量は、得られる無機電解質膜中の各成分の量が各々前記した範囲となるように混合する。
【0032】
このとき、無機電解質膜形成用塗料中の無機マトリックス成分の前駆体と無機プロトン導電性酸化物粒子と必要に応じて用いる保水性能を有する成分微粒子の合計濃度は、酸化物として2〜50重量%、さらには5〜30重量%の範囲にあることが好ましい。
無機電解質膜形成用塗料の濃度が2重量%未満の場合は塗布法にもよるが、1回の塗布で所望の膜厚の無機電解質膜が得られないことがあり、無機電解質膜形成用塗料の濃度が50重量%を越えると塗料の粘度が高くなり塗料化が困難であり、得られたとしても塗布法が制限されたり、得られる無機電解質膜の強度が不充分となることがある。
【0033】
上記において、分散媒としては通常水が好ましく、有機溶媒を併用することもできる。有機溶媒としてはメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジアセトンアルコール、フルフリルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール、エチレングリコール、ヘキシレングリコールなどのアルコール類;酢酸メチルエステル、酢酸エチルエステルなどのエステル類;ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルなどのエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、アセチルアセトン、アセト酢酸エステルなどのケトン類などが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、また2種以上混合して使用してもよい。
【0034】
また本発明で使用される塗料は、脱イオン処理を行ったり、必要に応じて濃縮したり、ゾルを配合して用いることもできる。
上記した無機電解質膜形成用塗料を用いて無機電解質膜を形成するが、形成方法としては、発電性能および膜の強度等を有していれば特に制限はないが、例えば剥離性の良い型枠、例えばテフロン(R)製の型枠に塗料を充満した後、乾燥、加熱処理等を施す方法が挙げられる。
【0035】
また、燃料電池の電極上に前記無機電解質膜形成用塗料をスプレー法、ロールコーター法、フレキソ印刷法などの方法で、基板上に塗布した後、乾燥、加熱処理等を施すことによっても無機電解質膜を形成できる。この方法によれば、電極と無機電解質膜とを一体化して製造できる。
また、無機マトリックス成分の前駆体の分散液をあらかじめ塗布して、無機マトリックス成分からなる薄膜を形成したのち、無機プロトン導電性酸化物粒子と、必要に応じて用いる保水性能を有する成分微粒子を分散媒に混合、分散させた分散液を散布し、ついで乾燥することによって、本発明に係る無機電解質膜を形成することもできる。
【0036】
燃料電池
本発明に係る燃料電池は、上記した無機電解質膜を使用することを特徴としている。
具体的には、前記した無機電解質膜と、この両側に配置される一対のガス拡散電極(燃料極および酸化極)とから構成され、燃料極と酸化剤極とで無機電解質膜を挟持するとともに、両極の外側に燃料室および酸化剤室を形成する溝付きの集電体を配したものを単セルとし、このような単セルを、冷却板等を介して複数層積層することによって構成される。
【0037】
ガス拡散電極は、通常、触媒粒子を担持させた導電性材料をPTFEなどの疎水性樹脂結着剤で保持させた多孔質体シートからなる。また、導電性材料とPTFEなどの疎水性樹脂結着剤とからなる多孔質体シートの無機電解質膜接触面に触媒粒子層を設けたものであってもよい。
このようなガス拡散電極の一対で、無機電解質膜を挟持し、ホットプレスなどの公知の圧着手段により、圧着される。
【0038】
触媒としては、水素の酸化反応及び酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば良く、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属またはそれらの合金から選択することができる。
【0039】
電導性材料としては電子伝導性物質であれば良く、たとえば炭素材料として公知のファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラックの他、活性炭、黒鉛、また各種金属も使用可能である。
疎水性樹脂結着剤としては、たとえばフッ素を含む各種樹脂が挙げられ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、パーフルオロスルホン酸等などが挙げられる。
【0040】
疎水性樹脂結着剤として、プロトン伝導性ポリマーを用いてもよく、このポリマーは、ポリマー自体に結着剤としての機能も有しており、触媒層内で触媒粒子、電導性粒子との充分な安定性のあるマトリックスを形成させることが可能である。
また、無機電解質膜と接する反対の面に、前記疎水性樹脂結着剤からなるガス拡散層が設けられていてもよい。
【0041】
触媒の担持量は、触媒層シートを形成した状態で0.01〜5mg/cm2であり、より好ましくは0.1〜1mg/cm2であればよい。
電気伝導性多孔質材料は、比表面積として、100〜2000m2/gであることが、充分な透過性を得る上で好ましい。またガス拡散電極の平均細孔直径は、0.01〜1μmであることが好ましい。
【0042】
さらに、本発明では触媒層の少なくとも一方と無機電解質膜の接する界面に形成させるプロトン伝導性ポリマー層を形成してもよい。
本発明に係る燃料電池では、燃料室に水素を供給し、酸化剤室に空気(酸素)を供給し、下記電極反応により電気を発生させる。
燃料極(アノード): H2 → 2H+ + 2e-
酸素極(カソード): 2H+ + 1/2O2 + 2e- → 2H2
無機電解質膜中の酸化アンチモン粒子では、水素が酸化アンチモン骨格の酸素と結合しているか、水の状態で存在するか、プロトン(H+)あるいはヒドロニウムイオン(H3+)の状態で存在しているものと思料される。
【0043】
【発明の効果】
本発明によると、無機電解質膜が、無機マトリックス成分と、高温保水性能および導電性に優れた無機プロトン導電性酸化物粒子とから構成されているので、100℃以上の高温運転した場合にも高温安定性に優れ、高温で長期運転した場合にも高い出力電圧を安定に維持することができる無機電解質膜型燃料電池を提供することができる。
【0044】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0045】
【実施例1】
無機プロトン導電性酸化物粒子として五酸化アンチモン粒子(平均粒子径10nm、Sb25・2.5H2O)を用い、濃度がSb25として40重量%のエチルアルコール:水=50:50の混合溶媒分散液を調製した。これにマトリックス成分前駆体としてメチルトリメトキシシランを加水分解して得たセラメート503(触媒化成工業(株)製:SiO2濃度16重量%)をSb25:SiO2=50:50となるように混合し、50℃で1時間撹拌して合計酸化物濃度20.8重量%の無機電解質膜形成用塗料(A)を調製した。
【0046】
ついで、無機電解質膜形成用塗料(A)を10cm×10cmのテフロン(R)製型枠に充填し、1℃/分の速度で250℃まで昇温し、250℃で6時間加熱して無機電解質膜(A)を得た。型枠から取り出して得られた無機電解質膜(A)の膜厚は0.8mmであった。
ついで、白金含有量がPtとして40重量%の白金担持カーボン粒子にエチルアルコール:水=50:50の混合溶媒を加えてペースト状とし、これをテトラフルオロエチレンで撥水処理したカーボン紙(東レ(株)製)2枚に、各々白金担持カーボン粒子が0.5g/cm2の密度となるように塗布し、100℃で12時間乾燥してガス拡散電極(A)2枚を作成した。
【0047】
2枚のガス拡散電極(A)を正極および負極とし、この両極の間に無機電解質膜(A)を挟み、20Kg/cm2の加圧下、300℃で4分間ホットプレスし、ガス拡散電極(A)と 無機電解質膜(A)を張り合わせて単位セル(A)を作成した。
評価
単位セル(A)を80℃、相対湿度30%で2時間加湿処理した。ついで、常圧下、80℃、100℃、140℃、180℃の各温度において電流密度0.5A/cm2で50時間運転し、このときの各温度における出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0048】
また、高温耐久性の評価として140℃で500時間運転し、このときの出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0049】
【実施例2】
無機プロトン導電性酸化物粒子として五酸化アンチモン粒子(平均粒子径10nm、Sb25・2.5H2O)を用い、濃度がSb25として30重量%のエチルアルコール:水=50:50の混合溶媒分散液を調製した。これにマトリックス成分前駆体としてメチルトリメトキシシランを加水分解して得たセラメート503(触媒化成工業(株)製:SiO2濃度16重量%)と、ジルコニアゾル(第一希元素(株)製:平均粒子径5nm、ZrO2 25重量%)をSb25:SiO2:ZrO2=50:40:10となるように混合し、50℃で1時間撹拌して合計酸化物濃度21.9重量%の無機電解質膜形成用塗料(B)を調製した。
【0050】
ついで、無機電解質膜形成用塗料(B)を用いた以外は実施例1と同様にして単位セル(B)を作成した。
評価
単位セル(B)を用い、実施例1と同様にして出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0051】
【実施例3】
無機プロトン導電性酸化物粒子として五酸化アンチモン粒子(平均粒子径10nm、Sb25・2.5H2O)を用いSb25としての濃度が30重量%のエチルアルコール:水=50:50の混合溶媒分散液を調製した。これにマトリックス成分前駆体としてメチルトリメトキシシランを加水分解して得たセラメート503(触媒化成工業(株)製:SiO2濃度16重量%)と、シリカゾル(触媒化成工業(株)製:SI-350、平均粒子径7nm、SiO220重量%)をSb25:SiO2:SiO2 ゾル=70:20:10となるように混合し、50℃で1時間撹拌して合計酸化物濃度24.5重量%の無機電解質膜形成用塗料(C)を調製した。
【0052】
ついで、無機電解質膜形成用塗料(C)を用いた以外は実施例1と同様にして単位セル(C)を作成した。
評価
単位セル(C)を用い、実施例1と同様にして出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0053】
【実施例4】
無機プロトン導電性酸化物粒子として五酸化アンチモン粒子(平均粒子径40nm、Sb25・2.5H2O)を用いた以外は実施例1と同様にして単位セル(D)を作成した。
評価
単位セル(D)を用い、実施例1と同様にして出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0054】
【実施例5】
実施例1と同様にしてガス拡散電極(A)2枚を作成した。この一方のガス拡散電極(A)の白金担持カーボンを塗布した面上に、実施例1で調製した無機電解質膜形成用塗料(A)をロールコーター法にて塗布し、100℃で12時間乾燥し、ついで250℃で6時間加熱処理して、ガス拡散電極(A)上に無機電解質膜(E)を形成した。無機電解質膜(E)の膜厚は0.2nmであった。
【0055】
ついで、無機電解質膜(E)をもう一方のガス拡散電極(A)で挟み20Kg/cm2の加圧下、300℃で4分間ホットプレスし、ガス拡散電極(A)と 無機電解質膜(E)を接合した単位セル(E)を作成した。
評価
単位セル(E)を用い、実施例1と同様にして出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0056】
【実施例6】
無機プロトン導電性酸化物粒子として五酸化アンチモン粒子(平均粒子径10nm、Sb25 ・2.5H2O )を用いSb25としての濃度が30重量%のエチルアルコール:水=50:50の混合溶媒分散液を調製した。これにマトリックス成分前駆体としてメチルトリメトキシシランを加水分解して得たセラメート503(触媒化成工業(株)製:SiO2濃度16重量%)と、希土類イオン交換したゼオライト(触媒化成工業(株)製:REY、SiO2/Al23=8、平均粒子径0.8μm)の分散液(SiO2・Al23濃度30重量%)とをSb25:SiO2:(SiO2・Al23)=50:30:20となるように混合し、50℃で1時間撹拌して合計酸化物濃度23.7重量%の無機電解質膜形成用塗料(F)を調製した。
【0057】
ついで、無機電解質膜形成用塗料(F)を用いた以外は実施例1と同様にして単位セル(C)を作成した。
評価
単位セル(C)を用い、実施例1と同様にして出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0058】
【比較例1】
白金含有量がPtとして40重量%の白金担持カーボン粒子にエチルアルコール:水=50:50の混合溶媒を加えてペースト状とし、これをテトラフルオロエチレンで撥水処理したカーボン紙(東レ(株)製)2枚に、各々白金担持カーボン粒子は0.5g/cm2の密度となるように塗布し、100℃で12時間乾燥してガス拡散電極(A)2枚を作成した。
【0059】
2枚のガス拡散電極(A)を正極および負極とし、この両極の間に 無機電解質膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸膜(DuPont 社製:Nafion 膜N-117 膜厚183μm)を挟み、150Kg/cm2の加圧下、100℃で5分間ホットプレスし、ガス拡散電極(A)と 無機電解質膜を接合した単位セル(G)を作成した。
【0060】
評価
単位セル(G)を用い、実施例1と同様にして出力電圧を測定し、結果を表1に示す。
【0061】
【表1】

Figure 0004610820
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inorganic electrolyte membrane and a fuel cell using the inorganic electrolyte membrane.
More specifically, the present invention relates to an inorganic electrolyte membrane for a fuel cell that is excellent in high-temperature stability and excellent in stability capable of maintaining a high voltage even during long-term operation or high-temperature operation.
[0002]
TECHNICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
In recent years, high efficiency, pollution-free CO using clean hydrogen as an energy source2Fuel cells are attracting attention as power generation systems that do not generate isothermal gases. Such fuel cells have been fully developed and researched for use in fixed facilities such as homes and offices, and mobile facilities such as automobiles.
[0003]
Fuel cells are classified according to the electrolyte membrane used, and are divided into alkaline electrolyte membrane type, solid polymer electrolyte membrane type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte membrane type. At this time, in the solid polymer electrolyte membrane type and the phosphoric acid type, the charge transfer body is a proton, which is also called a proton type fuel cell.
Examples of the fuel used in the fuel cell include hydrocarbon fuels such as natural gas, LP gas, city gas, alcohol, gasoline, kerosene, and light oil.
[0004]
Such hydrocarbon fuel is first converted into hydrogen gas and CO gas by a reaction such as steam reforming and partial oxidation, and the CO gas is removed to obtain hydrogen gas. This hydrogen is supplied to the anode, dissociated into protons (hydrogen ions) and electrons by the metal catalyst of the anode, the electrons flow to the cathode while working through the circuit, and the protons (hydrogen ions) diffuse through the electrolyte membrane and become the cathode. In the cathode, the electrons, hydrogen ions, and oxygen supplied to the cathode are converted into water and diffused in the electrolyte membrane. That is, it is a mechanism for taking out an electric current in the process of supplying water with oxygen and hydrogen derived from fuel gas.
[0005]
As an electrolyte membrane used in such a fuel cell, a polystyrene-based cation exchange membrane having a sulfonic acid group, a mixed membrane of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride, a membrane obtained by grafting trifluoroethylene to a fluorocarbon matrix, A perfluorocarbon sulfonic acid membrane or the like is used.
However, the movement of protons in the electrolyte membrane made of such an organic resin membrane, that is, the ionic conductivity of the membrane depends on the moisture content in the membrane, and when operated for a long time or at a high temperature of about 80 ° C. or higher, The moisture content in the membrane decreases, resulting in a decrease in ionic conductivity,PressureThere was a problem such as causing a drop.
[0006]
For this reason, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-103983 discloses that a polymer film having a phosphoric acid group is included, thereby allowing the polymer film to exhibit good water retention performance. A solid polymer electrolyte membrane fuel cell that can be suitably used at the operating temperature has also been proposed.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-143723 discloses an electrolyte membrane for a fuel cell that can be suitably used at an operating temperature of 80 ° C. or higher, and is made of an amorphous silica molded body containing phosphorus pentoxide. ing.
[0007]
However, when these proposed solid polymer electrolyte membranes are used at a high temperature of 100 ° C. or higher for a long period of time, the moisture content of the membrane decreases due to the high temperature, or in the electrolyte membrane using a resin component, There is a problem in that the conductivity is lowered, the voltage is lowered, and the performance of the battery is lowered.
Therefore, as a result of intensive studies on means for improving battery performance by long-term use under such high temperature conditions, the present inventors have found that antimony oxide particles have high proton conductivity and high water retention at high temperatures. The present inventors have found that a fuel cell having high battery performance can be obtained even when used at a high temperature for a long period of time by constituting a solid electrolyte membrane from the antimony oxide particles and the inorganic matrix component, thereby completing the present invention. It came to.
[0008]
OBJECT OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide an inorganic electrolyte membrane capable of obtaining a fuel cell having high battery performance even when used under a high temperature for a long period of time.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION
The inorganic electrolyte membrane according to the present invention comprises inorganic proton conductive oxide particles and an inorganic matrix component.
The inorganic proton conductive oxide particles are composed of hydrated antimony oxide particles represented by the following formula (1), the average particle diameter of the particles is in the range of 5 to 50 nm, and the hydrated antimony oxide particles are contained. Amount of oxide (Sb2OFive) In the range of 5 to 80% by weight in terms of conversion.
[0010]
Sb2OFive・ NH2O (1)
n = 0.1-5
The inorganic matrix component is ZrO.2, SiO2, TiO2, Al2OThreeIt is preferable that it consists of 1 or more types of inorganic oxides chosen from these.
The fuel cell according to the present invention uses the inorganic electrolyte membrane.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the inorganic electrolyte membrane and the inorganic electrolyte membrane fuel cell according to the present invention will be described.
Inorganic electrolyte membrane
The inorganic electrolyte membrane according to the present invention comprises an inorganic matrix component and inorganic proton conductive oxide particles.
[0012]
[Inorganic proton conductive oxide particles]
Examples of inorganic proton conductive oxide particles used in the present invention include antimony oxide particles, heteropolyacids such as tungstic acid, stannic acid, and molybdic acid, crystalline aluminosilicates introduced with rare earth ions, porous crystalline aluminum phosphate, and the like. can give.
[0013]
Such inorganic proton conductive oxide particles are required to have high water retention performance, and are preferably hydrated antimony oxide particles represented by the following formula (1).
The hydrated antimony oxide particles used in the present invention are hydrates of antimony oxide and are represented by the following formula. (It is not crystal water, except for just adhering water)
Sb2OFive・ NH2O (1)
n = 0.1-5
Antimony oxide particles have proton conductivity, and are blended to increase the conductivity of the inorganic electrolyte membrane.
[0014]
The average particle diameter of such hydrated antimony oxide particles is preferably in the range of 5 to 50 nm, more preferably 5 to 25 nm. When the average particle diameter is less than 5 nm, the powder resistance (volume resistance value) is 10TenΩ · cm may be exceeded, and therefore the cation conductivity is low, so that a sufficient output voltage may not be obtained. If the average particle diameter exceeds the upper limit range, depending on the method for producing the inorganic electrolyte membrane, the hydrated antimony oxide particles may not be sufficiently introduced into the electrolyte membrane, and even if it can be introduced, the inorganic electrolyte membrane May be insufficient in strength.
[0015]
As the water content of the hydrated antimony oxide particles, the water content when dried at 100 ° C. for 1 hour is preferably in the range of about 0.5 to 22% by weight, more preferably 2 to 22% by weight.
Furthermore, it is preferable that the water content after drying at 200 ° C. is in the range of 0.25 to 10% by weight, more preferably 0.5 to 10% by weight.
[0016]
When the moisture content of the hydrated antimony oxide particles after drying at 200 ° C. is less than 0.25% by weight, the effect of using the hydrated antimony oxide particles as the inorganic proton conductive particles cannot be obtained. When the battery is operated for a long time, the voltage drops, and the battery performance tends to deteriorate.
It is difficult to obtain a product whose water content exceeds 10% by weight after drying at 200 ° C.
[0017]
In addition, the hydrated antimony oxide particles used in the present invention do not need to be in the moisture content range when used for the preparation of the inorganic electrolyte membrane. You can also.
The hydrated antimony oxide particles used in the present invention have a powder resistance (volume resistance value) of 10.TenLess than Ω · cm, or even 107It is preferably less than Ω · cm.
[0018]
The volume resistance value of the conductive oxide particles is 10TenIf it exceeds Ω · cm, although depending on the content in the inorganic electrolyte membrane, the effect of keeping the electric resistance low may be insufficient and a sufficient output voltage may not be obtained.
[Inorganic matrix component]
Inorganic matrix components decompose at high temperatures and are ZrO2, SiO2, TiO2, Al2OThreeIt is preferable that it consists of 1 type, or 2 or more types of inorganic oxides chosen from these.
[0019]
When these inorganic matrix components are used, an inorganic electrolyte membrane that is porous and excellent in film strength, water retention and the like, as well as excellent in thermal stability and durability can be obtained.
As such an inorganic matrix component, Zr, Si, Ti, Al metal salts and / or hydrolysis / polycondensates of organometallic compounds are suitable.
Examples of the metal salt include chloride, sulfate, nitrate and the like.
[0020]
Examples of the organometallic compound include silicic acid solution, alkoxysilane, zirconium tetrabutoxide, silicon tetrapropoxide, titanium tetrapropoxide, and hydrolysates thereof.
Furthermore, the inorganic matrix component is further ZrO.2 Sol, SiO2 Sol, TiO2 Sol, Al2OThreeSol, SiO2・ Al2OThree It may be formed from a conventionally known sol such as a composite sol.
[0021]
Among these inorganic matrix components, those composed of silica are preferred in the present invention, and in particular, a silicic acid solution obtained by dealkalizing an aqueous alkali metal silicate solution or an alkoxysilane represented by the following formula [1] Those formed from these organosilicon compounds are preferred.
RaSi (OR ')4-a            [1]
(In the formula, R is a vinyl group, an aryl group, an acrylic group, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a hydrogen atom or a halogen atom, and R ′ is a vinyl group, an aryl group, an acrylic group, or a carbon system having 1 to 8 carbon atoms. Alkyl group, -C2HFourOCnH2n + 1(N = 1 to 4) or a hydrogen atom, and a is an integer of 0 to 3. )
Such alkoxysilanes include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, tetraoctylsilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, Examples include vinyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, and dimethyldimethoxysilane.
[0022]
[Inorganic electrolyte membrane]
The inorganic electrolyte membrane according to the present invention includes the inorganic matrix component and inorganic proton conductive oxide particles.
The content of the inorganic proton conductive oxide particles in the inorganic electrolyte membrane is preferably in the range of 5 to 80% by weight, more preferably 30 to 75% by weight as the oxide.
[0023]
When the content of the inorganic proton conductive oxide particles is less than the lower limit, the resulting membrane has insufficient conductivity, the output voltage is lowered, and the inorganic proton conductive oxide particles have high water retention and conductivity. If the content of the inorganic proton conductive oxide particles exceeds the above upper limit, the strength of the electrolyte membrane from which a small amount of matrix components can be obtained may be insufficient.
[0024]
Furthermore, the inorganic electrolyte membrane used in the present invention can be used by blending a component having water retention performance as required. In addition to porous inorganic oxides such as silica / alumina, zeolite (crystalline aluminosilicate), clay minerals, titanium nanotubes, and other porous inorganic compounds having a high specific surface area, the component having water retention performance Fine particles of inorganic compounds modified with a sulfone group, a phosphate group, a carboxyl group, or the like can be suitably used.
[0025]
It is preferable that the amount of the component having such water retention performance is approximately in the range of 30% by weight or less in the inorganic electrolyte membrane.
The inorganic electrolyte membrane according to the present invention preferably has a thickness in the range of 0.01 to 10 mm, more preferably 0.05 to 5 mm.
When the thickness of the inorganic electrolyte membrane is less than 0.01 mm, sufficient membrane strength cannot be obtained, and cracks or pinholes may occur during processing.
[0026]
When the film thickness of the inorganic electrolyte film exceeds 10 mm, proton conductivity decreases, and sufficient film strength may not be obtained when the film is formed by a coating solution method.
As described above, since the inorganic electrolyte membrane is composed of the inorganic matrix component and the inorganic proton conductive oxide particles excellent in high-temperature water retention performance and conductivity, it is difficult to use a polymer membrane made of an organic resin. Even when operating at a high temperature of 100 ° C. or higher, a high output voltage can be stably maintained.
[0027]
The inorganic electrolyte membrane according to the present invention is usually porous and has a porosity of 5% or more, preferably 10% or more.
[Method for producing inorganic electrolyte membrane]
Such an inorganic electrolyte membrane is a coating for forming an inorganic electrolyte membrane in which a precursor of an inorganic matrix component that acts as a binder, inorganic proton conductive oxide particles, and component fine particles having water retention properties used as necessary are dispersed in a dispersion medium. Can be used.
[0028]
As the inorganic proton conductive oxide particles and the component fine particles having water retention performance used as necessary, the same fine particles as described above are used.
Examples of the precursor of the inorganic matrix component include the metal salts and organometallic compounds of Zr, Si, Ti, and Al described above, and these may be hydrolyzed or partially hydrolyzed. Further, as described above, ZrO2 Sol, SiO2 Sol, TiO2 Sol, Al2OThreeSol, SiO2・ Al2OThreeA composite sol or the like can also be used, and the hydrolyzate and sol can also be mixed and used.
[0029]
As the precursor of such an inorganic matrix component, a precursor made of a silica precursor is preferable, and specifically, a silicic acid solution obtained by dealkalizing an alkali metal silicate aqueous solution or represented by the formula [1]. Suitable are partial hydrolysates and hydrolysates of organosilicon compounds such as alkoxysilanes.
Examples of such alkoxylane include those described above.
[0030]
When one or more of the above alkoxysilanes are hydrolyzed in the presence of an acid catalyst, for example, in a water-alcohol mixed solvent, a dispersion of a precursor of a matrix component containing a hydrolysis polycondensate of alkoxysilane is obtained. The concentration of the precursor of the matrix component contained in the dispersion is 1 to 15% by weight, preferably 2 to 10% by weight in terms of oxide.
[0031]
A coating liquid for forming an inorganic electrolyte membrane is prepared by mixing and dispersing the dispersion liquid of the precursor of the inorganic matrix component, the inorganic proton conductive oxide particles, and the component fine particles having water retention performance, which are used as necessary, in a dispersion medium. Prepare. The amount of each component at this time is mixed so that the amount of each component in the obtained inorganic electrolyte membrane is in the above-described range.
[0032]
At this time, the total concentration of the inorganic matrix component precursor, the inorganic proton conductive oxide particles, and the component fine particles having water retention performance used as needed in the inorganic electrolyte membrane forming coating is 2 to 50% by weight as an oxide. Furthermore, it is preferable that it exists in the range of 5 to 30 weight%.
When the concentration of the coating for forming the inorganic electrolyte film is less than 2% by weight, although depending on the coating method, an inorganic electrolyte film having a desired film thickness may not be obtained by a single coating. If the concentration exceeds 50% by weight, the viscosity of the coating becomes high, making it difficult to form a coating. Even if it is obtained, the coating method may be limited, or the strength of the resulting inorganic electrolyte membrane may be insufficient.
[0033]
In the above, water is usually preferable as the dispersion medium, and an organic solvent can be used in combination. Organic solvents include methanol, ethanol, propanol, butanol, diacetone alcohol, furfuryl alcohol, tetrahydrofurfuryl alcohol, alcohols such as ethylene glycol and hexylene glycol; esters such as acetic acid methyl ester and acetic acid ethyl ester; diethyl ether And ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether and diethylene glycol monoethyl ether; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, acetylacetone and acetoacetate. These may be used singly or in combination of two or more.
[0034]
Moreover, the coating material used by this invention can also deionize, concentrate as needed, or can mix | blend and use a sol.
An inorganic electrolyte membrane is formed using the above-described coating material for forming an inorganic electrolyte membrane, but the forming method is not particularly limited as long as it has power generation performance, strength of the membrane, etc. For example, there is a method in which a Teflon (R) mold is filled with a paint, followed by drying, heat treatment and the like.
[0035]
Alternatively, the inorganic electrolyte membrane-forming coating material may be applied onto a substrate by a spray method, a roll coater method, a flexographic printing method, or the like on a fuel cell electrode, followed by drying, heat treatment, etc. A film can be formed. According to this method, the electrode and the inorganic electrolyte membrane can be integrally manufactured.
In addition, after applying a dispersion of a precursor of an inorganic matrix component in advance to form a thin film composed of the inorganic matrix component, the inorganic proton conductive oxide particles and the component fine particles having water retention performance used as needed are dispersed. The inorganic electrolyte membrane according to the present invention can also be formed by spraying a dispersion liquid mixed and dispersed in a medium and then drying.
[0036]
Fuel cell
The fuel cell according to the present invention is characterized by using the above-described inorganic electrolyte membrane.
Specifically, it is composed of the above-described inorganic electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (a fuel electrode and an oxidation electrode) disposed on both sides of the inorganic electrolyte membrane and sandwiching the inorganic electrolyte membrane between the fuel electrode and the oxidant electrode. A single cell is formed by arranging a current collector with a groove forming a fuel chamber and an oxidant chamber outside the two electrodes, and such a single cell is formed by laminating a plurality of layers via a cooling plate or the like. The
[0037]
The gas diffusion electrode is usually composed of a porous sheet in which a conductive material carrying catalyst particles is held by a hydrophobic resin binder such as PTFE. Further, a catalyst particle layer may be provided on the contact surface of the porous electrolyte sheet made of a conductive material and a hydrophobic resin binder such as PTFE.
A pair of such gas diffusion electrodes sandwich an inorganic electrolyte membrane and are crimped by a known crimping means such as hot press.
[0038]
Any catalyst may be used as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. Platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, It can be selected from metals such as vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof.
[0039]
The conductive material may be any electron conductive material. For example, carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black known as carbon materials, activated carbon, graphite, and various metals can be used.
Examples of the hydrophobic resin binder include various resins containing fluorine, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and perfluorosulfonic acid.
[0040]
As the hydrophobic resin binder, a proton conductive polymer may be used, and this polymer also has a function as a binder in the polymer itself, and it is sufficient for the catalyst particles and the conductive particles in the catalyst layer. It is possible to form a stable matrix.
A gas diffusion layer made of the hydrophobic resin binder may be provided on the opposite surface in contact with the inorganic electrolyte membrane.
[0041]
The amount of catalyst supported is 0.01 to 5 mg / cm with the catalyst layer sheet formed.2And more preferably 0.1-1 mg / cm2If it is.
The electrically conductive porous material has a specific surface area of 100 to 2000 m.2/ G is preferable for obtaining sufficient permeability. Moreover, it is preferable that the average pore diameter of a gas diffusion electrode is 0.01-1 micrometer.
[0042]
Furthermore, in the present invention, a proton conductive polymer layer may be formed at an interface where at least one of the catalyst layers is in contact with the inorganic electrolyte membrane.
In the fuel cell according to the present invention, hydrogen is supplied to the fuel chamber, air (oxygen) is supplied to the oxidant chamber, and electricity is generated by the following electrode reaction.
Fuel electrode (anode): H2  → 2H+ + 2e-
Oxygen electrode (cathode): 2H+ + 1 / 2O2 + 2e- → 2H2O
In the antimony oxide particles in the inorganic electrolyte membrane, hydrogen is bonded to oxygen of the antimony oxide skeleton, is present in the state of water, or protons (H+) Or hydronium ion (HThreeO+) Is considered to exist.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the inorganic electrolyte membrane is composed of the inorganic matrix component and the inorganic proton conductive oxide particles having excellent high-temperature water retention performance and conductivity, the high temperature even when operated at a high temperature of 100 ° C. or higher. An inorganic electrolyte membrane fuel cell that is excellent in stability and can stably maintain a high output voltage even when operated at a high temperature for a long period of time can be provided.
[0044]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these Examples.
[0045]
[Example 1]
Antimony pentoxide particles (average particle size 10 nm, Sb as inorganic proton conductive oxide particles)2OFive・ 2.5H2O) and the concentration is Sb2OFiveAs a mixed solvent dispersion of 40% by weight of ethyl alcohol: water = 50: 50 was prepared. Ceramate 503 obtained by hydrolyzing methyltrimethoxysilane as a matrix component precursor (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd .: SiO)216% by weight) Sb2OFive: SiO2= 50: 50, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 hour to prepare an inorganic electrolyte membrane-forming coating material (A) having a total oxide concentration of 20.8% by weight.
[0046]
Next, a 10 cm × 10 cm Teflon (R) mold is filled with the inorganic electrolyte film-forming coating material (A), heated to 250 ° C. at a rate of 1 ° C./min, heated at 250 ° C. for 6 hours, and inorganic. An electrolyte membrane (A) was obtained. The film thickness of the inorganic electrolyte membrane (A) obtained by taking it out of the mold was 0.8 mm.
Next, a platinum-supported carbon particle having a platinum content of 40% by weight was mixed with a mixed solvent of ethyl alcohol: water = 50: 50 to make a paste, which was carbon paper (Toray ( (Made by Co., Ltd.) The platinum-supported carbon particles are 0.5 g / cm on each of the two sheets.2Then, it was applied so as to have a density of 1, and dried at 100 ° C. for 12 hours to prepare two gas diffusion electrodes (A).
[0047]
Two gas diffusion electrodes (A) are used as a positive electrode and a negative electrode, and an inorganic electrolyte membrane (A) is sandwiched between the two electrodes.2The unit cell (A) was prepared by bonding the gas diffusion electrode (A) and the inorganic electrolyte membrane (A) to each other by hot pressing at 300 ° C. for 4 minutes.
Evaluation
The unit cell (A) was humidified at 80 ° C. and a relative humidity of 30% for 2 hours. Next, current density of 0.5 A / cm at each temperature of 80 ° C., 100 ° C., 140 ° C., and 180 ° C. under normal pressure2The output voltage at each temperature at this time was measured, and the results are shown in Table 1.
[0048]
Further, as an evaluation of the high temperature durability, it was operated at 140 ° C. for 500 hours, the output voltage at this time was measured, and the results are shown in Table 1.
[0049]
[Example 2]
Antimony pentoxide particles (average particle size 10 nm, Sb as inorganic proton conductive oxide particles)2OFive・ 2.5H2O) and the concentration is Sb2OFiveAs a mixed solvent dispersion of 30% by weight of ethyl alcohol: water = 50: 50 was prepared. Ceramate 503 obtained by hydrolyzing methyltrimethoxysilane as a matrix component precursor (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd .: SiO)216% by weight) and zirconia sol (manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd .: average particle diameter 5 nm, ZrO2 25% by weight) Sb2OFive: SiO2: ZrO2= 50: 40: 10 were mixed and stirred at 50 ° C. for 1 hour to prepare an inorganic electrolyte membrane-forming coating material (B) having a total oxide concentration of 21.9% by weight.
[0050]
Next, a unit cell (B) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the inorganic electrolyte film-forming paint (B) was used.
Evaluation
Using the unit cell (B), the output voltage was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
[0051]
[Example 3]
Antimony pentoxide particles (average particle size 10 nm, Sb as inorganic proton conductive oxide particles)2OFive・ 2.5H2O) and Sb2OFiveA mixed solvent dispersion of 30% by weight of ethyl alcohol: water = 50: 50 was prepared. Ceramate 503 obtained by hydrolyzing methyltrimethoxysilane as a matrix component precursor (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd .: SiO)216% by weight) and silica sol (manufactured by Catalyst Chemical Industry Co., Ltd .: SI-350, average particle size 7 nm, SiO220% by weight) Sb2OFive: SiO2: SiO2 Sol= 70: 20: 10 was mixed and stirred at 50 ° C. for 1 hour to prepare an inorganic electrolyte membrane-forming coating material (C) having a total oxide concentration of 24.5% by weight.
[0052]
Next, a unit cell (C) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the inorganic electrolyte film-forming paint (C) was used.
Evaluation
Using the unit cell (C), the output voltage was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
[0053]
[Example 4]
Antimony pentoxide particles (average particle diameter of 40 nm, Sb as inorganic proton conductive oxide particles)2OFive・ 2.5H2A unit cell (D) was prepared in the same manner as in Example 1 except that O) was used.
Evaluation
Using the unit cell (D), the output voltage was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
[0054]
[Example 5]
In the same manner as in Example 1, two gas diffusion electrodes (A) were prepared. On the surface of this one gas diffusion electrode (A) coated with platinum-supporting carbon,Example 1The inorganic electrolyte film-forming coating material (A) prepared in (1) was applied by a roll coater method, dried at 100 ° C. for 12 hours, and then heat-treated at 250 ° C. for 6 hours to form an inorganic electrolyte on the gas diffusion electrode (A). A membrane (E) was formed. The film thickness of the inorganic electrolyte membrane (E) was 0.2 nm.
[0055]
Next, the inorganic electrolyte membrane (E) is sandwiched between the other gas diffusion electrodes (A) and 20 kg / cm.2A unit cell (E) in which the gas diffusion electrode (A) and the inorganic electrolyte membrane (E) were joined was prepared by hot pressing at 300 ° C. for 4 minutes under the pressure of.
Evaluation
Using the unit cell (E), the output voltage was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
[0056]
[Example 6]
Antimony pentoxide particles (average particle size 10 nm, Sb as inorganic proton conductive oxide particles)2OFive ・ 2.5H2O)) and Sb2OFiveA mixed solvent dispersion of 30% by weight of ethyl alcohol: water = 50: 50 was prepared. Ceramate 503 obtained by hydrolyzing methyltrimethoxysilane as a matrix component precursor (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd .: SiO)216 wt.2/ Al2OThree= 8, average particle diameter 0.8 μm) dispersion (SiO2・ Al2OThree30% by weight) and Sb2OFive: SiO2: (SiO2・ Al2OThree) = 50: 30: 20, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 hour to prepare an inorganic electrolyte membrane-forming paint (F) having a total oxide concentration of 23.7% by weight.
[0057]
Subsequently, a unit cell (C) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the inorganic electrolyte film-forming paint (F) was used.
Evaluation
Using the unit cell (C), the output voltage was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
[0058]
[Comparative Example 1]
Carbon paper (Toray Industries, Inc.) made by adding a mixed solvent of ethyl alcohol: water = 50: 50 to platinum-supported carbon particles having a platinum content of 40% by weight as Pt to make a paste, and water-repellent treatment with tetrafluoroethylene (Made by) The platinum-supported carbon particles are 0.5g / cm on each of the two sheets2Then, it was applied so as to have a density of 1, and dried at 100 ° C. for 12 hours to prepare two gas diffusion electrodes (A).
[0059]
Two gas diffusion electrodes (A) are used as a positive electrode and a negative electrode, and a perfluorocarbon sulfonic acid film (manufactured by DuPont: Nafion film N-117 film thickness 183 μm) is sandwiched between the two electrodes as an inorganic electrolyte film, and 150 Kg / cm2A unit cell (G) in which the gas diffusion electrode (A) and the inorganic electrolyte membrane were joined was prepared by hot pressing at 100 ° C. for 5 minutes under the pressure of.
[0060]
Evaluation
Using the unit cell (G), the output voltage was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
[0061]
[Table 1]
Figure 0004610820

Claims (3)

無機プロトン導電性酸化物粒子と無機マトリックス成分とからなり、
無機プロトン導電性酸化物粒子が、
下記式(1)で表される水和酸化アンチモン粒子からなり、該粒子の平均粒子径が5〜50nmの範囲にあり、
前記無機マトリックス成分が、ZrO 2 、SiO 2 、TiO 2 、Al 2 3 から選ばれる1種以上の無機酸化物からなることを特徴とする無機電解質膜。
Sb25・nH2O (1)
n=0.1〜5
It consists of inorganic proton conductive oxide particles and inorganic matrix components,
Inorganic proton conductive oxide particles
Consists hydrated antimony oxide particles represented by the following formula (1), the average particle diameter of said particles Ri range near the 5 to 50 nm,
An inorganic electrolyte membrane , wherein the inorganic matrix component comprises one or more inorganic oxides selected from ZrO 2 , SiO 2 , TiO 2 , and Al 2 O 3 .
Sb 2 O 5 · nH 2 O (1)
n = 0.1-5
水和酸化アンチモン粒子の含有量が酸化物(Sb25)換算で5〜80重量%の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の無機電解質膜。The inorganic electrolyte membrane according to claim 1, wherein the content of the hydrated antimony oxide particles is in the range of 5 to 80% by weight in terms of oxide (Sb 2 O 5 ). 請求項1または2に記載の無機電解質膜を用いてなることを特徴とする無機電解質膜型燃料電池。  An inorganic electrolyte membrane fuel cell comprising the inorganic electrolyte membrane according to claim 1 or 2.
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