JP4925091B2 - PROTON CONDUCTIVE COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents

PROTON CONDUCTIVE COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME Download PDF

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Description

本発明は、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜及びその製造方法に係り、更に詳細には、より高い温度域での動作に対応しうる燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどに用いられるプロトン伝導性コンポジット型電解質膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive composite electrolyte membrane and a method for producing the same, and more specifically, a fuel cell, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen electrolysis capable of operating in a higher temperature range. The present invention relates to a proton conductive composite electrolyte membrane used for a concentrator, a humidity sensor, a gas sensor, and the like, and a method for manufacturing the same.

燃料電池は、発電効率が高く、環境負荷抑制に優れており、エネルギーを多大に消費している国々において現在の大きな課題となっている環境問題、エネルギー問題の解決に貢献が期待されている次世代型エネルギー供給デバイスである。
また、燃料電池は、電解質の種類により分類されるが、中でも固体高分子形燃料電池は、小型で且つ高出力を得ることができるため、小規模の定置型用、移動体用、携帯端末用のエネルギー供給源としての適用について研究・開発が進められている。
Fuel cells have high power generation efficiency and excellent environmental load control, and are expected to contribute to solving environmental and energy problems that are currently a major issue in countries that consume large amounts of energy. It is a generational energy supply device.
Fuel cells are classified according to the type of electrolyte. Among them, polymer electrolyte fuel cells are small and can provide high output, so that they can be used for small-sized stationary devices, mobile devices, and portable terminals. Research and development is underway for the application of energy as a source of energy.

また、固体高分子形燃料電池の電解質膜には、高分子鎖中にスルホン酸基やリン酸基などの親水性官能基を有する固体高分子材料が使用されている。かかる固体高分子材料は、特定のイオンと強固に結合しており、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維又は膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜などの各種用途に利用されている。   In addition, a solid polymer material having a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group or a phosphoric acid group in a polymer chain is used for an electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell. Since such a solid polymer material is firmly bonded to specific ions and has a property of selectively transmitting cations or anions, it is formed into particles, fibers or membranes, and electrodialyzed. It is used in various applications such as diffusion dialysis and battery diaphragm.

更に、固体高分子形燃料電池は、高い総合エネルギー効率が得られる発電手段として現在改良が盛んに進められている。その主要な構成要素は、アノード、カソードの両電極と、ガス流路を形成するセパレータ板と、両極間を隔てる固体高分子電解質膜である。アノードの触媒上で生成したプロトンは、固体高分子電解質膜中を移動してカソードの触媒上に達し、酸素と反応する。従って、両極間のイオン導電抵抗は電池性能に大きく影響する。   Furthermore, solid polymer fuel cells are currently being actively improved as power generation means that can provide high overall energy efficiency. The main components are anode and cathode electrodes, a separator plate that forms a gas flow path, and a solid polymer electrolyte membrane that separates the electrodes. Protons generated on the anode catalyst move through the solid polymer electrolyte membrane, reach the cathode catalyst, and react with oxygen. Therefore, the ionic conduction resistance between the two electrodes greatly affects the battery performance.

上述の固体高分子電解質膜を用いて燃料電池を形成するには、両電極の触媒と固体高分子電解質膜をイオン導電パスで接合する必要がある。そのために、高分子電解質の溶液と触媒粒子とを混合し、塗布・乾燥して両者を結合させた触媒層を電極に用い、電極の触媒と固体高分子電解質膜とを加熱下でプレスするという手法が一般的に用いられていた。   In order to form a fuel cell using the above-mentioned solid polymer electrolyte membrane, it is necessary to join the catalyst of both electrodes and the solid polymer electrolyte membrane by an ion conductive path. For this purpose, a catalyst layer in which a polymer electrolyte solution and catalyst particles are mixed, applied and dried to bond them together is used as an electrode, and the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte membrane are pressed under heating. The technique was commonly used.

イオン導電を担う高分子電解質としては、一般に、パーフルオロカーボン系主鎖にスルホン酸基が導入されたポリマーが使用されている。具体的な商品としては、デュポン(DuPont)社製のナフィオン(Nafion)、旭硝子(株)製のフレミオン(Flemion)、旭化成(株)製のアシプレックス(Aciplex)などが挙げられる。
パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質は、パーフルオロカーボン系主鎖とスルホン酸基をもつ側鎖からなり、高分子電解質は、スルホン酸基を主体とする領域とパーフルオロカーボン主鎖を主体とする領域とにミクロ相分離して、スルホン酸基の相はクラスターを形成すると考えられている。このパーフルオロカーボン系主鎖が凝集している部位がパーフルオロスルホン酸系電解質膜の化学的安定性に寄与しており、イオン導電に寄与するのはスルホン酸基が集まってクラスターを形成している部分である。
In general, a polymer in which a sulfonic acid group is introduced into a perfluorocarbon-based main chain is used as a polymer electrolyte responsible for ionic conduction. Specific products include Nafion manufactured by DuPont, Flemion manufactured by Asahi Glass Co., and Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and the like.
A perfluorosulfonic acid polymer electrolyte is composed of a perfluorocarbon main chain and a side chain having a sulfonic acid group, and the polymer electrolyte is a region mainly composed of a sulfonic acid group and a region mainly composed of a perfluorocarbon main chain. It is thought that the sulfonic acid group phase forms a cluster by microphase separation. The site where the perfluorocarbon main chain is aggregated contributes to the chemical stability of the perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, and the sulfonic acid groups gather to form a cluster that contributes to ionic conduction. Part.

このように、優れた化学的安定性とイオン導電性を兼ね備えるパーフルオロスルホン酸系電解質膜の製造は困難であり、非常に高価となる欠点がある。そのため、パーフルオロスルホン酸系電解質膜の用途は限定されており、移動体用の動力源と期待される固体高分子形燃料電池への適用が非常に困難を極めている。   As described above, it is difficult to produce a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane having both excellent chemical stability and ionic conductivity, and there is a drawback that it is very expensive. Therefore, the use of the perfluorosulfonic acid electrolyte membrane is limited, and it is extremely difficult to apply it to a polymer electrolyte fuel cell which is expected to be a power source for a moving body.

一方、現状の固体高分子形燃料電池は、室温から80℃程度の比較的低い温度領域で運転される。この運転温度の制限は、用いられているパーフルオロスルホン酸系電解質膜が120〜130℃近辺にガラス転移点を有し、これよりも高温領域ではプロトン伝導に寄与しているイオンチャネル構造の維持が困難となるため、実質的には100℃以下での使用が望ましいこと、及び水をプロトン伝導媒体として使用するため、水の沸点である100℃を超えると加圧が必要となり装置が大がかりとなること、による。   On the other hand, current polymer electrolyte fuel cells are operated in a relatively low temperature range from room temperature to about 80 ° C. The limitation of this operating temperature is that the perfluorosulfonic acid electrolyte membrane used has a glass transition point in the vicinity of 120 to 130 ° C., and maintains an ion channel structure that contributes to proton conduction at higher temperatures. In practice, it is desirable to use at 100 ° C. or lower, and since water is used as a proton conducting medium, pressurization is required when the boiling point exceeds 100 ° C., which is the boiling point of water. By becoming.

しかし、運転温度が低いことは、燃料電池にとっては発電効率が低くなると共に、触媒のCOによる被毒が顕著に起こる。運転温度が100℃以上になると発電効率は向上し、更に廃熱利用が可能となるためにより効率的にエネルギーを活用できる。
また、燃料電池自動車への適用を考えると、運転温度を120℃まで上昇させることができれば、効率の向上だけではなく、排熱に必要なラジエター負荷を下げることとなり、現行の移動体に使用されているラジエターと同等仕様のものを適用できるため、システムをコンパクト化できる。
However, the low operating temperature results in low power generation efficiency for the fuel cell and significant poisoning of the catalyst by CO. When the operating temperature is 100 ° C. or higher, the power generation efficiency is improved and the waste heat can be used, so that energy can be used more efficiently.
Also, considering the application to fuel cell vehicles, if the operating temperature can be raised to 120 ° C, not only the efficiency will be improved, but also the radiator load required for exhaust heat will be reduced, and it will be used in current mobile units. The same specifications as the existing radiator can be applied, so the system can be made compact.

このように、より高い温度での運転を実現させるため、今まで種々の検討が行われている。代表的には、先の電解質膜のコスト低減も視野に入れたアクションとして、パーフルオロスルホン酸系電解質膜の代わりに、安価でかつ耐熱性に優れた芳香族炭化水素系高分子材料の固体高分子電解質膜への適用が検討されている。   Thus, various studies have been made so far in order to realize operation at higher temperatures. Typically, as an action with a view to reducing the cost of the previous electrolyte membrane, instead of a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, an inexpensive aromatic hydrocarbon polymer material with excellent heat resistance is used. Application to molecular electrolyte membranes is being studied.

例えば 反応性末端を有する有機基をSi1個当たり1個有するシラン化合物を加水分解・脱水縮合反応させて反応中間体を得て、この反応中間体にりんタングステン酸を含むブレーンステッド酸を加えてプロトン伝導体原料溶液を作製し、この溶液を高分子多孔膜に含浸させてから熱処理することによって、良好なプロトン伝導膜を作製する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2004−241229号公報
For example, a silane compound having one organic group having a reactive terminal per Si is hydrolyzed and dehydrated and condensed to obtain a reaction intermediate. Then, a brainsted acid containing phosphotungstic acid is added to the reaction intermediate to produce protons. There has been proposed a method for producing a good proton conducting membrane by producing a conductor raw material solution, impregnating the polymer porous membrane with this solution and then performing heat treatment (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-241229 A

しかしながら、上記従来例では100℃以上の温度において数10mS/cmと高いイオン導電性を示すものの、りんタングステン酸を使用するために室温〜80℃と温度が低下する領域では十分なイオン導電性を確保することが困難である。また、従来例では支持体に汎用的な高分子多孔質材料を用いており、これらは工業的な技術背景を考慮すれば現実的な材料であるといえる。しかし、材料特性として100℃以上の耐熱性を有しながらも、高温・高湿下での連続的な荷重負荷を付与される場合、破損等が発生する可能性は高い。   However, although the above conventional example shows high ionic conductivity of several tens of mS / cm at a temperature of 100 ° C. or higher, sufficient ionic conductivity is provided in a region where the temperature drops to room temperature to 80 ° C. because phosphotungstic acid is used. It is difficult to secure. Further, in the conventional example, general-purpose polymer porous materials are used for the support, and these can be said to be realistic materials in consideration of industrial technical background. However, there is a high possibility of breakage or the like when a continuous load is applied under high temperature and high humidity while having heat resistance of 100 ° C. or more as material characteristics.

りんタングステン酸の変わりに、幅広い温度領域でのイオン導電性を確保するため、耐熱性に優れた芳香族炭化水素系高分子電解質を用いることも検討されている。しかしながら、このような芳香族炭化水素系高分子材料を用いた電解質ポリマーは、極めて剛直な高分子材料であって、電極形成の際、ホットプレスといったプロセスで無理な荷重を付与すると破損する怖れがある。さらに、これら芳香族炭化水素系高分子材料ではプロトン伝導性を付与するため、スルホン酸基、りん酸基などの酸性官能基で修飾されており、水可溶性または水膨潤性となっている。水可溶性の場合には燃料電池のような水が発生する系には適用できず、また水膨潤製の場合にも膨潤による応力で電極を破損するといった、膨潤による電解質膜の強度低下で破損が起こる可能性がある。   Instead of phosphotungstic acid, in order to ensure ionic conductivity in a wide temperature range, use of an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte excellent in heat resistance is also being studied. However, an electrolyte polymer using such an aromatic hydrocarbon polymer material is an extremely rigid polymer material, and may be damaged when an excessive load is applied by a process such as hot pressing when forming an electrode. There is. Furthermore, these aromatic hydrocarbon polymer materials are modified with acidic functional groups such as sulfonic acid groups and phosphoric acid groups in order to impart proton conductivity, and are water-soluble or water-swellable. In the case of water-solubility, it cannot be applied to a system that generates water such as a fuel cell, and in the case of water-swelling, the electrode is damaged by the stress due to swelling. Can happen.

更に、高いイオン導電性を実現するためには、電解質ポリマーに導入する酸性官能基を多く導入することが望まれるが、高分子材料自身の膜形状を保持するためには導入量が制限される。ポリマー電解質を用いた電解質膜においては、その寸法安定性、自立性を確保するために、支持体へ含浸することも多くなされているが、そのいずれもにおいて含浸して得られる電解質膜では、電解質自身のイオン導電性の低下を引き起こしている。   Furthermore, in order to realize high ionic conductivity, it is desirable to introduce a large number of acidic functional groups to be introduced into the electrolyte polymer, but the amount introduced is limited in order to maintain the film shape of the polymer material itself. . In an electrolyte membrane using a polymer electrolyte, in order to ensure its dimensional stability and self-supporting property, the support is often impregnated. In any of the electrolyte membranes obtained by impregnation, the electrolyte membrane It causes a decrease in its ionic conductivity.

このように、燃料電池の信頼性に関わる電解質膜としての寸法安定性・自立性を確保することと、電池性能向上を目指したイオン導電度向上は、それぞれが樹脂へ導入するスルホン酸基やリン酸基等の量に関係しており、両特性はトレードオフの関係にあるので一方の改善が他方の特性を低下させるため、両特性を兼ね備えた電解質膜を実現することは困難であった。   In this way, ensuring dimensional stability and self-sustainability as an electrolyte membrane related to fuel cell reliability, and improving ionic conductivity with the aim of improving battery performance, are the sulfonic acid groups and phosphorus introduced into the resin, respectively. It is related to the amount of acid groups and the like, and both characteristics are in a trade-off relationship. Therefore, it is difficult to realize an electrolyte membrane having both characteristics because one improvement reduces the other characteristic.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、イオン導電性に優れ、耐熱性が高く、含水時の膨潤が抑制され、安価に製造できるプロトン伝導性コンポジット型電解質膜及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is excellent in ionic conductivity, high heat resistance, suppression of swelling when containing water, and production at low cost. An object of the present invention is to provide a proton conductive composite electrolyte membrane and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、球状孔が規則的・三次元的に形成された無機多孔質体の該球状孔内に、親水性官能基を導入し(無機多孔質体の表面修飾)、合わせてイオン導電性の高い炭化水素系電解質を配設することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have introduced hydrophilic functional groups into the spherical pores of the inorganic porous body in which the spherical pores are regularly and three-dimensionally formed. (Surface modification of the inorganic porous body) It was found that the above problems can be solved by arranging a hydrocarbon electrolyte having high ion conductivity together, and the present invention has been completed.

即ち、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜は、複数の球状孔を有する無機多孔質体と、この球状孔内に配設されたプロトン伝導性の炭化水素系電解質を備え、上記球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通しており、内壁面にプロトン供与性官能基を有し、更に上記球状孔は最密充填構造に起因する規則配列構造を有し、且つ隣接する球状孔との間に規則的に形成された連通口を有することを特徴とする。 That is, the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention includes an inorganic porous body having a plurality of spherical pores, and a proton conductive hydrocarbon electrolyte disposed in the spherical pores. The inner diameter is substantially uniform, the adjacent spherical holes communicate with each other, the inner wall surface has a proton-donating functional group, and the spherical holes have an ordered arrangement structure resulting from a close-packed structure, and It is characterized by having a communication port regularly formed between adjacent spherical holes.

また、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の好適形態は、上記無機多孔質体が、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液より形成されたことを特徴とする。   In addition, a preferred embodiment of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is characterized in that the inorganic porous body is formed from a suspension obtained by mixing polymer fine particles and an inorganic material.

更に、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の他の好適形態は、上記無機多孔質体の球状孔の内径が、20〜500nmであることを特徴とする。更には、上記無機多孔質体の球状孔の内径が20〜200nmであることが好ましい。   Furthermore, another preferred embodiment of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is characterized in that the inner diameter of the spherical pore of the inorganic porous body is 20 to 500 nm. Furthermore, it is preferable that the internal diameter of the spherical hole of the said inorganic porous body is 20-200 nm.

更にまた、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の更に他の好適形態は、上記プロトン供与性官能基が、該無機多孔質体の単位質量当たり0.2〜2.8mmol/gの割合で含まれることを特徴とする。   Furthermore, in another preferred embodiment of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention, the proton donating functional group is in a ratio of 0.2 to 2.8 mmol / g per unit mass of the inorganic porous material. It is included.

また、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の他の好適形態は、上記無機多孔質体のEquivalent Weight(EW)値(プロトン供与性官能基1当量あたりの乾燥時無機多孔質体重量)が、350〜3600g/eqであることを特徴とする。   Further, another preferred embodiment of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is that the above-mentioned inorganic porous material has an Equivalent Weight (EW) value (dry inorganic porous material weight per equivalent of proton-donating functional group). 350 to 3600 g / eq.

更に、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法は、上記プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造するに当たり、
1.無機ゾルと球状有機樹脂を溶媒を用いて混合する工程、
2.この混合溶液を攪拌して懸濁液とする工程、
3.この懸濁液を濾過して製膜する工程、
4.濾過成形膜の余剰水分を除去する工程、
5.濾過成形膜を乾燥する工程、
6.濾過成形膜を加熱焼成して無機多孔質体を得る工程、
7.この無機多孔質体の球状孔の内壁面にプロトン供与性官能基を導入する工程、
8.このプロトン供与性官能基を定着させる工程、
9.無機多孔質体の球状孔に炭化水素系電解質を含浸させる工程、
10.乾燥し、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を形成する工程、
を行うことを特徴とする。
Furthermore, the manufacturing method of the proton conductive composite type electrolyte membrane of the present invention, in manufacturing the proton conductive composite type electrolyte membrane,
1. Mixing an inorganic sol and a spherical organic resin using a solvent;
2. A step of stirring the mixed solution to form a suspension;
3. Filtering the suspension to form a membrane,
4). Removing excess water from the filtration molded membrane;
5. A step of drying the filtration molded membrane,
6). A step of heating and baking the filtration molded membrane to obtain an inorganic porous body,
7). Introducing a proton-donating functional group into the inner wall surface of the spherical pore of the inorganic porous body;
8). Fixing the proton-donating functional group;
9. Impregnating the spherical pores of the inorganic porous body with a hydrocarbon-based electrolyte;
10. Drying and forming a proton conductive composite electrolyte membrane,
It is characterized by performing.

本発明によれば、イオン導電性に優れ、耐熱性が高く、含水時の膨潤が抑制されるプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を安価に製造できる。   According to the present invention, a proton conductive composite electrolyte membrane having excellent ionic conductivity, high heat resistance, and suppressing swelling when containing water can be produced at low cost.

以下、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。   Hereinafter, the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention will be described in detail. In the present specification and claims, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.

本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜は、無機多孔質体が有する複数の球状孔内に、炭化水素系電解質材料を配設して成る。
この球状孔は、それぞれがほぼ均一な内径を有し、多孔質体内部に3次元的に存在し、隣接する球状孔と連通口を介して連通している。
また、球状孔の内壁面は、プロトン供与性官能基が存在するように処理する。
更に、炭化水素系電解質は、該連通口を介してプロトン伝導性を示すように配設(充填)されている。
図1に、本電解質膜の模式的構造及び写真を示す。
The proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is formed by disposing a hydrocarbon-based electrolyte material in a plurality of spherical holes of an inorganic porous body.
Each of the spherical holes has a substantially uniform inner diameter, exists three-dimensionally inside the porous body, and communicates with adjacent spherical holes via a communication port.
Further, the inner wall surface of the spherical hole is treated so that the proton donating functional group exists.
Further, the hydrocarbon-based electrolyte is disposed (filled) so as to exhibit proton conductivity through the communication port.
FIG. 1 shows a schematic structure and a photograph of the present electrolyte membrane.

このように、細孔表面にプロトン供与性官能基を有する無機多孔質体を保持体とし、その内部に含浸されるポリマー電解質を配設することで、両材料をコンポジット化した電解質膜において膜全体に有するプロトン供与性官能基量を多くすることができるため、コンポジット化によるイオン導電性の低下を抑制した無機・有機コンポジット電解質膜を得ることができる。
更に、その内部に耐熱性の高いエンプラを活用した芳香族炭化水素系電解質を配設することができるので、耐熱性に優れた電解質となる。
In this way, an inorganic porous body having a proton-donating functional group on the pore surface is used as a holding body, and a polymer electrolyte to be impregnated therein is disposed, so that the entire membrane in an electrolyte membrane in which both materials are composited Since the amount of the proton-donating functional group in can be increased, it is possible to obtain an inorganic / organic composite electrolyte membrane in which the decrease in ionic conductivity due to composite formation is suppressed.
Furthermore, since an aromatic hydrocarbon-based electrolyte utilizing an engineering plastic with high heat resistance can be disposed inside, an electrolyte having excellent heat resistance can be obtained.

また、湿潤状態においては、無機多孔質体が炭化水素系電解質の膨潤を抑制する。特に、多孔質体内部に存在する球状孔がほぼ均一な径で構成されることで、電解質材料の含水時における膨潤に対して、多孔質体は均質且つ分散された膨潤力を受けるので、局所的な電解質の破損が抑制される。換言すれば、無機多孔質体の球状孔が3次元規則配列構造をとることで、電解質材料の膨潤圧が均質に無機多孔質体にかかるため、含水により膨潤する電解質膜の支持体となる。   In the wet state, the inorganic porous body suppresses the swelling of the hydrocarbon electrolyte. In particular, since the spherical pores existing inside the porous body are configured with a substantially uniform diameter, the porous body receives a homogeneous and dispersed swelling force against the swelling of the electrolyte material when it contains water. Electrolyte damage is suppressed. In other words, since the spherical pores of the inorganic porous body have a three-dimensional regular array structure, the swelling pressure of the electrolyte material is uniformly applied to the inorganic porous body, so that it becomes a support for the electrolyte membrane that swells with water.

更に、パーフルオロスルホン酸系電解質より安価な材料で構成できるため、従来品に比べて安価で普及に適した電解質膜が得られる。
更にまた、無機多孔質支持体と炭化水素系電解質との界面にプロトン伝導性官能基を介在させるため、無機多孔質支持体の球状孔内にただ単に電解質溶液を含浸させたハイブリッド膜に比べて、プロトン伝導性がより向上する。
Furthermore, since it can be comprised with a cheaper material than a perfluorosulfonic acid type electrolyte, it is cheaper than a conventional product and an electrolyte membrane suitable for popularization can be obtained.
Furthermore, since a proton conductive functional group is interposed at the interface between the inorganic porous support and the hydrocarbon-based electrolyte, compared to a hybrid membrane in which the spherical pores of the inorganic porous support are simply impregnated with an electrolyte solution. Proton conductivity is further improved.

ここで、上記無機多孔質体は、金属酸化物から成ることが好適である。金属酸化物は安定で且つ安価に入手が可能なものが多いため、それらから適宜選択することで、所望の電解質膜が得られる。   Here, the inorganic porous body is preferably made of a metal oxide. Since many metal oxides are stable and available at a low cost, a desired electrolyte membrane can be obtained by appropriately selecting them.

また、上記無機多孔質体は、無機ゾルを形成する材料より成ることが好適である。このときは、簡易な無機材形成技術であるゾルゲル法を適用できるとともに、安価に無機多孔質体が得られる。   The inorganic porous body is preferably made of a material that forms an inorganic sol. In this case, a sol-gel method, which is a simple inorganic material forming technique, can be applied, and an inorganic porous body can be obtained at a low cost.

上記無機ゾル形成材料は、無機コロイドであることが好適である。無機コロイドは、ポリマー粒子を鋳型に用いた無機多孔質体の形成に適しており、3次元規則配列状態が保持された球状孔を形成できる。   The inorganic sol-forming material is preferably an inorganic colloid. The inorganic colloid is suitable for forming an inorganic porous body using polymer particles as a template, and can form a spherical hole in which a three-dimensional ordered arrangement state is maintained.

更に、上記無機多孔質体は、例えば、シリカ、チタニア、アルミナ、ジルコニア又はタンタル、及びこれらの任意の組合わせに係るものを含むことが好適である。このときは、実用に耐えうる無機コロイドとなり得る。   Furthermore, the inorganic porous body preferably includes, for example, those related to silica, titania, alumina, zirconia, or tantalum, and any combination thereof. At this time, it can be an inorganic colloid that can withstand practical use.

上記無機多孔質体は、例えば、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液から得られる。
このような懸濁液を適用することで、ポリマー微粒子が積み重なることで形成される3次元規則配列構造を鋳型とした、無機多孔質体を得ることができる。特に、ポリマー微粒子の粒径サイズ、積層状態を制御することで、任意の細孔径構造を有する無機多孔質体を設計できる。なお、細孔内のポリマー微粒子は熱処理などにより除去することで、電解質材料の入るスペースが確保される。
また、このように、規則的に3次元的に配列された球状孔を有する無機多孔質体を用いることで、均質な支持体として機能するため、高分子電解質と組み合わせた場合は、含水により電解質が支持体に及ぼす膨潤力の集中を抑制でき、電解質膜の破損を防止できる。
更に、無機多孔質体の球状孔が、70%を超える高い気孔率を確保するよう製造できることから、炭化水素系電解質を多量に導入でき、優れたイオン導電性が実現できる。
The inorganic porous body is obtained from, for example, a suspension obtained by mixing polymer fine particles and an inorganic material.
By applying such a suspension, an inorganic porous body can be obtained using a three-dimensional regular array structure formed by stacking polymer fine particles as a template. In particular, an inorganic porous body having an arbitrary pore size structure can be designed by controlling the particle size and the lamination state of the polymer fine particles. The polymer fine particles in the pores are removed by heat treatment or the like, so that a space for the electrolyte material is secured.
In addition, by using an inorganic porous body having spherical pores regularly arranged three-dimensionally in this way, it functions as a homogeneous support. Therefore, when combined with a polymer electrolyte, the electrolyte contains water. Concentration of swelling force exerted on the support can be suppressed, and damage to the electrolyte membrane can be prevented.
Furthermore, since the spherical pores of the inorganic porous material can be produced so as to ensure a high porosity exceeding 70%, a large amount of hydrocarbon electrolyte can be introduced, and excellent ionic conductivity can be realized.

上記無機多孔質体の球状孔の内径は、プロトン伝導性官能基量と炭化水素系電解質の導入の困難さとのバランスから、20〜500nmであることが好適である。このときは、電解質膜のイオン導電性が向上し得る。
500nmを超えると、無機多孔質支持体単位重量あたりに固定化されるプロトン伝導性官能基の量が少ないため、効果が不十分になり易い。20nm未満では、球状樹脂をテンプレートとして利用した多孔質の形成が困難となり易い。
The inner diameter of the spherical pores of the inorganic porous body is preferably 20 to 500 nm in view of the balance between the amount of the proton conductive functional group and the difficulty in introducing the hydrocarbon electrolyte. At this time, the ionic conductivity of the electrolyte membrane can be improved.
If it exceeds 500 nm, the amount of the proton conductive functional group immobilized per unit weight of the inorganic porous support is small, so that the effect tends to be insufficient. If it is less than 20 nm, formation of a porous material using a spherical resin as a template tends to be difficult.

かかる球状孔の内径は、より好ましくは20〜200nm、特に好ましくは50〜150nmであることが良い。このときは、プロトン伝導性官能基の表面修飾の寄与を十分に発揮できる。
即ち、150nm以下になると、無機多孔質支持体の単位重量あたりに固定化されるプロトン伝導性官能基の量が急激に多くなり、十分な効果が発揮できる。50nm以上では、球状樹脂をテンプレートとして利用した多孔質体の形成がより容易となり、安定して生産できる。
The inner diameter of the spherical hole is more preferably 20 to 200 nm, and particularly preferably 50 to 150 nm. At this time, the contribution of the surface modification of the proton conductive functional group can be sufficiently exhibited.
That is, when the thickness is 150 nm or less, the amount of proton conductive functional groups immobilized per unit weight of the inorganic porous support increases rapidly, and a sufficient effect can be exhibited. When the thickness is 50 nm or more, formation of a porous body using a spherical resin as a template becomes easier and stable production is possible.

上記球状孔の内壁面にあるプロトン供与性官能基としては、ブレンステッド酸型官能基を採用できる。このときは、無機支持体と有機電解質との協同効果でプロトン伝導を促進する領域が両者の界面に形成されることとなるので、プロトン伝導性が従来品に比較して向上し得る。
具体的には、スルホン酸基、リン酸基又はカルボン酸基、及びこれらを任意に組合わせて導入できる。
As the proton donating functional group on the inner wall surface of the spherical hole, a Bronsted acid type functional group can be adopted. In this case, a region that promotes proton conduction is formed at the interface between the inorganic support and the organic electrolyte, so that proton conductivity can be improved as compared with the conventional product.
Specifically, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or a carboxylic acid group, and any combination thereof can be introduced.

上記プロトン供与性官能基は、球状孔の内径に応じて導入できる官能基量が異なるが、プロトン伝導性を向上させる面からは、該無機多孔質体の単位質量当たり0.2〜2.8mmol/gの割合で含まれることが好適である。
また、より好ましくは、該無機多孔質体の単位質量当たり0.3〜1.2mmol/gの割合で含まれることが良い。例えば、PEFCで一般的に使用されるNafion(商標:デュポン社製)膜中に存在するプロトン伝導性官能基濃度(約0.9〜1.1mmol/g)と同程度以上にすることで、より高いプロトン伝導性発現の効果が期待できる。
The proton-donating functional group differs in the amount of functional group that can be introduced depending on the inner diameter of the spherical pore, but from the viewpoint of improving proton conductivity, 0.2 to 2.8 mmol per unit mass of the inorganic porous material It is preferable to be contained at a ratio of / g.
More preferably, it is contained at a rate of 0.3 to 1.2 mmol / g per unit mass of the inorganic porous material. For example, by setting the proton conductive functional group concentration (about 0.9 to 1.1 mmol / g) present in a Nafion (trademark: DuPont) membrane generally used in PEFC to the same level or more, The effect of higher proton conductivity can be expected.

また、同様の観点から、上記無機多孔質体のEquivalent Weight(EW)値は、350〜3600g/eqであることが好適である。より好ましくは890〜2700g/eqであることが良い。なお、EW値とは通常Nafionに代表される電解質膜ではスルホン酸基1当量あたりの乾燥ポリマー重量と定義されるが、ここでは、プロトン供与性官能基を有する無機多孔質体を対象とし、プロトン供与性官能基1当量あたりの乾燥時無機多孔質体の重量を示す。   In addition, from the same viewpoint, it is preferable that the Equivalent Weight (EW) value of the inorganic porous material is 350 to 3600 g / eq. More preferably, it is 890-2700 g / eq. The EW value is usually defined as the dry polymer weight per equivalent of sulfonic acid groups in an electrolyte membrane typified by Nafion. Here, the target is an inorganic porous material having a proton-donating functional group, The dry weight of the inorganic porous material per equivalent of the donating functional group is shown.

このときは、単位面積あたりに導入されるプロトン伝導性官能基量が増加するので、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜のイオン導電性を増大できる。また、単位膜重量あたりの球状孔の内壁面積を高めることでも、コンポジット型電解質膜に含まれるプロトン伝導性官能基量を増大できる。   In this case, since the amount of proton conductive functional groups introduced per unit area increases, the ionic conductivity of the proton conductive composite electrolyte membrane can be increased. Moreover, the amount of proton conductive functional groups contained in the composite electrolyte membrane can also be increased by increasing the inner wall area of the spherical pores per unit membrane weight.

具体的には、無機多孔質体の細孔径と導入できるプロトン伝導性官能基量の関係、無機多孔質体の細孔径とEW値の関係は、金属酸化物の単位表面積あたりに導入できる1価のプロトン供与性官能基(スルホン酸基に代表される)に基づいて算出すると、図2、図3に示すようになる。
このように、細孔径が小さくなるほど無機多孔質体に導入できるプロトン伝導性官能基量を多く導入できることがわかる。また、EWに着目すると、EW値は官能基あたりの無機多孔質体の単位重量を示すことから、小さくなることが望ましい。図3より細孔径が小さくなるほどEW値も小さくなることがわかる。
Specifically, the relationship between the pore diameter of the inorganic porous body and the amount of proton conductive functional groups that can be introduced, and the relationship between the pore diameter of the inorganic porous body and the EW value are monovalent that can be introduced per unit surface area of the metal oxide. When calculated based on the proton donating functional group (represented by a sulfonic acid group), the results are shown in FIGS.
Thus, it can be seen that the smaller the pore diameter, the more proton conductive functional groups that can be introduced into the inorganic porous material. Further, when paying attention to EW, it is desirable that the EW value is small because it indicates the unit weight of the inorganic porous material per functional group. FIG. 3 shows that the EW value decreases as the pore diameter decreases.

一方、無機多孔質体の球状孔内に配設する炭化水素系電解質としては、炭化水素系樹脂にプロトン伝導性を発現する官能基を付与して成るものを用いることが好適である。
耐熱性に優れた炭化水素系樹脂を採用することで、耐熱性に優れた電解質膜が得られるとともに、従来のパーフルオロスルホン酸系電解質材料より安価な材料を適用することができる。
On the other hand, as the hydrocarbon-based electrolyte disposed in the spherical pores of the inorganic porous body, it is preferable to use a hydrocarbon-based resin provided with a functional group that expresses proton conductivity.
By employing a hydrocarbon resin with excellent heat resistance, an electrolyte membrane with excellent heat resistance can be obtained, and a material cheaper than conventional perfluorosulfonic acid electrolyte materials can be applied.

また、上記炭化水素系電解質は、少なくとも1〜6meq/gのイオン交換容量を有することが好適である。
イオン交換容量を上記範囲とするには、例えば、芳香族炭化水素電解質の種類や付与するプロトン伝導性官能基の量などを適宜調節すれば良い。このとき、芳香族炭化水素系電解質へ導入するプロトン電導性官能基量が1meq/g未満であると十分なプロトン伝導性を発現することができず、また、6meq/gを超えると電解質材料が固体状態を保持することが困難となる。
In addition, the hydrocarbon electrolyte preferably has an ion exchange capacity of at least 1 to 6 meq / g.
In order to set the ion exchange capacity within the above range, for example, the type of the aromatic hydrocarbon electrolyte, the amount of the proton conductive functional group to be imparted, and the like may be appropriately adjusted. At this time, if the amount of the proton conductive functional group introduced into the aromatic hydrocarbon electrolyte is less than 1 meq / g, sufficient proton conductivity cannot be expressed, and if it exceeds 6 meq / g, the electrolyte material is It becomes difficult to maintain a solid state.

なお、Nafion(商標:デュポン社製)に代表される従来のパーフルオロスルホン酸系電解質膜では、およそ1meq/g付近のものが上市されているが、2meq/g以上のものは困難であるため、本発明では従来より高いプロトン伝導性を有する電解質膜を設計できる。   In addition, in the conventional perfluorosulfonic acid electrolyte membrane represented by Nafion (trademark: manufactured by DuPont), those around 1 meq / g are marketed, but those of 2 meq / g or more are difficult. In the present invention, an electrolyte membrane having higher proton conductivity than conventional ones can be designed.

更に、上記炭化水素系電解質としては、ポリエーテル系のポリマーを使用することが好適である。
具体的には、図4に示すように、ポリエーテル系の物質をスルホン化したポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルホンなどが使用できる。代表的には、ポリエーテルエーテルスルホンを用いることが良い。
このときは、規則配列状態の空間を有する無機多孔質体に、従来のパーフルオロスルホン酸系電解質に比べて多くの電解質材料を含浸させることができ、従来品に比べてプロトン伝導性に優れた電解質を得ることができる。
Furthermore, it is preferable to use a polyether polymer as the hydrocarbon electrolyte.
Specifically, as shown in FIG. 4, polyether ether ketone or polyether sulfone obtained by sulfonating a polyether-based substance can be used. Typically, polyether ether sulfone is preferably used.
In this case, an inorganic porous body having a regularly arranged space can be impregnated with more electrolyte materials than a conventional perfluorosulfonic acid electrolyte, and has a higher proton conductivity than a conventional product. An electrolyte can be obtained.

次に、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法について詳細に説明する。
本発明の製造方法では、以下の工程、
1.無機ゾルと球状有機樹脂を溶媒を用いて混合する工程、
2.この混合溶液を攪拌して懸濁液とする工程、
3.この懸濁液を濾過して製膜する工程、
4.濾過成形膜の余剰水分を除去する工程、
5.濾過成形膜を乾燥する工程、
6.濾過成形膜を加熱焼成して無機多孔質体を得る工程、
7.この無機多孔質体の球状孔の内壁面にプロトン供与性官能基を導入する工程、
8.このプロトン供与性官能基を定着させる工程、
9.無機多孔質体の球状孔に炭化水素系電解質を含浸させる工程、
10.乾燥し、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を形成する工程、
を行い、上述したプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造する。
図5に、作製手順の流れを示す。
Next, the production method of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention will be described in detail.
In the production method of the present invention, the following steps:
1. Mixing an inorganic sol and a spherical organic resin using a solvent;
2. A step of stirring the mixed solution to form a suspension;
3. Filtering the suspension to form a membrane,
4). Removing excess water from the filtration molded membrane;
5. A step of drying the filtration molded membrane,
6). A step of heating and baking the filtration molded membrane to obtain an inorganic porous body,
7). Introducing a proton-donating functional group into the inner wall surface of the spherical pore of the inorganic porous body;
8). Fixing the proton-donating functional group;
9. Impregnating the spherical pores of the inorganic porous body with a hydrocarbon-based electrolyte;
10. Drying and forming a proton conductive composite electrolyte membrane,
To produce the proton conductive composite electrolyte membrane described above.
FIG. 5 shows the flow of the manufacturing procedure.

ここで、工程1〜6を経ることで、球状有機樹脂をテンプレートとして、球状孔が3次元規則配列された無機多孔質体が得られる。   Here, through steps 1 to 6, an inorganic porous body in which spherical pores are three-dimensionally arranged using a spherical organic resin as a template is obtained.

工程1及び工程2では、無機コロイドと有機樹脂材料を均質な状態に混合することができる。これにより、均質な無機支持体で構成される無機多孔質体を得ることができる。   In Step 1 and Step 2, the inorganic colloid and the organic resin material can be mixed in a homogeneous state. Thereby, the inorganic porous body comprised with a homogeneous inorganic support body can be obtained.

また、工程3において、濾過は、球状有機樹脂をテンプレートとして、その隙間に無機ゾルを充填する方法として適している。濾過は、無機多孔質体の球状孔の大きさ、細孔密度などから、適宜10〜60kPa程度減圧して行うことができる。
工程3で用いる球状有機樹脂としては、例えば20nm〜1500nm程度のポリエチレンを使用できる。代表的には、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、架橋アクリル樹脂、メチルメタクリレート樹脂、ポリアミド樹脂などが適宜選択できる。20nmより小さくなると電解質ポリマーの均質な含浸が困難となり易い。また、1500nmより大きくなると無機支持体を構成する支持構造の均質性に乱れが発生することがある。
In Step 3, filtration is suitable as a method of filling the gap with an inorganic sol using a spherical organic resin as a template. Filtration can be performed by appropriately reducing the pressure by about 10 to 60 kPa from the size of the spherical pores and the pore density of the inorganic porous body.
As the spherical organic resin used in step 3, for example, polyethylene of about 20 nm to 1500 nm can be used. Typically, polyolefin resin, polystyrene resin, cross-linked acrylic resin, methyl methacrylate resin, polyamide resin, and the like can be selected as appropriate. If it is smaller than 20 nm, homogeneous impregnation of the electrolyte polymer tends to be difficult. On the other hand, if the thickness exceeds 1500 nm, the homogeneity of the support structure constituting the inorganic support may be disturbed.

更に、工程4では、濾過成形膜に含まれている溶剤を予め除去することで、次の乾燥工程における乾燥時間を短縮することができる。
更にまた、工程5では、濾過成形膜を室温にて予め乾燥させることで、焼成工程等での膜のハンドリングを容易にする。
Furthermore, in step 4, the drying time in the next drying step can be shortened by previously removing the solvent contained in the filtration membrane.
Furthermore, in step 5, the filtration molded membrane is previously dried at room temperature, thereby facilitating the handling of the membrane in the firing step or the like.

次いで、工程6では、濾過成形膜を加温焼成することで、無機ゾルによる無機支持体を焼成形成すると共に、テンプレート樹脂を焼成除去することで多孔質体を形成できる。
このとき、濾過膜中の有機樹脂材料を除去するための仮焼成を行い、その後無機多孔質体を焼結させることが良い。
仮焼成は、例えば、1〜10℃/min、好ましくは2〜5℃/minの昇温速度で400〜500℃、より好ましくは430〜470℃まで昇温させ、30分以上熱処理を行うことができる。
焼成は、例えば800〜900℃以上で30〜100分間程度の熱処理を行うことができる。この本焼成は複数回繰り返して行っても良い。
Next, in step 6, the filtration molded membrane is heated and fired, whereby an inorganic support made of inorganic sol is fired and a porous body can be formed by baking and removing the template resin.
At this time, it is preferable to perform temporary baking for removing the organic resin material in the filtration membrane, and then sinter the inorganic porous body.
Temporary baking is performed at a heating rate of 1 to 10 ° C./min, preferably 2 to 5 ° C./min, 400 to 500 ° C., more preferably 430 to 470 ° C., and heat treatment is performed for 30 minutes or longer. Can do.
Baking can be performed, for example, at a temperature of 800 to 900 ° C. or higher for about 30 to 100 minutes. This main baking may be repeated a plurality of times.

また、工程7及び8では、例えば、熱水処理によりシリカ多孔質体の球状孔の内壁面のシラノール基を増加させ、このシリカ多孔質体を2〜3.5%のシランカップリング剤水溶液に30分〜24時間浸漬してメルカプト基を形成させ、これを酸化してスルホン酸基(SOH基)とすることができる。
なお、他の方法としては、上記熱水処理した多孔質体を、5%濃度に調整した1,3−プロパンスルトン(1,3−propanesultone)のトルエン溶液中に含浸し、120℃で24hr還流を行うことで、1段反応でSOH基を導入・定着できる。
Further, in Steps 7 and 8, for example, the silanol groups on the inner wall surface of the spherical pores of the porous silica material are increased by hydrothermal treatment, and the porous silica material is made into a 2 to 3.5% silane coupling agent aqueous solution. It can be immersed for 30 minutes to 24 hours to form a mercapto group, which can be oxidized to a sulfonic acid group (SO 3 H group).
In addition, as another method, the porous body treated with hydrothermal treatment is impregnated in a toluene solution of 1,3-propane sultone adjusted to 5% concentration and refluxed at 120 ° C. for 24 hours. By performing the step, the SO 3 H group can be introduced and fixed in a one-step reaction.

更に、工程9及び10では、得られた多孔質体へ電解質を含浸・乾燥させることで、容易に目的とする無機・有機コンポジット型電解質膜が得られる。特に、乾燥時に高分子電解質が損壊しない程度の温度を与えることで、乾燥時間を短縮できると共に、高分子電解質の含浸時に架橋剤などを併用して架橋反応を促進させ、より強固な膜を得ることもできる。   Further, in steps 9 and 10, the obtained porous body is impregnated with an electrolyte and dried to easily obtain the intended inorganic / organic composite electrolyte membrane. In particular, the drying time can be shortened by applying a temperature at which the polymer electrolyte does not break during drying, and a cross-linking agent is used at the same time when the polymer electrolyte is impregnated to promote a crosslinking reaction, thereby obtaining a stronger membrane. You can also.

また、工程9において、炭化水素系電解質は、以下の含浸溶媒と混合できるものであればよく、粉末状、ビーズ状、ゲル状、溶液状態のいずれの形態をとっていても構わない。
含浸溶液の溶媒としては、水、メタノールやエタノール、n−プロパノール、イソプロパノールなどに代表される直鎖、分岐鎖を有するアルコール類、n−ヘキサンなどのオレフィン類、シクロヘキサン、トルエンやキシレンに代表される芳香族溶媒、ジメチルエーテルなどに代表されるエーテル類、酢酸エチル、酢酸メチル、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジクロロエタン(EDC)、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチルピロリドン(NMP)などの中から適宜選択して用いることができる。
なお、上記溶媒は、単独で用いても複数を適宜選択して混合して用いても構わない。
In Step 9, the hydrocarbon electrolyte may be any one that can be mixed with the following impregnation solvent, and may take any form of powder, beads, gel, or solution.
Examples of the solvent for the impregnation solution include water, methanol, ethanol, linear and branched alcohols typified by n-propanol, isopropanol, and the like, olefins such as n-hexane, cyclohexane, toluene, and xylene. Aromatic solvents, ethers typified by dimethyl ether, etc., ethyl acetate, methyl acetate, acetonitrile, dimethyl sulfoxide (DMSO), dichloroethane (EDC), dioxane, tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone ( NMP) and the like can be selected as appropriate and used.
In addition, the said solvent may be used individually or may be used in mixture suitably selecting multiple.

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in full detail, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
シリカ多孔質体をマトリックスとして、その孔中に伝導性ポリマーを導入することにより、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を作製した。
Example 1
By using a porous silica as a matrix and introducing a conductive polymer into the pores, a proton conductive composite type electrolyte membrane was produced.

1)シリカ多孔質体の作製
シリカ多孔質体の孔径を制御するための有機樹脂材料として、平均直径約200nmのポリスチレン球状粒子を使用した。
このポリスチレン球状粒子及び直径70〜100nmのコロイダルシリカを、懸濁溶液中に含まれる溶質体積が所定の膜厚になるよう混合、調製した。
1) Production of silica porous body As an organic resin material for controlling the pore diameter of the silica porous body, polystyrene spherical particles having an average diameter of about 200 nm were used.
The polystyrene spherical particles and colloidal silica having a diameter of 70 to 100 nm were mixed and prepared so that the solute volume contained in the suspension solution had a predetermined film thickness.

手順としては、まずポリスチレンの所定量を秤量し、水に添加した。その後、ポリスチレン球形微粒子の含有溶液に、コロイダルシリカの含有溶液を加えた。また、超音波攪拌して、これらの粒子を均一に分散させた懸濁溶液を得た。   As a procedure, first, a predetermined amount of polystyrene was weighed and added to water. Thereafter, the colloidal silica-containing solution was added to the polystyrene spherical fine particle-containing solution. In addition, a suspension solution in which these particles were uniformly dispersed was obtained by ultrasonic stirring.

次いで、懸濁溶液の濾過を行った。メンブレンフィルターをフィルターホルダーにセットし、手動式真空ポンプを用いて大気圧に対して大きくても10kPa以下の圧力となるように減圧し、懸濁溶液を濾過した。
懸濁溶液がすべて濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰の溶剤を、濾紙などを吸水材として用いて余剰水の除去を行ない、室温で十分乾燥させた後にメンブレンフィルターから剥離することでポリスチレン及びシリカの混合物から成る膜を得た。
The suspension solution was then filtered. The membrane filter was set in a filter holder, the pressure was reduced to a pressure of 10 kPa or less with respect to atmospheric pressure using a manual vacuum pump, and the suspension solution was filtered.
After all of the suspended solution has been filtered, the excess solvent contained in the filter-formed membrane is removed using excess water such as filter paper as a water-absorbing material, and after sufficient drying at room temperature, it is peeled off from the membrane filter. Thus, a film made of a mixture of polystyrene and silica was obtained.

この混合物膜を次のように熱処理した。まず、ポリスチレンを取り除くため、3℃/minの昇温速度で450℃まで昇温させ、その温度にて60分仮焼成を行った。また、シリカの焼結を行うため、仮焼成後800℃以上で約60分間熱処理を行った。更に、機械的強度を向上させるため、900℃以上の温度にて15分間熱処理を行い、ゆっくりと室温に戻すことで、シリカ多孔質体を得た。   This mixture film was heat-treated as follows. First, in order to remove polystyrene, the temperature was raised to 450 ° C. at a temperature raising rate of 3 ° C./min, and calcination was performed at that temperature for 60 minutes. Moreover, in order to sinter the silica, a heat treatment was performed at 800 ° C. or higher for about 60 minutes after the preliminary firing. Furthermore, in order to improve mechanical strength, heat treatment was performed at a temperature of 900 ° C. or higher for 15 minutes, and the temperature was slowly returned to room temperature, thereby obtaining a porous silica material.

2)多孔質体の球状孔内壁の修飾
まず、得られたシリカ多孔質体に対して、オートクレーブを用いて170℃で24hr水熱処理を行った。シラノール基(SiOH基)の増加はFT−IRにより確認した。
2) Modification of inner wall of spherical hole of porous body First, the obtained silica porous body was hydrothermally treated at 170 ° C. for 24 hours using an autoclave. The increase in silanol groups (SiOH groups) was confirmed by FT-IR.

次に、シリカ多孔質体の球状孔へメルカプト基(SH基)を導入した。γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(γ−Mercaptopropyltrimethoxysilane)をシランカップリング剤とした2.6%水溶液に、シリカ多孔質体を20時間浸漬させた。その後、100℃で10分間真空乾燥させた。球状孔内壁のメルカプト基の吸収をFT−IRで観察した。   Next, mercapto groups (SH groups) were introduced into the spherical pores of the porous silica material. The porous silica material was immersed in a 2.6% aqueous solution using γ-mercaptopropyltrimethoxysilane (γ-Mercaptopropyltrimethoxysilane) as a silane coupling agent for 20 hours. Then, it was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 minutes. The absorption of the mercapto group on the inner wall of the spherical hole was observed by FT-IR.

その後、10%の過酸化水素水を用いて、70℃で2hrメルカプト基を酸化させ、スルホン酸基とした。球状孔内壁のスルホン酸基の存在はESCAで観察し確認した。
以上のスルホン酸基導入工程における反応メカニズムの概略を図6に示す。
Thereafter, a 10% hydrogen peroxide solution was used to oxidize the 2 hr mercapto group at 70 ° C. to form a sulfonic acid group. The presence of sulfonic acid groups on the inner wall of the spherical hole was confirmed by observation with ESCA.
The outline of the reaction mechanism in the above sulfonic acid group introduction step is shown in FIG.

導入されたシラノール基は、FT−IRを用いて計測、確認した。図7に示すように、約3500〜3700cm−1に見られるSiOH基に由来するピークを検出することで、SiOH基の導入を確認した。
また、図8に示すように、導入されたスルホン酸基(SOH基)は、EDSスペクトルを測定することで得られるSiに対するSの元素比にて確認した。
The introduced silanol group was measured and confirmed using FT-IR. As shown in FIG. 7, introduction of SiOH groups was confirmed by detecting a peak derived from SiOH groups found at about 3500 to 3700 cm −1 .
Further, as shown in FIG. 8, the introduced sulfonic acid group (SO 3 H group) was confirmed by the element ratio of S to Si obtained by measuring the EDS spectrum.

3)炭化水素系電解質の含浸
ポリエーテルエーテルスルホンを用い、下記のような手順でスルホン化処理してポリマー電解質を得た。合成したポリマー溶液を細孔内に導入してコンポジット型電解質膜を作製した。
具体的には、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン(S−PEES)は、出発物質としてPoly(oxy−1,4−phenyleneoxy−1,4−phenylenesulfonyl−1,4−phenylene)を用い、これをスルホン化して得た。また、所定濃度に調整を行ったスルホン化ポリエーテル系電解質水溶液をシリカ多孔質体に含浸させ、水を蒸発させることによってコンポジット型電解質膜を作製した。
図9に乾燥後に得られたコンポジット膜の断面SEM像を示す。これより、シリカ多孔質体の球状孔内に電解質樹脂(S−PEES)が存在している様子が観測された。
3) Impregnation of hydrocarbon-based electrolyte Using polyetherethersulfone, sulfonation treatment was performed by the following procedure to obtain a polymer electrolyte. The synthesized polymer solution was introduced into the pores to produce a composite electrolyte membrane.
Specifically, sulfonated polyether ether sulfone (S-PEES) is sulfonated using Poly (oxy-1,4-phenylene-1,4-phenylenesulfyl-1,4-phenylene) as a starting material. I got it. In addition, a composite electrolyte membrane was prepared by impregnating a porous silica body with a sulfonated polyether electrolyte aqueous solution adjusted to a predetermined concentration and evaporating water.
FIG. 9 shows a cross-sectional SEM image of the composite film obtained after drying. From this, it was observed that the electrolyte resin (S-PEES) was present in the spherical pores of the porous silica.

また、乾燥したコンポジット型電解質膜において、中和滴定によりS−PEESを構成する単位重量あたりのスルホン酸基量を求め、イオン交換容量を算出した。
ここで、本実施例のコンポジット型電解質膜のイオン交換容量は、3.2meq/gであった。この値は、現在パーフルオロスルホン酸系電解質膜として代表的なNafion(商標:デュポン社製)と比べると3倍以上のイオン交換容量であり、スルホン酸基密度が高く、プロトン伝導性発現に対してより有利に働くものであることがわかる。
Moreover, in the dried composite electrolyte membrane, the amount of sulfonic acid groups per unit weight constituting S-PEES was determined by neutralization titration, and the ion exchange capacity was calculated.
Here, the ion exchange capacity of the composite electrolyte membrane of the present example was 3.2 meq / g. This value is more than three times the ion exchange capacity of Nafion (trademark: manufactured by DuPont), which is a typical perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, has a high sulfonic acid group density, and exhibits proton conductivity. It turns out that it works more advantageously.

(実施例2)
炭化水素系電解質の含浸工程において、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸と、N,N’−メチル−ビスアクリルアミド(架橋剤)と、アンモニウムパーオキサイドスルフェート(開始剤)とを重合して得た高分子ゲル(AMPSゲル)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を繰返して、無機・有機コンポジット膜を得た。
具体的には、上記材料を純水に溶解して得た混合溶液をシリカ多孔質体へ滴下し、真空脱気を行うことにより、シリカ多孔質体の球状孔内に混合溶液を充填させた。次いで、60℃Cで1hr加熱・重合を行うことで、ゲル電解質を含浸させた無機・有機コンポジット膜を得た。
(Example 2)
In the impregnation step of the hydrocarbon electrolyte, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, N, N'-methyl-bisacrylamide (crosslinking agent), and ammonium peroxide sulfate (initiator) are polymerized. Except for using the obtained polymer gel (AMPS gel), the same operation as in Example 1 was repeated to obtain an inorganic / organic composite film.
Specifically, a mixed solution obtained by dissolving the above materials in pure water was dropped onto the porous silica material, and vacuum degassing was performed to fill the mixed solution into the spherical pores of the porous silica material. . Subsequently, an inorganic / organic composite film impregnated with the gel electrolyte was obtained by heating and polymerization at 60 ° C. for 1 hr.

(比較例1,2)
シリカ多孔質体の球状孔内壁をスルホン酸基で修飾しなかった以外は、実施例1,2と同様の操作を繰返して、従来品の一例である電解質膜を得た。
(Comparative Examples 1 and 2)
Except that the inner wall of the spherical pore of the porous silica was not modified with a sulfonic acid group, the same operation as in Examples 1 and 2 was repeated to obtain an electrolyte membrane as an example of a conventional product.

(実施例3)
実施例1に倣い、シリカ多孔質体をマトリックスとしてその孔中に伝導性ポリマーを導入することによりプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を作製した。
(Example 3)
In accordance with Example 1, a proton conductive composite electrolyte membrane was prepared by introducing a conductive polymer into the pores using a porous silica as a matrix.

1)シリカ多孔質体の作製
シリカ多孔質体の孔径を制御するための有機樹脂材料として、平均直径約200nmのポリスチレン球状粒子を470nmのポリスチレン球状粒子と変更した以外は、実施例1に倣いシリカ多孔体を作製した。
このサイズの異なるポリスチレン球状粒子を用いて、ポリスチレン球状粒子及び直径70〜100nmのコロイダルシリカを、懸濁溶液中に含まれる溶質体積が所定の膜厚になるよう混合、調製した。
1) Preparation of a porous silica material According to Example 1, except that polystyrene spherical particles having an average diameter of about 200 nm were changed to polystyrene spherical particles of 470 nm as an organic resin material for controlling the pore diameter of the porous silica material. A porous body was produced.
Using polystyrene spherical particles having different sizes, polystyrene spherical particles and colloidal silica having a diameter of 70 to 100 nm were mixed and prepared so that the solute volume contained in the suspension solution had a predetermined film thickness.

手順としてはまずポリスチレンの所定量を秤量し、水に添加した。その後、ポリスチレン球形微粒子の含有溶液に、コロイダルシリカの含有溶液を加えた。また、超音波攪拌して、これらの粒子を均一に分散させた懸濁溶液を得た。   As a procedure, first, a predetermined amount of polystyrene was weighed and added to water. Thereafter, the colloidal silica-containing solution was added to the polystyrene spherical fine particle-containing solution. In addition, a suspension solution in which these particles were uniformly dispersed was obtained by ultrasonic stirring.

次いで、懸濁溶液の濾過を行った。メンブレンフィルターをフィルターホルダーにセットし、手動式真空ポンプを用いて大気圧に対して大きくても10kPa以下の圧力となるように減圧し、懸濁溶液を濾過した。
懸濁溶液がすべて濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰の溶剤を、濾紙などを吸水材として用いて余剰水の除去を行ない、室温で十分乾燥させた後にメンブレンフィルターから剥離することでポリスチレン及びシリカの混合物から成る膜を得た。
The suspension solution was then filtered. The membrane filter was set in a filter holder, the pressure was reduced to a pressure of 10 kPa or less with respect to atmospheric pressure using a manual vacuum pump, and the suspension solution was filtered.
After all of the suspended solution has been filtered, the excess solvent contained in the filter-formed membrane is removed using excess water such as filter paper as a water-absorbing material, and after sufficient drying at room temperature, it is peeled off from the membrane filter. Thus, a film made of a mixture of polystyrene and silica was obtained.

この混合物膜を次のように熱処理した。まず、ポリスチレンを取り除くため、3℃/minの昇温速度で450℃まで昇温させ、その温度にて60分仮焼成を行った。また、シリカの焼結を行うため、仮焼成後800℃以上で約60分間熱処理を行った。更に、機械的強度を向上させるため、900℃以上の温度にて15分間熱処理を行い、ゆっくりと室温に戻すことで、シリカ多孔質体を得た。   This mixture film was heat-treated as follows. First, in order to remove polystyrene, the temperature was raised to 450 ° C. at a temperature raising rate of 3 ° C./min, and calcination was performed at that temperature for 60 minutes. Moreover, in order to sinter the silica, a heat treatment was performed at 800 ° C. or higher for about 60 minutes after the preliminary firing. Furthermore, in order to improve mechanical strength, heat treatment was performed at a temperature of 900 ° C. or higher for 15 minutes, and the temperature was slowly returned to room temperature, thereby obtaining a porous silica material.

2)多孔質体の球状孔内壁の修飾
まず、得られたサイズの異なるそれぞれのシリカ多孔質体に対して、オートクレーブを用いて170℃で24hr水熱処理を行った。シラノール基(SiOH基)の増加は実施例1に倣いFT−IRにより確認した。
2) Modification of inner wall of spherical pore of porous body First, each of the obtained porous silica bodies having different sizes was subjected to hydrothermal treatment at 170 ° C. for 24 hours using an autoclave. The increase in silanol groups (SiOH groups) was confirmed by FT-IR following Example 1.

次に、シリカ多孔質体の球状孔へメルカプト基(SH基)を導入した。γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(γ−Mercaptopropyltrimethoxysilane)をシランカップリング剤とした2.6%水溶液に、シリカ多孔質体を20時間浸漬させた。その後、100℃で10分間真空乾燥させた。球状孔内壁のメルカプト基の吸収をFT−IRで観察した。   Next, mercapto groups (SH groups) were introduced into the spherical pores of the porous silica material. The porous silica material was immersed in a 2.6% aqueous solution using γ-mercaptopropyltrimethoxysilane (γ-Mercaptopropyltrimethoxysilane) as a silane coupling agent for 20 hours. Then, it was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 minutes. The absorption of the mercapto group on the inner wall of the spherical hole was observed by FT-IR.

その後、10%の過酸化水素水を用いて、70℃で2hrメルカプト基を酸化させ、スルホン酸基とした。球状孔内壁のスルホン酸基の存在はESCAで観察し確認した。   Thereafter, a 10% hydrogen peroxide solution was used to oxidize the 2 hr mercapto group at 70 ° C. to form a sulfonic acid group. The presence of sulfonic acid groups on the inner wall of the spherical hole was confirmed by observation with ESCA.

3)炭化水素系電解質の含浸
実施例2に倣い、ここでも炭化水素系電解質の含浸工程において、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸と、N,N’−メチル−ビスアクリルアミド(架橋剤)と、アンモニウムパーオキサイドスルフェート(開始剤)とを重合して得た高分子ゲル(AMPSゲル)を使用して、無機・有機コンポジット膜を得た。
具体的には、上記材料を純水に溶解して得た混合溶液をシリカ多孔質体へ滴下し、真空脱気を行うことにより、シリカ多孔質体の球状孔内に混合溶液を充填させた。次いで、60℃Cで1hr加熱・重合を行うことで、ゲル電解質を含浸させた無機・有機コンポジット膜を得た。
3) Impregnation of hydrocarbon-based electrolyte Following Example 2, again in the impregnation step of hydrocarbon-based electrolyte, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and N, N′-methyl-bisacrylamide (crosslinking agent) And a polymer gel (AMPS gel) obtained by polymerizing ammonium peroxide sulfate (initiator) to obtain an inorganic / organic composite film.
Specifically, a mixed solution obtained by dissolving the above materials in pure water was dropped onto the porous silica material, and vacuum degassing was performed to fill the mixed solution into the spherical pores of the porous silica material. . Subsequently, an inorganic / organic composite film impregnated with the gel electrolyte was obtained by heating and polymerization at 60 ° C. for 1 hr.

(比較例3)
比較例1,2と同様に、シリカ多孔質体の球状孔内壁をスルホン酸基で修飾しなかった以外は、実施例3と同様の操作を繰返して、従来品の一例である電解質膜を得た。
(Comparative Example 3)
As in Comparative Examples 1 and 2, the same operation as in Example 3 was repeated except that the inner wall of the spherical pore of the porous silica was not modified with a sulfonic acid group, thereby obtaining an electrolyte membrane as an example of a conventional product. It was.

(評価測定)
1)コンポジット型電解質膜へ導入されたプロトン伝導性官能基の定量
実施例1で得られたコンポジット型電解質膜について、その電解質膜に含浸された炭化水素系電解質に結合しているプロトン伝導性を担う官能基の導入量をエネルギー分散形X線分光法(EDS法)を用いて、試料の組成元素分析を実施した。なお、EDS法は、試料から出る特性X線のエネルギーを測定して、その試料の組成元素分析を行うことができる。この分析により得られるスペクトルの例を図8に示す。
(Evaluation measurement)
1) Quantification of proton-conducting functional group introduced into composite type electrolyte membrane For the composite type electrolyte membrane obtained in Example 1, the proton conductivity bound to the hydrocarbon electrolyte impregnated in the electrolyte membrane is measured. The compositional element analysis of the sample was carried out using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS method) for the amount of functional group introduced. Note that the EDS method can measure the energy of characteristic X-rays emitted from a sample and perform composition element analysis of the sample. An example of a spectrum obtained by this analysis is shown in FIG.

図8に示すように、シリカ多孔質体を構成するSi元素と炭化水素系電解質に導入された、プロトン伝導を担うスルホン酸基に由来するS元素がEDSスペクトルで検出されており、これらの検出ピークから、それぞれの元素量を感度補正により算出し、元素比S/Siを求めた。計測部位により大きく元素比は変動し、その元素比は5〜16を示した。これより、無機・有機コンポジット電解質膜への樹脂含浸を確認した。   As shown in FIG. 8, the Si element constituting the silica porous body and the S element derived from the sulfonic acid group responsible for proton conduction introduced into the hydrocarbon electrolyte are detected in the EDS spectrum. From the peak, the amount of each element was calculated by sensitivity correction, and the element ratio S / Si was obtained. The element ratio largely fluctuated depending on the measurement site, and the element ratio was 5 to 16. From this, the resin impregnation to the inorganic / organic composite electrolyte membrane was confirmed.

2)コンポジット型電解質膜のイオン伝導性評価
得られたコンポジット型電解質膜のプロトン伝導性については、所定面積の金電極で両面から試料を挟み、100Hz〜1MHzの交流波をかけて計測したインピーダンスにて評価を行った。
ここでのイオン導電率は多孔度を考慮せず、金電極と接触する面積を元に算出を行った。計測は、水蒸気分圧が飽和状態となるように温度・湿度の環境を調整して行った。
多孔質体内に固定化を行った電解質として、S−PEES樹脂を用いた実施例1についての評価結果を図10に示す。
また、同様に多孔質体内に固定化をおこなった電解質として、AMPSゲルを用いた実施例2(細孔径200nm)、実施例3(細孔径470nm)についての評価結果を図11に示す。
2) Evaluation of ion conductivity of composite electrolyte membrane The proton conductivity of the obtained composite electrolyte membrane was measured by applying an AC wave of 100 Hz to 1 MHz with a sample sandwiched between gold electrodes of a predetermined area. And evaluated.
The ionic conductivity here was calculated based on the area in contact with the gold electrode without considering the porosity. The measurement was performed by adjusting the environment of temperature and humidity so that the water vapor partial pressure was saturated.
FIG. 10 shows the evaluation results of Example 1 using S-PEES resin as the electrolyte immobilized in the porous body.
Similarly, FIG. 11 shows the evaluation results of Example 2 (pore diameter 200 nm) and Example 3 (pore diameter 470 nm) using AMPS gel as the electrolyte immobilized in the porous body.

表面のスルホン酸処理した結果、実施例1、2、3すべてにおいてイオン伝導度が向上することが明らかとなった。特に、図11に示す通り細孔径の小さい200nmの方でのイオン伝導度向上の効果が高かった。これは、電解質膜の単位体積あたりに占めるスルホン酸基量が多くなったためと考えられる。   As a result of the sulfonic acid treatment on the surface, it was revealed that the ionic conductivity was improved in all of Examples 1, 2, and 3. In particular, as shown in FIG. 11, the effect of improving the ionic conductivity at 200 nm having a smaller pore diameter was high. This is presumably because the amount of sulfonic acid groups occupying per unit volume of the electrolyte membrane increased.

3)コンポジット型電解質膜を用いた発電評価
実施例2で得られた無機・有機コンポジット型電解質膜を用いた水素・酸素燃料電池の発電特性を以下の手順で評価した。評価には、グラファイトセルFC05−01SP(Electrochem社製)を用いた。電極には、38%白金担持カーボン触媒(田中貴金属製)、グリセロール、水、Nafion(商標:デュポン社製)溶液を混合し、このインクをカーボンペーパーの上に塗布・乾燥させたものを使用した。
ここでは、インク組成を白金担持カーボン触媒1重量部に対し、グリセロール2重量部、水3重量部、5% Nafion溶液3重量部とし、各材料を混合した後、超音波攪拌することで触媒インクを得た。このインクを白金量が3mg/cmとなるようにカーボンペーパー上に塗布し、120℃で一晩乾燥させることで触媒層2付きカーボンペーパー3を作製した。
実施例2で得られた無機・有機コンポジット電解質膜1の両面をこの電極触媒塗布カーボンペーパー(2,3)で挟持するように配置することで、図12に示すような膜電極接合体(MEA)とし、上述の試験セルにこのMEAを組み付けた。
3) Power generation evaluation using composite type electrolyte membrane The power generation characteristics of the hydrogen / oxygen fuel cell using the inorganic / organic composite type electrolyte membrane obtained in Example 2 were evaluated by the following procedure. For the evaluation, a graphite cell FC05-01SP (manufactured by Electrochem) was used. For the electrode, a 38% platinum-supported carbon catalyst (Tanaka Kikinzoku), glycerol, water, and Nafion (trademark: DuPont) solution were mixed, and this ink was applied on carbon paper and dried. .
Here, the ink composition is 2 parts by weight of glycerol, 3 parts by weight of water, and 3 parts by weight of a 5% Nafion solution with respect to 1 part by weight of the platinum-supported carbon catalyst. Got. This ink was applied onto carbon paper so that the amount of platinum was 3 mg / cm 2, and dried at 120 ° C. overnight to produce carbon paper 3 with catalyst layer 2.
A membrane electrode assembly (MEA) as shown in FIG. 12 is arranged by sandwiching both surfaces of the inorganic / organic composite electrolyte membrane 1 obtained in Example 2 with the electrode catalyst-coated carbon paper (2, 3). The MEA was assembled to the test cell described above.

発電特性の評価は、温度と湿度を制御した水素及び酸素をセル内にフローし、セルの両端に位置する電極間に流れる電流値に対するセル電圧を計測することで行った。
図13に、実施例2の電解質膜を用いて組み付けたセルの発電特性を示す。
The power generation characteristics were evaluated by flowing hydrogen and oxygen with controlled temperature and humidity into the cell and measuring the cell voltage with respect to the current value flowing between the electrodes located at both ends of the cell.
FIG. 13 shows the power generation characteristics of the cell assembled using the electrolyte membrane of Example 2.

図13に示す通り、実施例2で得られた無機・有機コンポジット型電解質膜を用いたセルの発電特性は、比較例2で得られた電解質膜を用いたセルの発電特性を大きく上回ることがわかった。この発電特性の差は、両者の電解質膜に起因するイオン伝導度から推測される性能を上回ることから、表面処理がそれ以外に発電特性に対して大きく貢献していると考えている。   As shown in FIG. 13, the power generation characteristics of the cell using the inorganic / organic composite electrolyte membrane obtained in Example 2 may greatly exceed the power generation characteristics of the cell using the electrolyte membrane obtained in Comparative Example 2. all right. This difference in power generation characteristics exceeds the performance estimated from the ionic conductivity caused by both electrolyte membranes, so it is considered that the surface treatment greatly contributes to the power generation characteristics.

本発明の電解質膜の構造を模式的に示す概略図及びSEM写真である。It is the schematic and SEM photograph which show the structure of the electrolyte membrane of this invention typically. 球状孔の内径と官能器量(濃度)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the internal diameter of a spherical hole, and the amount of sensory devices (concentration). 球状孔の内径とEW値の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the internal diameter of a spherical hole, and EW value. ポリエーテル系のポリマーの一例を示す構造式である。2 is a structural formula showing an example of a polyether-based polymer. プロトン伝導性コンポジット型電解質膜の作製手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the preparation procedures of a proton conductive composite type electrolyte membrane. 無機多孔質体の球状孔内壁にプロトン供与性官能基を定着させる手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure which fixes a proton donating functional group to the spherical hole inner wall of an inorganic porous body. 無機多孔質体の球状孔内壁にプロトン供与性官能基が定着した後のIR計測例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of IR measurement after a proton-donating functional group fixed to the spherical hole inner wall of an inorganic porous body. EDSスペクトルの計測例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a measurement of an EDS spectrum. コンポジット型電解質膜の断面SEM像を示す写真である。It is a photograph which shows the cross-sectional SEM image of a composite type electrolyte membrane. S−PEES電解質を用いたコンポジット型電解質のイオン伝導性を示すグラフである。It is a graph which shows the ionic conductivity of the composite type electrolyte using S-PEES electrolyte. イオン伝導度と温度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between ion conductivity and temperature. 膜電極接合部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a membrane electrode junction part. スルホン化処理電解質膜を用いた発電試験を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation test using a sulfonated electrolyte membrane.

符号の説明Explanation of symbols

1 コンポジット電解質膜
2 触媒層
3 カーボンペーパー
1 Composite Electrolyte Membrane 2 Catalyst Layer 3 Carbon Paper

Claims (21)

複数の球状孔を有する無機多孔質体と、この球状孔内に配設されたプロトン伝導性の炭化水素系電解質を備え、
上記球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通しており、内壁面にプロトン供与性官能基を有し、
上記球状孔は最密充填構造に起因する規則配列構造を有し、且つ隣接する球状孔との間に規則的に形成された連通口を有することを特徴とするプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。
An inorganic porous body having a plurality of spherical holes, and a proton-conductive hydrocarbon electrolyte disposed in the spherical holes,
The spherical hole has an almost uniform inner diameter, the adjacent spherical holes communicate with each other, and has a proton donating functional group on the inner wall surface,
It said spherical pores have a regular arrangement structure due to the close-packed structure, and proton-conductive composite electrolyte membrane characterized by having regularly formed communicating port between the adjacent spherical pores.
上記無機多孔質体が、金属酸化物から成ることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   2. The proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 1, wherein the inorganic porous body is made of a metal oxide. 上記無機多孔質体が、無機ゾルを形成する材料より得られたことを特徴とする請求項1又は2に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   3. The proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 1, wherein the inorganic porous material is obtained from a material that forms an inorganic sol. 上記無機ゾル形成材料が、無機コロイドであることを特徴とする請求項3に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   4. The proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 3, wherein the inorganic sol-forming material is an inorganic colloid. 上記無機コロイドが、シリカ、チタニア、アルミナ、ジルコニア及びタンタルから成る群より選ばれた少なくとも1種のものを含むこと特徴とする請求項4に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   5. The proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 4, wherein the inorganic colloid includes at least one selected from the group consisting of silica, titania, alumina, zirconia and tantalum. 上記無機多孔質体が、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液より形成されたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the inorganic porous body is formed from a suspension in which polymer fine particles and an inorganic material are mixed. 上記無機多孔質体の球状孔の内径が、20〜500nmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein an inner diameter of the spherical pore of the inorganic porous body is 20 to 500 nm. 上記無機多孔質体の球状孔の内径が、20〜200nmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein an inner diameter of the spherical pore of the inorganic porous body is 20 to 200 nm. 上記無機多孔質体の球状孔の内径が、50〜150nmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein an inner diameter of the spherical pore of the inorganic porous body is 50 to 150 nm. 上記球状孔にあるプロトン供与性官能基が、ブレンステッド酸型官能基であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-conducting composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9, wherein the proton-donating functional group in the spherical pore is a Bronsted acid type functional group. 上記ブレンステッド酸型官能基が、スルホン酸基、リン酸基及びカルボン酸基から成る群より選ばれた少なくとも1種のものであることを特徴とする請求項10に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton conductive composite type according to claim 10, wherein the Bronsted acid type functional group is at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group. Electrolyte membrane. 上記プロトン供与性官能基が、該無機多孔質体の単位質量当たり0.2〜2.8mmol/gの割合で含まれることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-donating functional group is contained at a rate of 0.2 to 2.8 mmol / g per unit mass of the inorganic porous material. Proton conductive composite electrolyte membrane. 上記プロトン供与性官能基が、該無機多孔質体の単位質量当たり0.3〜1.2mmol/gの割合で含まれることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-donating functional group is contained at a rate of 0.3 to 1.2 mmol / g per unit mass of the inorganic porous body, according to any one of claims 1 to 11. Proton conductive composite electrolyte membrane. 上記無機多孔質体のEquivalent Weight(EW)値(プロトン供与性官能基1当量あたりの乾燥時無機多孔質体重量)が、350〜3600g/eqであることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The Equivalent Weight (EW) value (dry inorganic porous material weight per equivalent of proton-donating functional group) of the inorganic porous material is 350 to 3600 g / eq. The proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of the items. 上記無機多孔質体のEquivalent Weight(EW)値(プロトン供与性官能基1当量あたりの乾燥時無機多孔質体重量)が、890〜2700g/eqであることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The Equivalent Weight (EW) value (dry inorganic porous body weight per equivalent of proton donating functional group) of the inorganic porous body is 890 to 2700 g / eq. The proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of the items. 上記炭化水素系電解質が、炭化水素系樹脂にプロトン伝導性を発現する官能基を付与して成ることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-conducting composite electrolyte according to any one of claims 1 to 15, wherein the hydrocarbon-based electrolyte is formed by adding a functional group that exhibits proton conductivity to a hydrocarbon-based resin. film. 上記炭化水素系電解質が、少なくとも1meq/g〜6meq/g のイオン交換容量を有することを特徴とする請求項1〜16のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-conducting composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 16, wherein the hydrocarbon-based electrolyte has an ion exchange capacity of at least 1 meq / g to 6 meq / g. 上記炭化水素系電解質が、ポリエーテル系のポリマーからなることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 17, wherein the hydrocarbon electrolyte is made of a polyether polymer. 上記炭化水素系電解質が、ポリマーがポリエーテルエーテルスルホンであることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。   The proton-conducting composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 18, wherein the hydrocarbon-based electrolyte is a polyether ether sulfone. 請求項1〜19のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造するに当たり、
1.無機ゾルと球状有機樹脂を溶媒を用いて混合する工程、
2.この混合溶液を攪拌して懸濁液とする工程、
3.この懸濁液を濾過して製膜する工程、
4.濾過成形膜の余剰水分を除去する工程、
5.濾過成形膜を乾燥する工程、
6.濾過成形膜を加熱焼成して無機多孔質体を得る工程、
7.この無機多孔質体の球状孔の内壁面にプロトン供与性官能基を導入する工程、
8.このプロトン供与性官能基を定着させる工程、
9.無機多孔質体の球状孔に炭化水素系電解質を含浸させる工程、
10.乾燥し、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を形成する工程、
を行うことを特徴とするプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法。
In producing the proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 19,
1. Mixing an inorganic sol and a spherical organic resin using a solvent;
2. A step of stirring the mixed solution to form a suspension;
3. Filtering the suspension to form a membrane,
4). Removing excess water from the filtration molded membrane;
5. A step of drying the filtration molded membrane,
6). A step of heating and baking the filtration molded membrane to obtain an inorganic porous body,
7). Introducing a proton-donating functional group into the inner wall surface of the spherical pore of the inorganic porous body;
8). Fixing the proton-donating functional group;
9. Impregnating the spherical pores of the inorganic porous body with a hydrocarbon-based electrolyte;
10. Drying and forming a proton conductive composite electrolyte membrane,
A method for producing a proton-conductive composite electrolyte membrane, comprising:
請求項1〜19のいずれか1つの項に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池。A fuel cell using the proton conductive composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 19.
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