JP5045503B2 - Proton conducting membrane - Google Patents

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Description

本発明は、プロトン伝導膜に関し、さらに詳しくは、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜として好適なプロトン伝導膜に関する。   The present invention relates to a proton conducting membrane, and more specifically, various types such as a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. The present invention relates to a proton conductive membrane suitable as an electrolyte membrane used in an electrochemical device.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一面側にカソード電極、他面側にアノード電極が設けられた膜電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)を備え、MEAの両面を一対の伝導性セパレータで挟んだ単セルが複数枚積層された構造をしている。それぞれのセパレータには、反応ガスが通る流路が形成されている。カソード電極に対向するセパレータの流路には酸化剤ガス(空気)が供給され、アノード電極に対向するセパレータの流路には水素を含む燃料ガスが供給され、酸素と水素との電気化学反応により発電電流が取り出される。また、同時にカソード電極では水が生成され、生成した過剰な水は、セパレータの流路を通って外部に排出される。   A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which a cathode electrode is provided on one side of a solid polymer electrolyte membrane and an anode electrode is provided on the other side. A plurality of single cells sandwiched between conductive separators are stacked. Each separator is formed with a flow path through which the reaction gas passes. An oxidant gas (air) is supplied to the flow path of the separator facing the cathode electrode, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the flow path of the separator facing the anode electrode, and an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen occurs. The generated current is taken out. At the same time, water is generated at the cathode electrode, and the generated excess water is discharged outside through the flow path of the separator.

この種の燃料電池に搭載される電解質膜は、乾燥するとイオン交換膜としての機能が低下するため、反応ガスを燃料電池に送り込む前に、加湿装置で加湿することが行われている。しかし、反応ガスを加湿するための加湿装置を設けると、水を加熱するためのヒータなどの熱源が必要であったり、また加湿時の温度を燃料電池の作動温度となるように厳密に制御する必要があるなど、システム構成が煩雑になる。よって、これらのシステムを排除できれば、電池としての効率を大きく向上できる。   When an electrolyte membrane mounted on this type of fuel cell is dried, its function as an ion exchange membrane is lowered. Therefore, the electrolyte membrane is humidified by a humidifier before the reaction gas is sent to the fuel cell. However, if a humidifier for humidifying the reaction gas is provided, a heat source such as a heater for heating water is required, or the humidifying temperature is strictly controlled so as to be the operating temperature of the fuel cell. The system configuration becomes complicated because it is necessary. Therefore, if these systems can be eliminated, the efficiency of the battery can be greatly improved.

一方、低加湿で高いプロトン伝導性を示す電解質膜として、低EW(当量重量: Equivalent Weight)タイプの電解質膜が提案されている。しかしながら、低EWタイプの電解質膜のほとんどは、含水率が大きく、水中では著しく膨潤してしまい、電池作動中に破れ易いという問題があった。   On the other hand, a low EW (equivalent weight) type electrolyte membrane has been proposed as an electrolyte membrane exhibiting high proton conductivity with low humidification. However, most of the low EW type electrolyte membranes have a high water content, swell significantly in water, and are easily broken during battery operation.

そこでこの問題を解決するために従来から、種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、ポリスチレンを鋳型に用いて細孔径500nm、気孔率74%のシリカ多孔膜を作製し、シリカ多孔膜の細孔表面にスルホン酸基を導入し、細孔内に2−エチルイミダゾリウムトリフレート(2EtHImTf)を含浸させたイオン伝導体が開示されている。
同文献には、スルホン酸基で表面修飾したシリカ多孔質膜にイオン液体を含浸させると、イオン液体単独よりもイオン伝導度が向上する点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have conventionally been made.
For example, in Patent Document 1, a silica porous membrane having a pore diameter of 500 nm and a porosity of 74% is prepared using polystyrene as a template, and a sulfonic acid group is introduced into the pore surface of the silica porous membrane. An ionic conductor impregnated with ethyl imidazolium triflate (2EtHImTf) is disclosed.
This document describes that impregnation of a porous silica membrane whose surface is modified with a sulfonic acid group is improved in ionic conductivity as compared with ionic liquid alone.

また、特許文献2には、ポリスチレンを鋳型に用いて細孔径500nmのシリカ多孔膜を作製し、細孔内にテトラフルオロホウ酸1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMIBF4)を含浸させたイオン伝導体が開示されている。
同文献には、シリカ多孔膜にイオン液体を含浸させると、イオン液体単独及びポリイミドにイオン液体を含浸させたイオン伝導体のいずれよりもイオン伝導度が向上する点が記載されている。
In Patent Document 2, a porous silica film having a pore diameter of 500 nm was prepared using polystyrene as a template, and impregnated with 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ) in the pores. An ionic conductor is disclosed.
This document describes that when a porous silica membrane is impregnated with an ionic liquid, the ionic conductivity is improved over both the ionic liquid alone and the ionic conductor obtained by impregnating polyimide with an ionic liquid.

特開2007−311311号公報JP 2007-311311 A 特開2007−035301号公報JP 2007-035301 A

イオン液体は、100℃以上でも耐久性があり、高いプロトン伝導度を示す。このようなイオン液体をシリカ多孔質膜に含浸させると、中温域で使用することが可能な自立したプロトン伝導膜が得られる。
ここで、多孔膜にイオン液体のような電解質を充填する場合、一般に、細孔径が大きくなるほど、電解質が流出しやすくなる。また、細孔径の増大は、多孔膜の強度低下の原因となる。従って、多孔膜の細孔径は、細孔内への電解質の充填及び細孔内でのプロトン伝導が可能である限りにおいて、小さいほど良い。
しかしながら、ポリスチレンを鋳型に用いたシリカ多孔膜は、細孔径がポリスチレン粒子の粒径によって決まるため、相対的に大きな細孔径(500nm程度)を持つ多孔膜しか得られない。そのため、従来の方法により得られる複合膜は、細孔内からイオン液体が流出したり、膜強度が低下するおそれがある。
The ionic liquid is durable even at 100 ° C. or higher and exhibits high proton conductivity. When the porous silica membrane is impregnated with such an ionic liquid, a self-supporting proton conducting membrane that can be used in an intermediate temperature range is obtained.
Here, when the porous membrane is filled with an electrolyte such as an ionic liquid, in general, the larger the pore diameter, the easier the electrolyte flows out. Moreover, the increase in the pore diameter causes a decrease in the strength of the porous film. Therefore, the smaller the pore diameter of the porous membrane, the better as long as the electrolyte can be filled in the pore and the proton conduction in the pore can be achieved.
However, a porous silica film using polystyrene as a mold can only obtain a porous film having a relatively large pore diameter (about 500 nm) because the pore diameter is determined by the particle diameter of the polystyrene particles. Therefore, in the composite membrane obtained by the conventional method, the ionic liquid may flow out from the pores or the membrane strength may be reduced.

また、膜内のプロトン伝導抵抗を小さくするためには、プロトン伝導経路は短いほど良い。しかしながら、ポリスチレンを鋳型に用いたシリカ多孔膜内の細孔は、球状の細孔が細い通路を介して連通している形状を有している。そのため、直線的に進むプロトンだけでなく、周囲の球体部分に発散するものも有り、プロトン伝導経路に無駄がある。
さらに、従来の電解質膜を用いてMEAを作製するには、自立膜を作製する工程と、膜と電極とを接合する工程の2工程が必要となる。このような2工程の製造プロセスは、電極・電解質膜の密着性を低下させたり、あるいは、製造コストを増大させる原因となる場合がある。
In addition, in order to reduce the proton conduction resistance in the membrane, the shorter the proton conduction path, the better. However, the pores in the porous silica membrane using polystyrene as a mold have a shape in which spherical pores communicate with each other through a narrow passage. For this reason, not only protons that travel linearly, but also those that diverge to the surrounding spheres, and there is a waste in the proton conduction path.
Furthermore, in order to produce an MEA using a conventional electrolyte membrane, two steps are necessary: a step of producing a self-supporting membrane and a step of joining the membrane and an electrode. Such a two-step manufacturing process may decrease the adhesion between the electrode and the electrolyte membrane, or may increase the manufacturing cost.

本発明が解決しようとする課題は、細孔内から電解質が流出するおそれが無く、強度が高く、しかもプロトン伝導性に優れたプロトン伝導膜を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、中温域で高いプロトン伝導度を示すプロトン伝導膜を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、電極・電解質膜の密着性が高く、製造コストを低減することが可能なプロトン伝導膜を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a proton conductive membrane that has no risk of electrolyte flowing out from the pores, has high strength, and is excellent in proton conductivity.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a proton conducting membrane that exhibits high proton conductivity in the middle temperature range.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a proton conducting membrane that has high electrode / electrolyte membrane adhesion and can reduce manufacturing costs.

上記課題を解決するために本発明に係るプロトン伝導膜は、
平均細孔径が1nm以上20nm未満である無機多孔膜と、
前記無機多孔膜の前記細孔内に充填された電解質と
を備え、
前記無機多孔膜は、界面活性剤を鋳型として、金属酸化物の前駆体を自己組織化させ、前記界面活性剤を除去することにより得られる直線的な細孔構造を持つ
とを要旨とする。
In order to solve the above problems, the proton conducting membrane according to the present invention is:
An inorganic porous membrane having an average pore diameter of 1 nm or more and less than 20 nm ;
E Bei and an electrolyte filled in the pores of the inorganic porous membrane,
The inorganic porous membrane has a linear pore structure obtained by self-organizing a metal oxide precursor using a surfactant as a template and removing the surfactant.
And this is the gist.

本発明に係るプロトン伝導膜は、無機多孔膜の平均細孔径が1〜20nmであるので、電解質の流出のおそれが少なく、強度も高い。また、凹凸の少ない細孔形状を有しているので、プロトン伝導抵抗が相対的に低い。さらに、細孔内に含浸させる電解質としてイオン液体を用いると、中温域で高いプロトン伝導度を示すプロトン伝導膜が得られる。
このようなプロトン伝導膜は、電極板上にゾル溶液をコートして成膜することが可能であるので、電極・電解質膜の密着性が高い。また、プロトン伝導膜の反対面の表面は、極めて平滑であるため、反対面に形成される電極と電解質膜との密着性も高い。
In the proton conducting membrane according to the present invention, since the average pore diameter of the inorganic porous membrane is 1 to 20 nm, there is little risk of electrolyte leakage and the strength is high. Moreover, since it has a pore shape with few irregularities, the proton conduction resistance is relatively low. Furthermore, when an ionic liquid is used as the electrolyte impregnated in the pores, a proton conducting membrane exhibiting high proton conductivity in the middle temperature range can be obtained.
Such a proton conductive membrane can be formed by coating a sol solution on the electrode plate, and therefore has high adhesion between the electrode and the electrolyte membrane. Moreover, since the surface of the opposite surface of the proton conducting membrane is extremely smooth, the adhesion between the electrode formed on the opposite surface and the electrolyte membrane is high.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. プロトン伝導膜]
本発明に係るプロトン伝導膜は、無機多孔膜と、電解質とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Proton conducting membrane]
The proton conducting membrane according to the present invention includes an inorganic porous membrane and an electrolyte.

[1.1 無機多孔膜]
本発明において、無機多孔膜は、平均細孔径が1〜20nmであるものからなる。
平均細孔径が小さくなりすぎると、電解質の充填が困難となる。従って、平均細孔径は、1nm以上が好ましい。
一方、平均細孔径が大きくなりすぎると、電解質の保持性が低下し、あるいは、無機多孔膜の強度が低下する。従って、平均細孔径は、20nm以下が好ましい。
[1.1 Inorganic porous membrane]
In the present invention, the inorganic porous membrane is one having an average pore diameter of 1 to 20 nm.
When the average pore diameter becomes too small, it becomes difficult to fill the electrolyte. Therefore, the average pore diameter is preferably 1 nm or more.
On the other hand, if the average pore diameter is too large, the electrolyte retention is reduced, or the strength of the inorganic porous membrane is reduced. Therefore, the average pore diameter is preferably 20 nm or less.

無機多孔膜は、後述するように、界面活性剤を鋳型として、金属酸化物の前駆体(例えば、アルコキシド)を自己組織化させ、界面活性剤を除去することにより得られる。ポリスチレンビーズを鋳型に用いた場合、相対的に内径の大きな細孔が相対的に内径の小さなトンネルで結合している細孔構造となる。これに対し、界面活性剤を鋳型に用いると、実質的に凹凸の少ない直線的な細孔構造(直径の20%以下の凹凸を持つ構造)となる。
使用する界面活性剤の種類や製造条件を最適化すると、細孔の全部又は一部が規則配列し、直線的な細孔構造を有するプロトン伝導経路が形成される。
例えば、カチオン系界面活性剤を用いた場合、細孔構造がキュービック構造、3d−ヘキサゴナル構造、又は2−ヘキサゴナル構造である無機多孔膜が得られる。また、ノニオン系界面活性剤を用いた場合、細孔構造が2d−ヘキサゴナル構造である無機多孔膜が得られる。さらに、アニオン系界面活性剤を用いた場合には、細孔構造がキュービック構造、3d−ヘキサゴナル構造、又は2-ヘキサゴナル構造である無機多孔膜が得られる。
As described later, the inorganic porous membrane is obtained by self-organizing a metal oxide precursor (for example, alkoxide) using a surfactant as a template and removing the surfactant. When polystyrene beads are used as a template, a pore structure is formed in which pores having a relatively large inner diameter are connected by a tunnel having a relatively small inner diameter. On the other hand, when a surfactant is used as a template, a linear pore structure (a structure having unevenness of 20% or less of the diameter) with substantially less unevenness is obtained.
When the type of surfactant to be used and the production conditions are optimized, all or part of the pores are regularly arranged to form a proton conduction path having a linear pore structure.
For example, when a cationic surfactant is used, an inorganic porous film having a cubic structure, a 3d-hexagonal structure, or a 2-hexagonal structure is obtained. Further, when a nonionic surfactant is used, an inorganic porous film having a pore structure of 2d-hexagonal structure is obtained. Further, when an anionic surfactant is used, an inorganic porous film having a cubic structure, a 3d-hexagonal structure, or a 2-hexagonal structure is obtained.

無機多孔膜は、金属酸化物を主成分とする。金属酸化物は、上述した細孔径及び細孔形状を有する多孔膜を比較的容易に得ることができる。
無機多孔膜を構成する金属酸化物としては、具体的には、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニアなどがある。無機多孔膜は、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上からなる複合体でも良い。
The inorganic porous film contains a metal oxide as a main component. With the metal oxide, a porous film having the above-described pore diameter and pore shape can be obtained relatively easily.
Specific examples of the metal oxide constituting the inorganic porous film include alumina, silica, titania, zirconia, and the like. The inorganic porous film may be composed of any one of these, or may be a composite composed of two or more.

無機多孔膜は、細孔壁にプロトン供与性官能基が修飾されていても良い。細孔壁をプロトン供与性官能基で修飾すると、無機壁による抵抗分を相殺できるので、膜全体のプロトン伝導度が向上する場合がある。
プロトン供与性官能基としては、具体的には、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基などがある。細孔壁は、これらのいずれか1種で修飾されていても良く、あるいは、2種以上で修飾されていても良い。
The inorganic porous membrane may have a proton donating functional group modified on the pore wall. If the pore wall is modified with a proton-donating functional group, the resistance due to the inorganic wall can be offset, so that the proton conductivity of the entire membrane may be improved.
Specific examples of the proton-donating functional group include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group. The pore wall may be modified with any one of these, or may be modified with two or more.

[1.2 電解質]
本発明において、細孔内に充填される電解質の種類は、特に限定されるものではなく、種々の電解質を用いることができる。電解質としては、具体的には、固体高分子電解質、イオン液体などがある。細孔内には、これらのいずれか1種が充填されていても良く、あるいは、2種以上が充填されていても良い。
[1.2 Electrolyte]
In the present invention, the type of electrolyte filled in the pores is not particularly limited, and various electrolytes can be used. Specific examples of the electrolyte include a solid polymer electrolyte and an ionic liquid. The pores may be filled with any one of these, or may be filled with two or more.

固体高分子電解質としては、具体的には、
(1)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテル等、又は、これらの誘導体(脂肪族炭化水素系電解質)、
(2)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、又は、これらの誘導体(部分芳香族炭化水素系電解質)、
(3)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等、又は、これらの誘導体(全芳香族炭化水素系電解質)、
(4)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、又は、これらの誘導体(部分フッ素系電解質)、
(5)デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成(株)製アシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)製フレミオン(登録商標)等、又は、これらの誘導体(全フッ素系電解質)、
などがある。
Specifically, as a solid polymer electrolyte,
(1) Polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc. in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, or derivatives thereof (aliphatic carbonization) Hydrogen electrolyte),
(2) Polystyrene having an acid group such as a sulfonic acid group introduced into any of the polymer chains, polyamide having an aromatic ring, polyamideimide, polyimide, polyester, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polycarbonate, or the like, or , Derivatives thereof (partial aromatic hydrocarbon electrolytes),
(3) Polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyetherimide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, Polyamide, polyamideimide, polyester, polyphenylene sulfide, etc., or their derivatives (fully aromatic hydrocarbon electrolytes),
(4) Polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, etc. in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, or derivatives thereof (parts) Fluorine electrolyte),
(5) Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., or their derivatives (perfluorinated electrolytes),
and so on.

イオン液体は、カチオンとアニオンとがイオン結合しているものからなる。カチオンとアニオンの組み合わせは、特に限定されるものではなく、種々のカチオン及びアニオンを組み合わせることによって、種々のイオン液体となる。   An ionic liquid consists of what a cation and an anion have ion-bonded. The combination of a cation and an anion is not specifically limited, It becomes various ionic liquids by combining various cations and anions.

カチオンとしては、具体的には、
(1) 2−エチルイミダゾリウム、3−プロピルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1,3−ジメチルイミダゾリウムなどのイミダゾリウム、
(2) ジエチルメチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、シクロヘキシルトリメチルアンモニウム、メチルトリ−n−オクチルアンモニウム、トリエチル(2−メトキシエトキシメチル)アンモニウム、ベンジルジメチルテトラデシルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウムなどのアンモニウム、
(3) ピロリジニウム、ピリジニウム、ホスホニウム、スルホニウム
などがある。
Specifically, as the cation,
(1) Imidazolium such as 2-ethylimidazolium, 3-propylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1,3-dimethylimidazolium,
(2) ammonium such as diethylmethylammonium, tetrabutylammonium, cyclohexyltrimethylammonium, methyltri-n-octylammonium, triethyl (2-methoxyethoxymethyl) ammonium, benzyldimethyltetradecylammonium, benzyltrimethylammonium,
(3) There are pyrrolidinium, pyridinium, phosphonium, sulfonium and the like.

アニオンとしては、具体的には、
(1) Cl-、Br-、I-などのハロゲン類、
(2) HSO4 -、MeSO4 -、CF3SO3 -、C25SO4 -、C613SO4 -、C49SO4 -、C817SO4 -、C64SO3 -などのスルフェート類及びスルホン酸類、
(3) (CN)2-、[N(CF3)2]-、[N(SO2CF3)2]-などのアミド類及びイミド類、
(4) [HC(SO2CF3)2]-、C(SO2CF3)3 -などのメタン類、
(5) BF4 -、B(CN)4 -、(a)〜(e)式に示す化合物などのホウ酸塩類、
(6) (C25)2P(O)O-、PF6 -、(C37)3PF3 -、(f)式に示す化合物などのリン酸塩類、及び、SbF6 -などのアンチモン類、
(7) C1021COO-、CF3COO-、Co(CO)4 -
などがある。
これらの中でも、カチオン成分がイミダゾリウム又はアンモニウムであるものは、耐熱性が高く、かつ、高いプロトン伝導度を示すので、細孔内に充填するイオン液体として特に好適である。
Specifically, as an anion,
(1) Halogens such as Cl , Br and I ,
(2) HSO 4 , MeSO 4 , CF 3 SO 3 , C 2 H 5 SO 4 , C 6 H 13 SO 4 , C 4 H 9 SO 4 , C 8 H 17 SO 4 , C 6 H 4 SO 3 - sulfates such as and sulfonic acids,
(3) Amides and imides such as (CN) 2 N , [N (CF 3 ) 2 ] , [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] ,
(4) [HC (SO 2 CF 3) 2] -, C (SO 2 CF 3) 3 - methanes such as,
(5) BF 4 , B (CN) 4 , borate salts such as compounds represented by the formulas (a) to (e),
(6) Phosphate such as (C 2 F 5 ) 2 P (O) O , PF 6 , (C 3 F 7 ) 3 PF 3 , the compound represented by formula (f), and SbF 6 Antimony such as
(7) C 10 H 21 COO , CF 3 COO , Co (CO) 4
and so on.
Among these, those in which the cation component is imidazolium or ammonium have high heat resistance and high proton conductivity, and are particularly suitable as an ionic liquid filled in the pores.

Figure 0005045503
Figure 0005045503

イオン液体は、通常、カチオン成分とアニオン成分とがイオン結合した状態になっている。このようなイオン液体を無機多孔膜の細孔内に導入した場合において、細孔壁がプロトン供与性官能基で修飾されているときには、イオン液体を細孔内に導入した後、アニオン成分の全部又は一部を除去することができる。イオンバランスは、プロトン供与性官能基のプロトンとカチオン成分とがイオン交換することによって保たれる。   The ionic liquid is usually in a state in which a cation component and an anion component are ionically bonded. When such an ionic liquid is introduced into the pores of the inorganic porous membrane, when the pore walls are modified with proton donating functional groups, after introducing the ionic liquid into the pores, all of the anionic components Or a part can be removed. The ion balance is maintained by ion exchange between the proton of the proton donating functional group and the cation component.

細孔内への電解質の充填量は、目的に応じて最適な充填量を選択する。一般に、細孔内への電解質の充填量が多くなるほど、高いプロトン伝導度が得られる。   The optimum filling amount of electrolyte in the pores is selected according to the purpose. In general, the higher the electrolyte filling amount in the pores, the higher the proton conductivity.

[2. プロトン伝導膜の製造方法]
本発明に係るプロトン伝導膜は、種々の方法により製造することができる。以下にその一例を示す。
本発明に係るプロトン伝導膜の製造方法は、無機多孔膜を製造する第1工程と、無機多孔膜に電解質を含浸させる第2工程とを備えている。
[2. Proton Conductive Membrane Manufacturing Method]
The proton conducting membrane according to the present invention can be produced by various methods. An example is shown below.
The method for producing a proton conductive membrane according to the present invention includes a first step for producing an inorganic porous membrane and a second step for impregnating the inorganic porous membrane with an electrolyte.

[2.1 第1工程]
まず、上述した条件を満たす無機多孔膜を製造する。無機多孔膜は、具体的には、金属酸化物源を部分重合させ(部分重合工程)、これと界面活性剤とを混合して複合体を形成し(複合体形成工程)、複合体を含む溶液を基板表面に塗布して乾燥させる(薄膜形成工程)ことにより得られる。また、薄膜を形成した後、細孔の内壁に、プロトン供与性官能基を導入することもできる(プロトン供与性官能基導入工程)。
なお、プロトン供与性官能基の導入や細孔内への電解質の導入は、薄膜から界面活性剤を除去した後に行うのが好ましいが、界面活性剤の除去前に行っても良い。
[2.1 First step]
First, an inorganic porous film that satisfies the above-described conditions is manufactured. Specifically, the inorganic porous membrane is obtained by partially polymerizing a metal oxide source (partial polymerization step), mixing this with a surfactant to form a complex (complex formation step), and including the complex. It is obtained by applying the solution to the substrate surface and drying it (thin film forming step). Moreover, after forming a thin film, a proton donating functional group can also be introduce | transduced into the inner wall of a pore (proton donating functional group introduction process).
The introduction of the proton-donating functional group and the introduction of the electrolyte into the pores are preferably performed after removing the surfactant from the thin film, but may be performed before removing the surfactant.

[2.1.1 部分重合工程]
部分重合工程は、金属酸化物源を酸性溶媒中で反応させ、金属酸化物源の部分重合体を含む溶液を得る工程である。
金属酸化物源として1種類の金属元素を含む1種又は2種以上の化合物を用いた場合、1種類の金属元素を含む金属酸化物からなる無機多孔膜が得られる。一方、金属酸化物源として2種以上の金属元素を含む2種以上の化合物を用いた場合、2種以上の金属元素を含む金属酸化物からなる無機多孔膜が得られる。いずれの場合においても、部分重合体を得るためには、金属酸化物源には、アルコキシドを用いるのが好ましい。
[2.1.1 Partial polymerization step]
The partial polymerization step is a step of obtaining a solution containing the partial polymer of the metal oxide source by reacting the metal oxide source in an acidic solvent.
When one or more compounds containing one type of metal element are used as the metal oxide source, an inorganic porous film made of a metal oxide containing one type of metal element can be obtained. On the other hand, when two or more compounds containing two or more metal elements are used as the metal oxide source, an inorganic porous film made of a metal oxide containing two or more metal elements can be obtained. In any case, in order to obtain a partial polymer, it is preferable to use an alkoxide as the metal oxide source.

例えば、シリカ源には、次の(1)式で表されるシリコンアルコキシドを用いるのが好ましい。
(4-a)−Si−(O−R)a ・・・(1)
但し、Rは、炭化水素基。Aは、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、又は、炭化水素基。aは、1〜4の整数。
炭化水素基Rは、鎖式、還式、脂還式のいずれであっても良い。炭化水素基Rは、炭素数1〜5の鎖式アルキル基が好ましく、特に、メチル基又はエチル基が好ましい。
また、Aが炭化水素基である場合、炭化水素基Aは、炭素数が1〜10のアルキル基、炭素数が1〜10のアルケニル基、フェニル基、置換フェニル基などが好ましい。
For example, it is preferable to use a silicon alkoxide represented by the following formula (1) as the silica source.
A (4-a) -Si- (OR) a (1)
However, R is a hydrocarbon group. A is a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a hydrocarbon group. a is an integer of 1 to 4.
The hydrocarbon group R may be any of a chain type, a return type, and a fat return type. The hydrocarbon group R is preferably a chain alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group or an ethyl group.
When A is a hydrocarbon group, the hydrocarbon group A is preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkenyl group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, a substituted phenyl group, or the like.

シリコンアルコキシドとしては、具体的には、
(1) 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、ジメトキシジエトキシシラン等のテトラアルコキシシラン、
(2) トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシ−3−グリシドキシプロピルシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン、
(3) ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等のジアルコキシシラン、
などがある。
これらの中でも、テトラメトキシシラン(Si(OCH3)4)、及び、テトラエトキシシラン(Si(OC25)4)は、結晶性の良好なシリカ多孔膜が得られるので、シリカ源として特に好適である。
As silicon alkoxide, specifically,
(1) Tetraalkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane,
(2) Trimethoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, triethoxy-3-glycidoxypropylsilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, etc. Trialkoxysilane,
(3) dialkoxysilanes such as dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, and dimethoxymethylphenylsilane;
and so on.
Among these, tetramethoxysilane (Si (OCH 3 ) 4 ) and tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) are particularly useful as silica sources because a silica porous film with good crystallinity can be obtained. Is preferred.

シリカ源以外の金属酸化物源としては、具体的には、
(1) アルミニウムブトキシド(Al(OC))、アルミニウムエトキシド(Al(OC))、アルミニウムイソプロポキシド(Al(OC))等のAlを含むアルコキシド、
(2) チタンイソプロポキシド(Ti(Oi−C))、チタンブトキシド(Ti(OC))、チタンエトキシド(Ti(OC))等のTiを含むアルコキシド、
(3) ジルコニウムイソプロポキシド(Zr(Oi−C))、ジルコニウムブトキシド(Zr(OC))、ジルコニウムエトキシド(Zr(OC))等のZrを含むアルコキシド、
などがある。
Specifically, as a metal oxide source other than the silica source,
(1) Al-containing alkoxides such as aluminum butoxide (Al (OC 4 H 9 ) 3 ), aluminum ethoxide (Al (OC 2 H 5 ) 3 ), aluminum isopropoxide (Al (OC 3 H 7 ) 3 ) ,
(2) Ti such as titanium isopropoxide (Ti (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), titanium butoxide (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ), titanium ethoxide (Ti (OC 2 H 5 ) 4 ), etc. Containing alkoxide,
(3) Zr such as zirconium isopropoxide (Zr (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), zirconium butoxide (Zr (OC 4 H 9 ) 4 ), zirconium ethoxide (Zr (OC 2 H 5 ) 4 ) Containing alkoxide,
and so on.

上述した金属酸化物源を所定の比率で配合した後、酸性条件下で加水分解及び重縮合させると、金属酸化物源の部分重合体が得られる。
アルコキシドを含む溶液(水溶液、アルコール溶液など)に酸を加えると、アルコキシル基(−OR)の全部又は一部が加水分解して水酸基(−OH)となり、水酸基部分が縮合して高分子量化する。部分重合体において、アルコキシル基及び/又は水酸基の一部は、未反応のまま残存している。
酸には、塩酸、硝酸、ホウ酸、臭素酸、フッ素酸、硫酸、リン酸などを用いることができる。これらの酸は、適当な溶媒(例えば、水、アルコールなど)で希釈して用いる。
溶液のpH、反応温度、反応時間等は、金属酸化物源の種類、配合比等に応じて最適なものを選択する。例えば、シリコンアルコキシドの場合、pHが低くなるほど、加水分解及び重縮合を促進させることができる。また、反応温度は、15〜25℃が好ましく、反応時間は、30〜90分が好ましい。
When the metal oxide source described above is blended at a predetermined ratio and then hydrolyzed and polycondensed under acidic conditions, a partial polymer of the metal oxide source is obtained.
When an acid is added to a solution containing an alkoxide (aqueous solution, alcohol solution, etc.), all or part of the alkoxyl group (—OR) is hydrolyzed to a hydroxyl group (—OH), and the hydroxyl group is condensed to increase the molecular weight. . In the partial polymer, some alkoxyl groups and / or hydroxyl groups remain unreacted.
As the acid, hydrochloric acid, nitric acid, boric acid, bromic acid, fluorine acid, sulfuric acid, phosphoric acid and the like can be used. These acids are used after being diluted with a suitable solvent (for example, water, alcohol, etc.).
The optimum pH, reaction temperature, reaction time, etc. of the solution are selected according to the type of metal oxide source, the mixing ratio, and the like. For example, in the case of silicon alkoxide, hydrolysis and polycondensation can be promoted as the pH decreases. The reaction temperature is preferably 15 to 25 ° C., and the reaction time is preferably 30 to 90 minutes.

[2.1.2 複合体形成工程]
複合体形成工程は、部分重合体を含む溶液に界面活性剤を加え、界面活性剤のミセルの周囲に部分重合体が吸着した複合体を含む溶液を得る工程である。
部分重合体を含む溶液に界面活性剤を添加すると、界面活性剤は、溶液中でミセルを形成する。このミセルが超分子鋳型となり、その周囲に部分重合体が吸着することによって複合体となる。ミセルの内部には部分重合体が入り込まないため、ミセルの内部は、最終的には細孔部分となる。従って、界面活性剤の分子鎖長を制御することにより、薄膜内部の細孔径を制御することができる。
[2.1.2 Complex formation step]
The complex forming step is a step of adding a surfactant to a solution containing a partial polymer to obtain a solution containing a complex in which the partial polymer is adsorbed around the micelle of the surfactant.
When a surfactant is added to the solution containing the partial polymer, the surfactant forms micelles in the solution. This micelle becomes a supramolecular template, and a complex is formed by adsorbing a partial polymer around it. Since the partial polymer does not enter the interior of the micelle, the interior of the micelle eventually becomes a pore portion. Therefore, the pore diameter in the thin film can be controlled by controlling the molecular chain length of the surfactant.

界面活性剤は、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、又は、ノニオン系界面活性剤のいずれであっても良い。使用する界面活性剤の種類に応じて、膜化したときの細孔構造を変化させることができる。   The surfactant may be any of a cationic surfactant, an anionic surfactant, or a nonionic surfactant. Depending on the type of surfactant to be used, the pore structure when the film is formed can be changed.

カチオン系界面活性剤としては、具体的には、次の(2)式で表されるアルキル4級アンモニウム塩などがある。
CH3−(CH2)n−N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(2)
(2)式中、R1、R2、R3は、それぞれ、炭素数が1〜3のアルキル基を表す。R1、R2、及び、R3は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。アルキル4級アンモニウム塩同士の凝集(ミセルの形成)を容易化するためには、R1、R2、及び、R3は、すべて同一であることが好ましい。さらに、R1、R2、及び、R3の少なくとも1つは、メチル基が好ましく、すべてがメチル基であることが好ましい。
(2)式中、Xはハロゲン原子を表す。ハロゲン原子の種類は特に限定されないが、入手の容易さからXは、Cl又はBrが好ましい。
(2)式中、nは7〜21の整数を表す。
Specific examples of the cationic surfactant include alkyl quaternary ammonium salts represented by the following formula (2).
CH 3 — (CH 2 ) n —N + (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) X (2)
(2) wherein, R 1, R 2, R 3 each represent an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R 1 , R 2 and R 3 may be the same as or different from each other. In order to facilitate aggregation (formation of micelles) between alkyl quaternary ammonium salts, it is preferable that R 1 , R 2 , and R 3 are all the same. Further, at least one of R 1 , R 2 , and R 3 is preferably a methyl group, and all are preferably methyl groups.
(2) In the formula, X represents a halogen atom. Although the kind of halogen atom is not particularly limited, X is preferably Cl or Br in view of availability.
(2) In formula, n represents the integer of 7-21.

アニオン系の界面活性剤としては、具体的には、脂肪酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルリン酸塩などがある。
また、ノニオン系界面活性剤としては、具体的には、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤、1級アルキルアミンなどがある。
Specific examples of the anionic surfactant include fatty acid salts, alkyl sulfonates, and alkyl phosphates.
Specific examples of nonionic surfactants include polyethylene oxide nonionic surfactants and primary alkylamines.

部分重合体を含む溶液に界面活性剤を添加する場合において、部分重合体と界面活性剤のモル比、溶媒量、溶液中の酸の濃度などの反応条件は、薄膜の結晶性に影響を与える。これらの条件は、金属酸化物源の種類や配合比に応じて、最適なものを選択する。   When adding a surfactant to a solution containing a partial polymer, the reaction conditions such as the molar ratio of the partial polymer to the surfactant, the amount of solvent, and the concentration of acid in the solution affect the crystallinity of the thin film. . These conditions are selected optimally according to the type and blending ratio of the metal oxide source.

例えば、主要な金属酸化物源としてシリコンアルコキシドを用い、界面活性剤としてカチオン系のものを用いる場合、以下の条件下で反応させるのが好ましい。
金属酸化物源に対する界面活性剤の量が少なすぎると、界面活性剤の量が不足し、連続したミセルを形成することができない。従って、金属酸化物源0.1molに対して、界面活性剤は0.005mol以上が好ましい。
一方、界面活性剤の量が過剰になると、ラメラ状物質が生成し、界面活性剤を除去するとシートの積層物が得られるのみで、無機多孔膜は得られない。従って、金属酸化物源0.1molに対して、界面活性剤は0.02mol以下が好ましい。
反応温度は、10〜30℃とし、30〜90分攪拌するのが好ましい。
For example, when silicon alkoxide is used as the main metal oxide source and a cationic surfactant is used as the surfactant, the reaction is preferably performed under the following conditions.
If the amount of the surfactant with respect to the metal oxide source is too small, the amount of the surfactant is insufficient and continuous micelles cannot be formed. Therefore, the surfactant is preferably 0.005 mol or more with respect to 0.1 mol of the metal oxide source.
On the other hand, when the amount of the surfactant is excessive, a lamellar substance is generated, and when the surfactant is removed, only a laminate of sheets is obtained, and an inorganic porous film is not obtained. Accordingly, the surfactant is preferably 0.02 mol or less with respect to 0.1 mol of the metal oxide source.
The reaction temperature is preferably 10 to 30 ° C., and is preferably stirred for 30 to 90 minutes.

溶媒の量は、金属酸化物源0.1molに対して0.2〜10molが好ましい。溶媒には、水、アルコールなどを用いるのが好ましい。また、溶媒中には、最低0.2molの水が含まれているのが好ましい。溶媒量が少なすぎると、シリコンアルコキシドを鎖状に縮合させるのが困難となる。一方、溶媒の量が過剰になると、溶液中の金属酸化物源の濃度及び溶液の粘度が低下し、均一な薄膜が得られない。   The amount of the solvent is preferably 0.2 to 10 mol with respect to 0.1 mol of the metal oxide source. It is preferable to use water, alcohol or the like as the solvent. The solvent preferably contains at least 0.2 mol of water. If the amount of the solvent is too small, it becomes difficult to condense the silicon alkoxide in a chain form. On the other hand, when the amount of the solvent is excessive, the concentration of the metal oxide source in the solution and the viscosity of the solution are lowered, and a uniform thin film cannot be obtained.

複合体を作製する場合において、溶液中の酸の濃度が少なすぎると、加水分解速度及び重縮合速度が遅くなり、薄膜の作製が困難となる。従って、酸の濃度は、0.00057eq/L以上が好ましい。酸の濃度は、さらに好ましくは、0.00059eq/L以上である。
一方、酸の濃度が過剰になると、加水分解速度及び重縮合速度が速くなり過ぎ、均質な重合体が得られない。また、薄膜の結晶性、表面の平滑性、及び、細孔の配向性が不十分となる。従って、酸の濃度は、0.0086eq/L以下が好ましい。酸の濃度は、さらに好ましくは、0.0080eq/L以下である。
In the case of producing a composite, if the acid concentration in the solution is too low, the hydrolysis rate and polycondensation rate are slowed, making it difficult to produce a thin film. Accordingly, the acid concentration is preferably 0.00057 eq / L or more. The concentration of the acid is more preferably 0.00059 eq / L or more.
On the other hand, if the acid concentration is excessive, the hydrolysis rate and polycondensation rate become too fast, and a homogeneous polymer cannot be obtained. Further, the crystallinity of the thin film, the smoothness of the surface, and the orientation of the pores are insufficient. Accordingly, the acid concentration is preferably 0.0086 eq / L or less. The concentration of the acid is more preferably 0.0080 eq / L or less.

同様に、溶液中の酸の含有量が少なすぎると、加水分解速度及び重縮合速度が遅くなり、薄膜の作製が困難となる。従って、酸の含有量は、金属酸化物源0.1molに対して、2.3×10-4mol以上が好ましい。酸の含有量は、さらに好ましくは、2.4×10-4mol以上である。
一方、酸の含有量が過剰になると、加水分解速度及び重縮合速度が速くなり過ぎ、均質な重合体が得られない。また、薄膜の結晶性、表面の平滑性、及び、細孔の配向性が不十分となる。従って、酸の含有量は、3.8×10-4mol以下が好ましい。酸の含有量は、さらに好ましくは、3.5×10-4mol以下である。
Similarly, if the acid content in the solution is too small, the hydrolysis rate and polycondensation rate are slowed, making it difficult to produce a thin film. Therefore, the acid content is preferably 2.3 × 10 −4 mol or more with respect to 0.1 mol of the metal oxide source. The acid content is more preferably 2.4 × 10 −4 mol or more.
On the other hand, when the acid content is excessive, the hydrolysis rate and the polycondensation rate become too fast, and a homogeneous polymer cannot be obtained. Further, the crystallinity of the thin film, the smoothness of the surface, and the orientation of the pores are insufficient. Accordingly, the acid content is preferably 3.8 × 10 −4 mol or less. The content of the acid is more preferably 3.5 × 10 −4 mol or less.

さらに、複合体を含む溶液の粘度は、10Pa・s以下が好ましく、さらに好ましくは、5Pa・s以下である。溶液の粘度が高すぎると、薄膜化が困難となるだけでなく、薄膜の細孔配列の均一性が低下する。   Furthermore, the viscosity of the solution containing the composite is preferably 10 Pa · s or less, and more preferably 5 Pa · s or less. When the viscosity of the solution is too high, not only thinning becomes difficult, but also the uniformity of the pore arrangement of the thin film decreases.

複合体を作製する場合において、界面活性剤の種類や添加量を制御すると、膜化したときの細孔構造を制御することができる。
例えば、メソポーラスシリカ薄膜を作製する場合において、シリコンアルコキシドとしてテトラメトキシシランを用い、界面活性剤として塩化アルキルトリメチルアンモニウムを用いたときには、テトラメトキシシラン1molに対して、塩化アルキルトリメチルアンモニウムを0.04〜0.15molとすると、3d−ヘキサゴナル構造の細孔構造を有する薄膜を得ることができる。
また、例えば、テトラメトキシシラン1molに対して、塩化アルキルトリメチルアンモニウムを0.15〜0.19とすると、キュービック構造の細孔構造を有する薄膜を得ることができる。
また、例えば、シリコンアルコキシドとしてテトラメトキシシランを用い、界面活性剤としてノニオン系Pluronic P123を用いたときには、シリコンアルコキシド1molに対して、界面活性剤を0.005〜0.15molとすると、2d−ヘキサゴナル構造の細孔構造を有する薄膜を得ることができる。
In the case of producing a composite, the pore structure when formed into a film can be controlled by controlling the type and addition amount of the surfactant.
For example, in the case of producing a mesoporous silica thin film, when tetramethoxysilane is used as the silicon alkoxide and alkyltrimethylammonium chloride is used as the surfactant, alkyltrimethylammonium chloride is added in an amount of 0.04 to 0.04 to 1 mol of tetramethoxysilane. When the amount is 0.15 mol, a thin film having a pore structure of 3d-hexagonal structure can be obtained.
For example, when alkyltrimethylammonium chloride is 0.15 to 0.19 with respect to 1 mol of tetramethoxysilane, a thin film having a cubic pore structure can be obtained.
For example, when tetramethoxysilane is used as the silicon alkoxide and nonionic Pluronic P123 is used as the surfactant, 2d-hexagonal is obtained when the surfactant is 0.005 to 0.15 mol with respect to 1 mol of silicon alkoxide. A thin film having a pore structure can be obtained.

[2.1.3 薄膜形成工程]
薄膜形成工程は、複合体を含む溶液を基板表面に塗布して乾燥させる工程である。
基板表面に溶液を塗布すると、界面活性剤ミセルの周囲を部分重合体が取り囲んだ複合体が安定な方向に配列する。これを乾燥させると、配列した複合体間が重縮合する。
[2.1.3 Thin film formation process]
The thin film forming step is a step in which a solution containing the composite is applied to the substrate surface and dried.
When the solution is applied to the substrate surface, the complex in which the partial polymer surrounds the surfactant micelle is arranged in a stable direction. When this is dried, polycondensation occurs between the arranged complexes.

基板は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の基板を用いることができる。基板としては、具体的には、金属、樹脂等からなる板、フィルム、ガラスなどの金属酸化物などがある。
溶液の塗布方法は、特に限定されるものではなく、各種のコーティング方法を採用することができる。塗布方法としては、具体的には、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ディップコーター、スピンコーター、スプレーコーターなどを用いることができる。
The substrate is not particularly limited, and various substrates can be used according to the purpose. Specific examples of the substrate include a plate made of a metal, a resin, or the like, a metal oxide such as a film or glass.
The method for applying the solution is not particularly limited, and various coating methods can be employed. Specifically, as a coating method, a bar coater, a roll coater, a gravure coater, a dip coater, a spin coater, a spray coater, or the like can be used.

基板に溶液を塗布して薄膜化した後、薄膜を風乾又は加熱乾燥する。加熱乾燥する場合、乾燥温度は、70〜150℃が好ましく、さらに好ましくは、100〜120℃である。乾燥時間は、乾燥温度に応じて、最適な時間を選択する。   After the solution is applied to the substrate to form a thin film, the thin film is air-dried or heat-dried. When drying by heating, the drying temperature is preferably 70 to 150 ° C, more preferably 100 to 120 ° C. As the drying time, an optimal time is selected according to the drying temperature.

乾燥後、薄膜から界面活性剤を除去すると、凹凸の少ない細孔(凹凸が直径の20%以下である細孔)を有する無機多孔膜が得られる。界面活性剤の除去方法としては、
(1) 薄膜を大気中又は不活性雰囲気下において、300〜1000℃(好ましくは、300〜600℃)で、30分以上(好ましくは、1時間以上)焼成する焼成方法、
(2) 薄膜を界面活性剤の良溶媒(例えば、少量の塩酸を含むメタノール)中に浸漬し、所定の温度(例えば、50〜70℃)で加熱しながら攪拌し、薄膜中の界面活性剤を抽出するイオン交換法、
などがある。
When the surfactant is removed from the thin film after drying, an inorganic porous film having pores with few irregularities (pores with irregularities of 20% or less of the diameter) is obtained. As a method for removing the surfactant,
(1) A firing method for firing a thin film at 300 to 1000 ° C. (preferably 300 to 600 ° C.) for 30 minutes or longer (preferably 1 hour or longer) in the air or under an inert atmosphere,
(2) The thin film is immersed in a good solvent for the surfactant (for example, methanol containing a small amount of hydrochloric acid), stirred while heating at a predetermined temperature (for example, 50 to 70 ° C.), and the surfactant in the thin film Extract the ion exchange method,
and so on.

[2.1.4 プロトン供与性官能基導入工程]
得られた無機多孔膜は、そのまま電解質の充填に供しても良く、あるいは、その前に、細孔内壁面にプロトン供与性官能基を導入しても良い。プロトン供与性官能基の導入方法には、種々の方法がある。
[2.1.4 Proton-donating functional group introduction step]
The obtained inorganic porous membrane may be used for electrolyte filling as it is, or before that, a proton donating functional group may be introduced into the pore inner wall surface. There are various methods for introducing a proton-donating functional group.

例えば、細孔内壁面にスルホン酸基を導入する方法には、
(1) メルカプト基を備えたアルコキシドを出発原料に用いて無機多孔膜を作製し、メルカプト基を過酸化水素で酸化させる方法、
(2) スルホン酸基を導入可能な有機基(例えば、芳香族環)を備えたアルコキシドを出発原料に用いて無機多孔膜を作製し、発煙硫酸、無水硫酸、クロロスルホン酸などのスルホン酸化剤を用いて有機基をスルホン化する方法、
(3) 1,2,2−トリフルオロ−2−ヒドロキシ−1−トリフルオロメチルエタンスルホン酸スルトンと無水トルエンの混合溶液に無機多孔膜を入れ、120℃×6hで加熱環流する方法、
(4) シランカップリング剤を用いて、細孔内壁面に有機基を導入し、有機基をスルホン化する方法、
などがある。
For example, in the method of introducing a sulfonic acid group into the pore inner wall surface,
(1) A method of producing an inorganic porous film using an alkoxide having a mercapto group as a starting material, and oxidizing the mercapto group with hydrogen peroxide,
(2) An inorganic porous film is produced using an alkoxide having an organic group capable of introducing a sulfonic acid group (for example, an aromatic ring) as a starting material, and a sulfonated agent such as fuming sulfuric acid, sulfuric anhydride, chlorosulfonic acid, etc. A method of sulfonating an organic group using
(3) A method in which an inorganic porous film is placed in a mixed solution of 1,2,2-trifluoro-2-hydroxy-1-trifluoromethylethanesulfonic acid sultone and anhydrous toluene and heated to reflux at 120 ° C. for 6 hours.
(4) A method of introducing an organic group into the inner wall surface of the pore using a silane coupling agent, and sulfonating the organic group,
and so on.

また、細孔内壁面にリン酸基を導入する方法としては、
(1) リン酸基を導入可能な有機基を備えたアルコキシドを出発原料に用いて無機多孔膜を作製し、オキシ塩化リンなどのリン酸化剤を用いて、有機基にリン酸基を導入する方法、
(2) 無機多孔膜に導入された有機基をクロロメチル化し、クロロメチル基と亜リン酸トリエチルとを反応させ、加水分解する方法
(3) シランカップリング剤を用いて、細孔内壁面に有機基を導入し、有機基をリン酸化する方法、
などがある。
Moreover, as a method of introducing a phosphate group into the pore inner wall,
(1) An inorganic porous membrane is prepared using an alkoxide having an organic group capable of introducing a phosphate group as a starting material, and a phosphate group is introduced into the organic group using a phosphorylating agent such as phosphorus oxychloride. Method,
(2) A method in which an organic group introduced into an inorganic porous membrane is chloromethylated, and a chloromethyl group and triethyl phosphite are reacted and hydrolyzed (3) Using a silane coupling agent on the inner wall surface of the pore A method of introducing an organic group and phosphorylating the organic group,
and so on.

さらに、細孔内壁面にカルボン酸基を導入する方法には、
(1) 側鎖基又は末端基がメチル基である有機基を備えたアルコキシドを出発原料に用いて無機多孔膜を作製し、メチル基を酸化させる方法、
(2) シランカップリング剤を用いて、細孔内壁面にメチル基を備えた有機基を導入し、有機基を酸化させる方法、
などがある。
Furthermore, in the method of introducing a carboxylic acid group into the pore inner wall surface,
(1) A method of producing an inorganic porous film using an alkoxide having an organic group whose side chain group or terminal group is a methyl group as a starting material, and oxidizing the methyl group,
(2) A method of oxidizing an organic group by introducing an organic group having a methyl group on the inner wall surface of the pore using a silane coupling agent,
and so on.

[2.2 第2工程]
第2工程は、無機多孔膜に電解質を含浸させる工程である。
電解質として高分子電解質を用いる場合、高分子電解質を適当な溶媒に溶解させ、溶液を細孔内に充填する。充填後、溶媒を除去すれば、本発明に係るプロトン伝導膜が得られる。また、固体高分子電解質を融解させ、融液を細孔内に充填しても良い。
[2.2 Second step]
The second step is a step of impregnating the inorganic porous membrane with the electrolyte.
When a polymer electrolyte is used as the electrolyte, the polymer electrolyte is dissolved in an appropriate solvent, and the solution is filled in the pores. If the solvent is removed after filling, the proton conducting membrane according to the present invention is obtained. Further, the solid polymer electrolyte may be melted and the melt may be filled in the pores.

同様に、電解質としてイオン液体を用いる場合、イオン液体をそのまま又は加熱により液化させて細孔内に充填しても良く、あるいは、適当な溶媒に溶解させ、溶液を細孔内に充填しても良い。
さらに、イオン液体を充填した後、膜をアニオン成分の良溶媒で洗浄すると、アニオン成分を選択的に除去することができる。アニオン成分を除去するための溶媒は、イオン液体の種類に応じて最適なものを選択する。
Similarly, when an ionic liquid is used as the electrolyte, the ionic liquid may be liquefied as it is or by heating, and filled in the pores, or may be dissolved in an appropriate solvent and the solution filled in the pores. good.
Furthermore, after filling the ionic liquid, the anion component can be selectively removed by washing the membrane with a good solvent for the anion component. As the solvent for removing the anion component, an optimum solvent is selected according to the kind of the ionic liquid.

[3. MEAの製造方法]
本発明に係るプロトン伝導膜を用いてMEAを製造する方法には、
(1) 別個に作製したプロトン伝導膜と電極とを接合する第1の方法、
(2) 電極を基板に用いて、電極表面に上述した複合体を含む溶液を塗布して無機多孔膜を形成し、無機多孔膜に電解質を含浸させる第2の方法、
などがある。第2の方法の場合、他方の電極は、プロトン伝導膜の表面に、触媒インクを塗布又は印刷する方法、電極シートを転写する方法、蒸着法、スパッタ法などにより形成することができる。
[3. MEA Manufacturing Method]
The method for producing MEA using the proton conducting membrane according to the present invention includes:
(1) a first method of joining a separately produced proton conducting membrane and an electrode;
(2) a second method in which an electrode is used as a substrate, a solution containing the above-described composite is applied to the electrode surface to form an inorganic porous film, and the inorganic porous film is impregnated with an electrolyte;
and so on. In the case of the second method, the other electrode can be formed on the surface of the proton conducting membrane by a method of applying or printing a catalyst ink, a method of transferring an electrode sheet, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.

いずれの方法においても、電極には、
(1) 電極触媒を担持した担体(例えば、Pt/C)と高分子電解質を含む触媒インクを基板表面に塗布し、乾燥させたもの、
(2) Ni等からなる多孔質支持体表面に、Pd等からなる水素選択透過膜を形成し、必要に応じて電極触媒を担持させたもの、
(3) 水素を選択的に透過可能な細孔を有する炭素膜に、必要に応じて電極触媒を担持したもの、
(4) Ni等からなる多孔質支持体表面に、水素を選択的に透過可能な細孔を有する炭素膜を形成したものに、必要に応じて電極触媒を担持したもの、
などを用いることができる。
電極が多孔質支持体を含む場合、多孔質支持体は、平均細孔径d1が0.1μm≦d1≦0.5μmである第1層と、平均細孔径d2が0.5μm≦d2≦3.0μmである第2層の2層構造を有するものが好ましい。この場合、水素選択透過膜又は炭素膜は、第1層の上に形成される。
In either method, the electrode
(1) A catalyst ink containing a carrier carrying an electrode catalyst (for example, Pt / C) and a polymer electrolyte is applied to the substrate surface and dried.
(2) A hydrogen selective permeable membrane made of Pd or the like is formed on the surface of a porous support made of Ni or the like, and an electrode catalyst is supported as required,
(3) A carbon membrane having pores that can selectively permeate hydrogen and, if necessary, an electrode catalyst supported thereon,
(4) On the surface of a porous support made of Ni or the like, a carbon film having pores capable of selectively permeating hydrogen is formed, and an electrode catalyst is supported as necessary,
Etc. can be used.
When the electrode includes a porous support, the porous support includes a first layer having an average pore diameter d 1 of 0.1 μm ≦ d 1 ≦ 0.5 μm, and an average pore diameter d 2 of 0.5 μm ≦ d. Those having a two-layer structure of the second layer satisfying 2 ≦ 3.0 μm are preferable. In this case, the hydrogen selective permeable membrane or the carbon membrane is formed on the first layer.

電極が炭素膜を含む場合、炭素膜は、平均細孔径が1nm以下であるものが好ましい。このような炭素膜は、例えば、
(1)適当な基板(例えば、Ni多孔膜)の表面に、ポリイミド前駆体溶液を塗布し、60℃で4時間保持して溶媒を揮発させ、
(2)非酸化性雰囲気下において350℃で1時間保持し、イミド化反応を進行させてポリイミド膜とし、
(3)非酸化性雰囲気下において600℃で1時間保持し、ポリイミド膜を炭化させる、
ことにより製造することができる。
When the electrode includes a carbon film, the carbon film preferably has an average pore diameter of 1 nm or less. Such a carbon film is, for example,
(1) A polyimide precursor solution is applied to the surface of a suitable substrate (for example, Ni porous film), and kept at 60 ° C. for 4 hours to volatilize the solvent,
(2) Hold at 350 ° C. for 1 hour in a non-oxidizing atmosphere to advance the imidization reaction to form a polyimide film,
(3) Hold at 600 ° C. for 1 hour in a non-oxidizing atmosphere to carbonize the polyimide film.
Can be manufactured.

Pdや炭素膜などの水素選択透過膜を支持するための多孔質支持体は、例えば、適当な粒度を有する金属粉末(例えば、Ni粉末)を、適度な圧力でプレス成形し、焼結させることにより製造することができる。
また、平均細孔径の異なる多層の多孔質支持体は、粒径の異なる金属粉末を多層に充填し、適当な圧力でプレス成形し、焼結させることにより製造することができる。
The porous support for supporting the hydrogen permselective membrane such as Pd or carbon membrane is obtained by, for example, press-molding a metal powder (for example, Ni powder) having an appropriate particle size at an appropriate pressure and sintering it. Can be manufactured.
A multilayer porous support having different average pore diameters can be produced by filling metal powders having different particle diameters into a multilayer, press-molding at an appropriate pressure, and sintering.

[4. 本発明に係るプロトン伝導膜の作用]
本発明に係るプロトン伝導膜は、無機多孔膜の平均細孔径が1〜20nmであるので、電解質の流出のおそれが少なく、強度も高い。また、凹凸の少ない細孔形状を有しているので、プロトン伝導抵抗が相対的に低い。さらに、細孔内に含浸させる電解質としてイオン液体を用いると、中温域で高いプロトン伝導度を示すプロトン伝導膜が得られる。
このようなプロトン伝導膜は、電極板上にゾル溶液をコートして成膜することが可能であるので、電極・電解質膜の密着性が高い。また、プロトン伝導膜の反対面の表面は、極めて平滑であるため、反対面に形成される電極と電解質膜との密着性も高い。
[4. Action of proton conducting membrane according to the present invention]
In the proton conducting membrane according to the present invention, since the average pore diameter of the inorganic porous membrane is 1 to 20 nm, there is little risk of electrolyte leakage and the strength is high. Moreover, since it has a pore shape with few irregularities, the proton conduction resistance is relatively low. Furthermore, when an ionic liquid is used as the electrolyte impregnated in the pores, a proton conducting membrane exhibiting high proton conductivity in the middle temperature range can be obtained.
Such a proton conductive membrane can be formed by coating a sol solution on the electrode plate, and therefore has high adhesion between the electrode and the electrolyte membrane. Moreover, since the surface of the opposite surface of the proton conducting membrane is extremely smooth, the adhesion between the electrode formed on the opposite surface and the electrolyte membrane is high.

(実施例1、2)
[1. 試料の作製]
[1.1 実施例1]
ガラス基板上に、4本のPt電極を蒸着した。このガラス基板にテトラメチルオルトシリケート(TMOS)及びオクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド(ODCTMA)を主成分とするゾル溶液を作製した。ゾル溶液の組成は、TMOS/ODCTMA/H2O/HCl=1/0.1/7.8/3.4/0.006(モル比)とした。
このゾル溶液をガラス基板上にディップコートし、400℃×4h焼成してODCTMAを焼失させ、3d−ヘキサゴナル構造の細孔を持つメソ多孔体シリカ薄膜を作製した。この薄膜上に、(3)式で表される3−プロピルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホニルイミド(イオン液体)を刷毛で塗布した。細孔内の空気を脱気してイオン液体を充填する目的で、このサンプルを真空デシケータ内に設置して、真空⇔大気を繰り返した。
その後、大気圧下で半日静置し、ヘキサン(イオン液体の貧溶媒)を用いて膜表面を洗浄し、薄膜表面の押さえ拭きを行った。
(Examples 1 and 2)
[1. Preparation of sample]
[1.1 Example 1]
Four Pt electrodes were vapor-deposited on the glass substrate. A sol solution mainly composed of tetramethylorthosilicate (TMOS) and octadecyltrimethylammonium chloride (ODCTMA) was prepared on this glass substrate. The composition of the sol solution was TMOS / ODCTMA / H 2 O / HCl = 1 / 0.1 / 7.8 / 3.4 / 0.006 (molar ratio).
This sol solution was dip-coated on a glass substrate and baked at 400 ° C. for 4 hours to burn off ODCTMA, thereby preparing a mesoporous silica thin film having pores with a 3d-hexagonal structure. On this thin film, 3-propylimidazolium trifluoromethanesulfonylimide (ionic liquid) represented by the formula (3) was applied with a brush. For the purpose of degassing the air in the pores and filling the ionic liquid, the sample was placed in a vacuum desiccator and the vacuum atmosphere was repeated.
Then, it was left still for half a day under atmospheric pressure, the film surface was washed with hexane (an ionic liquid poor solvent), and the thin film surface was wiped down.

Figure 0005045503
Figure 0005045503

[1.2 実施例2]
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)0.80gと、TMOS:0.91gをMPTMS/TMOS=2/3(モル比)となるように分取し、10分間攪拌した。そこえEtOHを5ml添加して10分間攪拌し、さらに塩酸水溶液を添加して1時間攪拌した。
この溶液に、
(1)ODCTMA:1.1gと、EtOH:10mL、H2O:100μL、2N−HCl:10μLを予め混合したもの、及び、
(2)30%過酸化水素水5g
を添加して、さらに2時間攪拌し、ゾル溶液を調製した。
実施例1と同様のPt電極付きガラス基板に、ディップコータを用いてゾル溶液をコートした。コート後の基板は、1日静置後、100℃×1h乾燥させた。次いで、HCl添加EtOH中に60℃×2h浸漬し、界面活性剤を除去した。さらに、基板を10%過酸化水素水に浸漬し、メルカプト基(−SH)を酸化させ、スルホン酸基(−SO3H)に変換した。上記の組成比の場合、酸量は、1.8mmol/gと推定される。
[1.2 Example 2]
3-Mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) 0.80g and TMOS: 0.91g were fractioned so that it might become MPTMS / TMOS = 2/3 (molar ratio), and it stirred for 10 minutes. Then, 5 ml of EtOH was added and stirred for 10 minutes, and an aqueous hydrochloric acid solution was further added and stirred for 1 hour.
In this solution,
(1) ODCTMA: 1.1 g, EtOH: 10 mL, H 2 O: 100 μL, 2N-HCl: 10 μL previously mixed, and
(2) 30% hydrogen peroxide water 5g
Was added and stirred for another 2 hours to prepare a sol solution.
A glass substrate with a Pt electrode similar to that in Example 1 was coated with a sol solution using a dip coater. The coated substrate was allowed to stand for 1 day and then dried at 100 ° C. for 1 hour. Next, the surfactant was removed by immersing in HCl-added EtOH at 60 ° C. for 2 hours. Further, the substrate was immersed in a 10% hydrogen peroxide solution to oxidize mercapto groups (—SH) and convert them into sulfonic acid groups (—SO 3 H). In the case of the above composition ratio, the acid amount is estimated to be 1.8 mmol / g.

[2. 試験方法]
4端子直流法により、プロトン伝導度を測定した。測定条件は、以下の通りである。
湿度: 0%
温度: 25〜180℃
ガス雰囲気: H2 10%・N2 bal.
なお、測定は、各温度で初期値及び45分後の値を計測した。また、測定は、低温から順次行った。
[2. Test method]
The proton conductivity was measured by a 4-terminal DC method. The measurement conditions are as follows.
Humidity: 0%
Temperature: 25-180 ° C
Gas atmosphere: H 2 10% ・ N 2 bal.
In addition, the measurement measured the initial value and the value after 45 minutes at each temperature. Moreover, the measurement was sequentially performed from a low temperature.

[3. 結果]
図1に、その結果を示す。実施例1で得られたプロトン伝導膜は、温度が高くなるほど、高いプロトン伝導度を示した。また、実施例2で得られたプロトン伝導膜は、実施例1に比べて、室温におけるプロトン伝導度が増大した。
[3. result]
FIG. 1 shows the result. The proton conductive membrane obtained in Example 1 showed higher proton conductivity as the temperature was higher. In addition, the proton conductivity membrane obtained in Example 2 increased in proton conductivity at room temperature as compared with Example 1.

(実施例3、比較例1)
[1. 試料の作製]
[1.1 実施例3]
実施例1と同様の手順に従い、プロトン伝導膜を作製した。膜厚は、約800nmであった。
[1.2 比較例1]
Pt電極付きガラス基板に、TMOS及びポリスチレンビーズ(φ90nm)分散液を主成分とするゾル溶液をディップコートした。次いで、ガラス基板を400℃×4h、及び、700℃×3hで焼成することによってビーズを焼失させ、多孔シリカ膜を作製した。膜厚は、約900nmであった。以下、実施例1と同様にして、多孔シリカ膜にイオン液体を充填した。
(Example 3, Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
[1.1 Example 3]
A proton conducting membrane was produced according to the same procedure as in Example 1. The film thickness was about 800 nm.
[1.2 Comparative Example 1]
A sol solution mainly composed of TMOS and polystyrene bead (φ90 nm) dispersion was dip coated on a glass substrate with a Pt electrode. Next, the glass substrate was baked at 400 ° C. × 4 h and 700 ° C. × 3 h to burn out the beads, thereby producing a porous silica film. The film thickness was about 900 nm. Thereafter, in the same manner as in Example 1, the porous silica membrane was filled with the ionic liquid.

[2. 試験方法]
4本のPt電極の内、2個の両端電極に0.5Vを印加し、両端電極を流れる電流と、2個の中央電極間の電圧を連続的に測定した。連続的に測定される電流及び電圧から、伝導度を算出した。
この状態でガラス基板上の膜表面に、0.5mLのEtOH(イオン液体の良溶媒)を静かに滴下した。EtOHは、瞬時に膜全面を濡らした。直後に試料を垂直に立て、EtOHと、そこに溶出したイオン液体とを流した。
[2. Test method]
Of the four Pt electrodes, 0.5 V was applied to the two end electrodes, and the current flowing through the both end electrodes and the voltage between the two center electrodes were measured continuously. The conductivity was calculated from the continuously measured current and voltage.
In this state, 0.5 mL of EtOH (an ionic liquid good solvent) was gently dropped onto the film surface on the glass substrate. EtOH wetted the entire membrane instantly. Immediately after that, the sample was set up vertically, and EtOH and the ionic liquid eluted therein were allowed to flow.

[3. 結果]
EtOHを膜表面から流すことによって、伝導度の変化が見られた。表1に、その結果を示す。表1より、大細孔を備えた比較例1の場合、EtOH洗浄による伝導度の低下が約1/1000であるのに対し、メソ細孔を備えた実施例3の場合、EtOH洗浄による伝導度の低下は約1/2であることがわかる。これは、大細孔膜の方が、細孔内のイオン流体が流出しやすいことを示している。
[3. result]
A change in conductivity was observed by flowing EtOH from the membrane surface. Table 1 shows the results. From Table 1, in Comparative Example 1 with large pores, the decrease in conductivity by EtOH cleaning is about 1/1000, while in Example 3 with mesopores, conduction by EtOH cleaning. It can be seen that the degree of decrease is about ½. This indicates that the ionic fluid in the pores tends to flow out more in the large pore membrane.

Figure 0005045503
Figure 0005045503

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

本発明に係るプロトン伝導膜は、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜として用いることができる。   The proton conducting membrane according to the present invention is used in various electrochemical devices such as solid polymer fuel cells, water electrolysis devices, hydrohalic acid electrolysis devices, salt electrolysis devices, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, and gas sensors. It can be used as an electrolyte membrane to be used.

実施例1及び実施例2で得られたプロトン伝導膜の温度とプロトン伝導度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature of the proton conductive membrane obtained in Example 1 and Example 2, and proton conductivity.

Claims (6)

平均細孔径が1nm以上20nm未満である無機多孔膜と、
前記無機多孔膜の細孔内に充填された電解質と
を備え、
前記無機多孔膜は、界面活性剤を鋳型として、金属酸化物の前駆体を自己組織化させ、前記界面活性剤を除去することにより得られる直線的な細孔構造を持つ
ロトン伝導膜。
An inorganic porous membrane having an average pore diameter of 1 nm or more and less than 20 nm ;
An electrolyte filled in the pores of the inorganic porous membrane;
With
The inorganic porous membrane has a linear pore structure obtained by self-organizing a metal oxide precursor using a surfactant as a template and removing the surfactant.
Flop proton-conducting membrane.
前記無機多孔膜は、アルミナ、シリカ、チタニア、及び、ジルコニアから選ばれる少なくとも1種の前記金属酸化物を含む請求項1に記載のプロトン伝導膜。 The inorganic porous membrane include alumina, silica, titania, and the proton conducting membrane according to claim 1 comprising at least one of the metals oxide selected from zirconia. 前記無機多孔膜は、細孔壁にプロトン供与性官能基が修飾されている請求項1又は2に記載のプロトン伝導膜。   The proton conductive membrane according to claim 1 or 2, wherein the inorganic porous membrane has a proton donating functional group modified on a pore wall. 前記電解質は、イオン液体である請求項1から3までのいずれかに記載のプロトン伝導膜。   The proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte is an ionic liquid. 前記イオン液体は、カチオン成分がイミダゾリウム及びアンモニウムから選ばれる少なくとも1種からなる請求項4に記載のプロトン伝導膜。   The proton conductive membrane according to claim 4, wherein the ionic liquid comprises at least one cation component selected from imidazolium and ammonium. 前記無機多孔膜に前記イオン液体を充填した後、前記イオン液体を構成するアニオン成分の全部又は一部を除去することにより得られる請求項4又は5に記載のプロトン伝導膜。   The proton conductive membrane according to claim 4 or 5, which is obtained by filling the inorganic porous membrane with the ionic liquid and then removing all or part of an anionic component constituting the ionic liquid.
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