JP5099096B2 - Proton conductive electrolyte manufacturing method, proton conductive electrolyte membrane manufacturing method, and fuel cell manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、プロトン伝導性電解質の製造方法及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法並びに燃料電池の製造方法に関し、特に、金属リン酸塩及びリン酸を用いた、プロトン伝導性電解質の製造方法及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法並びに燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a proton conducting electrolyte, a method for producing a proton conducting electrolyte membrane, and a method for producing a fuel cell , and more particularly, a method for producing a proton conducting electrolyte and a proton using a metal phosphate and phosphoric acid. The present invention relates to a method for manufacturing a conductive electrolyte membrane and a method for manufacturing a fuel cell .

近年、環境意識の高まりとともに、COや汚染物質を排出しないクリーンエネルギーとして燃料電池が注目されている。その中でも、エネルギー効率が高く、温度領域が100℃前後と一般用に取り扱いやすい固体高分子電解質を用いたPEFC(固体高分子形燃料電池)の開発に注力がなされている。 In recent years, with increasing environmental awareness, fuel cells have attracted attention as clean energy that does not emit CO 2 or pollutants. Of these, efforts are being made to develop a PEFC (solid polymer fuel cell) using a solid polymer electrolyte that has high energy efficiency and a temperature range of around 100 ° C. and is easy to handle for general use.

プロトンを伝導する高分子電解質としては、一般的にNafion(登録商標)で知られているパーフルオロスルホン酸等が用いられているが、プロトン伝導機構がHの状態でプロトンを伝導するVehicle(運搬)機構であるため、加湿機構を備える必要があり、このためシステムが煩雑になるという問題点がある。 As a polymer electrolyte that conducts protons, perfluorosulfonic acid or the like that is generally known as Nafion (registered trademark) is used, but it conducts protons when the proton conduction mechanism is H 3 O +. Since it is a vehicle (transport) mechanism, it is necessary to provide a humidifying mechanism, which causes a problem that the system becomes complicated.

加湿の問題を改善した電解質としては、リン酸を含浸させたPBI(ポリベンズイミダゾール)膜が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし、この膜は90%以上が液体リン酸で構成されているため、強酸であるリン酸がしみ出しやすいことや、液体シールを厳密に行わなければならないこと、さらにセルを作製する際にリン酸のしみ出しによりMEA(膜・電極接合体)の作製が困難であること、等の問題点がある。   A PBI (polybenzimidazole) membrane impregnated with phosphoric acid is disclosed as an electrolyte that has improved the problem of humidification (see, for example, Patent Document 1). However, since 90% or more of this film is composed of liquid phosphoric acid, phosphoric acid, which is a strong acid, is likely to ooze out, liquid sealing must be performed strictly, and phosphorous is used in cell fabrication. There are problems such as difficulty in producing MEA (membrane / electrode assembly) due to acid seepage.

一方、無加湿状態でプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質として金属リン酸塩が知られている(例えば、特許文献2参照。)。また、金属リン酸塩の一部に別種の金属をドープしたものも開示されている(例えば、特許文献3,4参照。)。   On the other hand, metal phosphates are known as proton conductive electrolytes having proton conductivity in a non-humidified state (see, for example, Patent Document 2). Moreover, what doped a different kind of metal in some metal phosphates is also disclosed (for example, refer patent document 3, 4).

特表2001−510931号公報JP 2001-510931 A 特開2005−294245号公報JP 2005-294245 A 特開2008−53224号公報JP 2008-53224 A 特開2008−53225号公報JP 2008-53225 A

しかしながら、上記金属リン酸塩の場合、合成過程で必要となる350℃以上の熱処理の際に、リン酸が消失するおそれがあるため、製造物の再現性が得られず、合成条件のコントロールが困難であるといった問題がある。また、金属リン酸塩が粉体であるため、成形性が困難であり、バインダーを添加しないとフィルム化しないといった問題点がある。   However, in the case of the above metal phosphate, phosphoric acid may be lost during the heat treatment at 350 ° C. or higher, which is necessary in the synthesis process, so the reproducibility of the product cannot be obtained, and the synthesis conditions can be controlled. There is a problem that it is difficult. In addition, since the metal phosphate is a powder, the moldability is difficult, and there is a problem that the film cannot be formed unless a binder is added.

本発明の目的は、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質の製造方法及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法並びに燃料電池の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a proton conducting electrolyte, a method for producing a proton conducting electrolyte membrane, and a fuel cell having excellent reproducibility, good moldability, and high proton conductivity in a non-humidified state. It is to provide a method .

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、及び金属硝酸化物の群から選ばれる少なくとも1種とリン酸を混合し熱処理して金属リン酸塩を生成する第1工程と、前記金属リン酸塩に、さらにリン酸類を混合し熱処理する第2工程とを備えたことを特徴とするプロトン伝導性電解質の製造方法である。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is characterized by mixing phosphoric acid with at least one selected from the group consisting of metal oxides, metal hydroxides, metal chlorides, and metal nitrates, followed by heat treatment. A method for producing a proton conductive electrolyte, comprising: a first step of producing a metal phosphate; and a second step of further mixing and heat treating the metal phosphate with phosphoric acid.

また、請求項2に記載の発明は、前記第2工程における熱処理温度は、50℃〜300℃であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。 The invention according to claim 2 is the method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 1 , wherein the heat treatment temperature in the second step is 50 ° C to 300 ° C.

また、請求項3に記載の発明は、前記第1工程と前記第2工程の間に、前記金属リン酸塩を粉末状にする第3の工程を備え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電解質の製造方法である。 The invention according to claim 3 is characterized in that it comprises a third step of powdering the metal phosphate between the first step and the second step. 2. A method for producing a proton conducting electrolyte according to 2.

また、請求項4に記載の発明は、前記第1工程で用いられるリン酸は、固体リン酸であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。 In the invention according to claim 4, the phosphoric acid used in the first step is solid phosphoric acid. The proton conductive electrolyte according to any one of claims 1 to 3, It is a manufacturing method.

また、請求項5に記載の発明は、前記金属リン酸塩が下記式(1)で表される化合物からなることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。
1−x ・・・(1)
(ここで、M,Nは金属元素、Xは0≦X<0.5であり、MがZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAlの群から選ばれる1種であり、NがAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce,La及びSbの群から選ばれる1種である。)
The invention according to claim 5 is characterized in that the metal phosphate is composed of a compound represented by the following formula (1), and the proton conductivity according to any one of claims 1 to 4 . This is a method for producing an electrolyte.
M 1-x N x P 2 O 7 (1)
(Where M and N are metal elements, X is 0 ≦ X <0.5, and M is selected from the group consisting of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Ca, Mg, and Al. And N is one selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La and Sb.)

また、請求項6に記載の発明は、前記MがSn又はCsであることを特徴とする請求項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。 The invention according to claim 6 is the method for producing a proton-conducting electrolyte according to claim 5 , wherein the M is Sn or Cs.

また、請求項7に記載の発明は、前記NがIn又はAlであることを特徴とする請求項又はに記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。 The invention according to claim 7 is the method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 5 or 6 , wherein the N is In or Al.

また、請求項8に記載の発明は、前記金属リン酸塩の前記M及び前記Nの原子数をそれぞれ[M]及び[N]、前記金属リン酸塩及び前記リン酸類のリンの原子数の合計を[P]として、[M],[N]及び[P]の関係が下記式(2)で表されることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。
2< [P]/([M]+[N]) ≦ 4 ・・・(2)
In the invention according to claim 8, the number of atoms of M and N of the metal phosphate is set to [M] and [N], respectively, and the number of phosphorus atoms of the metal phosphate and phosphoric acid is The proton conduction according to any one of claims 5 to 7, wherein the relationship between [M], [N] and [P] is represented by the following formula (2), where the sum is [P]. This is a method for producing a conductive electrolyte.
2 <[P] / ([M] + [N]) ≦ 4 (2)

また、請求項9に記載の発明は、前記[M],[N]及び[P]の関係が下記式(3)で表されることを特徴とする請求項8に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。
2.4≦ [P]/([M]+[N]) ≦ 3.2 ・・・(3)
The invention according to claim 9 is characterized in that the relationship between the [M], [N] and [P] is represented by the following formula (3). It is a manufacturing method.
2.4 ≦ [P] / ([M] + [N]) ≦ 3.2 (3)

また、請求項10に記載の発明は、前記金属リン酸塩は、酸化スズとリン酸水素アンモニウムを用いて製造されたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。 The proton according to any one of claims 1 to 9 , wherein the metal phosphate is produced by using tin oxide and ammonium hydrogen phosphate. It is a manufacturing method of conductive electrolyte.

また、請求項11に記載の発明は、前記金属リン酸塩は、共沈法を用いて製造されたことを特徴とする請求項1〜3、5〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法である。 The invention according to claim 11 is the proton according to any one of claims 1 to 3, and 5 to 9 , wherein the metal phosphate is produced by using a coprecipitation method. It is a manufacturing method of conductive electrolyte.

また、請求項12に記載の発明は、金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、及び金属硝酸化物の群から選ばれる少なくとも1種とリン酸を混合し熱処理して金属リン酸塩を生成する第1工程と、前記金属リン酸塩に、さらにリン酸類を混合してペーストを作製する第2工程と、前記ペーストをキャスト基材上に塗布して成形する第3工程とを備え、前記第2及び/又は第3工程において熱処理を行うことを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention according to claim 12 is a method of mixing metal phosphate by mixing phosphoric acid with at least one selected from the group consisting of metal oxide, metal hydroxide, metal chloride, and metal nitrate. A first step to be generated; a second step in which a paste is prepared by further mixing phosphoric acids with the metal phosphate; and a third step in which the paste is applied to a cast substrate and molded. In the method for producing a proton conductive electrolyte membrane, heat treatment is performed in the second and / or third step.

また、請求項13に記載の発明は、前記第2工程において、バインダーを添加することを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention according to claim 13 is the method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to claim 12 , wherein a binder is added in the second step.

また、請求項14に記載の発明は、前記バインダーが、フッ素系又は炭化水素系ポリマーであることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention according to claim 14 is the method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 13 , wherein the binder is a fluorine-based or hydrocarbon-based polymer.

また、請求項15に記載の発明は、前記バインダーが、フッ素系又は炭化水素系イオノマーであることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention according to claim 15 is the method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to claim 13 , wherein the binder is a fluorine-based or hydrocarbon-based ionomer.

また、請求項16に記載の発明は、前記バインダーが、イオン性液体であることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention as set forth in claim 16 is the method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 13 , wherein the binder is an ionic liquid.

また、請求項17に記載の発明は、前記バインダーが、セルロース系ポリマーであることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention according to claim 17 is the method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to claim 13 , wherein the binder is a cellulose polymer.

また、請求項18に記載の発明は、前記キャスト基材は、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、ポリイミドフィルム及び金属箔のいずれか1種からなることを特徴とする請求項12〜17のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 The invention according to claim 18 is characterized in that the cast substrate is made of any one of a polytetrafluoroethylene film, a polyimide film and a metal foil. The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to the above.

また、請求項19に記載の発明は、請求項11〜18のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法により作製されたプロトン伝導性電解質膜の両面に触媒電極をそれぞれ積層する第4工程と、前記各触媒電極上にセパレータをそれぞれ積層する第5工程とを備えたことを特徴とする燃料電池の製造方法である。 Further, in the invention described in claim 19 , catalyst electrodes are respectively laminated on both sides of the proton conductive electrolyte membrane produced by the method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 11-18. A fuel cell manufacturing method comprising a fourth step and a fifth step of laminating a separator on each catalyst electrode.

また、請求項20に記載の発明は、前記第2及び/又は第3工程における熱処理温度は、50℃〜300℃であることを特徴とする請求項12〜18のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法である。 Further, in the invention described in claim 20, the heat treatment temperature in the second and / or third step is 50 ° C to 300 ° C, according to any one of claims 12-18. It is a manufacturing method of a proton conductive electrolyte membrane.

本発明によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質の製造方法及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法並びに燃料電池の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a method for producing a proton conducting electrolyte, a method for producing a proton conducting electrolyte membrane, and a fuel cell production having excellent reproducibility, good moldability, and high proton conductivity in a non-humidified state. A method can be provided.

本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池の模式的断面図。The typical sectional view of the fuel cell concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の実施例における金属リン酸塩のX線回折チャート図。The X-ray-diffraction chart figure of the metal phosphate in the Example of this invention.

以下、本発明の第1乃至第3の実施の形態を説明する。以下に示す第1乃至第3の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための材料や製造方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、材料や製造方法等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Hereinafter, first to third embodiments of the present invention will be described. The following first to third embodiments exemplify materials and manufacturing methods for embodying the technical idea of the present invention. The technical ideas of the present invention are materials and manufacturing methods. Etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

[第1の実施の形態]
(プロトン伝導性電解質)
本発明の第1の実施の形態に係るプロトン伝導性電解質は、金属リン酸塩とリン酸類で構成されており、金属リン酸塩がリン酸類と架橋されて構成される。
[First embodiment]
(Proton conducting electrolyte)
The proton conductive electrolyte according to the first embodiment of the present invention is composed of a metal phosphate and phosphoric acid, and the metal phosphate is crosslinked with phosphoric acid.

本実施の形態において、リン酸類(以下、単に「リン酸」ともいう。)とは、オルトリン酸及びリン酸縮合体をいい、リン酸縮合体としては、ピロリン酸,トリリン酸,メタリン酸(ポリリン酸)等が挙げられる。   In the present embodiment, phosphoric acids (hereinafter also simply referred to as “phosphoric acid”) refer to orthophosphoric acid and phosphoric acid condensate. Examples of the phosphoric acid condensate include pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, metaphosphoric acid (polyphosphoric acid). Acid) and the like.

本実施の形態に係る金属リン酸塩としては、オルトリン酸塩,ピロリン酸塩等の化合物を挙げることができる。具体的には、リン酸スズ,リン酸ジルコニウム,リン酸セシウム等を挙げることができる。好ましくは、スズやセシウム等の金属の一部がインジウム,アルミニウム,アンチモン等のドーピング金属元素で置換されたピロリン酸塩であるのが良い。   Examples of the metal phosphate according to the present embodiment include compounds such as orthophosphate and pyrophosphate. Specific examples include tin phosphate, zirconium phosphate, and cesium phosphate. Preferably, a pyrophosphate salt in which a part of a metal such as tin or cesium is substituted with a doping metal element such as indium, aluminum, or antimony is preferable.

本実施の形態において、金属リン酸塩は、下記式(1)で表される化合物で構成されるのが好ましい。   In the present embodiment, the metal phosphate is preferably composed of a compound represented by the following formula (1).

1−x ・・・(1)
(ここで、M,Nは金属元素、Xは0≦X<0.5であり、MはZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAlの群から選ばれる1種であり、Nはドーピング金属元素であり、Al,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce,La及びSbの群から選ばれる1種である。)
M 1-x N x P 2 O 7 (1)
(Where M and N are metal elements, X is 0 ≦ X <0.5, and M is selected from the group consisting of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Ca, Mg, and Al. N is a doping metal element and is one selected from the group of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La and Sb.)

本実施の形態に係る金属リン酸塩は、1種以上の金属酸化物とリン酸を加熱して、熱処理することにより合成することができる。   The metal phosphate according to this embodiment can be synthesized by heating and heat-treating one or more metal oxides and phosphoric acid.

金属酸化物としては、リン酸と結晶性塩を生成可能なものであれば、特に限定されない。例えば、以下の金属元素からなる酸化物を挙げることができる。すなわち、Zr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAl等の金属元素である。   The metal oxide is not particularly limited as long as it can generate phosphoric acid and a crystalline salt. For example, the oxide which consists of the following metal elements can be mentioned. That is, it is a metal element such as Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Ca, Mg, and Al.

上記金属を主金属として、主金属と異なる金属をドープしてもよい。ドープ金属を用いた場合、上記主金属のうちリン酸塩としての安定性の点から、Sn,Cs,Ti及びZrを用いるのが望ましい。   You may dope the metal different from a main metal by using the said metal as a main metal. When a doped metal is used, it is desirable to use Sn, Cs, Ti and Zr from the viewpoint of stability as a phosphate among the main metals.

ドープ金属としては、例えば、Snを主金属として用いた場合、主金属と固溶可能なものであることから、In,Alが好適である。主金属とドープ金属の配合比率は固溶限界により異なるがSnを主金属、Inをドープ金属として用いる場合、例えば、Sn:In=7:3〜9.8:0.2の範囲が望ましい。   As the dope metal, for example, when Sn is used as the main metal, In and Al are suitable because they can be dissolved in the main metal. The mixing ratio of the main metal and the doped metal varies depending on the solid solubility limit, but when Sn is used as the main metal and In is used as the doped metal, for example, a range of Sn: In = 7: 3 to 9.8: 0.2 is desirable.

本実施の形態に係るプロトン伝導性電解質は、金属リン酸塩の金属元素及びドープされる金属元素の原子数をそれぞれ[M]及び[N]、金属リン酸塩のリンの原子数とリン酸のリンの原子数の合計を[P]とした場合、下記式(2)を満たすことが好ましい。   In the proton conductive electrolyte according to the present embodiment, the number of atoms of the metal element of the metal phosphate and the number of atoms of the doped metal element are [M] and [N], respectively, and the number of phosphorus atoms of the metal phosphate and phosphoric acid When the total number of phosphorus atoms of [P] is [P], it is preferable to satisfy the following formula (2).

2<[P]/([M]+[N])≦4 ・・・(2)
より好ましくは、下記式(3)を満たすことが好ましい。
2 <[P] / ([M] + [N]) ≦ 4 (2)
More preferably, it is preferable to satisfy | fill following formula (3).

2.4≦[P]/([M]+[N])≦3.2 ・・・(3)     2.4 ≦ [P] / ([M] + [N]) ≦ 3.2 (3)

上記式(2)を満たすことにより、高いプロトン伝導性が得られるとともに、成形性が良好なものとなる。上記式[P]/([M]+[N])の値が、2以下であると、金属リン酸塩上のリン酸量が少なくなり、プロトン伝導性が向上しない。一方、4を超えると、リン酸量が多すぎて大気中の水分の吸湿が高く成形体が脆くなるので形状が維持できないおそれがある。   By satisfy | filling said Formula (2), while high proton conductivity is acquired, a moldability will become favorable. When the value of the above formula [P] / ([M] + [N]) is 2 or less, the amount of phosphoric acid on the metal phosphate is reduced, and proton conductivity is not improved. On the other hand, if it exceeds 4, the amount of phosphoric acid is too large, moisture absorption in the atmosphere is so high that the molded body becomes brittle, and the shape may not be maintained.

(プロトン伝導性電解質の製造方法)
本実施の形態に係るプロトン伝導性電解質の製造方法は、金属リン酸塩とリン酸類を混合する工程と、混合した金属リン酸塩とリン酸類を、一軸成形により打錠成形を行った後、又はセラミックス多孔質体の容器に充填若しくはハニカム体に充填した後、熱処理する工程とを備える。以下、詳細に説明をする。
(Proton conductive electrolyte production method)
The method for producing a proton conductive electrolyte according to the present embodiment includes a step of mixing metal phosphate and phosphoric acid, and after performing tableting molding by uniaxial molding of the mixed metal phosphate and phosphoric acid, Or a step of heat-treating after filling the container of the ceramic porous body or filling the honeycomb body. This will be described in detail below.

(a)まず、金属リン酸塩を以下のようにして、作製する。
スズ等の主金属及びインジウム等のドーピング金属を含む、それぞれの金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、或いは金属硝酸化物等と液体リン酸を所定のモル数で配合する。次いで、これに水を加えて、温度、約100〜300℃程度で、約1〜3時間程度スターラー等を用いて攪拌して分散させる。この分散液を坩堝に入れて、例えば、約300〜700℃程度の温度で焼成する。焼成する時間は、例えば、約1〜3時間程度である。上記高温状態ではリン酸が消失するおそれがあるため、液体リン酸のモル数は大目、例えば、モル当量の約1.1〜1.5倍程度加えるのが望ましい。
(A) First, a metal phosphate is prepared as follows.
Each metal oxide, metal hydroxide, metal chloride, or metal nitrate containing a main metal such as tin and a doping metal such as indium and liquid phosphoric acid are mixed in a predetermined number of moles. Next, water is added thereto, and the mixture is stirred and dispersed at a temperature of about 100 to 300 ° C. using a stirrer or the like for about 1 to 3 hours. This dispersion is put in a crucible and fired at a temperature of about 300 to 700 ° C., for example. The firing time is, for example, about 1 to 3 hours. Since phosphoric acid may disappear in the high temperature state, it is desirable that the number of moles of liquid phosphoric acid is large, for example, about 1.1 to 1.5 times the molar equivalent.

焼成時におけるリン酸消失の問題を回避するため、液体リン酸に代えて固体リン酸を用いても良い。固体リン酸を用いる場合は、例えば、リン酸1水素アンモニウム、リン酸2水素アンモニウム等を用いて、スズ等の主金属及びインジウム等のドーピング金属を含む、それぞれの金属酸化物とを所定のモル数で混合する。金属酸化物は、主金属を含む酸化物とドーピング金属を含む酸化物が、主金属とドーピング金属のモル比を、例えば、約9:1〜1:1にして混合されたものがよい。これらを坩堝に投入し、例えば、約300〜700℃程度の温度で、約1〜3時間程度で焼成する。次いで、焼成で得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望の金属リン酸塩を得ることができる。
固体リン酸を用いることにより、モル当量のリン酸が、金属酸化物と反応し、余剰物は高温により揮発するため余剰のリン酸が付着せず再現性の良い金属リン酸塩を得ることができる。
In order to avoid the problem of loss of phosphoric acid during firing, solid phosphoric acid may be used instead of liquid phosphoric acid. In the case of using solid phosphoric acid, for example, using ammonium monohydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, or the like, each metal oxide containing a main metal such as tin and a doping metal such as indium is formed in a predetermined molar amount. Mix by number. As the metal oxide, an oxide containing a main metal and an oxide containing a doping metal may be mixed at a molar ratio of the main metal to the doping metal of, for example, about 9: 1 to 1: 1. These are put into a crucible and fired at a temperature of about 300 to 700 ° C. for about 1 to 3 hours. Subsequently, the product obtained by baking can be pulverized in an agate bowl to obtain a desired metal phosphate.
By using solid phosphoric acid, a molar equivalent of phosphoric acid reacts with the metal oxide, and the excess is volatilized at a high temperature, so that excess phosphoric acid does not adhere and a reproducible metal phosphate can be obtained. it can.

また、共沈法で作製することも可能である。例えば、塩化スズ5水和物(SnCl4・5H2O)及び塩化インジウム4水和物(InCl3・4H2O)を、約9:1のモル比となるよう所定濃度の水溶液を調整した後、スターラーで攪拌し、アンモニア水溶液をpH7になるまで滴下することにより水酸化スズ(Sn(OH)4)及び水酸化インジウム(In(OH)3)を得る。その後、沈殿物を吸引・濾過し乾燥させ、上記水酸化塩とリン酸を混合し、約200℃、約2時間熱処理を行うことにより、金属リン酸塩を得ることができる。最後に脱イオン水で洗浄を行う。共沈法によれば、所望の複数の金属イオンを含む溶液から複数種類の難溶性塩を同時に沈殿させることで、インジウムをリン酸スズに均一にドープした粉体を調整することができる。 It can also be produced by a coprecipitation method. For example, tin chloride pentahydrate (SnCl 4 .5H 2 O) and indium chloride tetrahydrate (InCl 3 .4H 2 O) were prepared in an aqueous solution having a predetermined concentration so that the molar ratio was about 9: 1. Thereafter, the mixture is stirred with a stirrer, and an aqueous ammonia solution is added dropwise until the pH becomes 7, thereby obtaining tin hydroxide (Sn (OH) 4 ) and indium hydroxide (In (OH) 3 ). Thereafter, the precipitate is suctioned / filtered and dried, the hydroxide salt and phosphoric acid are mixed, and heat treatment is carried out at about 200 ° C. for about 2 hours to obtain a metal phosphate. Finally, wash with deionized water. According to the coprecipitation method, a powder in which indium is uniformly doped with tin phosphate can be prepared by simultaneously precipitating a plurality of types of hardly soluble salts from a solution containing a plurality of desired metal ions.

(b)次に、上記金属リン酸塩とリン酸とからプロトン伝導性電解質を作製する。
金属リン酸塩とリン酸を所定の配合量で混合し、よく混錬した後、混合した金属リン酸塩とリン酸類を、一軸成形により打錠した後又はセラミックス多孔質体の容器に充填した後若しくはハニカム体に充填した後、熱処理を行うことにより、プロトン伝導性電解質が得られる。
(B) Next, a proton conductive electrolyte is prepared from the metal phosphate and phosphoric acid.
After mixing metal phosphate and phosphoric acid at a predetermined blending amount and kneading well, the mixed metal phosphate and phosphoric acid are compressed into tablets by uniaxial molding or filled into a ceramic porous body container. A proton conductive electrolyte can be obtained by heat treatment after or after filling the honeycomb body.

打錠により成形する場合、打錠成形体を作製するための打錠治具の材質としては、電解質に圧力を加えて、所望の厚み・大きさに打錠することができる治具であれば、特に限定されないが、耐酸性・耐圧性に優れたものであるのが好ましい。このようなものとしては、例えば、ステンレススチール(SUS)、超硬ダイズ等が用いられる。このうち、特に耐圧性が高い点より超硬ダイズが望ましい。また打錠治具としては、市販されている打錠成形用治具を用いて良い。   When molding by tableting, the material of the tableting jig for producing the tableting molded body is a jig that can be compressed to a desired thickness and size by applying pressure to the electrolyte, Although it is not particularly limited, it is preferably excellent in acid resistance and pressure resistance. Examples of such a material include stainless steel (SUS) and super hard soybean. Of these, super-hard soybean is preferable because of its particularly high pressure resistance. As a tableting jig, a commercially available tableting jig may be used.

セラミックス多孔質体の容器に充填して成形する場合、電解質を充填する多孔質体としては、電解質を充填することがきるものであれば、特に限定されないが、耐酸性・耐圧性に優れたものであるのが好ましい。このようなものとしては、例えば、セラミックス多孔質体、ハニカム体等が用いられる。   When the ceramic porous body is filled and molded, the porous body filled with the electrolyte is not particularly limited as long as it can fill the electrolyte, but has excellent acid resistance and pressure resistance. Is preferred. As such a thing, a ceramic porous body, a honeycomb body, etc. are used, for example.

セラミックス多孔質体若しくはハニカム体に電解質を充填する手法としては、電解質を充填することができる手法であれば、特に限定されないが、より緻密に充填することのできる手法であるのが好ましい。このような方法としては、例えば、直径5cm、高さ1cm、ハニカムの内径が5mmの円筒形のハニカム体に金属リン酸塩とリン酸の混合体を100%完全に充填を行い、さらに余剰の金属リン酸塩とリン酸の混合体を、ハニカム体と共にナイロンパウチに入れた状態でヒートシールを行って密閉し、静水圧プレス(SIP)を約2t/cmの圧力で行う。その後、金属リン酸塩とリン酸の混合体が充填されたハニカム体を取り出し、ハニカム体の外部に付着した電解質を取り除く。次いで、これらを熱処理することにより、粉体がより緻密に充填されたプロトン伝導性電解質を得ることができる。 A technique for filling the ceramic porous body or honeycomb body with the electrolyte is not particularly limited as long as it is a technique capable of filling the electrolyte, but a technique capable of more dense filling is preferable. As such a method, for example, a cylindrical honeycomb body having a diameter of 5 cm, a height of 1 cm, and an inner diameter of the honeycomb of 5 mm is completely filled with a mixture of a metal phosphate and phosphoric acid, and a surplus is further obtained. The mixture of metal phosphate and phosphoric acid is sealed by heat sealing in a state where it is put in a nylon pouch together with the honeycomb body, and hydrostatic pressure pressing (SIP) is performed at a pressure of about 2 t / cm 2 . Thereafter, the honeycomb body filled with the mixture of metal phosphate and phosphoric acid is taken out, and the electrolyte attached to the outside of the honeycomb body is removed. Next, by subjecting them to heat treatment, a proton conductive electrolyte in which the powder is more densely packed can be obtained.

熱処理においては、熱処理温度は、例えば、約50〜300℃程度、好ましくは約100〜250℃であるのがよい。熱処理温度が、約50℃程度より低いとリン酸中に含まれる水が除去できず、約300℃程度を超えるとリン酸が揮発するため好ましくない。また、熱処理時間は、例えば、約10分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。
金属リン酸塩とリン酸類の配合量は質量比で5:0.2〜5:2、好ましくは5:0.3〜5:1.2、より好ましくは5:0.8〜5:1、最も好ましくは5:0.9になるように調整する。
In the heat treatment, the heat treatment temperature is, for example, about 50 to 300 ° C., preferably about 100 to 250 ° C. If the heat treatment temperature is lower than about 50 ° C., water contained in phosphoric acid cannot be removed, and if it exceeds about 300 ° C., phosphoric acid volatilizes, which is not preferable. The heat treatment time is, for example, about 10 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.
The compounding amount of the metal phosphate and the phosphoric acid is 5: 0.2 to 5: 2, preferably 5: 0.3 to 5: 1.2, more preferably 5: 0.8 to 5: 1 by mass ratio. Most preferably, it is adjusted to 5: 0.9.

上記熱処理により、リン酸に含まれる水を揮発させるとともに、金属リン酸塩上のオルトリン酸が縮合してピロリン酸或いはメタリン酸等が生成される。そして、このピロリン酸等と金属リン酸塩が架橋されることにより金属リン酸塩周辺にリン酸とのネットワークが形成され、電荷を有するリン酸が高密度に集積することにより良好なプロトン伝導性が発現するとともに、電解質の強度が増大するものと考えられる。   By the heat treatment, water contained in phosphoric acid is volatilized, and orthophosphoric acid on the metal phosphate is condensed to produce pyrophosphoric acid or metaphosphoric acid. Then, when this pyrophosphate and metal phosphate are cross-linked, a network with phosphoric acid is formed around the metal phosphate, and the charged phosphoric acid accumulates at a high density, resulting in good proton conductivity. It is considered that the strength of the electrolyte is increased.

上記熱処理により得られたプロトン伝導性電解質は、打錠成形体やセラミックス多孔質体、ハニカム体などの容器に充填されたまま、両側に電極をつけることで燃料電池の電解質として使用することが可能である。   The proton conductive electrolyte obtained by the above heat treatment can be used as an electrolyte for a fuel cell by attaching electrodes on both sides while filling a container such as a tableting molded body, a ceramic porous body, and a honeycomb body. It is.

また、得られたプロトン伝導性電解質を粉砕し、電解質膜を構成する材料として用いても良い。   Further, the obtained proton conductive electrolyte may be pulverized and used as a material constituting the electrolyte membrane.

本実施の形態によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a proton conductive electrolyte that has excellent reproducibility, good moldability, and high proton conductivity in a non-humidified state.

[第2の実施の形態]
(プロトン伝導性電解質膜)
本発明の第2の実施の形態に係るプロトン伝導性電解質膜は、第1の実施の形態に記載のプロトン伝導性電解質で構成される。
[Second Embodiment]
(Proton conducting electrolyte membrane)
The proton conductive electrolyte membrane according to the second embodiment of the present invention is composed of the proton conductive electrolyte described in the first embodiment.

本実施の形態に係るプロトン伝導性電解質膜は、その厚みは限定的でないが、通常約20〜1000μm程度、強度の点から、好ましくは、約30〜300μm程度であるのがよい。   Although the thickness of the proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment is not limited, it is usually about 20 to 1000 μm, and preferably about 30 to 300 μm from the viewpoint of strength.

プロトン伝導性電解質膜を構成する金属リン酸塩は、バインダーを含有してもよい。金属リン酸塩にバインダーを添加してペースト化したものをキャスト成形することにより、機械強度にすぐれた電解質膜を得ることができる。   The metal phosphate constituting the proton conductive electrolyte membrane may contain a binder. An electrolyte membrane with excellent mechanical strength can be obtained by casting a paste obtained by adding a binder to metal phosphate.

キャスト基材としては、電解質ペーストを塗工する支持体であれば、特に限定されないが、耐酸性・耐熱性に優れたものであるのが好ましい。このようなものとしては、例えば、ポリエステル、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルム、金属箔等が用いられる。このうち、後述する電解質膜の製造工程における寸法安定性、剥離性の点よりPTFE、ポリイミド、金属箔が望ましい。また、電解質膜への剥離性を向上させるため、離型層・剥離層などを設けても良い。   The cast base material is not particularly limited as long as it is a support to which an electrolyte paste is applied, but it is preferably one having excellent acid resistance and heat resistance. Examples of such a material include polyester, polyimide, polytetrafluoroethylene (PTFE) film, metal foil, and the like. Among these, PTFE, polyimide, and metal foil are preferable from the viewpoint of dimensional stability and peelability in the electrolyte membrane manufacturing process described later. Moreover, in order to improve the peelability to an electrolyte membrane, you may provide a release layer, a peeling layer, etc.

使用するバインダーは、例えば、pHが約1〜3程度における耐酸性、温度が約100〜200℃程度における耐熱性を有するものが好ましい。また、プロトン伝導性を有していても良い。   The binder used preferably has, for example, acid resistance at a pH of about 1 to 3 and heat resistance at a temperature of about 100 to 200 ° C. Further, it may have proton conductivity.

このようなバインダーとして、フッ素系又は炭化水素系ポリマー、フッ素系又は炭化水 素系イオノマーであることが好ましい。   Such a binder is preferably a fluorine-based or hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based or hydrocarbon-based ionomer.

フッ素系ポリマーとしては、テトラフルオロエチレン(PTFE),ポリフッ化ビニリデン,四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP),四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等のフッ素樹脂等を用いることができる。   Fluoropolymers include fluorine such as tetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). Resin or the like can be used.

炭化水素系ポリマーとしては炭化水素系化合物を主骨格とする高分子であって、ポリイ ミド,ポリアミドイミド,ポリスチレンスルファイド,ポリベンズイミダゾール系,ポリピリジン,ポリピリミジン,ポリイミダゾ−ル,ポリベンゾチアゾール,ポリベンゾオキザゾール,ポリオキサジアゾ−ル,ポリキリノン,ポリキノキサリン,ポリチアジアゾ−ル,ポリテトラザビレン,ポリオキサゾ−ル,ポリチアゾール,ポリビニールピリジン及びポリビニールイミダゾール等が挙げられる。   The hydrocarbon polymer is a polymer having a hydrocarbon compound as the main skeleton, such as polyimide, polyamideimide, polystyrene sulfide, polybenzimidazole, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazole, polybenzothiazole, poly Examples thereof include benzooxazole, polyoxadiazol, polyxylone, polyquinoxaline, polythiadiazol, polytetrazabilene, polyoxazole, polythiazole, polyvinyl pyridine and polyvinyl imidazole.

フッ素系イオノマーとしては、デュポン社のNafion(登録商標)、旭硝子社のフレミオン(登録商標)、旭化成社のアシプレックス(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸系、アクイヴィオン(登録商標)のようなスルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体 が挙げられる。   Examples of fluorine-based ionomers include Nafion (registered trademark) from DuPont, Flemion (registered trademark) from Asahi Glass Co., Aciplex (registered trademark) from Asahi Kasei Co., Ltd., and Aquivion (registered trademark). And sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer.

炭化水素系イオノマーとしては、ポリアリーレンエーテルスルホン酸,ポリスチレンスルホン酸,シンジオタクチックポリスチレンスルホン酸,ポリフェニレンエーテルスルホン酸,変性ポリフェニレンエーテルスルホン酸,ポリエーテルスルホンスルホン酸,ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸,及びポリフェニレンサルファイドスルホン酸等を挙げることができる。   Hydrocarbon ionomers include polyarylene ether sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, syndiotactic polystyrene sulfonic acid, polyphenylene ether sulfonic acid, modified polyphenylene ether sulfonic acid, polyether sulfone sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, and polyphenylene. Examples thereof include sulfide sulfonic acid.

また、バインダーは、イオン性液体であってもよい。イオン性液体としては、プロトン伝導性を妨げない限り、特に限定されないが、例えば、フルオロハイドイロジェネート型イオン液体,ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホン酸系イオン液体等を挙げることができる。   The binder may be an ionic liquid. The ionic liquid is not particularly limited as long as proton conductivity is not hindered. Examples of the ionic liquid include a fluorohydrogenate type ionic liquid and a diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonic acid ionic liquid.

また、バインダーは、セルロース系ポリマーであってもよい。セルロース系ポリマーとしては、メチルセルロース,カルボキシメチルセルロース,酢酸セルロース等を挙げることができる。   The binder may be a cellulosic polymer. Examples of the cellulose polymer include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and cellulose acetate.

上述したバインダーは、1種類のみを用いてもよいし、複数の種類を使用してもよい。   Only one type of binder described above may be used, or a plurality of types may be used.

これらのバインダーの中でも、耐久性・結着性の点よりPTFE,ポリフッ化ビニリデン,パーフルオロスルホン酸,酢酸セルロース,スルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体が好適に用いられる。   Among these binders, PTFE, polyvinylidene fluoride, perfluorosulfonic acid, cellulose acetate, and sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer are preferably used from the viewpoint of durability and binding properties.

本実施の形態に係るプロトン伝導性電解質膜は、第1の実施の形態に記載の金属リン酸塩を用いて、これを粉体状にしてリン酸を加えてペースト状にし、このペーストをキャスト基材に塗工し、熱処理した後、キャスト基材より剥離してキャスト膜として製造することができる。   The proton-conducting electrolyte membrane according to the present embodiment uses the metal phosphate described in the first embodiment, which is powdered, added with phosphoric acid to form a paste, and the paste is cast. After coating on a base material and heat-treating, it can be peeled off from the cast base material to produce a cast film.

上記ペーストは、上記バインダーの溶液もしくはディスパージョンに溶剤を加えて作製してもよい。溶媒は、バインダーを凝集させないものが用いられる。具体的には水,エタノール,メタノール,1−ブタノール,t−ブタノール,プロパノール,N−メチルピロリドン,ジメチルアセトアミド等を挙げることができる。   The paste may be prepared by adding a solvent to the binder solution or dispersion. A solvent that does not aggregate the binder is used. Specific examples include water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, and the like.

次いで、これらを分散機で混合・分散して電解質ペーストを得る。分散機としては、超音波分散機,ホモゲナイザー,遊星ボールミル等を用いることができる。   Subsequently, these are mixed and disperse | distributed with a disperser, and electrolyte paste is obtained. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a planetary ball mill, or the like can be used.

また、金属リン酸塩とリン酸を混合し熱処理を行い、この熱処理を行った金属リン酸塩とリン酸の混合物に上記バインダーを添加して上記ペーストを作製してもよい。   Alternatively, a metal phosphate and phosphoric acid may be mixed and subjected to heat treatment, and the paste may be prepared by adding the binder to the heat-treated metal phosphate and phosphoric acid mixture.

熱処理温度は、溶剤を除去し、複合リン酸塩の形成を促進するため、例えば、約50〜300℃程度、好ましくは約100〜250℃であるのがよい。熱処理温度が、約50℃程度より低いとリン酸中に含まれる水が除去できず、約300℃程度を超えるとリン酸が揮発するため好ましくない。また、熱処理時間は、例えば、約10分〜5時間程度、好ましくは約10分〜3時間程度である。
金属リン酸塩とリン酸類の配合量は質量比で5:0.2〜5:2、好ましくは5:0.3〜5:1.2、より好ましくは5:0.8〜5:1、最も好ましくは5:0.9になるように調整する。
The heat treatment temperature is, for example, about 50 to 300 ° C., preferably about 100 to 250 ° C. in order to remove the solvent and promote the formation of the composite phosphate. If the heat treatment temperature is lower than about 50 ° C., water contained in phosphoric acid cannot be removed, and if it exceeds about 300 ° C., phosphoric acid volatilizes, which is not preferable. The heat treatment time is, for example, about 10 minutes to 5 hours, preferably about 10 minutes to 3 hours.
The compounding amount of the metal phosphate and the phosphoric acid is 5: 0.2 to 5: 2, preferably 5: 0.3 to 5: 1.2, more preferably 5: 0.8 to 5: 1 by mass ratio. Most preferably, it is adjusted to 5: 0.9.

上記熱処理を行った金属リン酸とリン酸の混合物を用いてペーストを作製する場合、ペースト作成後、熱処理を行わず乾燥のみでもよい。乾燥方法としては、電解質膜中に含まれる溶媒成分を除去することができるものであれば、特に限定されない。このような方法としては、例えば、赤外線,真空,風乾,高周波電磁波等による乾燥が挙げられる。   When a paste is prepared using a mixture of metal phosphoric acid and phosphoric acid that has been subjected to the heat treatment, after the paste is formed, heat treatment may not be performed and only drying may be performed. The drying method is not particularly limited as long as the solvent component contained in the electrolyte membrane can be removed. Examples of such a method include drying by infrared rays, vacuum, air drying, high-frequency electromagnetic waves, and the like.

本実施の形態によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a proton conductive electrolyte membrane having excellent reproducibility, good moldability, and high proton conductivity in a non-humidified state.

[第3の実施の形態]
(燃料電池)
本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池10は、図1に示すように、プロトン伝導性電解質膜1と、一対の触媒電極2,3と、一対のセパレータ4,5とを備える。プロトン伝導性電解質膜1の両面に触媒電極2,3及びセパレータ4,5がそれぞれ順次積層されて構成される。
[Third embodiment]
(Fuel cell)
As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 according to the third embodiment of the present invention includes a proton conductive electrolyte membrane 1, a pair of catalyst electrodes 2 and 3, and a pair of separators 4 and 5. The catalyst electrodes 2, 3 and the separators 4, 5 are sequentially stacked on both sides of the proton conductive electrolyte membrane 1.

触媒電極2,3は、多孔質体などガス拡散性の導電材料で形成されており、燃料ガス、あるいは酸化剤ガスが流通できるようになっている。アノード側触媒電極2は、燃料極であり、カソード側触媒電極3は、酸化剤極である。燃料極には水素の酸化反応を促進する触媒金属が付着されており、酸化剤極には酸素の還元反応を促進する触媒金属が付着している。なお、触媒電極2,3は、ガス拡散層と触媒層の2層から構成されていてもよい。   The catalyst electrodes 2 and 3 are made of a gas diffusible conductive material such as a porous body, and can flow fuel gas or oxidant gas. The anode side catalyst electrode 2 is a fuel electrode, and the cathode side catalyst electrode 3 is an oxidant electrode. A catalytic metal that promotes an oxidation reaction of hydrogen is attached to the fuel electrode, and a catalytic metal that promotes a reduction reaction of oxygen is attached to the oxidant electrode. The catalyst electrodes 2 and 3 may be composed of two layers, a gas diffusion layer and a catalyst layer.

セパレータ4は、燃料をアノード側触媒電極2に供給するためのものであり、燃料を流通するための燃料流路6を有する。一方、セパレータ5は、酸化剤ガスをカソード側触媒電極3に供給するためのものであり、酸化剤ガスを流通するための酸化剤ガス流路7を有する。   The separator 4 is for supplying fuel to the anode side catalyst electrode 2 and has a fuel flow path 6 for circulating the fuel. On the other hand, the separator 5 is for supplying an oxidant gas to the cathode side catalyst electrode 3 and has an oxidant gas flow path 7 for circulating the oxidant gas.

セパレータ4,5の材質としては、燃料電池10内の環境においても安定な導電性を有するものであればよい。一般的には、カーボン板に流路を形成したものが用いられる。また、セパレータ4,5は、ステンレススチール等の金属により構成し、その金属の表面にクロム,白金族金属又はその酸化物,導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものであってもよい。   The separators 4 and 5 may be made of any material having stable conductivity even in the environment inside the fuel cell 10. In general, a carbon plate having a flow path is used. The separators 4 and 5 are made of a metal such as stainless steel, and a coating made of a conductive material such as chromium, a platinum group metal or oxide thereof, or a conductive polymer is formed on the surface of the metal. Also good.

なお、セパレータ4,5は、燃料電池10を複数個積層して構成した燃料電池に用いる場合、集電体としての機能を有することができる。   The separators 4 and 5 can have a function as a current collector when used in a fuel cell in which a plurality of fuel cells 10 are stacked.

(動作原理)
燃料流路6に水素ガスあるいはメタノールなどの水素供給可能な燃料が、アノード側触媒電極2に供給され、この燃料からプロトン(H)と電子(e)が生成される。生成されたプロトンはプロトン伝導性電解質膜1によってカソード側触媒電極3へと搬送される。一方、酸化剤ガス流路7には空気あるいは酸素ガス等の酸化剤ガスがカソード側触媒電極3に供給され、プロトン伝導性電解質膜1によって搬送されてきたプロトンと外部回路8からくる電子及び酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このようにして燃料電池として機能する。
(Operating principle)
A fuel capable of supplying hydrogen, such as hydrogen gas or methanol, is supplied to the fuel flow path 6 to the anode catalyst electrode 2, and protons (H + ) and electrons (e ) are generated from the fuel. The generated protons are conveyed to the cathode side catalyst electrode 3 by the proton conductive electrolyte membrane 1. On the other hand, an oxidant gas such as air or oxygen gas is supplied to the cathode side catalyst electrode 3 in the oxidant gas flow path 7, protons carried by the proton conductive electrolyte membrane 1, electrons coming from the external circuit 8, and oxidation. Reaction with the agent gas produces water. In this way, it functions as a fuel cell.

本実施の形態に係る燃料電池10は、公知の技術を用いて、プロトン伝導性電解質膜1の両面に触媒電極2,3及びセパレータ4,5を順次積層することにより、図1に示す燃料電池10を製造することができる。   The fuel cell 10 according to the present embodiment is a fuel cell shown in FIG. 1 by sequentially laminating the catalyst electrodes 2 and 3 and the separators 4 and 5 on both surfaces of the proton conductive electrolyte membrane 1 using a known technique. 10 can be manufactured.

本実施の形態によれば、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質膜1を用いるので、安定性に優れ、高性能な燃料電池10を提供することができる。   According to the present embodiment, since the proton conductive electrolyte membrane 1 having excellent reproducibility, good moldability, and high proton conductivity in a non-humidified state is used, the fuel has excellent stability and high performance. A battery 10 can be provided.

以下において、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更実施可能である。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to these examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

[実施例1]
まず、金属リン酸塩を以下のようにして作製した。酸化スズ(SnO:Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In:ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素2アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、これらを薬さじで混合した。
[Example 1]
First, a metal phosphate was prepared as follows. Tin oxide (SnO 2 : manufactured by Nano Tec) 13.56 g (0.09 mol) and indium oxide (In 2 O 3 : manufactured by Nacalai Tesque) 1.40 g (0.0050 mol) of diammonium hydrogen phosphate ( 27.99 g (0.212 mol) (Nacalai Tesque) was added and mixed with a spoon.

得られた混合物を坩堝に投入し、約650℃で、約2時間程度焼成し、焼結後得られた生成物をめのうばちで粉砕し金属リン酸塩(サンプルA)を得た。   The obtained mixture was put into a crucible, fired at about 650 ° C. for about 2 hours, and the product obtained after sintering was pulverized with an agate to obtain a metal phosphate (sample A).

次に、金属リン酸塩(サンプルA)5gに85%リン酸水溶液0.9gを加えて、よく混練しフィルム状に圧延成形した後、約160℃、約30分程度で熱処理を行い、厚さ1mmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。   Next, 0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution was added to 5 g of metal phosphate (sample A), kneaded well and rolled into a film, and then heat-treated at about 160 ° C. for about 30 minutes. A proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 1 mm was obtained.

[実施例2]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、85%リン酸水溶液0.9g、60%PTFEディスパージョン(ポリフロンD1-E:ダイキン工業社製)0.83g、及び水20gを加えて、分散機で分散し電解質ペーストを作製した。この電解質ペーストを厚み50μmのポリイミドフィルム(DuPont社製)上にブレードコーターで塗工し、約160℃、約30分程度、熱処理を行い厚み100μmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。
[Example 2]
To 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, 0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution, 0.83 g of 60% PTFE dispersion (polyflon D1-E: manufactured by Daikin Industries) and 20 g of water In addition, an electrolyte paste was prepared by dispersing with a disperser. This electrolyte paste was applied onto a polyimide film (manufactured by DuPont) having a thickness of 50 μm with a blade coater and heat-treated at about 160 ° C. for about 30 minutes to obtain a proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 100 μm.

[実施例3]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、85%リン酸水溶液0.9g、20%Nafion溶液(DE2020CS:DuPont社製)1.0g、及び水20gを加えて、分散機で分散し電解質ペーストを作製した。この電解質ペーストを厚み50μmのポリイミドフィルム(DuPont社製)上にブレードコーターで塗工し、約160℃、約30分程度、熱処理を行い厚み100μmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。
[Example 3]
To 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, 0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution, 1.0 g of 20% Nafion solution (DE2020CS: manufactured by DuPont) and 20 g of water were added. To prepare an electrolyte paste. This electrolyte paste was applied onto a polyimide film (manufactured by DuPont) having a thickness of 50 μm with a blade coater and heat-treated at about 160 ° C. for about 30 minutes to obtain a proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 100 μm.

[実施例4]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、85%リン酸水溶液0.9gを加え、これらを薬さじで混合した。得られた混合物を坩堝に投入し、約160℃で約30分程度焼成し、焼結後得られた生成物をめのう鉢で粉砕し金属リン酸塩と液体リン酸の焼成物を得た。
[Example 4]
0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution was added to 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, and these were mixed with a spoon. The obtained mixture was put into a crucible, fired at about 160 ° C. for about 30 minutes, and the product obtained after sintering was pulverized in an agate bowl to obtain a fired product of metal phosphate and liquid phosphoric acid.

次に、上記金属リン酸塩と液体リン酸の焼成物5gに、バインダー(酢酸セルロース)4g、溶媒(NMP)3gを混合し分散機で約24時間分散し電解質膜ペーストを作製した。この電解質ペーストを厚み50μmのポリイミドフィルム(Dupont社製)上にブレードコーターで塗工し、約200℃、約30分程度、熱処理を行い厚み100μmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。   Next, 4 g of binder (cellulose acetate) and 3 g of solvent (NMP) were mixed with 5 g of the fired product of the metal phosphate and liquid phosphoric acid and dispersed for about 24 hours with a disperser to prepare an electrolyte membrane paste. This electrolyte paste was applied onto a polyimide film (manufactured by Dupont) having a thickness of 50 μm with a blade coater and heat-treated at about 200 ° C. for about 30 minutes to obtain a proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 100 μm.

[実施例5]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、85%リン酸水溶液0.9gを加え、これらを薬さじで混合した。得られた混合物を坩堝に投入し、約160℃で約30分程度焼成し、焼結後得られた生成物をめのう鉢で粉砕し金属リン酸塩と液体リン酸の焼成物を得た。
[Example 5]
0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution was added to 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, and these were mixed with a spoon. The obtained mixture was put into a crucible, fired at about 160 ° C. for about 30 minutes, and the product obtained after sintering was pulverized in an agate bowl to obtain a fired product of metal phosphate and liquid phosphoric acid.

次に、上記金属リン酸塩と液体リン酸の焼成物5gに、バインダー(酢酸セルロース)4g、溶媒(NMP)3gを混合し分散機で約24時間分散し電解質膜ペーストを作製した。この電解質ペーストを厚み50μmのポリイミドフィルム(Dupont社製)上にブレードコーターで塗工し、真空乾燥を行い厚み100μmのプロトン伝導性電解質膜を得た。   Next, 4 g of binder (cellulose acetate) and 3 g of solvent (NMP) were mixed with 5 g of the fired product of the metal phosphate and liquid phosphoric acid and dispersed for about 24 hours with a disperser to prepare an electrolyte membrane paste. This electrolyte paste was applied onto a polyimide film (manufactured by Dupont) having a thickness of 50 μm with a blade coater and vacuum-dried to obtain a proton conductive electrolyte membrane having a thickness of 100 μm.

[比較例1]
酸化スズ(SnO:Nano Tec社製)16.96g(0.11モル)、酸化インジウム(In:ナカライテスク社製)1.74g(0.0063モル)、85%リン酸水溶液(ナカライテスク社製)40.45g(0.35モル)に蒸留水20gを加え、約200℃で、約2時間スターラーで攪拌した。
[Comparative Example 1]
Tin oxide (SnO 2 : manufactured by Nano Tec) 16.96 g (0.11 mol), indium oxide (In 2 O 3 : manufactured by Nacalai Tesque) 1.74 g (0.0063 mol), 85% phosphoric acid aqueous solution ( 20 g of distilled water was added to 40.45 g (0.35 mol) of Nacalai Tesque, and the mixture was stirred with a stirrer at about 200 ° C. for about 2 hours.

得られた攪拌液を坩堝に投入し、約650℃で、約2時間程度焼成し、焼結後得られた生成物をめのうばちで粉砕し金属リン酸塩(サンプルB)を得た。   The obtained stirring liquid was put into a crucible, fired at about 650 ° C. for about 2 hours, and the product obtained after sintering was pulverized with an agate to obtain a metal phosphate (sample B).

次に、この金属リン酸塩(サンプルB)を圧延成形して、厚さ1mmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。   Next, this metal phosphate (sample B) was formed by rolling to obtain a proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 1 mm.

[比較例2]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、85%リン酸水溶液0.9gを加えて混合した後、これを圧延成形して厚さ1mmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。
[Comparative Example 2]
After adding 0.9 g of 85% phosphoric acid aqueous solution to 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, this was rolled to obtain a proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 1 mm. It was.

[比較例3]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、蒸留水20gを加えて混合した後、これを圧延成形して厚さ1mmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。
[Comparative Example 3]
After adding and mixing 20 g of distilled water to 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, this was rolled to obtain a proton-conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 1 mm.

[比較例4]
実施例1と同様の金属リン酸塩(サンプルA)5gに、60%PTFEディスパージョン(ポリフロンD1-E:ダイキン工業社製)0.83g、及び水20gを加えて、分散機で分散し電解質ペーストを作製した。この電解質ペーストを厚み50μmのポリイミドフィルム(DuPont社製)上にブレードコーターで塗工し、約160℃、約30分程度、熱処理を行い厚み100μmのプロトン伝導性電解質膜1を得た。
[Comparative Example 4]
To 5 g of the same metal phosphate (sample A) as in Example 1, 0.83 g of 60% PTFE dispersion (Polyflon D1-E: manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and 20 g of water are added, and dispersed in a disperser to be electrolyte. A paste was prepared. This electrolyte paste was applied onto a polyimide film (manufactured by DuPont) having a thickness of 50 μm with a blade coater and heat-treated at about 160 ° C. for about 30 minutes to obtain a proton conductive electrolyte membrane 1 having a thickness of 100 μm.

(結晶分析)
実施例1〜5、比較例1〜4で得られた金属リン酸塩(サンプルA,B)の結晶構造について、それぞれX線回折分析装置(XRD:X-ray diffraction Analysis)を用いて、表1に示す測定条件にてX線回折分析を行った。図2に、サンプルA及びB、並びにインジウムムドープ金属リン酸塩の標準物質のX線回折チャート図を示した。なお、標準物質は、市販された試料(Sn0.9In0.1)である。この分析によりサンプルA及びBがSn0.9In0.1であることが確認できた。
(Crystal analysis)
Each of the crystal structures of the metal phosphates (samples A and B) obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 was analyzed using an X-ray diffraction analyzer (XRD). X-ray diffraction analysis was performed under the measurement conditions shown in FIG. FIG. 2 shows X-ray diffraction charts of samples A and B and a standard material of indium-doped metal phosphate. The standard substance is a commercially available sample (Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 ). This analysis confirmed that Samples A and B were Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 .

Figure 0005099096
Figure 0005099096

(元素分析)
実施例1〜5、比較例1〜4で得られたプロトン伝導性電解質膜1について、それぞれ蛍光X線分析装置(XRF:X‐ray Fluorescence Analysis)(RIX−3100:理学電機工業社製)を用いて、元素分析を行った。
XRFの測定条件として、上記プロトン伝導性電解質膜1の測定径を30mmφ、測定雰囲気を13Paの真空状態、測定元素は、B(ボロン)から原子番号順にU(ウラン)までの元素を対象とした。
上記条件にて検出された元素のうちSn、In及びPの検出結果から、[P]/([M]+[N])の値を得た。結果を表2に示した。
(Elemental analysis)
For the proton conductive electrolyte membranes 1 obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, a fluorescent X-ray analyzer (XRF: X-ray Fluorescence Analysis) (RIX-3100: manufactured by Rigaku Corporation) is used. Used for elemental analysis.
As the measurement conditions of XRF, the measurement diameter of the proton conductive electrolyte membrane 1 is 30 mmφ, the measurement atmosphere is a vacuum state of 13 Pa, and the measurement elements are elements from B (boron) to U (uranium) in order of atomic number. .
The value of [P] / ([M] + [N]) was obtained from the detection results of Sn, In and P among the elements detected under the above conditions. The results are shown in Table 2.

(プロトン伝導度測定)
実施例1〜5、比較例1〜4で得られたプロトン伝導性電解質膜1について、プロトン伝導度を以下の方法により測定した。上記プロトン伝導性電解質膜1を直径2.2cmのディスク状に切り抜き、取り出しを設けた同形状の金電極を上下に当接しガラス板で固定した。電気化学測定装置(12528WB型:Solartron社)で交流インピーダンス負荷を行い、温度が120℃及び200℃の場合で、かつ無加湿環境下でのプロトン伝導度を測定した。結果を表2に示した。
(Proton conductivity measurement)
For the proton conductive electrolyte membranes 1 obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, the proton conductivity was measured by the following method. The proton conductive electrolyte membrane 1 was cut into a disk shape having a diameter of 2.2 cm, and a gold electrode of the same shape provided with a take-out was vertically contacted and fixed with a glass plate. An alternating current impedance load was applied with an electrochemical measurement apparatus (12528WB type: Solartron), and proton conductivity was measured at temperatures of 120 ° C. and 200 ° C. in a non-humidified environment. The results are shown in Table 2.

Figure 0005099096
Figure 0005099096

表2に示すように、本発明の範囲内にある実施例1〜5では、120℃及び200℃の無加湿状態において良好なプロトン伝導度を示した。
これに対して、比較例1及び2では、金属リン酸塩及びリン酸を熱処理しなかったため、リン酸の金属リン酸塩表面への付着が十分でなく、上記実施例に比べて、低いプロトン伝導度を示した。また、比較例3及び4では、金属リン酸塩の表面にリン酸がないため、プロトン伝導度は極端に低下した。
As shown in Table 2, in Examples 1 to 5 within the scope of the present invention, good proton conductivity was exhibited in a non-humidified state at 120 ° C and 200 ° C.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since the metal phosphate and phosphoric acid were not heat-treated, the phosphoric acid was not sufficiently adhered to the surface of the metal phosphate, and the protons were lower than in the above Examples. The conductivity is shown. Further, in Comparative Examples 3 and 4, since there was no phosphoric acid on the surface of the metal phosphate, the proton conductivity was extremely lowered.

以上のことから、本発明によるプロトン伝導性電解質は、再現性にすぐれ、良好な成形性を有し、無加湿状態で高いプロトン伝導性を有することがわかった。   From the above, it was found that the proton conductive electrolyte according to the present invention has excellent reproducibility, good moldability, and high proton conductivity in a non-humidified state.

本発明は、プロトン伝導性電解質に関連した技術分野に好適に適用され得る。   The present invention can be suitably applied to technical fields related to proton conducting electrolytes.

1・・・プロトン伝導性電解質膜
2・・・触媒電極(アノード側)
3・・・触媒電極(カソード側)
4・・・セパレータ(アノード側)
5・・・セパレータ(カソード側)
6・・・燃料流路
7・・・酸化剤ガス流路
8・・・外部回路
10・・燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Proton conductive electrolyte membrane 2 ... Catalytic electrode (anode side)
3 ... Catalyst electrode (cathode side)
4 ... Separator (anode side)
5 ... Separator (cathode side)
6 ... Fuel channel 7 ... Oxidant gas channel 8 ... External circuit 10 ... Fuel cell

Claims (20)

金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、及び金属硝酸化物の群から選ばれる少なくとも1種とリン酸を混合し熱処理して金属リン酸塩を生成する第1工程と、前記金属リン酸塩に、さらにリン酸類を混合し熱処理する第2工程とを備えたことを特徴とするプロトン伝導性電解質の製造方法。   A first step of mixing a phosphoric acid with at least one selected from the group consisting of a metal oxide, a metal hydroxide, a metal chloride, and a metal nitrate to form a metal phosphate by heat treatment; and the metal phosphate A method for producing a proton-conducting electrolyte, comprising a second step of further mixing a salt with a phosphoric acid and heat-treating the salt. 前記第2工程における熱処理温度は、50℃〜300℃であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。   2. The method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein the heat treatment temperature in the second step is 50 ° C. to 300 ° C. 3. 前記第1工程と前記第2工程の間に、前記金属リン酸塩を粉末状にする第3の工程を備え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電解質の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 1, further comprising a third step of converting the metal phosphate into a powder form between the first step and the second step. . 前記第1工程で用いられるリン酸は、固体リン酸であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein the phosphoric acid used in the first step is solid phosphoric acid. 前記金属リン酸塩が下記式(1)で表される化合物からなることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。
1−x ・・・(1)
(ここで、M,Nは金属元素、Xは0≦X<0.5であり、MがZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Ca,Mg及びAlの群から選ばれる1種であり、NがAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce,La及びSbの群から選ばれる1種である。)
The method for producing a proton-conductive electrolyte according to any one of claims 1 to 4 , wherein the metal phosphate is composed of a compound represented by the following formula (1).
M 1-x N x P 2 O 7 (1)
(Where M and N are metal elements, X is 0 ≦ X <0.5, and M is selected from the group consisting of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Ca, Mg, and Al. And N is one selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La and Sb.)
前記MがSn又はCsであることを特徴とする請求項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。 6. The method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 5 , wherein M is Sn or Cs. 前記NがIn又はAlであることを特徴とする請求項又はに記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。 The method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 5 or 6 , wherein the N is In or Al. 前記金属リン酸塩の前記M及び前記Nの原子数をそれぞれ[M]及び[N]、前記金属リン酸塩及び前記リン酸類のリンの原子数の合計を[P]として、[M],[N]及び[P]の関係が下記式(2)で表されることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。
2< [P]/([M]+[N]) ≦ 4 ・・・(2)
[M], [N] where the number of atoms of M and N of the metal phosphate is [M] and [N], respectively, and the total number of atoms of phosphorus of the metal phosphate and phosphoric acid is [P]. The method for producing a proton-conducting electrolyte according to any one of claims 5 to 7, wherein the relationship between [N] and [P] is represented by the following formula (2).
2 <[P] / ([M] + [N]) ≦ 4 (2)
前記[M],[N]及び[P]の関係が下記式(3)で表されることを特徴とする請求項8に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。
2.4≦ [P]/([M]+[N]) ≦ 3.2 ・・・(3)
The method for producing a proton conductive electrolyte according to claim 8, wherein the relationship between [M], [N], and [P] is represented by the following formula (3).
2.4 ≦ [P] / ([M] + [N]) ≦ 3.2 (3)
前記金属リン酸塩は、酸化スズとリン酸水素アンモニウムを用いて製造されたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。   The method for producing a proton-conductive electrolyte according to claim 1, wherein the metal phosphate is produced using tin oxide and ammonium hydrogen phosphate. 前記金属リン酸塩は、共沈法を用いて製造されたことを特徴とする請求項1〜3、5〜9のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal phosphate is produced using a coprecipitation method. 金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、及び金属硝酸化物の群から選ばれる少なくとも1種とリン酸を混合し熱処理して金属リン酸塩を生成する第1工程と、前記金属リン酸塩に、さらにリン酸類を混合してペーストを作製する第2工程と、前記ペーストをキャスト基材上に塗布して成形する第3工程とを備え、前記第2及び/又は第3工程において熱処理を行うことを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   A first step of mixing a phosphoric acid with at least one selected from the group consisting of a metal oxide, a metal hydroxide, a metal chloride, and a metal nitrate to form a metal phosphate by heat treatment; and the metal phosphate A second step of preparing a paste by further mixing phosphoric acids with the salt, and a third step of applying the paste on a cast substrate and molding the paste, and heat treatment in the second and / or third step A method for producing a proton-conducting electrolyte membrane, comprising: 前記第2工程において、バインダーを添加することを特徴とする請求項12に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   13. The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 12, wherein a binder is added in the second step. 前記バインダーが、フッ素系又は炭化水素系ポリマーであることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 13, wherein the binder is a fluorine-based or hydrocarbon-based polymer. 前記バインダーが、フッ素系又は炭化水素系イオノマーであることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 13, wherein the binder is a fluorine-based or hydrocarbon-based ionomer. 前記バインダーが、イオン性液体であることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 13, wherein the binder is an ionic liquid. 前記バインダーが、セルロース系ポリマーであることを特徴とする請求項13に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 13, wherein the binder is a cellulose polymer. 前記キャスト基材は、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、ポリイミドフィルム及び金属箔のいずれか1種からなることを特徴とする請求項12〜17のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 12 to 17, wherein the cast substrate is made of any one of a polytetrafluoroethylene film, a polyimide film, and a metal foil. . 請求項12〜18のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法により作製されたプロトン伝導性電解質膜の両面に触媒電極をそれぞれ積層する第4工程と、
前記各触媒電極上にセパレータをそれぞれ積層する第5工程とを備えたことを特徴とする燃料電池の製造方法。
A fourth step of respectively laminating catalyst electrodes on both sides of the proton conductive electrolyte membrane produced by the method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 12 to 18,
A fuel cell manufacturing method comprising: a fifth step of laminating a separator on each catalyst electrode.
前記第2及び/又は第3工程における熱処理温度は、50℃〜300℃であることを特徴とする請求項12〜19のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。   20. The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 12, wherein a heat treatment temperature in the second and / or third step is 50 ° C. to 300 ° C. 21.
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