JPWO2006075611A1 - Electrolyte membrane reinforcing material, electrolyte membrane and fuel cell using the same, and method for manufacturing electrolyte membrane reinforcing material - Google Patents

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Abstract

本発明の補強材は、ガラス繊維とガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む。また、本発明の電解質膜は、本発明の補強材とその補強材で補強された電解質膜を含む。また、本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜を備える。The reinforcing material of the present invention includes glass fibers and a coating of phosphosilicate gel formed on the glass fibers. Further, the electrolyte membrane of the present invention includes the reinforcing material of the present invention and the electrolyte membrane reinforced with the reinforcing material. Further, the fuel cell of the present invention includes the electrolyte membrane of the present invention.

Description

本発明は、電解質膜補強材およびそれを用いた電解質膜と燃料電池、ならびに電解質膜補強材の製造方法に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrolyte membrane reinforcing material, an electrolyte membrane using the same, a fuel cell, and a method for manufacturing the electrolyte membrane reinforcing material.

燃料電池は、発電効率が高く、環境負荷が小さいという特徴を有する。燃料電池の中でも、高分子電解質型燃料電池(PEFC)は、高出力で小型軽量化が容易であり、さらに量産効果による低コスト化も可能である。そのため、PEFCは、小規模オンサイト型、自動車用、携帯用の燃料電池として期待されている。   Fuel cells are characterized by high power generation efficiency and low environmental load. Among the fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a high output, is easy to reduce in size and weight, and can be reduced in cost due to the effect of mass production. Therefore, PEFC is expected as a fuel cell for small-scale on-site type, automobile, and portable.

現在、高分子プロトン伝導性膜(高分子電解質膜)として主に使用されているものは、パーフルオロアルキレン鎖を主骨格とし、スルホン酸基やカルボン酸基等のイオン交換基を含有するフッ素系高分子の膜である。しかし、これらのフッ素系高分子膜は含水にともなって膨潤し、寸法の増大、機械強度の低下、長時間運転時のクリープ発生を招く。したがって、フッ素系高分子膜単独では、セル形成時の取扱い性および運転開始後の耐久性が低いという問題がある。   At present, what is mainly used as a polymer proton conductive membrane (polymer electrolyte membrane) is a fluorine-based polymer containing a perfluoroalkylene chain as a main skeleton and containing an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group. It is a polymer film. However, these fluorine-based polymer membranes swell with water content, which causes an increase in size, a decrease in mechanical strength, and the occurrence of creep during long-term operation. Therefore, the fluorine-based polymer film alone has a problem that the handleability during cell formation and the durability after the start of operation are low.

このような問題を解決するために、各種補強材による高分子膜の補強が試みられており、たとえばガラス繊維を用いた電解質膜が提案されている(たとえば、特開平10−312815号公報、特開2004−047450号公報、特開2004−319421号公報)。   In order to solve such a problem, attempts have been made to reinforce the polymer membrane with various reinforcing materials, and for example, an electrolyte membrane using glass fiber has been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-31815, Japanese Patent Laid-Open No. 3-12815). Open 2004-047450, Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-319421).

しかしながら、ガラス繊維自体はプロトン伝導性を有さないため、補強材の量が多くなるほど電解質膜のプロトン伝導性が低下するという問題があった。そのため、プロトン伝導性を維持しながら、高い強度の補強材を得ることは難しかった。   However, since the glass fiber itself does not have proton conductivity, there is a problem that the proton conductivity of the electrolyte membrane decreases as the amount of the reinforcing material increases. Therefore, it was difficult to obtain a reinforcing material having high strength while maintaining proton conductivity.

このような状況を考慮し、本発明は、高い特性を有する電解質膜を形成できる補強材、それを用いた電解質膜および燃料電池、ならびに補強材の製造方法を提供することを目的の1つとする。   In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a reinforcing material capable of forming an electrolyte membrane having high characteristics, an electrolyte membrane and a fuel cell using the same, and a method for manufacturing the reinforcing material. .

上記目的を達成するため検討した結果、本件発明者らは、ガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成することによって、高い特性を有する電解質膜を形成できる補強材が得られることを見出した。すなわち、本件発明者らは、ホスホシリケート系ゲルを含む繊維(たとえばホスホシリケート系ゲルで被覆されたガラス繊維)を補強材として用いることによって上記目的を達成できることを見出した。本件発明は、この新しい知見に基づく発明である。   As a result of examination to achieve the above object, the present inventors have found that by forming a coating film of phosphosilicate gel on the surface of the glass fiber, a reinforcing material capable of forming an electrolyte membrane having high properties can be obtained. It was That is, the present inventors have found that the above object can be achieved by using a fiber containing a phosphosilicate-based gel (for example, a glass fiber coated with a phosphosilicate-based gel) as a reinforcing material. The present invention is an invention based on this new finding.

本発明の電解質膜補強材は、ガラス繊維と前記ガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む。   The electrolyte membrane reinforcing material of the present invention includes glass fibers and a phosphosilicate gel coating formed on the glass fibers.

本発明の電解質膜は、補強材と前記補強材で補強された電解質とを含む電解質膜であって、前記補強材が本発明の電解質膜補強材である。   The electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane including a reinforcing material and an electrolyte reinforced with the reinforcing material, and the reinforcing material is the electrolyte membrane reinforcing material of the present invention.

すなわち、本発明の電解質膜は、補強材と前記補強材で補強された電解質とを含む電解質膜であって、前記補強材が、ガラス繊維と前記ガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む。   That is, the electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane containing a reinforcing material and an electrolyte reinforced with the reinforcing material, wherein the reinforcing material is a glass fiber and a phosphosilicate-based gel formed on the glass fiber. And a coating.

電解質膜補強材を製造するための本発明の方法は、(i)以下の式(I)で表される少なくとも1種類の化合物と、リン酸構造を含む化合物とを含む出発材料からホスホシリケート系ゾルを調製する工程と、(ii)ガラス繊維の表面に前記ホスホシリケート系ゾルを塗布したのち、熱処理することによって前記ガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成する工程とを含む。
Si(OR)m4-m・・・(I)
[式(I)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、mは1以上4以下の整数を示す。]
The method of the present invention for producing an electrolyte membrane reinforcement comprises a phosphosilicate system from a starting material comprising (i) at least one compound of formula (I) below and a compound containing a phosphoric acid structure. The method includes a step of preparing a sol, and (ii) a step of applying the phosphosilicate sol to the surface of the glass fiber and then performing a heat treatment to form a coating film of the phosphosilicate gel on the surface of the glass fiber.
Si(OR) m X 4-m ...(I)
[In the formula (I), R represents an alkyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 or more and 4 or less. ]

別の観点によれば、本発明は、電解質膜を補強するための補強材であって、プロトン伝導性を有する補強材を提供する。この電解質膜補強材は、ホスホシリケート系ゲルを含む繊維状の補強材である。   According to another aspect, the present invention provides a reinforcing material for reinforcing an electrolyte membrane, the reinforcing material having proton conductivity. This electrolyte membrane reinforcing material is a fibrous reinforcing material containing a phosphosilicate gel.

本発明の補強材はプロトン伝導性を有するため、補強材によるプロトン伝導性の低下を抑制できる。また、本発明の補強材では、ガラス繊維がホスホシリケート系ゲルの被膜で覆われているため、ガラス繊維の成分の溶出による特性の低下を抑制できる。本発明の補強材を用いることによって、プロトン伝導性や耐久性といった特性が高い電解質膜が得られる。   Since the reinforcing material of the present invention has proton conductivity, it is possible to suppress a decrease in proton conductivity due to the reinforcing material. Further, in the reinforcing material of the present invention, since the glass fiber is covered with the coating film of phosphosilicate gel, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics due to the elution of the glass fiber component. By using the reinforcing material of the present invention, an electrolyte membrane having high properties such as proton conductivity and durability can be obtained.

以下、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

<電解質膜補強材>
本発明の電解質膜補強材は、ガラス繊維とガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む。
<Electrolyte membrane reinforcing material>
The electrolyte membrane reinforcing material of the present invention includes glass fibers and a phosphosilicate gel coating formed on the glass fibers.

ホスホシリケート系ゲルとは、リン酸構造を含む化合物が溶解した溶液中において、上述の式(I)で表される化合物を含む出発材料を加水分解縮合させることによって得られるゲルである。ホスホシリケート系ゲルには、上記加水分解縮合によって得られたゾルを熱処理することによって得られるゲルも含まれる。なお、出発材料は、式(I)で表される化合物の置換基の一部が有機基に置換された化合物や、シリコンアルコキシド以外の金属アルコキシドを含んでもよい。有機基を含有するシラン化合物を用いることによって、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルが得られる。ホスホシリケート系ゲルの製造方法の詳細については、後述する。   The phosphosilicate-based gel is a gel obtained by subjecting a starting material containing a compound represented by the above formula (I) to hydrolysis and condensation in a solution in which a compound containing a phosphoric acid structure is dissolved. The phosphosilicate-based gel also includes a gel obtained by heat-treating the sol obtained by the above-mentioned hydrolysis condensation. The starting material may contain a compound in which a part of the substituents of the compound represented by formula (I) is replaced with an organic group, or a metal alkoxide other than silicon alkoxide. By using a silane compound containing an organic group, a phosphosilicate gel containing an organic component can be obtained. Details of the method for producing the phosphosilicate gel will be described later.

本発明の補強材では、導電性を有するホスホシリケート系ゲルの被膜によってガラス繊維が被覆されている。そのため、導電性を大きく低下させることなく、電解質膜を補強できる。また、ホスホシリケート系ゲルの被膜でガラス繊維を被覆することによって、ガラス繊維の金属成分(たとえばナトリウムなどのアルカリ金属)が溶出することを防止できる。   In the reinforcing material of the present invention, the glass fiber is coated with a coating of a phosphosilicate gel having conductivity. Therefore, the electrolyte membrane can be reinforced without significantly reducing the conductivity. Further, by coating the glass fiber with the coating of phosphosilicate gel, it is possible to prevent the metal component of the glass fiber (for example, an alkali metal such as sodium) from eluting.

ガラス繊維の組成に特に限定はなく、たとえば、Eガラス組成、Sガラス組成、Cガラス組成、またはその他の組成であってもよい。補強材に用いられるガラス繊維は、1種類であってもよいし、複数種のガラス繊維を含んでもよい。Cガラス組成のガラス繊維は、耐酸性が高いため好ましい。また、Eガラス組成およびSガラス組成のガラス繊維は、極細化が容易であるため好ましい。また、Eガラス組成のガラス繊維は安価であるため好ましい。   The composition of the glass fiber is not particularly limited, and may be, for example, E glass composition, S glass composition, C glass composition, or other composition. The glass fiber used for the reinforcing material may be of one type or may contain a plurality of types of glass fibers. Glass fibers having a C glass composition are preferable because they have high acid resistance. Further, the glass fibers having the E glass composition and the S glass composition are preferable because they can be easily made extremely thin. Further, the glass fiber having the E glass composition is preferable because it is inexpensive.

Eガラス組成の一般的な組成範囲を表1に示す。なお、Eガラス組成は、以下の表1に示す成分以外の微量成分を1種類以上含んでもよい。1つの微量成分の含有率は、通常、0.2質量%未満である(以下の表2および表3のガラス組成においても同様である)。   Table 1 shows a general composition range of the E glass composition. In addition, the E glass composition may include one or more kinds of trace components other than the components shown in Table 1 below. The content of one trace component is usually less than 0.2% by mass (the same is true for the glass compositions in Tables 2 and 3 below).

Figure 2006075611
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また、Cガラス組成の一般的な組成範囲、および好ましい組成範囲を表2に示す。なお、Cガラス組成は、以下の表2に示す成分以外の微量成分を1種類以上含んでもよい。   Table 2 shows the general composition range and the preferable composition range of the C glass composition. The C glass composition may contain one or more kinds of trace components other than the components shown in Table 2 below.

Figure 2006075611
Figure 2006075611

また、Sガラス組成の一般的な組成範囲を表3に示す。なお、Sガラス組成は、以下の表3に示す成分以外の微量成分を1種類以上含んでもよい。   Table 3 shows the general composition range of the S glass composition. The S glass composition may include one or more kinds of trace components other than the components shown in Table 3 below.

Figure 2006075611
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本発明の補強材では、ガラス繊維が布状のシート(以下、「ガラス繊維シート」という場合がある)を構成していてもよい。たとえば、ガラス繊維は、織布を構成していてもよいし不織布を構成していてもよい。この構成によれば、シート状の補強材が得られる。   In the reinforcing material of the present invention, the glass fiber may form a cloth-like sheet (hereinafter, also referred to as “glass fiber sheet”). For example, the glass fibers may form a woven fabric or a non-woven fabric. According to this structure, a sheet-shaped reinforcing material is obtained.

ガラス繊維がガラス繊維シートを構成している場合、シートを構成しているガラス繊維同士が、被膜で結合されていてもよい。繊維の交絡部分がホスホシリケート系ゲルの被膜で固定および補強されることによって、強度が高い補強材が得られる。なお、補強材は、ガラス繊維シートを構成しない複数の単繊維であってもよい。   When the glass fibers compose the glass fiber sheet, the glass fibers composing the sheet may be bonded together by a coating. The entangled portion of the fibers is fixed and reinforced with the coating of phosphosilicate gel, whereby a reinforcing material having high strength can be obtained. The reinforcing material may be a plurality of single fibers that do not form a glass fiber sheet.

本発明の補強材がシート状である場合、その空隙率は、通常、60体積%〜98体積%の範囲であり、好ましくは80体積%〜98体積%の範囲であり、より好ましくは85体積%〜95体積%の範囲(たとえば90体積%〜95体積%の範囲)である。補強材の空隙率は、ガラス繊維のサイズ、単位体積あたりのガラス繊維の量、被膜の量などによって制御できる。空隙率が98体積%を越えると、強度が大きく低下する。一方、空隙率が60体積%未満であると、可撓性が低下し、組み立て時や加圧時に、電解質膜が損傷しやすくなる。なお、空隙率V(体積%)は、以下の式で求められる。
V(体積%)=[1−W/t×{(1−cB)/ρG+cB/ρB}]×100
t:20kPaの圧力でシートを加圧したときのシートの厚さ
W:シートの単位面積あたりの質量
ρG:ガラス繊維の密度(約2.5×103kg/m3
ρB:ホスホシリケート系ゲルの被膜の密度
cB:シートの質量に占めるホスホシリケート系ゲルの被膜の質量比率
When the reinforcing material of the present invention is in the form of a sheet, its porosity is usually in the range of 60% by volume to 98% by volume, preferably in the range of 80% by volume to 98% by volume, more preferably 85% by volume. % To 95% by volume (for example, 90% to 95% by volume). The porosity of the reinforcing material can be controlled by the size of glass fiber, the amount of glass fiber per unit volume, the amount of coating film, and the like. When the porosity exceeds 98% by volume, the strength is significantly reduced. On the other hand, when the porosity is less than 60% by volume, the flexibility is lowered, and the electrolyte membrane is likely to be damaged during assembly or pressurization. The porosity V (volume %) is calculated by the following formula.
V (volume %)=[1-W/t×{(1-cB)/ρG+cB/ρB}]×100
t: Thickness of the sheet when pressed at a pressure of 20 kPa W: Mass per unit area of the sheet ρG: Density of glass fiber (about 2.5×10 3 kg/m 3 )
ρB: Density of coating of phosphosilicate gel cB: Mass ratio of coating of phosphosilicate gel to the mass of the sheet

なお、ホスホシリケート系ゲルの被膜の密度ρBは、ホスホシリケート系ゲルの塊を被膜と同じ条件で作製して測定した。また、ホスホシリケート系ゲルの被膜の質量比率cBは、被膜形成前のシートの質量と、被膜形成後のシートの質量とを測定することによって算出した。   The density ρB of the coating of the phosphosilicate gel was measured by preparing a mass of the phosphosilicate gel under the same conditions as the coating. The mass ratio cB of the phosphosilicate gel coating film was calculated by measuring the mass of the sheet before the film formation and the mass of the sheet after the film formation.

本発明の補強材がシート状である場合、その厚さは、たとえば100μm以下であり、好ましくは50μm以下である。なお、この厚さは、20kPaの圧力で加圧されたシートの厚さをダイヤルゲージで測定した値である。   When the reinforcing material of the present invention is in the form of a sheet, its thickness is, for example, 100 μm or less, preferably 50 μm or less. Note that this thickness is a value obtained by measuring the thickness of the sheet pressed with a pressure of 20 kPa with a dial gauge.

また、本発明の補強材がシート状である場合、その目付(単位面積あたりの質量)は、たとえば2g/m2〜50g/m2の範囲であり、一例では3g/m2〜25g/m2の範囲である。When the reinforcing material of the present invention is in the form of a sheet, its basis weight (mass per unit area) is, for example, in the range of 2 g/m 2 to 50 g/m 2 , and in one example, 3 g/m 2 to 25 g/m. It is in the range of 2 .

また、ガラス繊維は、布状のシートを構成しない短繊維であってもよい。この場合、ガラス繊維は電解質中に分散される。   Further, the glass fiber may be a short fiber that does not form a cloth-like sheet. In this case, the glass fibers are dispersed in the electrolyte.

ガラス繊維の平均径および平均繊維長は、目的とする強度、補強材の形状、ガラス組成といった条件に応じて選択される。ガラス繊維の平均径の一例は、0.1μm〜20μmの範囲にあってもよい。また、ガラス繊維の平均長さの一例は、0.5mm〜20mmの範囲にあってもよい。   The average diameter and the average fiber length of the glass fiber are selected according to conditions such as desired strength, shape of the reinforcing material, and glass composition. An example of the average diameter of the glass fiber may be in the range of 0.1 μm to 20 μm. Moreover, an example of the average length of the glass fibers may be in the range of 0.5 mm to 20 mm.

ホスホシリケート系ゲル(リン珪酸系ガラス)の被膜は、たとえばゾル・ゲル法で形成できる。ホスホシリケート系ゲルの被膜の量は、たとえば補強材全体の1質量%〜90質量%の範囲(たとえば、2質量%〜30質量%の範囲)である。ホスホシリケート系ゲルの被膜の製造方法については後述する。   The phosphosilicate-based gel (phosphosilicate glass) coating can be formed by, for example, a sol-gel method. The amount of the phosphosilicate gel coating is, for example, in the range of 1% by mass to 90% by mass (for example, in the range of 2% by mass to 30% by mass) of the entire reinforcing material. The method for producing the phosphosilicate gel coating will be described later.

ホスホシリケート系ゲルの被膜の表面は、シランカップリング剤で処理されていてもよい。シランカップリング剤で処理することによって、補強材と電解質との結合力が増大する。補強材と電解質との熱膨張率が異なる場合、補強材と電解質との結合が弱いと、温度変化によって補強材と電解質とが剥離することがある。その結果、電解質膜中の水のクラスターが分断または変形し、プロトン伝導性が低下する場合がある。シランカップリング剤を用いて補強材と電解質との結合力を高めることによって、そのようなプロトン伝導性の低下を抑制できる。シランカップリング剤の一例としては、たとえば、アミノシラン、メタクリルシラン、エポキシシラン、ビニルシラン、メルカプトシラン、イソシアネートシラン、フルオロシランが挙げられる。   The surface of the coating of the phosphosilicate gel may be treated with a silane coupling agent. The treatment with the silane coupling agent increases the binding force between the reinforcing material and the electrolyte. When the reinforcing material and the electrolyte have different thermal expansion coefficients, if the reinforcing material and the electrolyte are weakly bonded, the reinforcing material and the electrolyte may be separated due to temperature change. As a result, water clusters in the electrolyte membrane may be divided or deformed, and the proton conductivity may be reduced. Such a decrease in proton conductivity can be suppressed by increasing the bonding force between the reinforcing material and the electrolyte by using the silane coupling agent. Examples of silane coupling agents include aminosilane, methacrylsilane, epoxysilane, vinylsilane, mercaptosilane, isocyanatesilane, and fluorosilane.

被膜は、有機成分を含まないホスホシリケート系ゲルであってもよいし、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルであってもよい。これらのホスホシリケート系ゲルについては、後述する。   The coating may be a phosphosilicate gel containing no organic component or a phosphosilicate gel containing an organic component. These phosphosilicate gels will be described later.

<電解質膜>
本発明の電解質膜(プロトン伝導性膜)は、上記本発明の補強材と、その補強材で補強された電解質とを含む。
<Electrolyte membrane>
The electrolyte membrane (proton conductive membrane) of the present invention includes the reinforcing material of the present invention and an electrolyte reinforced with the reinforcing material.

電解質には、いわゆる固体電解質といわれるものが適用でき、たとえば、高分子電解質、無機−有機複合電解質、無機電解質を適用できる。   What is called a solid electrolyte can be applied to the electrolyte, and for example, a polymer electrolyte, an inorganic-organic composite electrolyte, or an inorganic electrolyte can be applied.

電解質は、高分子電解質であってもよい。高分子電解質に特に限定はないが、たとえば、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、パーフルオロビニルエーテル側鎖を有し、一部の側鎖の末端にスルホン酸基やカルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系高分子を用いることができる。フッ素系高分子としては、たとえば、デュポン社のナフィオン(Nafion:登録商標)、旭化成工業株式会社のアシプレックス(Aciplex:登録商標)、旭硝子株式会社のフレミオン(Flemion:登録商標)などを用いてもよい。   The electrolyte may be a polyelectrolyte. The polymer electrolyte is not particularly limited, but for example, has perfluoroalkylene as a main skeleton, has a perfluorovinyl ether side chain, and has an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group at the end of a part of the side chain. A fluorine-based polymer having the same can be used. As the fluorine-based polymer, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Chemical Industry Co., Ltd., or Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. may be used. Good.

電解質膜全体に占める補強材の割合は、たとえば2体積%〜40体積%の範囲であってもよい。また、電解質膜の厚さは、たとえば100μm以下であり、好ましくは50μm以下であってもよい。   The proportion of the reinforcing material in the entire electrolyte membrane may be, for example, in the range of 2% by volume to 40% by volume. The thickness of the electrolyte membrane may be, for example, 100 μm or less, preferably 50 μm or less.

<燃料電池>
本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜を備える。電解質膜以外の部分については特に限定はなく、任意の材料および構成を適用できる。本発明の燃料電池の好ましい一例は、公知の高分子電解質型燃料電池の電解質膜を本発明の電解質膜に置き換えて得られる燃料電池である。この場合、電解質膜以外の部分には、公知の高分子電解質型燃料電池の材料および構成を適用でき、公知の方法で製造できる。
<Fuel cell>
The fuel cell of the present invention comprises the electrolyte membrane of the present invention. The parts other than the electrolyte membrane are not particularly limited, and any material and structure can be applied. A preferable example of the fuel cell of the present invention is a fuel cell obtained by replacing the electrolyte membrane of a known polymer electrolyte fuel cell with the electrolyte membrane of the present invention. In this case, the material and structure of a known polymer electrolyte fuel cell can be applied to the portion other than the electrolyte membrane, and it can be manufactured by a known method.

<電解質膜の補強材の製造方法>
以下に、電解質膜の補強材を製造するための本発明の方法の一例を説明する。この方法によれば、本発明の補強材が得られる。
<Method of manufacturing electrolyte membrane reinforcing material>
Hereinafter, an example of the method of the present invention for producing a reinforcing material for an electrolyte membrane will be described. According to this method, the reinforcing material of the present invention can be obtained.

まず、以下の式(I)で表される少なくとも1種類の化合物(以下、化合物(A)という場合がある)と、リン酸構造を含む化合物とを含む出発材料からホスホシリケート系ゾルを調製する(工程(i))。
Si(OR)m4-m・・・(I)
[式(I)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、mは1以上4以下の整数を示す。]
First, a phosphosilicate sol is prepared from a starting material containing at least one compound represented by the following formula (I) (hereinafter sometimes referred to as compound (A)) and a compound having a phosphoric acid structure. (Step (i)).
Si(OR) m X 4-m ...(I)
[In the formula (I), R represents an alkyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 or more and 4 or less. ]

式(I)のRは、メチル基やエチル基といった、炭素数が5以下のアルキル基である。Xは、塩素、フッ素、臭素といったハロゲン原子である。式(I)の化合物は、加水分解縮合によってゾルとなる化合物であり、典型的には、テトラアルコキシシランである。   R in the formula (I) is an alkyl group having 5 or less carbon atoms, such as a methyl group or an ethyl group. X is a halogen atom such as chlorine, fluorine or bromine. The compound of formula (I) is a compound that becomes a sol by hydrolysis and condensation, and is typically tetraalkoxysilane.

テトラアルコキシシランとしては、たとえば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどが挙げられる。   Examples of the tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, and tetrabutoxysilane.

この明細書においてリン酸構造には、「PO4」や「PO3」といった構造が含まれる。通常、リン酸構造として「PO4(リン酸イオン:PO4 3-)」を含む化合物が用いられる。すなわち、リン酸構造を含む化合物(以下、「リン酸化合物」という場合がある)としては、通常、リン酸(P25・nH2O)が用いられ、たとえばオルトリン酸(H3PO4)が用いられる。また、リン酸化合物として、メタリン酸(HPO3)やピロリン酸(H427)を用いてもよい。In this specification, the phosphate structure includes structures such as “PO 4 ”and “PO 3 ”. Usually, a compound containing “PO 4 (phosphate ion: PO 4 3− )” as a phosphate structure is used. That is, phosphoric acid (P 2 O 5 .nH 2 O) is usually used as a compound having a phosphoric acid structure (hereinafter, may be referred to as “phosphoric acid compound”). For example, orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) Is used. Further, metaphosphoric acid (HPO 3 ) or pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ) may be used as the phosphoric acid compound.

ホスホシリケート系ゾルは、化合物(A)とリン酸化合物とを含む溶液中で加水分解縮合を生じさせる方法で形成してもよいし、化合物(A)を部分的に加水分解縮合させたのち、リン酸化合物を加えてさらに加水分解縮合させる方法で形成してもよい。加水分解縮合は、公知のゾル・ゲル法で用いられる方法、たとえば、水と酸触媒と必要に応じてアルコールとを含む溶液中で反応させる方法で行うことができる。なお、後述するように、化合物(A)に加えて、化学式(I)の置換基の一部が有機基Zである化合物を加水分解縮合させてもよい。   The phosphosilicate sol may be formed by a method of causing hydrolysis condensation in a solution containing the compound (A) and a phosphoric acid compound, or after partially hydrolyzing and condensing the compound (A), You may form by the method of adding a phosphoric acid compound and further hydrolyzing and condensing. Hydrolytic condensation can be performed by a method used in a known sol-gel method, for example, a method of reacting in a solution containing water, an acid catalyst, and optionally an alcohol. As described below, in addition to the compound (A), a compound in which a part of the substituents of the chemical formula (I) is the organic group Z may be hydrolyzed and condensed.

次に、ガラス繊維の表面に、上記ホスホシリケート系ゾルを塗布したのち、熱処理することによってガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成する(工程(ii))。   Next, the phosphosilicate sol is applied to the surface of the glass fiber and then heat-treated to form a phosphosilicate gel film on the surface of the glass fiber (step (ii)).

ガラス繊維には、上述したガラス繊維を用いることができる。上述したように、このガラス繊維は、布状のシート(ガラス繊維シート)を構成していてもよい。   The glass fiber described above can be used as the glass fiber. As described above, this glass fiber may form a cloth-like sheet (glass fiber sheet).

被膜は、たとえば、平板上に所定量のホスホシリケート系ゾルを滴下し、常圧または減圧下でガラス繊維(たとえばガラス繊維シート)をゾルに浸漬し、その状態で乾燥および熱処理を行うことによって形成してもよい。この方法では、ゾルの濃度および滴下量によって、被膜の量を制御できる。また、被膜は、ホスホシリケート系ゾルの中にガラス繊維を浸漬したのち、引き上げて乾燥および熱処理を行うことによって形成してもよい。この方法では、ゾルの濃度およびガラス繊維の引き上げ速度によって、被膜の量を制御できる。   The coating is formed by, for example, dropping a predetermined amount of phosphosilicate sol on a flat plate, immersing glass fibers (for example, a glass fiber sheet) in the sol under normal pressure or reduced pressure, and drying and heat-treating in that state. You may. In this method, the amount of the coating film can be controlled by the concentration of the sol and the dropping amount. Further, the coating film may be formed by immersing glass fiber in a phosphosilicate sol, then pulling it up, and drying and heat treatment. In this method, the amount of the coating can be controlled by the concentration of the sol and the pulling rate of the glass fiber.

なお、被膜の量は、ガラス繊維に含浸させるゾルの量で制御してもよいし、工程(ii)を複数回繰り返すことによって制御してもよい。   The amount of the coating film may be controlled by the amount of sol with which the glass fiber is impregnated, or may be controlled by repeating step (ii) a plurality of times.

ゾルの乾燥は、20℃〜70℃の温度で行うことが好ましい。乾燥後の熱処理は、100℃以上の温度で行うことが好ましく、たとえば100℃〜350℃の範囲で行ってもよい。   The sol is preferably dried at a temperature of 20°C to 70°C. The heat treatment after drying is preferably performed at a temperature of 100° C. or higher, and may be performed in the range of 100° C. to 350° C., for example.

なお、ホスホシリケート系ゾルの材料は、化合物(A)に加えて、式(I)の置換基の一部が他の置換基である化合物をさらに含んでもよい。式(I)の4つの置換基のうちの一部(たとえば1つ)が有機基である化合物を加えることによって、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルの被膜を形成できる。この場合、出発材料は、化合物(A)に加えて以下の式(II)で表される少なくとも1種類の化合物を含む。
Si(OR2s2 t4-s-t・・・(II)
[式(I)において、R2はアルキル基を示し、X2はハロゲン原子を示し、Zは、アルコキシ基およびハロゲン原子以外の有機基を示す。0≦s≦3、0≦t≦3、1≦s+t≦3である。]
In addition to the compound (A), the material of the phosphosilicate sol may further include a compound in which some of the substituents of the formula (I) are other substituents. A film of a phosphosilicate-based gel containing an organic component can be formed by adding a compound in which a part (for example, one) of the four substituents of the formula (I) is an organic group. In this case, the starting material contains at least one compound represented by the following formula (II) in addition to the compound (A).
Si(OR 2 ) s X 2 t Z 4-st ...(II)
[In the formula (I), R 2 represents an alkyl group, X 2 represents a halogen atom, and Z represents an alkoxy group or an organic group other than a halogen atom. 0≦s≦3, 0≦t≦3, 1≦s+t≦3. ]

2およびX2には、それぞれ、式(I)のRおよびXについて説明したアルキル基またはハロゲン原子を適用できる。有機基Zとしては、たとえば、エポキシ基、アミノ基、アクリル基などを含む有機基が挙げられ、具体的には、γ−グリシドキシプロピル基などを用いることができる。The alkyl group or halogen atom described for R and X in formula (I) can be applied to R 2 and X 2 , respectively. Examples of the organic group Z include organic groups containing an epoxy group, an amino group, an acryl group, and the like, and specifically, a γ-glycidoxypropyl group or the like can be used.

リン酸構造を含む化合物が溶解している溶液中で、化合物(A)と化学式(II)で表される少なくとも1種類の化合物とを加水分解縮合させることによって、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルの被膜を形成できる。   A phosphosilicate gel containing an organic component is obtained by hydrolytically condensing the compound (A) and at least one compound represented by the chemical formula (II) in a solution in which a compound containing a phosphoric acid structure is dissolved. Can be formed.

ただし、有機成分(アルキル鎖など)を実質的に含まないホスホシリケート系ゲルのプロトン伝導度は、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルのプロトン伝導度の10倍程度である。そのため、伝導度の点では、式(I)の化合物とリン酸とを用いて、有機成分を実質的に含まないホスホシリケート系ゾルを調製することが好ましい。一方、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルの被膜は、無機成分のみのホスホシリケート系ゲルに比べて靱性が高いため、引っ張り強度がより高い補強材を得ることができるという点で好ましい。   However, the proton conductivity of a phosphosilicate-based gel that does not substantially contain an organic component (such as an alkyl chain) is about 10 times the proton conductivity of a phosphosilicate-based gel that contains an organic component. Therefore, from the viewpoint of conductivity, it is preferable to use the compound of formula (I) and phosphoric acid to prepare a phosphosilicate sol substantially free of organic components. On the other hand, a coating film of a phosphosilicate-based gel containing an organic component has higher toughness than a phosphosilicate-based gel containing only an inorganic component, and is therefore preferable in that a reinforcing material having a higher tensile strength can be obtained.

なお、ホスホシリケート系ゲルの出発材料は、アルコキシアルミニウムなどの他の金属アルコキシドを含んでもよい。ただし、他の金属アルコキシドの量(モル量)は、化学式(I)で表される化合物および化学式(II)で表される化合物の合計の量(モル量)よりも少ない。   The starting material for the phosphosilicate gel may include other metal alkoxide such as alkoxyaluminum. However, the amount (molar amount) of the other metal alkoxide is smaller than the total amount (molar amount) of the compound represented by the chemical formula (I) and the compound represented by the chemical formula (II).

<電解質膜の製造方法>
補強材がガラス繊維シートである場合、ガラス繊維シートの空隙に電解質を配置することによって電解質膜が得られる。たとえば、電解質の溶液、分散液またはゾルをガラス繊維シートに含浸させたのち、乾燥すればよい。なお、乾燥後に必要に応じて熱処理をしてもよい。
<Method for producing electrolyte membrane>
When the reinforcing material is a glass fiber sheet, an electrolyte membrane is obtained by disposing an electrolyte in the voids of the glass fiber sheet. For example, the glass fiber sheet may be impregnated with an electrolyte solution, dispersion or sol and then dried. In addition, you may heat-process after drying as needed.

補強材がガラス繊維シートであり電解質が高分子電解質である場合には、たとえば、高分子電解質の溶液または分散液にガラス繊維シートを浸漬したのち、乾燥すればよい。たとえば、まず、フッ素系ポリマー電解質(高分子電解質)の分散液を準備し、これをイソプロピルアルコールで希釈した溶液を、ガラス繊維シートに含浸させる。その後、電解質の溶液が含浸したガラス繊維シートを乾燥および熱処理することによって、電解質膜が得られる。   When the reinforcing material is a glass fiber sheet and the electrolyte is a polymer electrolyte, for example, the glass fiber sheet may be dipped in a solution or dispersion of the polymer electrolyte and then dried. For example, first, a dispersion liquid of a fluoropolymer electrolyte (polymer electrolyte) is prepared, and a glass fiber sheet is impregnated with a solution obtained by diluting the dispersion liquid with isopropyl alcohol. Then, the glass fiber sheet impregnated with the electrolyte solution is dried and heat-treated to obtain an electrolyte membrane.

補強材がガラス繊維シートではなく単繊維の集合体である場合、電解質の溶液、分散液またはゾルと複数の単繊維とを混合したのち乾燥することによって、単繊維で補強された電解質膜を得ることができる。このとき、必要に応じて乾燥後に熱処理を行ってもよい。たとえば、高分子電解質を含む溶液または分散液と複数の単繊維とを混合したのち、混合液を膜状にのばし、乾燥(必要に応じて熱処理)することによって電解質膜が得られる。   When the reinforcing material is not a glass fiber sheet but an aggregate of single fibers, a solution, dispersion or sol of electrolyte and a plurality of single fibers are mixed and dried to obtain an electrolyte membrane reinforced with single fibers. be able to. At this time, if necessary, heat treatment may be performed after drying. For example, an electrolyte membrane is obtained by mixing a solution or dispersion containing a polymer electrolyte with a plurality of single fibers, rolling the mixed solution into a film, and drying (heat treatment if necessary).

以下、実施例および比較例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。なお、以下の実施例では、表4に示すCガラス組成を有するガラス繊維を用いたが、上述した他のガラス繊維を用いてもよい。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples. In the following examples, glass fibers having the C glass composition shown in Table 4 were used, but other glass fibers described above may be used.

Figure 2006075611
Figure 2006075611

[実施例1]
表4に示したCガラス組成を有し、平均直径0.7μmで平均長さ約3mmのガラス短繊維を用意した。このガラス繊維を、繊維を解きほぐすためのパルパーに投入し、硫酸でpH2.5に調整した水溶液中で充分に解離、分散させた。このようにして、ガラス繊維分散液を作製した。
[Example 1]
Glass short fibers having the C glass composition shown in Table 4 and having an average diameter of 0.7 μm and an average length of about 3 mm were prepared. The glass fiber was put into a pulper for disentangling the fiber, and sufficiently dissociated and dispersed in an aqueous solution adjusted to pH 2.5 with sulfuric acid. In this way, a glass fiber dispersion liquid was prepared.

このガラス繊維分散液から、湿式抄紙装置を用いて、ガラス繊維の不織布(1)を作製した。不織布(1)は、厚さが90μmであり、目付量は14g/m2であった。不織布(1)の空隙率は、約95体積%であった。A glass fiber nonwoven fabric (1) was prepared from this glass fiber dispersion using a wet papermaking machine. The nonwoven fabric (1) had a thickness of 90 μm and a basis weight of 14 g/m 2 . The non-woven fabric (1) had a porosity of about 95% by volume.

次に、不織布(1)のガラス繊維上に、ホスホシリケート系ゲルの被膜を以下の方法で形成した。まず、テトラエトキシシラン、オルトリン酸、エタノール、および純水を、モル比でおよそ1:1:5:3の割合で混合し、2時間撹拌して、ホスホシリケート系ゾルを得た。このゾルをポリオレフィン製トレイに適量注ぎ、ゾル中にガラス繊維不織布(1)を浸漬した。その後、不織布をゾルから引き上げて乾燥および熱処理した。このようにして、ホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を得た。   Next, a coating of phosphosilicate gel was formed on the glass fiber of the nonwoven fabric (1) by the following method. First, tetraethoxysilane, orthophosphoric acid, ethanol, and pure water were mixed at a molar ratio of about 1:1:5:3 and stirred for 2 hours to obtain a phosphosilicate sol. An appropriate amount of this sol was poured into a polyolefin tray, and the glass fiber nonwoven fabric (1) was immersed in the sol. Then, the nonwoven fabric was pulled up from the sol, dried and heat-treated. In this way, a glass fiber non-woven fabric (2) on which a phosphosilicate gel coating film was formed was obtained.

ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積の約5%であった。また、ガラス繊維不織布(2)の空隙率は約94.8体積%であった。   The volume of the phosphosilicate gel coating was about 5% of the volume of the glass fiber. The porosity of the glass fiber nonwoven fabric (2) was about 94.8% by volume.

つぎに、不織布(2)を用いてプロトン伝導性膜を作製した。まず、フッ素系ポリマー電解質の分散液(ナフィオンDE2020:デュポン社製)をイソプロピルアルコールで希釈した液を、不織布(2)に含浸させ、12時間以上自然乾燥した。その後、120℃で1時間熱処理した後、ホットプレス装置にて120℃、10MPaでプレスした。このようにして、プロトン伝導性膜を得た。なお、電解質分散液の濃度および含浸量は、熱プレス後の膜の厚さが80μmになるように調整した。   Next, a proton conductive membrane was produced using the nonwoven fabric (2). First, a non-woven fabric (2) was impregnated with a solution obtained by diluting a dispersion liquid of a fluoropolymer electrolyte (Nafion DE2020: manufactured by DuPont) with isopropyl alcohol, and naturally dried for 12 hours or more. Then, after heat-treating at 120 degreeC for 1 hour, it pressed at 120 degreeC and 10 MPa with the hot press apparatus. Thus, a proton conductive membrane was obtained. The concentration and impregnation amount of the electrolyte dispersion liquid were adjusted so that the thickness of the film after hot pressing was 80 μm.

[実施例2〜4]
ガラス繊維に形成されるホスホシリケート系ゲルの被膜の体積を変更させたことを除き、実施例1と同様の方法で、被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を形成した。ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積に対し、実施例2で約10%、実施例3で約40%、実施例4で約60%とした。
[Examples 2 to 4]
A coated glass fiber nonwoven fabric (2) was formed in the same manner as in Example 1 except that the volume of the phosphosilicate gel coating formed on the glass fiber was changed. The volume of the phosphosilicate gel coating was about 10% in Example 2, about 40% in Example 3, and about 60% in Example 4 with respect to the volume of the glass fiber.

被膜の体積は、ガラス繊維不織布(1)に含浸させるホスホシリケート系ゾルの量を変化させることによって制御した。   The volume of the coating was controlled by changing the amount of the phosphosilicate sol with which the glass fiber nonwoven fabric (1) was impregnated.

形成された不織布(2)の空隙率は、実施例2で約94.5%、実施例3で約93%、実施例4で約92%であった。これらの不織布(2)を用い、実施例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。   The porosity of the formed nonwoven fabric (2) was about 94.5% in Example 2, about 93% in Example 3, and about 92% in Example 4. Using these nonwoven fabrics (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Example 1.

[実施例5]
実施例1で説明したガラス繊維不織布(1)のガラス繊維上に、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜を、以下の方法で形成した。まず、テトラエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、オルトリン酸、エタノール、および純水を、モル比でおよそ0.25:0.75:1:5:3の割合で混合し、2時間撹拌して、有機成分を含有するホスホシリケート系ゾルを得た。このゾルをポリオレフィン製トレイに適量注ぎ、ゾル中にガラス繊維不織布(1)を浸漬した。その後、不織布(1)をトレイに入れたまま20〜70℃でゾルを乾燥させ、次に、トレイから平滑なガラス板上に移して120〜200℃で熱処理した。このようにして、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を得た。
[Example 5]
On the glass fiber of the glass fiber non-woven fabric (1) described in Example 1, a coating film of phosphosilicate gel containing an organic component was formed by the following method. First, tetraethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, orthophosphoric acid, ethanol, and pure water are mixed at a molar ratio of about 0.25:0.75:1:5:3, and 2 After stirring for a time, a phosphosilicate sol containing an organic component was obtained. An appropriate amount of this sol was poured into a polyolefin tray, and the glass fiber nonwoven fabric (1) was immersed in the sol. Then, the sol was dried at 20 to 70° C. while the nonwoven fabric (1) was kept in the tray, then transferred from the tray to a smooth glass plate and heat-treated at 120 to 200° C. In this way, a glass fiber non-woven fabric (2) on which a phosphosilicate gel coating containing an organic component was formed was obtained.

ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積の約5%であった。また、ガラス繊維不織布(2)の空隙率は約94.8体積%であった。これらの不織布(2)を用い、実施例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。   The volume of the phosphosilicate gel coating was about 5% of the volume of the glass fiber. The porosity of the glass fiber nonwoven fabric (2) was about 94.8% by volume. Using these nonwoven fabrics (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Example 1.

[実施例6〜9]
ガラス繊維に形成される被膜の体積を変更させたことを除き、実施例5と同様の方法で、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を形成した。有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積に対し、実施例6で約10%、実施例7で約40%、実施例8で約60%、実施例9で約200%とした。
[Examples 6 to 9]
A glass fiber nonwoven fabric (2) having a coating of a phosphosilicate gel containing an organic component was formed in the same manner as in Example 5 except that the volume of the coating formed on the glass fiber was changed. .. The volume of the coating of the phosphosilicate gel containing the organic component was about 10% in Example 6, about 40% in Example 7, about 60% in Example 8 and the volume in Example 9 with respect to the volume of the glass fiber. It was set to about 200%.

被膜の体積は、ゾルの体積を調節することによって変更した。   The volume of the coating was changed by adjusting the volume of the sol.

得られた不織布(2)の空隙率は、実施例6で約94.5%、実施例7で約93%、実施例8で約92%、実施例9で約85%であった。これらの不織布(2)を用い、実施例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。   The non-woven fabric (2) obtained had a porosity of about 94.5% in Example 6, about 93% in Example 7, about 92% in Example 8 and about 85% in Example 9. Using these nonwoven fabrics (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Example 1.

[実施例10]
表4に示したCガラス組成を有し、平均直径0.7μmで平均長さ約3mmのガラス短繊維を用意した。このガラス繊維を、繊維を解きほぐすためのパルパーに投入し、硫酸でpH2.5に調整した水溶液中で充分に解離、分散させた。このようにして、ガラス繊維分散液を作製した。
[Example 10]
Glass short fibers having the C glass composition shown in Table 4 and having an average diameter of 0.7 μm and an average length of about 3 mm were prepared. The glass fiber was put into a pulper for disentangling the fiber, and sufficiently dissociated and dispersed in an aqueous solution adjusted to pH 2.5 with sulfuric acid. In this way, a glass fiber dispersion liquid was prepared.

このガラス繊維分散液から、湿式抄紙装置を用いて、ガラス繊維のシートを形成し、さらに乾燥前にプレスすることによって、ガラス繊維不織布(1)を作製した。ガラス繊維不織布(1)は、厚さが90μmであり、目付量は30g/m2であった。このガラス繊維不織布の空隙率は、約87体積%であった。A glass fiber sheet was formed from this glass fiber dispersion using a wet papermaking apparatus, and further pressed before drying to prepare a glass fiber nonwoven fabric (1). The glass fiber nonwoven fabric (1) had a thickness of 90 μm and a basis weight of 30 g/m 2 . The porosity of this glass fiber nonwoven fabric was about 87% by volume.

次に、ガラス繊維不織布(1)のガラス繊維上に、有機成分を含有するホスホシリケート膜を、以下の方法で形成した。まず、テトラエトキシシラン、オルトリン酸、エタノール、および純水を、モル比でおよそ1:1:5:3の割合で混合し、2時間撹拌して、ホスホシリケート系ゾルを得た。このゾルをポリオレフィン製トレイに適量注ぎ、ゾル中にガラス繊維不織布(1)を含浸した。その後、不織布をゾルから引き上げて乾燥および熱処理した。このようにして、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を得た。ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積の約5%であった。また、ガラス繊維不織布(2)の空隙率は約86体積%であった。この不織布(2)を用い、実施例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。   Next, a phosphosilicate film containing an organic component was formed on the glass fiber of the glass fiber nonwoven fabric (1) by the following method. First, tetraethoxysilane, orthophosphoric acid, ethanol, and pure water were mixed at a molar ratio of about 1:1:5:3 and stirred for 2 hours to obtain a phosphosilicate sol. An appropriate amount of this sol was poured into a polyolefin tray to impregnate the sol with the glass fiber nonwoven fabric (1). Then, the nonwoven fabric was pulled up from the sol, dried and heat-treated. In this way, a glass fiber non-woven fabric (2) on which a phosphosilicate gel coating containing an organic component was formed was obtained. The volume of the phosphosilicate gel coating was about 5% of the volume of the glass fiber. The porosity of the glass fiber nonwoven fabric (2) was about 86% by volume. Using this nonwoven fabric (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Example 1.

[比較例1]
実施例1で用いた電解質分散液を、底面の平坦性の良好なガラス製シャーレに入れ、12時間以上自然乾燥し、その後、120℃で1時間熱処理して膜状にした。この膜状の電解質を、ホットプレス装置によって120℃、10MPaでプレスし、プロトン伝導性膜を得た。電解質分散液の濃度は実施例1と同様とし、液量は、熱プレス後の膜の厚さが80μmになるように調整した。
[Comparative Example 1]
The electrolyte dispersion liquid used in Example 1 was put in a glass petri dish having a good flatness on the bottom surface, naturally dried for 12 hours or more, and then heat-treated at 120° C. for 1 hour to form a film. This membrane-shaped electrolyte was pressed at 120° C. and 10 MPa with a hot press machine to obtain a proton conductive membrane. The concentration of the electrolyte dispersion was the same as in Example 1, and the amount of the liquid was adjusted so that the thickness of the film after hot pressing was 80 μm.

[比較例2]
実施例1で説明したガラス繊維不織布(1)を、被膜を形成せずにそのまま補強材として用いることを除き、実施例1と同様の方法でプロトン伝導性膜を形成した。なお、電解質分散液の濃度および含浸量は、熱プレス後の膜の厚さが80μmになるように調整した。
[Comparative example 2]
A proton conductive membrane was formed in the same manner as in Example 1 except that the glass fiber nonwoven fabric (1) described in Example 1 was used as a reinforcing material as it was without forming a film. The concentration and impregnation amount of the electrolyte dispersion liquid were adjusted so that the thickness of the film after hot pressing was 80 μm.

[補強材およびプロトン伝導性膜の評価]
上述の実施例1〜10および比較例1〜2において作製した補強材、およびプロトン伝導性膜について、以下の測定を行った。なお、実施例1〜10の補強材は、被膜を備えるガラス繊維不織布(2)であり、比較例2の補強材は、被膜を備えないガラス繊維不織布(1)である。
[Evaluation of reinforcing material and proton conductive membrane]
The following measurements were performed on the reinforcing materials and the proton conductive membranes produced in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 described above. In addition, the reinforcing material of Examples 1-10 is a glass fiber nonwoven fabric (2) provided with a coating, and the reinforcing material of Comparative Example 2 is a glass fiber nonwoven fabric (1) not provided with a coating.

[補強材の厚さ]
補強材を約20kPaの圧力でプレスした状態で、シックネスゲージを用いて補強材の厚さを測定した。
[Thickness of reinforcing material]
The thickness of the reinforcing material was measured using a thickness gauge while the reinforcing material was pressed at a pressure of about 20 kPa.

[プロトン伝導性膜の厚さ]
マイクロメータを用いて測定した。
[Proton Conductive Membrane Thickness]
It measured using the micrometer.

[補強材およびプロトン伝導性膜の引張強度測定]
補強材および電解質膜を、それぞれ、幅20mm×長さ80mmに切断して試験片を作製した。この試験片を、チャック間隔30mmでチャックし、10mm/分の速度で引っ張って、破断時の荷重(N)を測定した。この測定値を、サンプル厚さおよび幅の実測値で除して、引張強度(MPa)を算出した。
[Measurement of tensile strength of reinforcing material and proton conductive membrane]
Each of the reinforcing material and the electrolyte membrane was cut into a width of 20 mm and a length of 80 mm to prepare a test piece. The test piece was chucked at a chuck interval of 30 mm and pulled at a speed of 10 mm/min to measure the load (N) at break. This measured value was divided by the measured values of the sample thickness and width to calculate the tensile strength (MPa).

[プロトン伝導性]
インピーダンスアナライザを用い、プロトン伝導性膜の厚さ方向のプロトン伝導度(S/m)を測定した。
[Proton conductivity]
Using an impedance analyzer, the proton conductivity (S/m) in the thickness direction of the proton conductive membrane was measured.

以上の測定結果を表5に示す。   Table 5 shows the above measurement results.

Figure 2006075611
Figure 2006075611

表5から明らかなように、実施例1〜10の補強材は、比較例2の補強材に比べて、引張強度が高かった。また、実施例1〜10のプロトン伝導性膜は、比較例のプロトン伝導性膜と比べて、プロトン伝導度が同等であり引張強度が高かった。   As is clear from Table 5, the reinforcing materials of Examples 1 to 10 had higher tensile strength than the reinforcing material of Comparative Example 2. In addition, the proton conductive membranes of Examples 1 to 10 had equivalent proton conductivity and higher tensile strength than the proton conductive membranes of Comparative Examples.

本発明は、燃料電池に用いられる電解質膜の補強材、ならびにそれを用いた電解質膜および燃料電池に適用できる。また、本発明は、電解質膜補強材の製造方法に適用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an electrolyte membrane reinforcing material used for a fuel cell, and an electrolyte membrane and a fuel cell using the same. Further, the present invention can be applied to a method for manufacturing an electrolyte membrane reinforcing material.

【0002】
[0007]
上記目的を達成するため検討した結果、本件発明者らは、ガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成することによって、高い特性を有する電解質膜を形成できる補強材が得られることを見出した。すなわち、本件発明者らは、ホスホシリケート系ゲルを含む繊維(たとえばホスホシリケート系ゲルで被覆されたガラス繊維)を補強材として用いることによって上記目的を達成できることを見出した。本件発明は、この新しい知見に基づく発明である。
[0008]
本発明の電解質膜補強材は、ガラス繊維と前記ガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む電解質膜補強材であって、前記被膜が、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルである。
[0009]
本発明の電解質膜は、補強材と前記補強材で補強された電解質とを含む電解質膜であって、前記補強材が本発明の電解質膜補強材である。
[0010]
すなわち、本発明の電解質膜は、補強材と前記補強材で補強された電解質とを含む電解質膜であって、前記補強材が、ガラス繊維と前記ガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含み、前記被膜が、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルである。
[0011]
電解質膜補強材を製造するための本発明の方法は、(i)以下の式(I)で表される少なくとも1種類の化合物と、リン酸構造を含む化合物とを含む出発材料からホスホシリケート系ゾルを調製する工程と、(ii)ガラス繊維の表面に前記ホスホシリケート系ゾルを塗布したのち、熱処理することによって前記ガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成する工程とを含み、前記出発材料が、以下の式(II)で表される少なくとも1種類の化合物を含む。
Si(OR)4−m・・・(I)
[式(I)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、mは1以上4以下の整数を示す。]
Si(OR 4−s−t・・・(II)
[式(II)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、Zは、アルコキシ基およびハロゲン原子以外の有機基を示す。0≦s≦3、0≦t≦3、1≦s+t≦3である。]
[0012]
別の観点によれば、本発明は、電解質膜を補強するための補強材であって、プロトン伝導性を有する補強材を提供する。この電解質膜補強材は、ホスホシリケート系ゲルを含む繊維状の補強材である。
[0013]
本発明の補強材はプロトン伝導性を有するため、補強材によるプロトン伝導性の低下を抑制できる。また、本発明の補強材では、ガラス繊維がホスホシリケート系ゲルの被膜で覆われているため、ガラス繊維の成分の溶出による特性の低下を抑制できる。本発明の補強材を用いることによって、プロトン伝導性や耐久性といった特性が高
[0002]
[0007]
As a result of examination to achieve the above object, the present inventors have found that by forming a coating film of phosphosilicate gel on the surface of the glass fiber, a reinforcing material capable of forming an electrolyte membrane having high properties can be obtained. It was That is, the present inventors have found that the above object can be achieved by using a fiber containing a phosphosilicate gel (for example, a glass fiber coated with a phosphosilicate gel) as a reinforcing material. The present invention is an invention based on this new finding.
[0008]
The electrolyte membrane reinforcing material of the present invention is an electrolyte membrane reinforcing material comprising a glass fiber and a coating of phosphosilicate-based gel formed on the glass fiber, wherein the coating is a phosphosilicate-based gel containing an organic component. is there.
[0009]
The electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane including a reinforcing material and an electrolyte reinforced with the reinforcing material, and the reinforcing material is the electrolyte membrane reinforcing material of the present invention.
[0010]
That is, the electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane containing a reinforcing material and an electrolyte reinforced with the reinforcing material, wherein the reinforcing material is a glass fiber and a phosphosilicate-based gel formed on the glass fiber. And a coating, and the coating is a phosphosilicate gel containing an organic component.
[0011]
The method of the present invention for producing an electrolyte membrane reinforcement comprises a phosphosilicate system from a starting material comprising (i) at least one compound of formula (I) below and a compound containing a phosphoric acid structure. A step of preparing a sol; and (ii) applying the phosphosilicate sol to the surface of the glass fiber and then heat treating it to form a phosphosilicate gel coating on the surface of the glass fiber, The starting material comprises at least one compound of formula (II) below.
Si(OR) mX4 -m ...(I)
[In the formula (I), R represents an alkyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 or more and 4 or less. ]
Si (OR 2) s X 2 t Z 4-s-t ··· (II)
[In Formula (II), R 2 represents an alkyl group, X 2 represents a halogen atom, and Z represents an organic group other than an alkoxy group and a halogen atom. 0≦s≦3, 0≦t≦3, 1≦s+t≦3. ]
[0012]
According to another aspect, the present invention provides a reinforcing material for reinforcing an electrolyte membrane, the reinforcing material having proton conductivity. This electrolyte membrane reinforcing material is a fibrous reinforcing material containing a phosphosilicate gel.
[0013]
Since the reinforcing material of the present invention has proton conductivity, it is possible to suppress a decrease in proton conductivity due to the reinforcing material. Further, in the reinforcing material of the present invention, since the glass fiber is covered with the coating film of phosphosilicate gel, it is possible to suppress the deterioration of characteristics due to the elution of the glass fiber component. By using the reinforcing material of the present invention, properties such as proton conductivity and durability are improved.

【0007】
、イソシアネートシラン、フルオロシランが挙げられる。
[0035]
被膜は、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルである。このホスホシリケート系ゲルについては、後述する。
[0036]
<電解質膜>
本発明の電解質膜(プロトン伝導性膜)は、上記本発明の補強材と、その補強材で補強された電解質とを含む。
[0037]
電解質には、いわゆる固体電解質といわれるものが適用でき、たとえば、高分子電解質、無機−有機複合電解質、無機電解質を適用できる。
[0038]
電解質は、高分子電解質であってもよい。高分子電解質に特に限定はないが、たとえば、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、パーフルオロビニルエーテル側鎖を有し、一部の側鎖の末端にスルホン酸基やカルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系高分子を用いることができる。フッ素系高分子としては、たとえば、デュポン社のナフィオン(Nafion:登録商標)、旭化成工業株式会社のアシプレックス(Aciplex:登録商標)、旭硝子株式会社のフレミオン(Flemion:登録商標)などを用いてもよい。
[0039]
電解質膜全体に占める補強材の割合は、たとえば2体積%〜40体積%の範囲であってもよい。また、電解質膜の厚さは、たとえば100μm以下であり、好ましくは50μm以下であってもよい。
[0040]
<燃料電池>
本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜を備える。電解質膜以外の部分については特に限定はなく、任意の材料および構成を適用できる。本発明の燃料電池の好ましい一例は、公知の高分子電解質型燃料電池の電解質膜を本発明の電解質膜に置き換えて得られる燃料電池である。この場合、電解質膜以外の部分には、公知の高分子電解質型燃料電池の材料および構成を適用でき、公知の方法で製造できる。
[0041]
<電解質膜の補強材の製造方法>
以下に、電解質膜の補強材を製造するための本発明の方法の一例を説明する。こ
[0007]
, Isocyanate silane, and fluorosilane.
[0035]
The coating is a phosphosilicate gel containing an organic component. This phosphosilicate gel will be described later.
[0036]
<Electrolyte membrane>
The electrolyte membrane (proton conductive membrane) of the present invention includes the reinforcing material of the present invention and an electrolyte reinforced with the reinforcing material.
[0037]
What is called a solid electrolyte can be applied to the electrolyte, and for example, a polymer electrolyte, an inorganic-organic composite electrolyte, or an inorganic electrolyte can be applied.
[0038]
The electrolyte may be a polyelectrolyte. The polymer electrolyte is not particularly limited, but for example, has perfluoroalkylene as a main skeleton, has a perfluorovinyl ether side chain, and has an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group at the end of a part of the side chain A fluorine-based polymer having the same can be used. As the fluorine-based polymer, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., or Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. may be used. Good.
[0039]
The proportion of the reinforcing material in the entire electrolyte membrane may be, for example, in the range of 2% by volume to 40% by volume. The thickness of the electrolyte membrane may be, for example, 100 μm or less, preferably 50 μm or less.
[0040]
<Fuel cell>
The fuel cell of the present invention comprises the electrolyte membrane of the present invention. The parts other than the electrolyte membrane are not particularly limited, and any material and structure can be applied. A preferable example of the fuel cell of the present invention is a fuel cell obtained by replacing the electrolyte membrane of a known polymer electrolyte fuel cell with the electrolyte membrane of the present invention. In this case, the material and structure of a known polymer electrolyte fuel cell can be applied to the portion other than the electrolyte membrane, and it can be manufactured by a known method.
[0041]
<Method of manufacturing electrolyte membrane reinforcing material>
Hereinafter, an example of the method of the present invention for producing a reinforcing material for an electrolyte membrane will be described. This

【0008】
の方法によれば、本発明の補強材が得られる。
[0042]
まず、以下の式(I)で表される少なくとも1種類の化合物(以下、化合物(A)という場合がある)と、リン酸構造を含む化合物とを含む出発材料からホスホシリケート系ゾルを調製する(工程(i))。
Si(OR)4−m・・・(I)
[式(I)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、mは1以上4以下の整数を示す。]
[0043]
式(I)のRは、メチル基やエチル基といった、炭素数が5以下のアルキル基である。Xは、塩素、フッ素、臭素といったハロゲン原子である。式(I)の化合物は、加水分解縮合によってゾルとなる化合物であり、典型的には、テトラアルコキシシランである。
[0044]
テトラアルコキシシランとしては、たとえば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどが挙げられる。
[0045]
この明細書においてリン酸構造には、「PO」や「PO」といった構造が含まれる。通常、リン酸構造として「PO(リン酸イオン:PO 3−)」を含む化合物が用いられる。すなわち、リン酸構造を含む化合物(以下、「リン酸化合物」という場合がある)としては、通常、リン酸(P・nHO)が用いられ、たとえばオルトリン酸(HPO)が用いられる。また、リン酸化合物として、メタリン酸(HPO)やピロリン酸(H)を用いてもよい。
[0046]
ホスホシリケート系ゾルは、化合物(A)とリン酸化合物とを含む溶液中で加水分解縮合を生じさせる方法で形成してもよいし、化合物(A)を部分的に加水分解縮合させたのち、リン酸化合物を加えてさらに加水分解縮合させる方法で形成してもよい。加水分解縮合は、公知のゾル・ゲル法で用いられる方法、たとえば、水と酸触媒と必要に応じてアルコールとを含む溶液中で反応させる方法で行うことができる。なお、後述するように、化合物(A)に加えて、化学式(I)の置換基の一部が有機基Zである化合物を加水分解縮合させる。
[0047]
次に、ガラス繊維の表面に、上記ホスホシリケート系ゾルを塗布したのち、熱処理することによってガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成する(工程(ii))。
[0048]
ガラス繊維には、上述したガラス繊維を用いることができる。上述したように、このガ
[0008]
According to the above method, the reinforcing material of the present invention can be obtained.
[0042]
First, a phosphosilicate sol is prepared from a starting material containing at least one compound represented by the following formula (I) (hereinafter sometimes referred to as compound (A)) and a compound having a phosphoric acid structure. (Step (i)).
Si(OR) mX4 -m ...(I)
[In the formula (I), R represents an alkyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 or more and 4 or less. ]
[0043]
R in the formula (I) is an alkyl group having 5 or less carbon atoms, such as a methyl group or an ethyl group. X is a halogen atom such as chlorine, fluorine or bromine. The compound of formula (I) is a compound that becomes a sol by hydrolysis and condensation, and is typically tetraalkoxysilane.
[0044]
Examples of the tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, and tetrabutoxysilane.
[0045]
In this specification, the phosphate structure includes structures such as “PO 4 ”and “PO 3 ”. Usually, a compound containing “PO 4 (phosphate ion: PO 4 3− )” as a phosphate structure is used. That is, phosphoric acid (P 2 O 5 .nH 2 O) is usually used as the compound having a phosphoric acid structure (hereinafter, may be referred to as “phosphoric acid compound”), and for example, orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ). ) Is used. Further, metaphosphoric acid (HPO 3 ) or pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ) may be used as the phosphoric acid compound.
[0046]
The phosphosilicate sol may be formed by a method of causing hydrolysis and condensation in a solution containing the compound (A) and a phosphoric acid compound, or after partially hydrolyzing and condensing the compound (A), You may form by the method of adding a phosphoric acid compound and further hydrolyzing and condensing. Hydrolytic condensation can be performed by a method used in a known sol-gel method, for example, a method of reacting in a solution containing water, an acid catalyst, and optionally an alcohol. As will be described later, in addition to the compound (A), a compound in which a part of the substituents of the chemical formula (I) is the organic group Z is hydrolytically condensed.
[0047]
Next, the phosphosilicate sol is applied to the surface of the glass fiber and then heat-treated to form a phosphosilicate gel coating on the surface of the glass fiber (step (ii)).
[0048]
The glass fiber described above can be used as the glass fiber. As mentioned above, this

【0009】
ラス繊維は、布状のシート(ガラス繊維シート)を構成していてもよい。
[0049]
被膜は、たとえば、平板上に所定量のホスホシリケート系ゾルを滴下し、常圧または減圧下でガラス繊維(たとえばガラス繊維シート)をゾルに浸漬し、その状態で乾燥および熱処理を行うことによって形成してもよい。この方法では、ゾルの濃度および滴下量によって、被膜の量を制御できる。また、被膜は、ホスホシリケート系ゾルの中にガラス繊維を浸漬したのち、引き上げて乾燥および熱処理を行うことによって形成してもよい。この方法では、ゾルの濃度およびガラス繊維の引き上げ速度によって、被膜の量を制御できる。
[0050]
なお、被膜の量は、ガラス繊維に含浸させるゾルの量で制御してもよいし、工程(ii)を複数回繰り返すことによって制御してもよい。
[0051]
ゾルの乾燥は、20℃〜70℃の温度で行うことが好ましい。乾燥後の熱処理は、100℃以上の温度で行うことが好ましく、たとえば100℃〜350℃の範囲で行ってもよい。
[0052]
なお、ホスホシリケート系ゾルの材料は、化合物(A)に加えて、式(I)の置換基の一部が他の置換基である化合物をさらに含む。式(I)の4つの置換基のうちの一部(たとえば1つ)が有機基である化合物を加えることによって、有機成分を含むホスホシリケート系ゲルの被膜を形成できる。この場合、出発材料は、化合物(A)に加えて以下の式(II)で表される少なくとも1種類の化合物を含む。
Si(OR 4−s−t・・・(II)
[式(II)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、Zは、アルコキシ基およびハロゲン原子以外の有機基を示す。0≦s≦3、0≦t≦3、1≦s+t≦3である。]
[0053]
およびXには、それぞれ、式(I)のRおよびXについて説明したアルキル基またはハロゲン原子を適用できる。有機基Zとしては、たとえば、エポキシ基、アミノ基、アクリル基などを含む有機基が挙げられ、具体的には、γ−グリシドキシプロピル基などを用いることができる。
[0054]
リン酸構造を含む化合物が溶解している溶液中で、化合物(A)と化学式(II)で表される少なくとも1種類の化合物とを加水分解縮合させることによって、有機成分を含む
[0009]
The lath fibers may form a cloth-like sheet (glass fiber sheet).
[0049]
The coating is formed, for example, by dropping a predetermined amount of phosphosilicate sol on a flat plate, immersing the glass fiber (eg, glass fiber sheet) in the sol under normal pressure or reduced pressure, and drying and heat-treating in that state. You may. In this method, the amount of the coating film can be controlled by the concentration of the sol and the dropping amount. Alternatively, the coating may be formed by immersing glass fiber in a phosphosilicate sol, then pulling it up, and drying and heat treatment. In this method, the amount of the coating can be controlled by the concentration of the sol and the pulling rate of the glass fiber.
[0050]
The amount of the coating film may be controlled by the amount of the sol with which the glass fiber is impregnated, or may be controlled by repeating the step (ii) a plurality of times.
[0051]
The sol is preferably dried at a temperature of 20°C to 70°C. The heat treatment after drying is preferably performed at a temperature of 100° C. or higher, and may be performed in the range of 100° C. to 350° C., for example.
[0052]
The material of the phosphosilicate sol further contains, in addition to the compound (A), a compound in which some of the substituents of the formula (I) are other substituents. A film of a phosphosilicate-based gel containing an organic component can be formed by adding a compound in which a part (for example, one) of the four substituents of the formula (I) is an organic group. In this case, the starting material contains at least one compound represented by the following formula (II) in addition to the compound (A).
Si (OR 2) s X 2 t Z 4-s-t ··· (II)
[In Formula (II), R 2 represents an alkyl group, X 2 represents a halogen atom, and Z represents an organic group other than an alkoxy group and a halogen atom. 0≦s≦3, 0≦t≦3, 1≦s+t≦3. ]
[0053]
The alkyl group or halogen atom described for R and X in formula (I) can be applied to R 2 and X 2 , respectively. Examples of the organic group Z include organic groups containing an epoxy group, an amino group, an acryl group, and the like, and specifically, a γ-glycidoxypropyl group or the like can be used.
[0054]
In a solution in which a compound containing a phosphoric acid structure is dissolved, the compound (A) and at least one compound represented by the chemical formula (II) are hydrolyzed and condensed to contain an organic component.

【0011】
解質膜が得られる。
【実施例】
[0060]
以下、実施例および比較例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。なお、以下の実施例では、表4に示すCガラス組成を有するガラス繊維を用いたが、上述した他のガラス繊維を用いてもよい。
[0061]
【表4】

Figure 2006075611
[0062]
[参考例1]
表4に示したCガラス組成を有し、平均直径0.7μmで平均長さ約3mmのガラス短繊維を用意した。このガラス繊維を、繊維を解きほぐすためのパルパーに投入し、硫酸でpH2.5に調整した水溶液中で充分に解離、分散させた。このようにして、ガラス繊維分散液を作製した。
[0063]
このガラス繊維分散液から、湿式抄紙装置を用いて、ガラス繊維の不織布(1)を作製した。不織布(1)は、厚さが90μmであり、目付量は14g/mであった。不織布(1)の空隙率は、約95体積%であった。
[0064]
次に、不織布(1)のガラス繊維上に、ホスホシリケート系ゲルの被膜を以下の方法で形成した。まず、テトラエトキシシラン、オルトリン酸、エタノール、および純水を、モル比でおよそ1:1:5:3の割合で混合し、2時間撹拌して、ホスホシリケート系ゾルを得た。このゾルをポリオレフィン製トレイに適量注ぎ、ゾル中にガラス繊維不織布(1)を浸漬した。その後、不織布をゾルから引き上げて乾燥および熱処理した。このよう[0011]
A degrading film is obtained.
【Example】
[0060]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples. In the following examples, glass fibers having the C glass composition shown in Table 4 were used, but other glass fibers described above may be used.
[0061]
[Table 4]
Figure 2006075611
[0062]
[Reference Example 1]
Glass short fibers having the C glass composition shown in Table 4 and having an average diameter of 0.7 μm and an average length of about 3 mm were prepared. The glass fiber was put into a pulper for disentangling the fiber, and sufficiently dissociated and dispersed in an aqueous solution adjusted to pH 2.5 with sulfuric acid. In this way, a glass fiber dispersion liquid was prepared.
[0063]
A glass fiber nonwoven fabric (1) was prepared from this glass fiber dispersion using a wet papermaking machine. The nonwoven fabric (1) had a thickness of 90 μm and a basis weight of 14 g/m 2 . The non-woven fabric (1) had a porosity of about 95% by volume.
[0064]
Next, a coating of phosphosilicate gel was formed on the glass fiber of the nonwoven fabric (1) by the following method. First, tetraethoxysilane, orthophosphoric acid, ethanol, and pure water were mixed at a molar ratio of about 1:1:5:3 and stirred for 2 hours to obtain a phosphosilicate sol. An appropriate amount of this sol was poured into a polyolefin tray, and the glass fiber nonwoven fabric (1) was immersed in the sol. Then, the nonwoven fabric was pulled up from the sol, dried and heat-treated. like this

【0012】
にして、ホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を得た。
[0065]
ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積の約5%であった。また、ガラス繊維不織布(2)の空隙率は約94.8体積%であった。
[0066]
つぎに、不織布(2)を用いてプロトン伝導性膜を作製した。まず、フッ素系ポリマー電解質の分散液(ナフィオンDE2020:デュポン社製)をイソプロピルアルコールで希釈した液を、不織布(2)に含浸させ、12時間以上自然乾燥した。その後、120℃で1時間熱処理した後、ホットプレス装置にて120℃、10MPaでプレスした。このようにして、プロトン伝導性膜を得た。なお、電解質分散液の濃度および含浸量は、熱プレス後の膜の厚さが80μmになるように調整した。
[0067]
[参考例2〜4]
ガラス繊維に形成されるホスホシリケート系ゲルの被膜の体積を変更させたことを除き、参考例1と同様の方法で、被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を形成した。ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積に対し、参考例2で約10%、参考例3で約40%、参考例4で約60%とした。
[0068]
被膜の体積は、ガラス繊維不織布(1)に含浸させるホスホシリケート系ゾルの量を変化させることによって制御した。
[0069]
形成された不織布(2)の空隙率は、参考例2で約94.5%、参考例3で約93%、参考例4で約92%であった。これらの不織布(2)を用い、参考例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。
[0070]
[実施例5]
参考例1で説明したガラス繊維不織布(1)のガラス繊維上に、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜を、以下の方法で形成した。まず、テトラエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、オルトリン酸、エタノール、および純水を、モル比でおよそ0.25:0.75:1:5:3の割合で混合し、2時間撹拌して、有機成分を含有するホスホシリケート系ゾルを得た。このゾルをポリオレフィン製トレイに適量注ぎ、ゾル中にガラス繊維不織布(1)を浸漬した。その後、不織布(1)をトレイに入れたまま20〜70℃でゾルを乾燥させ、次に、トレイから平滑なガラス板上に移して120〜200℃で熱処理した。このようにして、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの
[0012]
Thus, a glass fiber non-woven fabric (2) having a phosphosilicate gel coating formed thereon was obtained.
[0065]
The volume of the phosphosilicate gel coating was about 5% of the volume of the glass fiber. The porosity of the glass fiber nonwoven fabric (2) was about 94.8% by volume.
[0066]
Next, a proton conductive membrane was produced using the nonwoven fabric (2). First, a non-woven fabric (2) was impregnated with a liquid obtained by diluting a dispersion liquid of a fluoropolymer electrolyte (Nafion DE2020: manufactured by DuPont) with isopropyl alcohol, and naturally dried for 12 hours or more. Then, after heat-treating at 120 degreeC for 1 hour, it pressed at 120 degreeC and 10 MPa with the hot press apparatus. Thus, a proton conductive membrane was obtained. The concentration and impregnation amount of the electrolyte dispersion liquid were adjusted so that the thickness of the film after hot pressing was 80 μm.
[0067]
[Reference Examples 2 to 4]
A coated glass fiber nonwoven fabric (2) was formed in the same manner as in Reference Example 1 except that the volume of the phosphosilicate gel coating formed on the glass fiber was changed. The volume of the phosphosilicate gel coating was about 10% in Reference Example 2, about 40% in Reference Example 3, and about 60% in Reference Example 4 with respect to the volume of the glass fiber.
[0068]
The volume of the coating was controlled by changing the amount of the phosphosilicate sol with which the glass fiber nonwoven fabric (1) was impregnated.
[0069]
The porosity of the formed nonwoven fabric (2) was about 94.5% in Reference Example 2, about 93% in Reference Example 3, and about 92% in Reference Example 4. Using these nonwoven fabrics (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Reference Example 1.
[0070]
[Example 5]
On the glass fiber of the glass fiber nonwoven fabric (1) described in Reference Example 1, a coating film of phosphosilicate gel containing an organic component was formed by the following method. First, tetraethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, orthophosphoric acid, ethanol, and pure water are mixed at a molar ratio of about 0.25:0.75:1:5:3, and 2 After stirring for a time, a phosphosilicate sol containing an organic component was obtained. An appropriate amount of this sol was poured into a polyolefin tray, and the glass fiber nonwoven fabric (1) was immersed in the sol. Thereafter, the sol was dried at 20 to 70° C. while the nonwoven fabric (1) was kept in the tray, then transferred from the tray to a smooth glass plate and heat treated at 120 to 200° C. In this way, the phosphosilicate-based gel containing organic components

【0013】
被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を得た。
[0071]
ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積の約5%であった。また、ガラス繊維不織布(2)の空隙率は約94.8体積%であった。これらの不織布(2)を用い、参考例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。
[0072]
[実施例6〜9]
ガラス繊維に形成される被膜の体積を変更させたことを除き、実施例5と同様の方法で、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を形成した。有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積に対し、実施例6で約10%、実施例7で約40%、実施例8で約60%、実施例9で約200%とした。
[0073]
被膜の体積は、ゾルの体積を調節することによって変更した。
[0074]
得られた不織布(2)の空隙率は、実施例6で約94.5%、実施例7で約93%、実施例8で約92%、実施例9で約85%であった。これらの不織布(2)を用い、参考例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。
[0075]
[実施例10]
表4に示したCガラス組成を有し、平均直径0.7μmで平均長さ約3mmのガラス短繊維を用意した。このガラス繊維を、繊維を解きほぐすためのパルパーに投入し、硫酸でpH2.5に調整した水溶液中で充分に解離、分散させた。このようにして、ガラス繊維分散液を作製した。
[0076]
このガラス繊維分散液から、湿式抄紙装置を用いて、ガラス繊維のシートを形成し、さらに乾燥前にプレスすることによって、ガラス繊維不織布(1)を作製した。ガラス繊維不織布(1)は、厚さが90μmであり、目付量は30g/mであった。このガラス繊維不織布の空隙率は、約87体積%であった。
[0077]
次に、ガラス繊維不織布(1)のガラス繊維上に、有機成分を含有するホスホシリケート膜を、以下の方法で形成した。まず、テトラエトキシシラン、オルトリン酸、エタノール、および純水を、モル比でおよそ1:1:5:3の割合で混合し、2時間撹拌して、ホスホシリケート系ゾルを得た。このゾルをポリオレフィン製トレイに適量注ぎ、ゾル中にガラス繊維不織布(1)を含浸した。その後、不織布をゾルから引き上げて乾燥および熱
[0013]
A glass fiber nonwoven fabric (2) having a coating film was obtained.
[0071]
The volume of the phosphosilicate gel coating was about 5% of the volume of the glass fiber. The porosity of the glass fiber nonwoven fabric (2) was about 94.8% by volume. Using these nonwoven fabrics (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Reference Example 1.
[0072]
[Examples 6 to 9]
A glass fiber nonwoven fabric (2) having a coating of a phosphosilicate gel containing an organic component was formed in the same manner as in Example 5 except that the volume of the coating formed on the glass fiber was changed. .. The volume of the coating of the phosphosilicate gel containing the organic component was about 10% in Example 6, about 40% in Example 7, about 60% in Example 8 and the volume in Example 9 with respect to the volume of the glass fiber. It was set to about 200%.
[0073]
The volume of the coating was changed by adjusting the volume of the sol.
[0074]
The porosity of the obtained nonwoven fabric (2) was about 94.5% in Example 6, about 93% in Example 7, about 92% in Example 8 and about 85% in Example 9. Using these nonwoven fabrics (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Reference Example 1.
[0075]
[Example 10]
Glass short fibers having the C glass composition shown in Table 4 and having an average diameter of 0.7 μm and an average length of about 3 mm were prepared. The glass fiber was put into a pulper for disentangling the fiber, and sufficiently dissociated and dispersed in an aqueous solution adjusted to pH 2.5 with sulfuric acid. In this way, a glass fiber dispersion liquid was prepared.
[0076]
A glass fiber sheet was formed from this glass fiber dispersion using a wet papermaking machine, and further pressed before drying to prepare a glass fiber nonwoven fabric (1). The glass fiber nonwoven fabric (1) had a thickness of 90 μm and a basis weight of 30 g/m 2 . The porosity of this glass fiber nonwoven fabric was about 87% by volume.
[0077]
Next, a phosphosilicate film containing an organic component was formed on the glass fiber of the glass fiber nonwoven fabric (1) by the following method. First, tetraethoxysilane, orthophosphoric acid, ethanol, and pure water were mixed at a molar ratio of about 1:1:5:3 and stirred for 2 hours to obtain a phosphosilicate sol. An appropriate amount of this sol was poured into a polyolefin tray to impregnate the sol with the glass fiber nonwoven fabric (1). After that, pull the nonwoven fabric out of the sol to dry and heat it.

【0014】
処理した。このようにして、有機成分を含有するホスホシリケート系ゲルの被膜が形成されたガラス繊維不織布(2)を得た。ホスホシリケート系ゲルの被膜の体積は、ガラス繊維の体積の約5%であった。また、ガラス繊維不織布(2)の空隙率は約86体積%であった。この不織布(2)を用い、参考例1と同じ手順でプロトン伝導性膜を形成した。
[0078]
[比較例1]
参考例1で用いた電解質分散液を、底面の平坦性の良好なガラス製シャーレに入れ、12時間以上自然乾燥し、その後、120℃で1時間熱処理して膜状にした。この膜状の電解質を、ホットプレス装置によって120℃、10MPaでプレスし、プロトン伝導性膜を得た。電解質分散液の濃度は参考例1と同様とし、液量は、熱プレス後の膜の厚さが80μmになるように調整した。
[0079]
[比較例2]
参考例1で説明したガラス繊維不織布(1)を、被膜を形成せずにそのまま補強材として用いることを除き、参考例1と同様の方法でプロトン伝導性膜を形成した。なお、電解質分散液の濃度および含浸量は、熱プレス後の膜の厚さが80μmになるように調整した。
[0080]
[補強材およびプロトン伝導性膜の評価]
上述の参考例1〜4および実施例5〜10および比較例1〜2において作製した補強材、およびプロトン伝導性膜について、以下の測定を行った。なお、参考例1〜4および実施例5〜10の補強材は、被膜を備えるガラス繊維不織布(2)であり、比較例2の補強材は、被膜を備えないガラス繊維不織布(1)である。
[0081]
[補強材の厚さ]
補強材を約20kPaの圧力でプレスした状態で、シックネスゲージを用いて補強材の厚さを測定した。
[0082]
[プロトン伝導性膜の厚さ]
マイクロメータを用いて測定した。
[0083]
[補強材およびプロトン伝導性膜の引張強度測定]
補強材および電解質膜を、それぞれ、幅20mm×長さ80mmに切断して試験片を
[0014]
Processed. In this way, a glass fiber non-woven fabric (2) on which a phosphosilicate gel coating containing an organic component was formed was obtained. The volume of the phosphosilicate gel coating was about 5% of the volume of the glass fiber. The porosity of the glass fiber nonwoven fabric (2) was about 86% by volume. Using this non-woven fabric (2), a proton conductive membrane was formed in the same procedure as in Reference Example 1.
[0078]
[Comparative Example 1]
The electrolyte dispersion liquid used in Reference Example 1 was placed in a glass petri dish having a good flatness on the bottom surface, naturally dried for 12 hours or more, and then heat-treated at 120° C. for 1 hour to form a film. This membrane-shaped electrolyte was pressed at 120° C. and 10 MPa with a hot press machine to obtain a proton conductive membrane. The concentration of the electrolyte dispersion was the same as in Reference Example 1, and the amount of the liquid was adjusted so that the thickness of the film after hot pressing was 80 μm.
[0079]
[Comparative example 2]
A proton conductive membrane was formed in the same manner as in Reference Example 1, except that the glass fiber nonwoven fabric (1) described in Reference Example 1 was used as a reinforcing material as it was without forming a coating film. The concentration and impregnation amount of the electrolyte dispersion liquid were adjusted so that the thickness of the film after hot pressing was 80 μm.
[0080]
[Evaluation of reinforcing material and proton conductive membrane]
The following measurements were performed on the reinforcing materials and the proton conductive membranes produced in Reference Examples 1 to 4, Examples 5 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 described above. The reinforcing materials of Reference Examples 1 to 4 and Examples 5 to 10 were glass fiber nonwoven fabrics (2) having a coating film, and the reinforcing materials of Comparative Example 2 were glass fiber nonwoven fabric (1) having no coating film. ..
[0081]
[Thickness of reinforcing material]
The thickness of the reinforcing material was measured using a thickness gauge while the reinforcing material was pressed at a pressure of about 20 kPa.
[0082]
[Proton Conductive Membrane Thickness]
It measured using the micrometer.
[0083]
[Measurement of tensile strength of reinforcing material and proton conductive membrane]
Each of the reinforcing material and the electrolyte membrane is cut into a width of 20 mm and a length of 80 mm to obtain a test piece.

【0015】
作製した。この試験片を、チャック間隔30mmでチャックし、10mm/分の速度で引っ張って、破断時の荷重(N)を測定した。この測定値を、サンプル厚さおよび幅の実測値で除して、引張強度(MPa)を算出した。
[0084]
[プロトン伝導性]
インピーダンスアナライザを用い、プロトン伝導性膜の厚さ方向のプロトン伝導度(S/m)を測定した。
[0085]
以上の測定結果を表5に示す。
[0086]
【表5】

Figure 2006075611
[0087]
表5から明らかなように、参考例1〜4および実施例5〜10の補強材は、比較例2の補強材に比べて、引張強度が高かった。また、参考例1〜4および実施例5〜10のプロトン伝導性膜は、比較例のプロトン伝導性膜と比べて、プロトン伝導度が同等であり引張強度が高かった。
【産業上の利用可能性】
[0088]
本発明は、燃料電池に用いられる電解質膜の補強材、ならびにそれを用いた電解質膜および燃料電池に適用できる。また、本発明は、電解質膜補強材の製造方法に適用できる。[0015]
It was made. The test piece was chucked at a chuck interval of 30 mm and pulled at a speed of 10 mm/min to measure the load (N) at break. This measured value was divided by the measured values of the sample thickness and width to calculate the tensile strength (MPa).
[0084]
[Proton conductivity]
Using an impedance analyzer, the proton conductivity (S/m) in the thickness direction of the proton conductive membrane was measured.
[0085]
Table 5 shows the above measurement results.
[0086]
[Table 5]
Figure 2006075611
[0087]
As is clear from Table 5, the reinforcing materials of Reference Examples 1 to 4 and Examples 5 to 10 had higher tensile strength than the reinforcing material of Comparative Example 2. In addition, the proton conductive membranes of Reference Examples 1 to 4 and Examples 5 to 10 had equivalent proton conductivity and higher tensile strength than the proton conductive membranes of Comparative Examples.
[Industrial availability]
[0088]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an electrolyte membrane reinforcing material used for a fuel cell, and an electrolyte membrane and a fuel cell using the same. Further, the present invention can be applied to a method for manufacturing an electrolyte membrane reinforcing material.

Claims (15)

ガラス繊維と前記ガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む電解質膜補強材。   An electrolyte membrane reinforcing material comprising glass fibers and a phosphosilicate gel coating formed on the glass fibers. 前記ガラス繊維が、布状のシートを構成している請求項1に記載の電解質膜補強材。   The electrolyte membrane reinforcing material according to claim 1, wherein the glass fiber constitutes a cloth-like sheet. 前記シートを構成している前記ガラス繊維同士が、前記被膜で結合されている請求項2に記載の電解質膜補強材。   The electrolyte membrane reinforcing material according to claim 2, wherein the glass fibers forming the sheet are bonded to each other by the coating film. 空隙率が、60体積%〜98体積%の範囲にある請求項2に記載の電解質膜補強材。   The electrolyte membrane reinforcing material according to claim 2, wherein the porosity is in the range of 60% by volume to 98% by volume. 前記被膜の表面がシランカップリング剤で処理されている請求項1に記載の電解質膜補強材。   The electrolyte membrane reinforcing material according to claim 1, wherein the surface of the coating film is treated with a silane coupling agent. 前記被膜が、有機成分を含まないホスホシリケート系ゲルである請求項1に記載の電解質膜補強材。   The electrolyte membrane reinforcing material according to claim 1, wherein the coating film is a phosphosilicate gel containing no organic component. 補強材と前記補強材で補強された電解質とを含む電解質膜であって、
前記補強材が、ガラス繊維と前記ガラス繊維上に形成されたホスホシリケート系ゲルの被膜とを含む電解質膜。
An electrolyte membrane comprising a reinforcing material and an electrolyte reinforced with the reinforcing material,
An electrolyte membrane in which the reinforcing material includes glass fibers and a phosphosilicate-based gel coating formed on the glass fibers.
前記ガラス繊維が、布状のシートを構成している請求項7に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 7, wherein the glass fiber constitutes a cloth-like sheet. 前記シートを構成している前記ガラス繊維同士が、前記被膜で結合されている請求項8に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 8, wherein the glass fibers forming the sheet are bonded to each other by the coating film. 前記補強材の空隙率が、60体積%〜98体積%の範囲にある請求項8に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 8, wherein the void ratio of the reinforcing material is in the range of 60% by volume to 98% by volume. 前記電解質が、高分子電解質である請求項7に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 7, wherein the electrolyte is a polymer electrolyte. 請求項7に記載の電解質膜を用いた燃料電池。   A fuel cell using the electrolyte membrane according to claim 7. (i)以下の式(I)で表される少なくとも1種類の化合物と、リン酸構造を含む化合物とを含む出発材料からホスホシリケート系ゾルを調製する工程と、
(ii)ガラス繊維の表面に前記ホスホシリケート系ゾルを塗布したのち、熱処理することによって前記ガラス繊維の表面にホスホシリケート系ゲルの被膜を形成する工程とを含む電解質膜補強材の製造方法。
Si(OR)m4-m・・・(I)
[式(I)において、Rはアルキル基を示し、Xはハロゲン原子を示し、mは1以上4以下の整数を示す。]
(I) a step of preparing a phosphosilicate sol from a starting material containing at least one compound represented by the following formula (I) and a compound having a phosphoric acid structure,
(Ii) A method for producing an electrolyte membrane reinforcing material, which comprises a step of applying the phosphosilicate sol on the surface of glass fiber and then heat treating it to form a coating film of phosphosilicate gel on the surface of the glass fiber.
Si(OR) m X 4-m ...(I)
[In the formula (I), R represents an alkyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 or more and 4 or less. ]
前記ガラス繊維が布状のシートを構成している請求項13に記載の電解質膜補強材の製造方法。   The method for producing an electrolyte membrane reinforcing material according to claim 13, wherein the glass fiber constitutes a cloth-like sheet. 前記出発材料が、以下の式(II)で表される少なくとも1種類の化合物を含む請求項13に記載の電解質膜補強材の製造方法。
Si(OR2s2 t4-s-t・・・(II)
[式(I)において、R2はアルキル基を示し、X2はハロゲン原子を示し、Zは、アルコキシ基およびハロゲン原子以外の有機基を示す。0≦s≦3、0≦t≦3、1≦s+t≦3である。]
The method for producing an electrolyte membrane reinforcing material according to claim 13, wherein the starting material contains at least one compound represented by the following formula (II).
Si(OR 2 ) s X 2 t Z 4-st ...(II)
[In the formula (I), R 2 represents an alkyl group, X 2 represents a halogen atom, and Z represents an alkoxy group or an organic group other than a halogen atom. 0≦s≦3, 0≦t≦3, 1≦s+t≦3. ]
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11760901B2 (en) * 2018-07-19 2023-09-19 Illinois Tool Works Inc. Film forming formulation and composition thereof

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5266766B2 (en) * 2008-01-16 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 Resin film structure
EP2109173B1 (en) * 2008-04-07 2013-05-08 Topsøe Fuel Cell A/S Solid oxide fuel cell stack, process for the preparation thereof and use of an E-glass therein
JP2016058152A (en) * 2014-09-05 2016-04-21 日本バイリーン株式会社 Method for manufacturing resin reinforced material, resin reinforced material, polymer electrolyte reinforced membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
WO2017142344A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 주식회사 엘지화학 Core-shell particles, polymer electrolyte membrane comprising same, fuel cell or electrochemical cell comprising polymer electrolyte membrane, and method for manufacturing core-shell particles
CN114976258B (en) * 2022-05-17 2024-10-01 哈尔滨工业大学 Composite polymer electrolyte conducive to uniform lithium deposition and preparation method and application thereof

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002080214A (en) * 2000-09-08 2002-03-19 Tsutomu Minami Phosphosilicate gel and proton conductive material and their manufacturing methods
JP4956866B2 (en) * 2001-04-26 2012-06-20 Tdk株式会社 Silica gel electrolyte membrane, method for producing the same, and fuel cell
JP2003100316A (en) * 2001-09-21 2003-04-04 Sekisui Chem Co Ltd Proton conductive membrane and its manufacturing method
CA2433320C (en) * 2001-10-30 2013-06-25 Sekisui Chemical Co., Ltd. Proton conducting membrane, method for producing the same, and fuel cell using the same
JP2003178773A (en) * 2001-12-11 2003-06-27 Sanyo Electric Co Ltd Fuel-cell unit
JP2003317748A (en) * 2002-04-23 2003-11-07 Araco Corp Solid polyelectrolyte film
JP2004047450A (en) * 2002-05-20 2004-02-12 Nippon Sheet Glass Co Ltd Reinforcing material for proton conductive film, proton conductive film using same and fuel cell using same
JP2004186120A (en) * 2002-12-06 2004-07-02 Toyota Motor Corp Solid polymer electrolyte, solid polymer electrolyte membrane, and fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11760901B2 (en) * 2018-07-19 2023-09-19 Illinois Tool Works Inc. Film forming formulation and composition thereof

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