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JP2010027605A - Ion conductive structure, ion conducting polymer composite membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, method of producing ion conductive structure, and method of producing ion conducting polymer composite membrane - Google Patents

Ion conductive structure, ion conducting polymer composite membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, method of producing ion conductive structure, and method of producing ion conducting polymer composite membrane Download PDF

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JP2010027605A
JP2010027605A JP2009138404A JP2009138404A JP2010027605A JP 2010027605 A JP2010027605 A JP 2010027605A JP 2009138404 A JP2009138404 A JP 2009138404A JP 2009138404 A JP2009138404 A JP 2009138404A JP 2010027605 A JP2010027605 A JP 2010027605A
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Japan
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ion conductive
ion
conductive structure
polymer composite
conductive polymer
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JP2009138404A
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Japanese (ja)
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Kazuhiro Yamauchi
一浩 山内
Kenji Yamada
憲司 山田
Mamiko Kumagai
麻美子 熊谷
Kyoko Kumagai
杏子 熊谷
Norishige Kakegawa
法重 掛川
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Canon Inc
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Abstract

【課題】 高ガスバリア性と高プロトン伝導性を両立させたイオン伝導性高分子複合膜、該イオン伝導性高分子複合膜を用いた膜電極接合体、燃料電池、イオン伝導性構造体の製造方法およびイオン伝導性高分子複合膜の製造方法を提供する。
【解決手段】 無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体と、無機層状構造体に結合するイオン交換基と、からなるイオン伝導性構造体において、
前記イオン交換基が、前記無機化合物からなる層が有する複数の面のいずれにも結合していることを特徴とするイオン伝導性構造体。
【選択図】 図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion conductive polymer composite membrane having both high gas barrier properties and high proton conductivity, a membrane electrode assembly using the ion conductive polymer composite membrane, a fuel cell, and a method for producing an ion conductive structure And a method for producing an ion conductive polymer composite membrane.
An ion conductive structure comprising an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound and an ion exchange group bonded to the inorganic layered structure.
The ion-conductive structure, wherein the ion exchange group is bonded to any of a plurality of surfaces of the layer made of the inorganic compound.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、イオン伝導性構造体、イオン伝導性高分子複合膜、膜電極接合体、燃料電池、イオン伝導性構造体の製造方法およびイオン伝導性高分子複合膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to an ion conductive structure, an ion conductive polymer composite membrane, a membrane electrode assembly, a fuel cell, a method for producing an ion conductive structure, and a method for producing an ion conductive polymer composite membrane.

Nafion膜(登録商標、デュポン社製)を始めとするイオン伝導性高分子膜のガスバリア性能を向上させる方法として、特許文献1には、無機層状構造体が有するシラノール基を利用して無機層状構造体にスルホン酸基を結合させて得たイオン伝導性構造体をイオン伝導性高分子膜中に分散させる技術が記載されている。   As a method for improving the gas barrier performance of ion conductive polymer membranes such as a Nafion membrane (registered trademark, manufactured by DuPont), Patent Document 1 discloses an inorganic layered structure using a silanol group possessed by an inorganic layered structure. A technique is described in which an ion conductive structure obtained by bonding a sulfonic acid group to a body is dispersed in an ion conductive polymer membrane.

特開2006−327932JP 2006-327932 A

しかしながら、特許文献1では、端面にのみシラノール基を有するモンモリロナイトを無機層状化合物として使用しているため、図1に示すように、スルホン酸基を無機層状化合物の端面にしか結合させることができず、得られるイオン伝導性高分子複合膜のプロトン伝導性が十分ではなかった。   However, in Patent Document 1, since montmorillonite having a silanol group only on the end face is used as the inorganic layered compound, as shown in FIG. 1, the sulfonic acid group can be bonded only to the end face of the inorganic layered compound. The proton conductivity of the obtained ion conductive polymer composite membrane was not sufficient.

そこで、本発明では、高ガスバリア性と高プロトン伝導性を両立させたイオン伝導性高分子複合膜、該イオン伝導性高分子複合膜を用いた膜電極接合体および燃料電池、前記イオン伝導性高分子複合膜を形成するためのイオン伝導性構造体、イオン伝導性構造体の製造方法およびイオン伝導性高分子複合膜の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, an ion conductive polymer composite membrane having both high gas barrier properties and high proton conductivity, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the ion conductive polymer composite membrane, the ion conductive high It is an object of the present invention to provide an ion conductive structure for forming a molecular composite film, a method for producing an ion conductive structure, and a method for producing an ion conductive polymer composite film.

本発明の第一は、無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体と、該無機層状構造体に結合しているイオン交換基と、からなるイオン伝導性構造体において、
前記イオン交換基が、前記無機化合物からなる層が有する複数の面のいずれにも結合していることを特徴とするイオン伝導性構造体である。
The first of the present invention is an ion conductive structure comprising an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound, and an ion exchange group bonded to the inorganic layered structure.
The ion-conductive structure is characterized in that the ion-exchange group is bonded to any of a plurality of surfaces of the layer made of the inorganic compound.

本発明の第二は、前記イオン伝導性構造体と、イオン伝導性高分子膜とからなることを特徴とするイオン伝導性高分子複合膜である。   The second of the present invention is an ion conductive polymer composite film comprising the ion conductive structure and an ion conductive polymer film.

本発明の第三は、イオン伝導性高分子複合膜と、該イオン伝導性高分子複合膜に接触する2つの触媒層と、からなることを特徴とする膜電極接合体である。   A third aspect of the present invention is a membrane electrode assembly comprising an ion conductive polymer composite membrane and two catalyst layers in contact with the ion conductive polymer composite membrane.

本発明の第四は、前記膜電極接合体と、該膜電極接合体に接触する2つのガス拡散層と、該2つのガス拡散層に各々接触する2つの集電体と、を有することを特徴とする燃料電池である。   A fourth aspect of the present invention includes the membrane electrode assembly, two gas diffusion layers in contact with the membrane electrode assembly, and two current collectors in contact with the two gas diffusion layers, respectively. This is a featured fuel cell.

本発明の第五は、いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体に、前記シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基を結合させる工程を有することを特徴とするイオン伝導性構造体の製造方法である。   The fifth aspect of the present invention includes a step of bonding an ion exchange group by substituting a proton of the silanol group to an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side. This is a method for producing an ion conductive structure.

本発明の第六は、
(i)いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体に、前記シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基を結合させてイオン伝導性構造体を形成する工程と、
(ii)前記イオン伝導性構造体をイオン伝導性高分子膜に分散させる工程と、
を有することを特徴とするイオン伝導性高分子複合膜の製造方法である。
The sixth of the present invention is
(I) An ion-conductive structure is formed by binding an ion exchange group to an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side, by substituting protons of the silanol group. And a process of
(Ii) dispersing the ion conductive structure in an ion conductive polymer film;
It is a manufacturing method of the ion conductive polymer composite film characterized by having.

本発明によれば、高ガスバリア性と高プロトン伝導性を両立させたイオン伝導性高分子複合膜、該イオン伝導性高分子複合膜を用いた膜電極接合体および燃料電池、前記イオン伝導性高分子複合膜を形成するためのイオン伝導性構造体、イオン伝導性構造体の製造方法およびイオン伝導性高分子複合膜の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, an ion conductive polymer composite membrane having both high gas barrier properties and high proton conductivity, a membrane electrode assembly and a fuel cell using the ion conductive polymer composite membrane, the ion conductive high An ion conductive structure for forming a molecular composite film, a method for producing an ion conductive structure, and a method for producing an ion conductive polymer composite film can be provided.

特許文献1に記載されたイオン伝導性構造体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ion conductive structure described in patent document 1. 本発明のイオン伝導性構造体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the ion conductive structure of this invention. 本発明における無機化合物からなる層の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the layer which consists of an inorganic compound in this invention. 本発明の膜電極接合体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の燃料電池の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the fuel cell of this invention. 本発明のイオン伝導性構造体の製造方法の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the manufacturing method of the ion conductive structure of this invention.

以下、図を用いて本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の第一は、
無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体と、該無機層状構造体に結合しているイオン交換基と、からなるイオン伝導性構造体において、
前記イオン交換基が、前記無機化合物からなる層が有する複数の面のいずれにも結合していることを特徴とするイオン伝導性構造体である。
The first of the present invention is
In an ion conductive structure comprising an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound, and an ion exchange group bonded to the inorganic layered structure,
The ion-conductive structure is characterized in that the ion-exchange group is bonded to any of a plurality of surfaces of the layer made of the inorganic compound.

図2は、本発明の第一であるイオン伝導性構造体の一例を示す図である。図中、2は無機化合物からなる層であり、無機化合物からなる層2の表面には、イオン交換基Aが結合している。また、無機層状構造体3は無機化合物からなる層2の集合体であり、1はイオン伝導性構造体である。なお、図2では、イオン伝導性構造体1は、イオン交換基Aが結合した2つの無機化合物からなる層で構成されているように記載されているが、イオン伝導性構造体1はイオン交換基Aが結合した複数の無機化合物からなる層で構成されていれば良い。   FIG. 2 is a diagram showing an example of an ion conductive structure which is the first of the present invention. In the figure, 2 is a layer made of an inorganic compound, and an ion exchange group A is bonded to the surface of the layer 2 made of an inorganic compound. The inorganic layered structure 3 is an aggregate of the layers 2 made of an inorganic compound, and 1 is an ion conductive structure. In FIG. 2, the ion conductive structure 1 is described as being composed of a layer composed of two inorganic compounds to which the ion exchange group A is bonded. What is necessary is just to be comprised by the layer which consists of a some inorganic compound which group A couple | bonded.

イオン交換基Aは、無機化合物からなる層2が有するいずれの面にも結合している。言い換えれば、イオン交換基Aは、無機化合物からなる層2が有する複数の面の各々に一つ以上結合している。具体的には、無機化合物からなる層が図3のような直方体形状を有している場合は、主面4、5および端面6、7を含むすべての面(6面)の各々にイオン交換基Aが一つ以上結合している。ここで、主面とは直方体が有する面のうち最も面積の大きい2つの面のことであり、端面とは最も面積の小さい2つの面のことである。なお、無機化合物からなる層が完全な直方体形状でない場合は、前記層に外接する直方体を想定し、該直方体の各面に垂直に外部から光を照射した際に、前記層に光が投影される部分を前記層が有する面と定義することとする。   The ion exchange group A is bonded to any surface of the layer 2 made of an inorganic compound. In other words, at least one ion exchange group A is bonded to each of the plurality of surfaces of the layer 2 made of an inorganic compound. Specifically, when the layer made of an inorganic compound has a rectangular parallelepiped shape as shown in FIG. 3, ion exchange is performed on each of all surfaces (six surfaces) including the main surfaces 4 and 5 and the end surfaces 6 and 7. One or more groups A are bonded. Here, the main surface is the two surfaces having the largest area among the surfaces of the rectangular parallelepiped, and the end surface is the two surfaces having the smallest area. When the layer made of an inorganic compound is not a perfect rectangular parallelepiped shape, a rectangular parallelepiped circumscribing the layer is assumed, and light is projected onto the layer when light is irradiated from the outside perpendicularly to each surface of the rectangular parallelepiped. Is defined as the surface of the layer.

無機層状構造体は、無機化合物からなる層の集合体であり、無機化合物からなる層を複数有する。ここで、本発明において、無機化合物とは、炭素を含まない化合物、グラファイトやダイヤモンドなど炭素の同素体、一酸化炭素、二酸化炭素あるいは炭酸カルシウムなどの金属炭酸塩、青酸と金属青酸塩、金属シアン酸塩、金属チオシアン酸塩を示す。   The inorganic layered structure is an aggregate of layers made of an inorganic compound and has a plurality of layers made of an inorganic compound. Here, in the present invention, the inorganic compound is a compound containing no carbon, an allotrope of carbon such as graphite or diamond, a metal carbonate such as carbon monoxide, carbon dioxide or calcium carbonate, hydrocyanic acid and metal cyanate, and metal cyanate. Salt and metal thiocyanate are shown.

なお、本発明において、「層」とは、アスペクト比が20以上であるものである。また、構造体aのアスペクト比とは、[構造体a内に存在し得る線分のうち最大の長さを有する線分(ア)の長さ]/[前記線分(ア)に垂直に構造体a内に存在し得る線分のうちの最大の長さを有する線分(イ)の長さ]とする。なお、線分(ア)の長さおよび線分(イ)の長さは、剥離させた無機層状化合物からなる層を透過型電子顕微鏡(TEM)、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて測定することが可能であり、線分(イ)の長さは、無機層状化合物の化学構造から類推することも可能である。   In the present invention, a “layer” has an aspect ratio of 20 or more. The aspect ratio of the structure a is [the length of the line segment (a) having the maximum length among the line segments that can exist in the structure a] / [perpendicular to the line segment (a)]. The length of the line segment (A) having the maximum length among the line segments that can exist in the structure a]. The length of the line segment (a) and the length of the line segment (a) were measured using a transmission electron microscope (TEM) and an atomic force microscope (AFM) for the layer made of the peeled inorganic layered compound. The length of the line segment (A) can be inferred from the chemical structure of the inorganic layered compound.

このような無機層状構造体としては、例えば、マガディアイト、ケニヤイト、カネマイト等が挙げられる。これらの中でも、構造の安定性が高いことからマガディアイトを用いることが好適である。   Examples of such an inorganic layered structure include magadiite, kenyanite, and kanemite. Among these, it is preferable to use magadiite because of its high structural stability.

無機層状構造体は、一般的に、負に帯電している無機化合物からなる層同士が、層の間に存在する陽イオンによって電荷不足が補われることによって、間隔を空けてスタックした構造となっている。イオン交換基Aは、無機化合物からなる層2の表面に共有結合によって結合している。本発明において、イオン交換基とは、イオン解離性の官能基のことであり、例えば、スルホン酸、カルボン酸、リン酸、ホスホン酸、亜ホスホン酸などが挙げられる。なお、無機化合物からなる層が有するいずれの面にもイオン交換基が一つ以上結合していれば、イオン交換基Aはすべてが同じイオン交換基でなくてもよく、複数種類のイオン交換基が存在していても良い。   An inorganic layered structure generally has a structure in which layers made of negatively charged inorganic compounds are stacked with a gap between the layers because the shortage of charges is compensated by cations existing between the layers. ing. The ion exchange group A is bonded to the surface of the layer 2 made of an inorganic compound by a covalent bond. In the present invention, the ion exchange group is an ion dissociable functional group, and examples thereof include sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and phosphonous acid. In addition, as long as one or more ion exchange groups are bonded to any surface of the layer made of an inorganic compound, the ion exchange groups A may not all be the same ion exchange group. May exist.

次に、本発明の第二について説明する。   Next, the second aspect of the present invention will be described.

本発明の第二は、本発明の第一であるイオン伝導性構造体と、イオン伝導性高分子膜とからなることを特徴とするイオン伝導性高分子複合膜である。   A second aspect of the present invention is an ion conductive polymer composite film comprising the ion conductive structure according to the first aspect of the present invention and an ion conductive polymer film.

イオン伝導性高分子膜は、イオン交換基を有する高分子化合物からなり、本発明の第一であるイオン伝導性構造体を保持することができるものである。イオン伝導性構造体はイオン伝導性高分子膜に分散されていることが好ましい。   The ion conductive polymer membrane is made of a polymer compound having an ion exchange group, and can hold the ion conductive structure which is the first of the present invention. The ion conductive structure is preferably dispersed in an ion conductive polymer film.

このようなイオン伝導性高分子膜としては、例えば、ナフィオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸高分子や、イオン交換基を有する、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポルスチレン、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ(メタ)アクリル酸誘導体や、イオン伝導性ブロックと非イオン伝導性ブロックとからなるブロック共重合体などいずれを用いても良い。   Examples of such ion conductive polymer membranes include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark), polyamides, polyamideimides, polyimides, polyether ketones, polyether ether ketones having ion exchange groups. , Polyphenylene, polyphenylene ether, polyester, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polyester, porstyrene, polyacetal, polysulfone, poly (meth) acrylic acid derivatives, block copolymers composed of ion conductive blocks and non-ion conductive blocks May be used.

本発明に用いるイオン伝導性構造体は、水分子を層間に吸収することにより膨潤するため、多量に含まれると燃料電池の電解質膜として使用する場合に、出力を低下させてしまう場合がある。よって、イオン伝導性構造体の含有量は、イオン伝導性高分子膜の重量の50重量%以下、好ましくは30重量%以下、さらに好ましくは10重量%以下である。   Since the ion conductive structure used in the present invention swells by absorbing water molecules between layers, if it is contained in a large amount, the output may be lowered when used as an electrolyte membrane of a fuel cell. Therefore, the content of the ion conductive structure is 50% by weight or less, preferably 30% by weight or less, more preferably 10% by weight or less, based on the weight of the ion conductive polymer film.

なお、イオン伝導性高分子複合膜に含まれるイオン伝導性構造体としては、一つの種類のイオン伝導性構造体を用いても良く、複数の種類のイオン伝導性構造体を用いても良い。   In addition, as an ion conductive structure contained in an ion conductive polymer composite film, one type of ion conductive structure may be used, or a plurality of types of ion conductive structures may be used.

本発明の第三は、本発明の第二であるイオン伝導性高分子複合膜と、該イオン伝導性高分子複合膜に接触する2つの触媒層と、からなることを特徴とする膜電極接合体である。   A third aspect of the present invention is a membrane electrode joint comprising the ion conductive polymer composite membrane according to the second aspect of the present invention and two catalyst layers in contact with the ion conductive polymer composite membrane. Is the body.

本発明の第三の一例を図4に示す。   A third example of the present invention is shown in FIG.

本発明の第三である膜電極接合体11は、イオン伝導性高分子複合膜8と、該イオン伝導性高分子複合膜と接触する2つの触媒層9、10とからなる。
2つの触媒層9、10(アノード側触媒層9およびカソード側触媒層10)は、白金などの金属触媒もしくは白金とルテニウムなどの白金以外の金属との合金触媒といった触媒からなる構造体や、これらの構造体をカーボンなどの担持体上に分散担持させたものからなる層を用いることができる。ここで前記触媒層に用いることができる構造体は、粒子形状であっても良いし、樹枝状形状など粒子以外の形状であっても良い。
The third membrane electrode assembly 11 according to the present invention includes an ion conductive polymer composite membrane 8 and two catalyst layers 9 and 10 that are in contact with the ion conductive polymer composite membrane.
The two catalyst layers 9 and 10 (the anode-side catalyst layer 9 and the cathode-side catalyst layer 10) are composed of a structure made of a catalyst such as a metal catalyst such as platinum or an alloy catalyst of platinum and a metal other than platinum such as ruthenium. It is possible to use a layer formed by dispersing and supporting the above structure on a carrier such as carbon. Here, the structure that can be used for the catalyst layer may have a particle shape or a shape other than particles, such as a dendritic shape.

本発明の第三である膜電極接合体を形成する際は、イオン伝導性高分子複合膜8を触媒層9および触媒層10で挟んで、温度130〜150℃、加圧時間1〜30分、圧力1〜40MPaの範囲でホットプレスを行うことが好ましい。   When forming the membrane electrode assembly according to the third aspect of the present invention, the ion conductive polymer composite membrane 8 is sandwiched between the catalyst layer 9 and the catalyst layer 10, the temperature is 130 to 150 ° C., and the pressurization time is 1 to 30 minutes. It is preferable to perform hot pressing in a pressure range of 1 to 40 MPa.

次に、本発明の第四について説明する。   Next, the fourth aspect of the present invention will be described.

本発明の第四は、本発明の第三である膜電極接合体と、該膜電極接合体に接触する2つのガス拡散層と、該ガス拡散層に各々接触する二つの集電体と、を有することを特徴とする燃料電池である。   A fourth aspect of the present invention is the membrane electrode assembly according to the third aspect of the present invention, two gas diffusion layers in contact with the membrane electrode assembly, two current collectors in contact with the gas diffusion layers, It is a fuel cell characterized by having.

図5は、本発明の第四である燃料電池の一例を示す断面図であり、11は本発明の第三である膜電極接合体、14はアノード側ガス拡散層、15はカソード側ガス拡散層、16はアノード側集電体、17はカソード側集電体である。
アノード側ガス拡散層14およびカソード側ガス拡散層15は、膜電極接合体11に酸素もしくは燃料を供給する役割を有する。アノード側ガス拡散層14およびカソード側ガス拡散層15は、複数のサブレイヤーで構成されていることが好ましい。複数のサブレイヤーで構成する場合は、アノード側ガス拡散層14およびカソード側ガス拡散層15が有するサブレイヤーのうち膜電極接合体11と接触するサブレイヤーがその他のサブレイヤーと比較して孔の平均径が小さいことが好ましい。具体的には、ガス拡散層を2つのサブレイヤーで構成する場合、図5に示したように、アノード側ガス拡散層14およびカソード側ガス拡散層15のうちの膜電極接合体11と接触するサブレイヤー12の孔の平均径を、アノード側ガス拡散層14およびカソード側ガス拡散層15を構成するその他のサブレイヤー13の平均径よりも小さくすることが好ましい。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, 11 is a membrane electrode assembly according to the third aspect of the present invention, 14 is an anode side gas diffusion layer, and 15 is a cathode side gas diffusion. The layer, 16 is an anode side current collector, and 17 is a cathode side current collector.
The anode side gas diffusion layer 14 and the cathode side gas diffusion layer 15 have a role of supplying oxygen or fuel to the membrane electrode assembly 11. The anode side gas diffusion layer 14 and the cathode side gas diffusion layer 15 are preferably composed of a plurality of sublayers. In the case of being composed of a plurality of sublayers, the sublayers that are in contact with the membrane electrode assembly 11 among the sublayers of the anode side gas diffusion layer 14 and the cathode side gas diffusion layer 15 are more porous than the other sublayers. It is preferable that the average diameter is small. Specifically, when the gas diffusion layer is composed of two sublayers, as shown in FIG. 5, the gas diffusion layer contacts the membrane electrode assembly 11 of the anode side gas diffusion layer 14 and the cathode side gas diffusion layer 15. The average diameter of the holes in the sublayer 12 is preferably smaller than the average diameter of the other sublayers 13 constituting the anode side gas diffusion layer 14 and the cathode side gas diffusion layer 15.

なお、以降は、アノード側ガス拡散層14およびカソード側ガス拡散層15が有するサブレイヤーのうち膜電極接合体11と接触するサブレイヤーがその他のサブレイヤーと比較して孔の平均径が小さい場合、膜電極接合体8と接触するサブレイヤーをマイクロポーラスレイヤー(MPL)と呼ぶ場合がある。   In the following, the sublayers of the anode-side gas diffusion layer 14 and the cathode-side gas diffusion layer 15 that are in contact with the membrane electrode assembly 11 have a smaller average hole diameter than the other sublayers. The sublayer in contact with the membrane electrode assembly 8 may be referred to as a microporous layer (MPL).

MPLは、例えば、PTFEをバインダーとして用いた炭素微粒子などで構成することができる。炭素微粒子の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長によって形成される繊維状カーボン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。   The MPL can be composed of, for example, carbon fine particles using PTFE as a binder. Examples of the carbon fine particles include acetylene black, ketjen black, fibrous carbon formed by vapor phase growth, and carbon nanotube.

アノード側ガス拡散層14及びカソード側ガス拡散層15を構成するサブレイヤーの内、MPL以外の部分には、カーボンクロスやカーボンペーパー、多孔質金属などを用いることができる。また、MPLとこれらのうちの複数種を積み重ねて、もしくはMPLとこれらのうちの一種を複数積み重ねて、3つのサブレイヤーからなる構造のガス拡散層として用いることもできる。なお、サブレイヤーに金属材料を用いる場合には、耐酸化性に優れた材料を用いることが好ましい。具体的にはSUS316L,ニッケルクロム合金、チタンなどを用いることができる。ニッケルクロム合金の多孔質金属の例としては、例えば富山住友電工社製のセルメット(登録商標)などを用いることができる。   Among the sublayers constituting the anode side gas diffusion layer 14 and the cathode side gas diffusion layer 15, carbon cloth, carbon paper, porous metal, or the like can be used for portions other than the MPL. Further, MPL and a plurality of these can be stacked, or MPL and one of these can be stacked to be used as a gas diffusion layer having a structure composed of three sublayers. In addition, when using a metal material for a sublayer, it is preferable to use the material excellent in oxidation resistance. Specifically, SUS316L, nickel chromium alloy, titanium, or the like can be used. As an example of the nickel-chromium alloy porous metal, for example, Celmet (registered trademark) manufactured by Toyama Sumitomo Electric Co., Ltd. can be used.

アノード側集電体16、カソード側集電体17の材料としては、導電性と耐酸化性に優れた材料が用いられる。このような材料としては、例えば、白金、チタン、カーボン、ステンレス鋼(SUS)、金で被覆したSUS、カーボンで被覆したSUS、金で被覆したアルミニウム、カーボンで被覆したアルミニウムなどが挙げられる。   As the material for the anode-side current collector 16 and the cathode-side current collector 17, a material having excellent conductivity and oxidation resistance is used. Examples of such a material include platinum, titanium, carbon, stainless steel (SUS), SUS coated with gold, SUS coated with carbon, aluminum coated with gold, and aluminum coated with carbon.

次に、本発明の第五について説明する。   Next, a fifth aspect of the present invention will be described.

本発明の第五は、いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体に、前記シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基Aを結合させる工程を有することを特徴とするイオン伝導性構造体の製造方法である。   A fifth aspect of the present invention includes a step of bonding an ion exchange group A by substituting a proton of the silanol group to an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side. This is a method for producing an ion conductive structure.

以下、図6を用いて説明する。   Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

(a)に示す無機層状構造体は、いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する。いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体は、イオン交換基の代わりにシラノール基を有する以外は、本発明の第一の無機層状構造体と同様のものである。   The inorganic layered structure shown in (a) has a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side. An inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side is the same as the first inorganic layered structure of the present invention except that it has a silanol group instead of an ion exchange group It is.

シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基Aを結合させる方法としては、例えば、以下のような方法が挙げられる。イオン交換基Aを有するシラン化合物もしくは酸化反応によってイオン交換基Aとなる基を有するシラン化合物によって、前記無機層状構造体が有するシラノール基をシリル化し、イオン交換基を結合させるもしくは酸化反応によってイオン交換基となる基を結合させて酸化する方法などである。これにより、(b)に示すように、イオン交換基Aが結合した無機層状構造体であるイオン伝導性構造体を得ることができる。   Examples of the method for binding the ion exchange group A by substituting the proton of the silanol group include the following methods. The silanol group of the inorganic layered structure is silylated by a silane compound having an ion exchange group A or a silane compound having a group that becomes an ion exchange group A by an oxidation reaction, and ion exchange groups are bonded or ion exchange is performed by an oxidation reaction. For example, a method may be used in which a base group is bonded and oxidized. Thereby, as shown to (b), the ion conductive structure which is an inorganic layered structure to which the ion exchange group A couple | bonded can be obtained.

より具体的には、例えば、有機溶媒中で、無機層状構造体が有するシラノール基と、3−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどのメルカプト基を有するシラン化合物と、を反応させて、メルカプト基を結合させた無機層状構造体を得る。そして、メルカプト基を過酸化水素等の酸化剤によってスルホン化することにより、イオン交換基であるスルホン酸基が結合した無機層状構造体を得ることができる。   More specifically, for example, a silanol group of the inorganic layered structure is reacted with a silane compound having a mercapto group such as 3-mercaptopropyltrimethoxysilane in an organic solvent to bond the mercapto group. An inorganic layered structure is obtained. And an inorganic layered structure to which a sulfonic acid group which is an ion exchange group is bonded can be obtained by sulfonating a mercapto group with an oxidizing agent such as hydrogen peroxide.

なお、図6は、模式図であり、(a)ではシラノール基が有するOH基のみを、(b)ではシラノール基をシリル化した際のイオン交換基Aのみを末端基として示している。   FIG. 6 is a schematic diagram, where (a) shows only the OH group of the silanol group, and (b) shows only the ion exchange group A when the silanol group is silylated as an end group.

このような場合、有機溶媒中でシラノール基のシリル化反応を行うため、無機層状物質を疎水化処理する必要があるが、無機層状構造体の層間に金属イオンが存在する場合は、金属イオンを界面活性剤で置換することより容易に無機層状構造体を疎水化することができる。   In such a case, in order to perform silanol group silylation reaction in an organic solvent, it is necessary to hydrophobize the inorganic layered material. However, when metal ions exist between the layers of the inorganic layered structure, The inorganic layered structure can be easily hydrophobized by substituting with a surfactant.

疎水化に用いることができる界面活性剤としては、例えば、プロピルアミン,オクチルアミン,ドデシルアミン等のアミン系界面活性剤や、ドデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド、ステアリルトリメチルアンモニウムブロマイド等の4級アンモニウム塩系界面活性剤などが挙げられる。   Examples of surfactants that can be used for hydrophobization include amine surfactants such as propylamine, octylamine, and dodecylamine, and quaternary compounds such as dodecyltrimethylammonium bromide, cetyltrimethylammonium bromide, and stearyltrimethylammonium bromide. Examples thereof include ammonium salt surfactants.

次に、本発明の第六は、
(i)いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体に、前記シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基を結合させてイオン伝導性構造体を形成する工程と、
(ii)前記イオン伝導性構造体をイオン伝導性高分子膜に分散させる工程と、
を有することを特徴とするイオン伝導性高分子複合膜の製造方法である。
Next, the sixth of the present invention is
(I) An ion-conductive structure is formed by binding an ion exchange group to an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side, by substituting protons of the silanol group. And a process of
(Ii) dispersing the ion conductive structure in an ion conductive polymer film;
It is a manufacturing method of the ion conductive polymer composite film characterized by having.

(i)の工程は、本発明の第五における工程と同様であるため、ここでは(ii)の工程について説明する。
(i)の工程で得られるイオン伝導性構造体をイオン伝導性高分子膜に分散させる方法としては、例えば、以下のような方法を用いることができる。
Since the step (i) is the same as the step in the fifth aspect of the present invention, the step (ii) will be described here.
As a method for dispersing the ion conductive structure obtained in the step (i) in the ion conductive polymer film, for example, the following method can be used.

一つ目の方法としては、イオン伝導性高分子膜となるモノマーからなる溶液に(i)で得られたイオン伝導性構造体を分散させた溶液(a)を作製し、溶液(a)のモノマーを重合して、基板表面に塗布し、製膜する方法が挙げられる。   As a first method, a solution (a) in which the ion conductive structure obtained in (i) is dispersed in a solution made of a monomer that becomes an ion conductive polymer film is prepared, and the solution (a) A method of polymerizing a monomer, applying it to the substrate surface, and forming a film can be mentioned.

重合反応については、無機層状構造体が有するイオン交換基によって重合反応が停止しない限りにおいて、特に制限はなく、例えば、イオン交換基の影響を受けず重合反応が進行するラジカル重合が好適である。ラジカル重合開始剤としては、過酸化ベンゾイル等の過酸化物系重合開始剤、または、アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ系重合開始剤を用いることができる。溶液(a)の溶媒としては、無機層状構造体およびモノマーを分散させることができる溶媒であれば良く、例えば、N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、メタノール、エタノール、プロパノール等、或いは、前述の溶媒を2種類以上混合した混合溶媒等を用いることが可能である。   The polymerization reaction is not particularly limited as long as the polymerization reaction is not stopped by the ion exchange group of the inorganic layered structure. For example, radical polymerization in which the polymerization reaction proceeds without being affected by the ion exchange group is preferable. As the radical polymerization initiator, a peroxide polymerization initiator such as benzoyl peroxide or an azo polymerization initiator such as azobisisobutyronitrile can be used. The solvent of the solution (a) may be any solvent that can disperse the inorganic layered structure and the monomer. For example, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol mono It is possible to use ethyl ether, methanol, ethanol, propanol or the like, or a mixed solvent in which two or more of the above-mentioned solvents are mixed.

重合反応停止後の溶液(a)は、直接、基板表面に塗布するか、或いは、溶液(a)を精製・回収後、溶媒中で再分散させた溶液を基板表面に塗布してもよい。基板表面に塗布する方法としては、バーコート法、グラビアコート法、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、スプレー法、キャスト法などを用いることができる。   The solution (a) after the termination of the polymerization reaction may be applied directly to the substrate surface, or a solution re-dispersed in a solvent after purification and recovery of the solution (a) may be applied to the substrate surface. As a method for applying to the substrate surface, a bar coating method, a gravure coating method, a spin coating method, a dip coating method, a roll coating method, a spray method, a casting method, or the like can be used.

二つ目の方法としては、イオン伝導性高分子膜を構成するイオン伝導性高分子とイオン伝導性構造体とを、イオン伝導性高分子のガラス転移温度以上の温度で機械的に混練し、基板表面に塗布し、製膜する方法が挙げられる。   As a second method, the ion conductive polymer and the ion conductive structure constituting the ion conductive polymer film are mechanically kneaded at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the ion conductive polymer. The method of apply | coating to a substrate surface and forming into a film is mentioned.

三つ目の方法としては、イオン伝導性高分子からなる溶液にイオン伝導性構造体を分散させた溶液(b)を作製し、溶液(b)を基板表面に塗布し、製膜する方法が挙げられる。   As a third method, a solution (b) in which an ion conductive structure is dispersed in a solution made of an ion conductive polymer is prepared, and the solution (b) is applied to the substrate surface to form a film. Can be mentioned.

溶液(b)を基板表面に塗布する方法としては、バーコート法、グラビアコート法、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、スプレー法、キャスト法などを用いることができる。   As a method for applying the solution (b) to the substrate surface, a bar coating method, a gravure coating method, a spin coating method, a dip coating method, a roll coating method, a spray method, a casting method, or the like can be used.

また、溶液(b)の溶媒としては、一つ目の方法において、イオン伝導性高分子膜となるモノマーからなる溶液の溶媒と同様のものを用いることができる。   Further, as the solvent of the solution (b), the same solvent as the solvent of the solution made of the monomer that becomes the ion conductive polymer membrane can be used in the first method.

なお、イオン伝導性高分子からなる溶液にイオン伝導性構造体を分散させる際は、超音波洗浄機やホモジナイザーを用いても良い。これらのいずれかを用いることで、溶液(b)におけるイオン伝導性構造体の分散性を向上させることができる。また、イオン伝導性高分子複合膜中におけるイオン伝導性構造体の分散状態については、超薄切片の透過型電子顕微鏡(TEM)観察により容易に確認することが可能である。   In addition, when disperse | distributing an ion conductive structure to the solution which consists of an ion conductive polymer, you may use an ultrasonic cleaner and a homogenizer. By using any of these, the dispersibility of the ion conductive structure in the solution (b) can be improved. Further, the dispersion state of the ion conductive structure in the ion conductive polymer composite film can be easily confirmed by observation of an ultrathin section with a transmission electron microscope (TEM).

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited only to these Examples.

(合成例1)H−モンモリロナイトの作製
アルミニウムの含水珪酸塩を主成分とする粘土鉱物として、山形県月布産モンモリロナイト5gを1Nの塩酸500ml中で24時間攪拌した。反応後、10000rpmで15分間遠心分離を行い、上澄み液を除去後、再び水中に分散させた。遠心分離による再沈殿と水による洗浄を2回繰り返すことで、モンモリロナイトの層の間に存在するナトリウムイオンをプロトンで置換したH−モンモリロナイトを作製した。
(Synthesis Example 1) Production of H-montmorillonite As a clay mineral mainly composed of aluminum hydrated silicate, 5 g of montmorillonite from Tsukibu, Yamagata Prefecture was stirred in 500 ml of 1N hydrochloric acid for 24 hours. After the reaction, the mixture was centrifuged at 10,000 rpm for 15 minutes, the supernatant was removed, and then dispersed again in water. H-montmorillonite in which sodium ions existing between montmorillonite layers were replaced with protons was prepared by repeating reprecipitation by centrifugation and washing with water twice.

(合成例2)マガディアイトの作製
シリカゲル(ワコーゲルQ63,和光純薬工業製)20g、水酸化ナトリウム3.07gと純水111gをPTFE製の密閉容器に封入し、150℃で48時間、水熱条件下で反応させ、マガディアイトを合成した。
(Synthesis Example 2) Production of magadiite 20 g of silica gel (Wakogel Q63, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 3.07 g of sodium hydroxide and 111 g of pure water were sealed in a PTFE sealed container and hydrothermally heated at 150 ° C. for 48 hours. The reaction was carried out under conditions to synthesize magadiite.

(合成例3)ケニヤアイトの作製
シリカゲル(ワコーゲルQ63,和光純薬工業製)20g、水酸化ナトリウム3.07gと純水111gをPTFE製の密閉容器に封入し、200℃で6時間、水熱条件下で反応させ、ケニヤアイトを合成した。
(Synthesis Example 3) Preparation of Kenyaite 20 g of silica gel (Wakogel Q63, manufactured by Wako Pure Chemical Industries), 3.07 g of sodium hydroxide and 111 g of pure water were sealed in a PTFE sealed container, and hydrothermal conditions at 200 ° C. for 6 hours. Kenyaite was synthesized by reacting under the following conditions.

(合成例4)スルホン化マガディアイトの作製
水1.8ml、35%塩酸100μl、エタノール10mlの混合溶液中にメルカプトプロピルトリメトキシシラン2mlを徐々に滴下し、50℃で1時間攪拌した。得られた溶液は、合成例2で合成したマガディアイト10gをエタノール60ml中に分散させた溶液と混合し、70度で13時間攪拌した。
合成したメルカプト基を有するマガディアイト10gをエタノール40mlと過酸化水素10mlの混合溶液中、70℃で2時間攪拌することにより、メルカプト基をスルホン酸基に置換し、スルホン化マガディアイトを得た。
(Synthesis Example 4) Preparation of sulfonated magadiite 2 ml of mercaptopropyltrimethoxysilane was gradually added dropwise to a mixed solution of 1.8 ml of water, 100 μl of 35% hydrochloric acid and 10 ml of ethanol, and stirred at 50 ° C. for 1 hour. The obtained solution was mixed with a solution in which 10 g of magadiite synthesized in Synthesis Example 2 was dispersed in 60 ml of ethanol and stirred at 70 degrees for 13 hours.
By stirring 10 g of the synthesized magadiite having a mercapto group in a mixed solution of 40 ml of ethanol and 10 ml of hydrogen peroxide at 70 ° C. for 2 hours, the mercapto group was substituted with a sulfonic acid group to obtain a sulfonated magadiite.

(合成例5)スルホン化ケイヤアイトの作製
水1.8ml、35%塩酸100μl、エタノール10mlの混合溶液中にメルカプトプロピルトリメトキシシラン2mlを徐々に滴下し、50℃で1時間攪拌した。得られた溶液は、合成例3で合成したケニヤアイト10gをエタノール60ml中に分散させた溶液と混合し、70度で13時間攪拌した。
合成したメルカプト基を有するマガディアイト10gをエタノール40mlと過酸化水素10mlの混合溶液中、70℃で2時間攪拌することにより、メルカプト基をスルホン酸基に置換し、スルホン化マガディアイトを得た。
(Synthesis Example 5) Production of sulfonated kayatite 2 ml of mercaptopropyltrimethoxysilane was gradually added dropwise to a mixed solution of 1.8 ml of water, 100 μl of 35% hydrochloric acid and 10 ml of ethanol, and stirred at 50 ° C. for 1 hour. The obtained solution was mixed with a solution in which 10 g of Kenyaite synthesized in Synthesis Example 3 was dispersed in 60 ml of ethanol and stirred at 70 degrees for 13 hours.
By stirring 10 g of the synthesized magadiite having a mercapto group in a mixed solution of 40 ml of ethanol and 10 ml of hydrogen peroxide at 70 ° C. for 2 hours, the mercapto group was substituted with a sulfonic acid group to obtain a sulfonated magadiite.

(合成例6)スルホン化モンモリロナイトの作製
水1.8ml、35%塩酸100μl、エタノール10mlの混合溶液中にメルカプトプロピルトリメトキシシラン2mlを徐々に滴下し、50℃で1時間攪拌した。得られた溶液は、月布産モンモリロナイト10gをエタノール60ml中に分散させた溶液と混合し、70度で13時間攪拌した。
合成したメルカプト基を有するモンモリロナイト10gをエタノール40mlと過酸化水素10mlの混合溶液中、70℃で2時間攪拌することにより、メルカプト基をスルホン酸基に置換し、スルホン化モンモリロナイトを得た。
Synthesis Example 6 Production of Sulfonated Montmorillonite Mercaptopropyltrimethoxysilane (2 ml) was gradually added dropwise to a mixed solution of water (1.8 ml), 35% hydrochloric acid (100 μl), and ethanol (10 ml), followed by stirring at 50 ° C. for 1 hour. The obtained solution was mixed with a solution in which 10 g of montmorillonite from Tsuki cloth was dispersed in 60 ml of ethanol and stirred at 70 degrees for 13 hours.
By stirring 10 g of the synthesized montmorillonite having a mercapto group in a mixed solution of 40 ml of ethanol and 10 ml of hydrogen peroxide at 70 ° C. for 2 hours, the mercapto group was substituted with a sulfonic acid group to obtain a sulfonated montmorillonite.

(実施例1)ナフィオン/スルホン化マガディアイト複合膜
Nafion5wt%溶液を準備した。続いて,合成例4で得たスルホン化マガディアイトをNafion溶液中に分散させ、Nafionとスルホン化マガディアイトの重量比が90:10となる混合液を得た。続いて、超音波洗浄機を用い混合液中でスルホン化マガディアイトをさらに十分に分散させた。続いて、混合液を窒素雰囲気下中において溶媒キャスト法により製膜した。製膜後のフィルムの膜厚は40μmであった。
Example 1 Nafion / sulfonated magadiite composite membrane A Nafion 5 wt% solution was prepared. Subsequently, the sulfonated magadiite obtained in Synthesis Example 4 was dispersed in a Nafion solution to obtain a mixed solution in which the weight ratio of Nafion and sulfonated magadiite was 90:10. Subsequently, the sulfonated magadiite was further sufficiently dispersed in the mixed solution using an ultrasonic cleaner. Subsequently, the mixed solution was formed into a film by a solvent casting method in a nitrogen atmosphere. The film thickness after film formation was 40 μm.

続いて、四端子法により交流インピーダンス測定(電圧振幅 5mV、周波数1Hzから1MHz)を行い、求めた抵抗値より、イオン伝導性高分子複合膜の膜面方向の導電率を算出した。その結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は3.12×10−2S・cm−1であった。 Subsequently, AC impedance measurement (voltage amplitude 5 mV, frequency 1 Hz to 1 MHz) was performed by the four probe method, and the conductivity in the film surface direction of the ion conductive polymer composite film was calculated from the obtained resistance value. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 3.12 × 10 −2 S · cm −1 .

(実施例2)ナフィオン/スルホン化ケニヤアイト複合膜
Nafion5wt%溶液を準備した。続いて,合成例5で得たスルホン化ケニヤアイトをNafion溶液中に分散させ、Nafionとスルホン化マガディアイトの重量比が90:10となる混合液を得た。続いて、超音波洗浄機を用い混合液中でスルホン化ケニヤアイトをさらに十分に分散させた。続いて、混合液を窒素雰囲気下中において溶媒キャスト法により製膜した。製膜後のフィルムの膜厚は40μmであった。
(Example 2) Nafion / sulfonated Kenyaite composite membrane A Nafion 5 wt% solution was prepared. Subsequently, the sulfonated Kenyaite obtained in Synthesis Example 5 was dispersed in a Nafion solution to obtain a mixed solution in which the weight ratio of Nafion and sulfonated magadiite was 90:10. Subsequently, the sulfonated Kenyaite was further sufficiently dispersed in the mixture using an ultrasonic cleaner. Subsequently, the mixed solution was formed into a film by a solvent casting method in a nitrogen atmosphere. The film thickness after film formation was 40 μm.

続いて、四端子法により交流インピーダンス測定(電圧振幅 5mV、周波数1Hzから1MHz)を行い、求めた抵抗値より、イオン伝導性高分子複合膜の膜面方向の導電率を算出した。その結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は2.77×10−2S・cm−1であった。 Subsequently, AC impedance measurement (voltage amplitude 5 mV, frequency 1 Hz to 1 MHz) was performed by the four probe method, and the conductivity in the film surface direction of the ion conductive polymer composite film was calculated from the obtained resistance value. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 2.77 × 10 −2 S · cm −1 .

(比較例1)Nafion/H−モンモリロナイト複合膜
Nafion5wt%溶液を準備した。続いて,合成例1で得たH−モンモリロナイトをNafion溶液中に分散させ、Nafionとスルホン化マガディアイトの重量比が90:10となる混合液を得た。続いて、超音波洗浄機を用い混合液中でH−モンモリロナイトをさらに十分に分散させた。続いて、混合液を窒素雰囲気下中において溶媒キャスト法により製膜した。製膜後のフィルムの膜厚は40μmであった。
Comparative Example 1 Nafion / H-montmorillonite composite film A Nafion 5 wt% solution was prepared. Subsequently, the H-montmorillonite obtained in Synthesis Example 1 was dispersed in a Nafion solution to obtain a mixed solution in which the weight ratio of Nafion to sulfonated magadiite was 90:10. Subsequently, H-montmorillonite was further sufficiently dispersed in the mixed solution using an ultrasonic cleaner. Subsequently, the mixed solution was formed into a film by a solvent casting method in a nitrogen atmosphere. The film thickness after film formation was 40 μm.

四端子法により交流インピーダンス測定(電圧振幅 5mV、周波数1Hzから1MHz)を行い、求めた抵抗値より、イオン伝導性高分子複合膜の膜面方向の導電率を算出した。その結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は2.55×10−3S・cm−1であった。 AC impedance measurement (voltage amplitude 5 mV, frequency 1 Hz to 1 MHz) was performed by the four-terminal method, and the conductivity in the film surface direction of the ion conductive polymer composite film was calculated from the obtained resistance value. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 2.55 × 10 −3 S · cm −1 .

(比較例2)Nafion/スルホン化モンモリロナイト複合膜
Nafion5wt%溶液を準備した。続いて,合成例6で得たスルホン化モンモリロナイトをNafion溶液中に分散させ、Nafionとスルホン化モンモリロナイトの重量比が90:10となる混合液を得た。続いて、超音波洗浄機を用い混合液中でスルホン化モンモリロナイトをさらに十分に分散させた。続いて、混合液を窒素雰囲気下中において溶媒キャスト法により製膜した。製膜後のフィルムの膜厚は40μmであった。
Comparative Example 2 Nafion / sulfonated montmorillonite composite membrane A Nafion 5 wt% solution was prepared. Subsequently, the sulfonated montmorillonite obtained in Synthesis Example 6 was dispersed in a Nafion solution to obtain a mixed solution in which the weight ratio of Nafion and sulfonated montmorillonite was 90:10. Subsequently, the sulfonated montmorillonite was further sufficiently dispersed in the mixed solution using an ultrasonic cleaner. Subsequently, the mixed solution was formed into a film by a solvent casting method in a nitrogen atmosphere. The film thickness after film formation was 40 μm.

四端子法により交流インピーダンス測定(電圧振幅5mV、周波数1Hzから1MHz)を行い、求めた抵抗値より、イオン伝導性高分子複合膜の膜面方向の導電率を算出した。その結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は5.69×10−3S・cm−1であった。 AC impedance measurement (voltage amplitude 5 mV, frequency 1 Hz to 1 MHz) was performed by the four probe method, and the conductivity in the film surface direction of the ion conductive polymer composite film was calculated from the obtained resistance value. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 5.69 × 10 −3 S · cm −1 .

なお、実施例1、2および比較例1、2の結果を表1に示す。   The results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1.

Figure 2010027605
Figure 2010027605

(実施例3)
膜−電極接合体、および燃料電池セルの作製方法の一例を以下に示す。
(Example 3)
An example of a method for producing a membrane-electrode assembly and a fuel battery cell is shown below.

触媒粉末として、HiSPEC1000(登録商標、ジョンソン&マッセイ社製)を使用し、触媒層に用いるイオン伝導性電解質の溶液としてはNafion溶液を使用した。まず、触媒粉末とNafion溶液の混合分散液を作製し、ドクターブレード法を用いてPTFEシート上に製膜し、触媒シートを作製した。次に、作製した触媒シートをデカール法によって、120℃、100kgf/cmで、実施例1で得た電解質膜上にホットプレス転写し、膜−電極接合体を作製した。さらに、その膜−電極接合体をカーボンクロス電極(E−TEK社製)で挟持した後、集電体で挟んで締結し、燃料電池を作製した。 HiSPEC1000 (registered trademark, manufactured by Johnson & Massey) was used as the catalyst powder, and a Nafion solution was used as the solution of the ion conductive electrolyte used for the catalyst layer. First, a mixed dispersion of catalyst powder and Nafion solution was prepared, and formed on a PTFE sheet using a doctor blade method to prepare a catalyst sheet. Next, the produced catalyst sheet was hot-press-transferred onto the electrolyte membrane obtained in Example 1 at 120 ° C. and 100 kgf / cm 2 by a decal method to produce a membrane-electrode assembly. Further, the membrane-electrode assembly was sandwiched between carbon cross electrodes (manufactured by E-TEK) and then clamped with a current collector to produce a fuel cell.

作製した燃料電池を用いて、アノード側に水素ガスを注入速度300ml/minで、カソード側には空気を供給し、セル出口圧力を大気圧、相対湿度をアノード、カソードともに50%、セル温度を50℃とした。電流密度400mA/cmで定電流測定を行ったところ、セル電位は810mVであり、100時間後においても安定した特性を保っていた。 Using the prepared fuel cell, hydrogen gas was injected into the anode side at an injection rate of 300 ml / min, air was supplied to the cathode side, the cell outlet pressure was atmospheric pressure, the relative humidity was 50% for both the anode and cathode, and the cell temperature was The temperature was 50 ° C. When constant current measurement was performed at a current density of 400 mA / cm 2 , the cell potential was 810 mV, and stable characteristics were maintained even after 100 hours.

1 イオン伝導性構造体
2 無機化合物からなる層
3 無機層状構造体
4、5 主面
6、7 端面
8 イオン伝導性高分子複合膜
9 アノード側触媒層
10 カソード側触媒層
11 膜電極接合体
12 サブレイヤー
13 サブレイヤー
14 アノード側ガス拡散層
15 カソード側ガス拡散層
16 アノード側集電体
17 カソード側集電体
18 無機層状化合物
19 イオン伝導性無機層状物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion conductive structure 2 Layer which consists of inorganic compounds 3 Inorganic layered structure 4, 5 Main surface 6, 7 End surface 8 Ion conductive polymer composite film 9 Anode side catalyst layer 10 Cathode side catalyst layer 11 Membrane electrode assembly 12 Sublayer 13 Sublayer 14 Anode side gas diffusion layer 15 Cathode side gas diffusion layer 16 Anode side current collector 17 Cathode side current collector 18 Inorganic layered compound 19 Ion conductive inorganic layered material

Claims (9)

無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体と、該無機層状構造体に結合しているイオン交換基と、からなるイオン伝導性構造体において、
前記イオン交換基が、前記無機化合物からなる層が有する複数の面のいずれにも結合していることを特徴とするイオン伝導性構造体。
In an ion conductive structure comprising an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound, and an ion exchange group bonded to the inorganic layered structure,
The ion-conductive structure, wherein the ion exchange group is bonded to any of a plurality of surfaces of the layer made of the inorganic compound.
前記無機層状構造体が、マガディアイト、ケニヤアイト、カネマイトのいずれかからなることを特徴とする請求項1に記載のイオン伝導性構造体。   The ion conductive structure according to claim 1, wherein the inorganic layered structure is made of any one of magadiite, kenyanite, and kanemite. 前記イオン交換基がスルホン酸、カルボン酸、リン酸、ホスホン酸、亜ホスホン酸のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のイオン伝導性構造体。   3. The ion conductive structure according to claim 1, wherein the ion exchange group is any one of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and phosphonous acid. 請求項1〜3のいずれかに記載のイオン伝導性構造体と、イオン伝導性高分子膜とからなることを特徴とするイオン伝導性高分子複合膜。   An ion conductive polymer composite film comprising the ion conductive structure according to claim 1 and an ion conductive polymer film. 請求項4に記載のイオン伝導性高分子複合膜と、該イオン伝導性高分子複合膜に接触する2つの触媒層と、からなることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the ion conductive polymer composite membrane according to claim 4 and two catalyst layers in contact with the ion conductive polymer composite membrane. 請求項5に記載の膜電極接合体と、該膜電極接合体に接触する2つのガス拡散層と、該2つのガス拡散層に各々接触する2つの集電体と、を有することを特徴とする燃料電池。   The membrane electrode assembly according to claim 5, two gas diffusion layers in contact with the membrane electrode assembly, and two current collectors in contact with the two gas diffusion layers, respectively. Fuel cell. いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体に、前記シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基を結合させる工程を有することを特徴とするイオン伝導性構造体の製造方法。   Ion conductivity characterized by having a step of bonding an ion exchange group by substituting a proton of the silanol group to an inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side Manufacturing method of structure. 前記シラノール基のプロトンを置換することによってイオン交換基を結合させる工程が、
前記シラノール基をシリル化させ、該シリル化されたシラノール基を酸化する工程であることを特徴とする請求項7に記載のイオン伝導性構造体の製造方法。
The step of binding an ion exchange group by substituting a proton of the silanol group,
The method for producing an ion conductive structure according to claim 7, wherein the silanol group is silylated and the silylated silanol group is oxidized.
(i)いずれの面にもシラノール基を有する無機化合物からなる層を複数有する無機層状構造体に、前記シラノール基を介してイオン交換基を結合させてイオン伝導性構造体を形成する工程と、
(ii)前記イオン伝導性構造体をイオン伝導性高分子膜に分散させる工程と、
を有することを特徴とするイオン伝導性高分子複合膜の製造方法。
(I) a step of forming an ion conductive structure by bonding an ion exchange group to the inorganic layered structure having a plurality of layers made of an inorganic compound having a silanol group on either side through the silanol group;
(Ii) dispersing the ion conductive structure in an ion conductive polymer film;
A process for producing an ion-conductive polymer composite membrane, comprising:
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