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JP2010138325A - Proton conductive composite electrolyte membrane, and membrane electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents

Proton conductive composite electrolyte membrane, and membrane electrode assembly and fuel cell using the same Download PDF

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JP2010138325A
JP2010138325A JP2008317300A JP2008317300A JP2010138325A JP 2010138325 A JP2010138325 A JP 2010138325A JP 2008317300 A JP2008317300 A JP 2008317300A JP 2008317300 A JP2008317300 A JP 2008317300A JP 2010138325 A JP2010138325 A JP 2010138325A
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JP
Japan
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metal compound
electrolyte membrane
particles
weight
compound particles
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Withdrawn
Application number
JP2008317300A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroko Sawaki
裕子 澤木
Toshio Kanzaki
寿夫 神崎
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Maxell Ltd
Original Assignee
Hitachi Maxell Ltd
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Publication date
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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
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Abstract

【課題】優れたプロトン伝導性と低燃料透過性とを両立したプロトン伝導性複合電解質膜を提供する。
【解決手段】本発明のプロトン伝導性複合電解質膜は、プロトン伝導性を有する金属化合物粒子と、プロトン伝導性を有する有機高分子材料と、スルホン酸基を有する分散剤とを含み、前記金属化合物粒子の平均一次粒子径が0.5nm以上5nm以下、その平均二次粒子径が50nm以下、その平均分散粒子径が30nm以下であり、前記金属化合物粒子の含有量が、前記電解質膜の全重量に対して、30重量%以上60重量%以下であり、前記分散剤と前記金属化合物粒子との重量比が、0.1:100〜5:100であることを特徴とする。
【選択図】図1
The present invention provides a proton conductive composite electrolyte membrane having both excellent proton conductivity and low fuel permeability.
A proton conductive composite electrolyte membrane according to the present invention includes a metal compound particle having proton conductivity, an organic polymer material having proton conductivity, and a dispersant having a sulfonic acid group, and the metal compound. The average primary particle size of the particles is 0.5 nm or more and 5 nm or less, the average secondary particle size is 50 nm or less, the average dispersed particle size is 30 nm or less, and the content of the metal compound particles is the total weight of the electrolyte membrane In contrast, the weight ratio is 30% by weight or more and 60% by weight or less, and the weight ratio of the dispersant to the metal compound particles is 0.1: 100 to 5: 100.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、高プロトン伝導性と低燃料透過性とを両立させたプロトン伝導性複合電解質膜、それを用いた膜電極接合体及び燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a proton conductive composite electrolyte membrane that achieves both high proton conductivity and low fuel permeability, a membrane electrode assembly using the same, and a fuel cell.

近年、リチウムイオン二次電池に代わる携帯機器用電源として、メタノールあるいは水素を燃料に使う燃料電池〔直接型メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)及び固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)が期待されており、実用化を目指して盛んに開発が行われている。   In recent years, as a power source for portable devices replacing lithium ion secondary batteries, fuel cells using methanol or hydrogen as fuel (direct methanol fuel cells (DMFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC)) are used. Fuel Cell) is expected, and development is actively conducted for practical use.

燃料電池の電極は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の表裏にカソード(酸素極)の触媒層及びアノード(燃料極)の触媒層をそれぞれ配した膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)から構成されている。上記触媒層は触媒担持カーボンと固体高分子電解質とが適度に混ざり合ったマトリクスとして形成されており、カーボン上の触媒と固体高分子電解質及び反応物質とが接触する三相界面において電極反応が行われる。また、カーボンの繋がりが電子の通り道となり、固体高分子電解質の繋がりがプロトンの通り道となる。   A fuel cell electrode is a membrane electrode assembly (MEA) in which a cathode (oxygen electrode) catalyst layer and an anode (fuel electrode) catalyst layer are respectively arranged on the front and back of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane. It is composed of The catalyst layer is formed as a matrix in which the catalyst-supporting carbon and the solid polymer electrolyte are appropriately mixed, and an electrode reaction takes place at the three-phase interface where the catalyst on the carbon, the solid polymer electrolyte, and the reactant are in contact. Is called. In addition, the carbon connection serves as an electron path, and the solid polymer electrolyte connection serves as a proton path.

例えば、DMFCでは、燃料極の触媒層及び酸素極の触媒層でそれぞれ下記の式(1)及び式(2)に示す反応が起き、電気を取り出すことができる。   For example, in DMFC, the reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur in the catalyst layer of the fuel electrode and the catalyst layer of the oxygen electrode, respectively, and electricity can be taken out.

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- (1)
2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (2)
DMFCは理論的にリチウムイオン二次電池の約10倍のエネルギー密度を持つとされている。しかし、現状ではリチウムイオン二次電池と比べて、用いるMEAの出力が低く、実用化に至っていない。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e - (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)
The DMFC is theoretically said to have an energy density about 10 times that of a lithium ion secondary battery. However, at present, the output of MEA to be used is lower than that of a lithium ion secondary battery, and it has not been put into practical use.

MEAの出力向上には、構成材料である触媒及び電解質膜の改良、MEAの構造の最適化といったアプローチがある。中でも電解質膜の改良がMEAの出力向上の重要な鍵を握っている。電解質膜に求められる性能としては、(1)プロトン伝導率が高いこと、(2)燃料(メタノールあるいは水素)の透過率が低いこと、の2点が挙げられる。(1)のプロトン伝導率が高いことが要求されるのは、プロトン伝導率が低くなると電解質膜の抵抗が高くなるためであり、膜抵抗の増大は出力低下に直結する。また、(2)の燃料透過率が低いことが要求されるのは、燃料透過率が高くなると燃料極側の燃料が電解質膜を透過して酸素極に達してしまう、いわゆる「クロスオーバー」が起こるためである。酸素極に達した燃料は、酸素極の触媒上で酸素と化学的に反応して熱を発する。このクロスオーバーにより、電解質膜そのものの劣化を招くだけでなく、酸素極の過電圧の増大を招き、MEAの出力低下の原因となる。   In order to improve the output of MEA, there are approaches such as improvement of constituent materials such as catalyst and electrolyte membrane, and optimization of MEA structure. Above all, improvement of the electrolyte membrane is an important key for improving the output of MEA. The performance required for the electrolyte membrane includes two points: (1) high proton conductivity and (2) low fuel (methanol or hydrogen) permeability. The reason why the proton conductivity of (1) is required to be high is that when the proton conductivity is low, the resistance of the electrolyte membrane is high, and the increase in membrane resistance directly leads to a decrease in output. In addition, the low fuel permeability in (2) is required because the fuel on the fuel electrode side passes through the electrolyte membrane and reaches the oxygen electrode when the fuel permeability is high. For it to happen. The fuel that has reached the oxygen electrode generates heat by chemically reacting with oxygen on the catalyst of the oxygen electrode. This crossover not only causes deterioration of the electrolyte membrane itself, but also causes an increase in the overvoltage of the oxygen electrode, which causes a decrease in the output of the MEA.

現在、最も一般的に用いられている電解質膜は、デュポン社製の“ナフィオン”(登録商標)と呼ばれるパーフルオロスルホン酸系電解質膜である。ナフィオンは、疎水性のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)骨格に、末端に親水性のスルホン酸基が固定された側鎖を有し、含水状態でスルホン酸基とプロトン及び水分子とが会合して、イオンクラスターを形成する。このクラスター内はスルホン酸基の濃度が高いためにプロトンの通路となり、ナフィオンは高プロトン伝導率を発現する。しかし、ナフィオンは高プロトン伝導率を有するものの、燃料透過率が高いという問題がある。   At present, the most commonly used electrolyte membrane is a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane called “Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont. Nafion has a hydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) skeleton with a side chain to which a hydrophilic sulfonic acid group is fixed at the terminal, and the sulfonic acid group, proton, and water molecule are associated with each other in a hydrous state. , Forming ion clusters. In this cluster, the concentration of sulfonic acid groups is high, so that it becomes a passage for protons, and Nafion exhibits high proton conductivity. However, although Nafion has high proton conductivity, it has a problem of high fuel permeability.

ナフィオン以外の電解質膜としては、炭化水素系電解質膜、芳香族炭化水素系電解質膜等があり、いずれも、スルホン酸基、ホスホン酸基あるいはカルボキシル基等のプロトン供与体を有する。ナフィオン同様、これらの電解質膜でも、含水状態にすることでプロトンが解離し、プロトン伝導性を発現する。ここで、スルホン酸基等のプロトン供与体の濃度を高くすることにより、プロトン伝導率を高くすることが可能である。しかしながら、これらの従来のプロトン伝導性電解質膜は、スルホン酸基等のプロトン供与体の濃度を高くすると、含水量が増加するために膜そのものが膨潤し、それに伴い膜に隙間が形成されるために、燃料透過率も増大してしまう。   As electrolyte membranes other than Nafion, there are hydrocarbon electrolyte membranes, aromatic hydrocarbon electrolyte membranes, etc., all of which have proton donors such as sulfonic acid groups, phosphonic acid groups or carboxyl groups. Similar to Nafion, even in these electrolyte membranes, protons dissociate and exhibit proton conductivity when placed in a water-containing state. Here, it is possible to increase the proton conductivity by increasing the concentration of the proton donor such as a sulfonic acid group. However, these conventional proton-conducting electrolyte membranes, when the concentration of a proton donor such as a sulfonic acid group is increased, the water content increases, so that the membrane itself swells and a gap is formed in the membrane accordingly. In addition, the fuel permeability increases.

このように、有機高分子材料のみを用いた単一電解質膜では、プロトン伝導率と燃料透過率との間にはトレードオフの関係があり、高プロトン伝導性・低燃料透過性(低クロスオーバー)を両立する電解質膜を得るのは困難であった。   Thus, in a single electrolyte membrane using only an organic polymer material, there is a trade-off relationship between proton conductivity and fuel permeability, and high proton conductivity / low fuel permeability (low crossover). It is difficult to obtain an electrolyte membrane that satisfies both of the above.

近年、高プロトン伝導性・低燃料透過性を両立する電解質膜として、無機物と有機物とを複合した無機有機複合電解質膜が注目されている。例えば、非特許文献1には、有機物であるポリビニルアルコールに、無機物であるヘテロポリ酸(12タングストリン酸)を分散させた複合電解質膜が開示されている。また、非特許文献2には、有機物であるポリビニルアルコールに、無機物であるゼオライトの一種(モルデナイト)を分散させた複合電解質膜が開示されている。また、非特許文献3には、有機物であるスルホン化ポリエーテルケトンあるいはスルホン化ポリエーテルエーテルケトンに、無機物であるSiO2、TiO2、ZrO2を分散させた複合電解質膜が開示されている。 In recent years, an inorganic-organic composite electrolyte membrane in which an inorganic material and an organic material are combined has attracted attention as an electrolyte membrane that achieves both high proton conductivity and low fuel permeability. For example, Non-Patent Document 1 discloses a composite electrolyte membrane in which a heteropolyacid (12 tungstophosphoric acid) that is an inorganic substance is dispersed in polyvinyl alcohol that is an organic substance. Non-Patent Document 2 discloses a composite electrolyte membrane in which a kind of inorganic zeolite (mordenite) is dispersed in polyvinyl alcohol, which is an organic substance. Non-Patent Document 3 discloses a composite electrolyte membrane in which SiO 2 , TiO 2 , and ZrO 2 that are inorganic substances are dispersed in a sulfonated polyether ketone or sulfonated polyether ether ketone that is an organic substance.

さらに、特許文献1には、有機高分子材料に金属酸化物水和物を分散させた電解質膜が開示されている。また、無機物・有機物の複合電解質膜ではないが、特許文献2には、メタノール及び水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔にプロトン伝導性を有するポリマーを充填させた電解質膜が開示されている。   Furthermore, Patent Document 1 discloses an electrolyte membrane in which a metal oxide hydrate is dispersed in an organic polymer material. Further, although not an inorganic / organic composite electrolyte membrane, Patent Document 2 discloses an electrolyte membrane in which pores of a porous substrate that does not substantially swell with methanol and water are filled with a polymer having proton conductivity. Is disclosed.

このように、高プロトン伝導性・低燃料透過性を両立した電解質膜として、無機材料と有機材料との複合電解質膜が注目されている。中でも、プロトン伝導性を有する金属化合物とプロトン伝導性を有する有機高分子材料からなる複合電解質膜では、金属化合物そのものがプロトン伝導性を持つために膜の導電性を阻害せず、より向上させることも可能であり、また、無機粒子を含有させることにより膜の骨格を形成し、含水時の膜の膨潤を防ぐことが可能であることから、高プロトン伝導性・低燃料透過性を両立した電解質膜として有望であると考えられる。   Thus, a composite electrolyte membrane of an inorganic material and an organic material has attracted attention as an electrolyte membrane that achieves both high proton conductivity and low fuel permeability. Above all, in a composite electrolyte membrane made of a proton-conductive metal compound and a proton-conductive organic polymer material, the metal compound itself has proton conductivity, so that the conductivity of the membrane is not hindered and improved. In addition, it is possible to form a membrane skeleton by containing inorganic particles and prevent swelling of the membrane when it contains water, so that an electrolyte that has both high proton conductivity and low fuel permeability It is considered promising as a membrane.

しかしながら、上記複合電解質膜について、本来備えていると考えられる特性を十分引き出すためには、さまざまな条件が必要である。中でも、分散させる金属化合物の特性や粒径のみならず、膜中における配置、分散状態等を最適化する必要がある。
Materials Letters、第57巻、p.1406、2003年 AIChE Journal、第49巻、p.991、2003年 J.Membrane Science、第203巻、p.215、2002年 特開2003−331869号公報 国際公開第00/54351号パンフレット
However, various conditions are necessary in order to sufficiently bring out the characteristics considered to be inherent to the composite electrolyte membrane. In particular, it is necessary to optimize not only the characteristics and particle size of the metal compound to be dispersed, but also the arrangement in the film, the dispersed state, and the like.
Materials Letters, 57, p. 1406, 2003 AIChE Journal, Vol. 49, p. 991, 2003 J. et al. Membrane Science, Volume 203, p.215, 2002 JP 2003-331869 A International Publication No. 00/54351 Pamphlet

現在、金属化合物の中でも、金属酸化物水和物粒子を複合化させた電解質膜では、プロトン伝導率、燃料透過率等の特性が改善される傾向にあることがわかっているが、金属酸化物水和物粒子の分散状態が最適化されていないために、高プロトン伝導性と低燃料透過性の点では未だ十分な性能を発揮できないのが現状である。   Currently, it is known that among metal compounds, electrolyte membranes in which metal oxide hydrate particles are combined tend to improve characteristics such as proton conductivity and fuel permeability. Since the dispersion state of the hydrate particles is not optimized, sufficient performance cannot be exhibited yet in terms of high proton conductivity and low fuel permeability.

図3に従来のプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物粒子と有機高分子材料とで構成される複合電解質膜の模式断面図を示す。図3において、31がスルホン酸基等のプロトン供与体を有する有機高分子材料であり、32がプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物粒子であり、図3では、金属酸化物水和物粒子32の具体例として酸化ジルコニウム水和物粒子(ZrO2・nH2O)を用いた例を示した。有機高分子材料は、含水状態においてプロトン伝導性を示す。これは、含水状態においてスルホン酸基等のプロトン供与体からプロトンが解離して伝導するためである。この有機高分子材料を単体で電解質膜に用いた場合、含水量の増加により膜の膨潤が起こり、それに伴ってメタノールあるいは水素等の燃料も有機高分子材料内を透過してしまう。一方、金属酸化物水和物粒子においては、結晶内及び表面に吸着した水和水を介してプロトンが伝導していく。さらに、これらの無機粒子が高い含有率で存在することによって、無機粒子による骨格を形成すると共に、これらの無機粒子同士を繋ぐ役割をする有機高分子材料もまた、その動きが抑制されるために、含水による膜の膨潤が抑制され、同時に燃料のクロスオーバーも抑制される。また、金属酸化物水和物は無機物としては比較的高いプロトン伝導率を有する。例えば、25℃におけるプロトン伝導性は、酸化ジルコニウム水和物(ZrO2・nH2O)では2.8×10-3S/cm、酸化スズ水和物(SnO2・nH2O)では4.7×10-3S/cmである。さらに、金属酸化物水和物の特性上、水和水を吸着・保持する能力があるために、比較的湿度の低い環境においても、これらの粒子が持つ水分により膜そのもののプロトン伝導性を維持することができる可能性がある。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a composite electrolyte membrane composed of conventional metal oxide hydrate particles having proton conductivity and an organic polymer material. 3, 31 is an organic polymer material having a proton donor such as a sulfonic acid group, 32 is a metal oxide hydrate particle having proton conductivity, and FIG. 3 shows a metal oxide hydrate. As a specific example of the particles 32, an example using zirconium oxide hydrate particles (ZrO 2 · nH 2 O) is shown. The organic polymer material exhibits proton conductivity in a water-containing state. This is because protons dissociate and conduct from proton donors such as sulfonic acid groups in a water-containing state. When this organic polymer material is used alone as an electrolyte membrane, the membrane swells due to an increase in water content, and fuel such as methanol or hydrogen permeates through the organic polymer material accordingly. On the other hand, in the metal oxide hydrate particles, protons are conducted through hydrated water adsorbed in the crystal and on the surface. Furthermore, since these inorganic particles are present at a high content rate, the organic polymer material that forms a skeleton of the inorganic particles and serves to connect these inorganic particles also has a suppressed movement. Swelling of the membrane due to water content is suppressed, and fuel crossover is also suppressed at the same time. Metal oxide hydrate has a relatively high proton conductivity as an inorganic substance. For example, the proton conductivity at 25 ° C., the zirconium oxide hydrate (ZrO 2 · nH 2 O) in 2.8 × 10 -3 S / cm, tin oxide hydrate (SnO 2 · nH 2 O) 4 0.7 × 10 −3 S / cm. Furthermore, because of the properties of metal oxide hydrate, it has the ability to adsorb and retain hydrated water, so that the proton conductivity of the membrane itself is maintained by the water content of these particles even in relatively low humidity environments. There is a possibility that you can.

以上のように、有機高分子材料と金属化合物粒子とを組み合わせた複合電解質膜により、燃料の膜透過をブロックしつつ、プロトンは通すことのできる電解質膜を得ることが可能になると考えられる。即ち、有機高分子材料の単一電解質膜に見られるプロトン伝導性と、燃料のクロスオーバーとのトレードオフの関係を改善することができると期待される。しかしながら、実際の複合電解質膜の特性は、金属化合物粒子の分散状態により大きく変わる。このため、高プロトン伝導性と低燃料透過性の点では未だ十分な性能を発揮できないのが現状である。   As described above, it is considered that the composite electrolyte membrane combining the organic polymer material and the metal compound particles makes it possible to obtain an electrolyte membrane that allows protons to pass through while blocking the permeation of fuel. That is, it is expected that the trade-off relationship between proton conductivity and fuel crossover seen in a single electrolyte membrane of an organic polymer material can be improved. However, the actual characteristics of the composite electrolyte membrane vary greatly depending on the dispersion state of the metal compound particles. For this reason, at present, sufficient performance cannot be exhibited in terms of high proton conductivity and low fuel permeability.

本発明は、上記問題を解決したもので、金属化合物粒子と有機高分子材料からなる複合電解質膜において、金属化合物粒子及び有機高分子材料にさらに分散剤を添加することにより、金属化合物粒子の微細分散を実現したものであり、高プロトン伝導性と低燃料透過性とを有する複合電解質膜を提供する。また、本発明は、その複合電解質膜を用いた高出力の燃料電池用MEA及びそのMEAを用いた燃料電池を提供する。   The present invention solves the above problem, and in a composite electrolyte membrane composed of metal compound particles and an organic polymer material, by adding a dispersant to the metal compound particles and the organic polymer material, the fineness of the metal compound particles can be improved. Dispersion is realized, and a composite electrolyte membrane having high proton conductivity and low fuel permeability is provided. The present invention also provides a high-power MEA for fuel cells using the composite electrolyte membrane and a fuel cell using the MEA.

本発明のプロトン伝導性複合電解質膜は、プロトン伝導性を有する金属化合物粒子と、プロトン伝導性を有する有機高分子材料と、スルホン酸基を有する分散剤とを含むプロトン伝導性複合電解質膜であって、前記金属化合物粒子の平均一次粒子径が、0.5nm以上5nm以下であり、前記金属化合物粒子の平均二次粒子径が、50nm以下であり、前記金属化合物粒子の平均分散粒子径が、30nm以下であり、前記金属化合物粒子の含有量が、前記電解質膜の全重量に対して、30重量%以上60重量%以下であり、前記分散剤と前記金属化合物粒子との重量比が、0.1:100〜5:100であることを特徴とする。   The proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is a proton conductive composite electrolyte membrane comprising metal compound particles having proton conductivity, an organic polymer material having proton conductivity, and a dispersant having a sulfonic acid group. The average primary particle size of the metal compound particles is 0.5 nm or more and 5 nm or less, the average secondary particle size of the metal compound particles is 50 nm or less, and the average dispersed particle size of the metal compound particles is 30 nm or less, the content of the metal compound particles is 30 wt% or more and 60 wt% or less with respect to the total weight of the electrolyte membrane, and the weight ratio of the dispersant to the metal compound particles is 0 .1: 100 to 5: 100.

また、本発明の膜電極接合体は、酸素を還元する触媒層を含む酸素極と、燃料を酸化する触媒層を含む燃料極と、前記酸素極と前記燃料極との間に配置された上記本発明のプロトン伝導性複合電解質膜とを含むことを特徴とする。   The membrane electrode assembly of the present invention is an oxygen electrode including a catalyst layer for reducing oxygen, a fuel electrode including a catalyst layer for oxidizing fuel, and the oxygen electrode and the fuel electrode. It includes the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention.

さらに、本発明の燃料電池は、上記本発明の膜電極接合体を含むことを特徴とする。   Furthermore, the fuel cell of the present invention includes the membrane electrode assembly of the present invention.

本発明により、優れたプロトン伝導性と低燃料透過性とを両立したプロトン伝導性複合電解質膜を提供することができる。また、本発明のプロトン伝導性複合電解質膜を用いることにより、より高出力の膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a proton conductive composite electrolyte membrane that has both excellent proton conductivity and low fuel permeability. Further, by using the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention, a higher output membrane electrode assembly and a fuel cell using the same can be provided.

前述の金属化合物粒子の一次粒子径が大きくて金属化合物粒子同士の隙間を微細に埋められない状態、また、金属化合物粒子の一次粒子径が小さくても凝集等により二次粒子径が大きくなり、一次粒子の状態で分布する粒子数が少なくなって金属化合物粒子同士の隙間を埋められない状態では、膜中の金属化合物粒子が存在しない有機高分子材料のみで構成される部位の割合が多くなり、その金属化合物同士の隙間を通って燃料が透過したり、有機高分子材料のみで構成される部位の含水による膨潤が起こりやすくなるため、クロスオーバーを十分に抑制することができない。さらに、これらの金属化合物粒子が粗大な凝集体あるいはサブミクロンサイズ以上の粒子径を持つ場合には、悪くすれば、金属化合物粒子を分散させることで、逆にクロスオーバーが増大する場合すらある。よって、分散させる金属化合物粒子の一次粒径及び二次粒径は、ある程度以下にする必要があり、さらにそれらの粒子は、膜骨格を形成し膨潤を防ぐために、膜全体にわたって均一に分布していることが必要である考えられる。   A state where the primary particle diameter of the metal compound particles is large and the gaps between the metal compound particles cannot be finely filled, and even if the primary particle diameter of the metal compound particles is small, the secondary particle diameter is increased due to aggregation, In a state where the number of particles distributed in the state of primary particles is small and the gaps between the metal compound particles cannot be filled, the ratio of the portion composed only of the organic polymer material without the metal compound particles in the film increases. Further, since the fuel permeates through the gaps between the metal compounds, or the water-containing swelling of the portion composed only of the organic polymer material is likely to occur, the crossover cannot be sufficiently suppressed. Furthermore, when these metal compound particles have coarse aggregates or a particle size of a submicron size or more, if worsened, the metal compound particles may be dispersed to increase crossover. Therefore, the primary particle size and the secondary particle size of the metal compound particles to be dispersed must be below a certain level, and these particles are uniformly distributed throughout the film in order to form a film skeleton and prevent swelling. It is considered necessary to be.

この場合の理想的な分散状態を、図1に模式的に示す。図1は、本発明の金属化合物粒子の理想的な分散状態を示す模式図であり、図1において、11が有機高分子材料、12が金属化合物凝集体を示す。   An ideal dispersion state in this case is schematically shown in FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an ideal dispersion state of the metal compound particles of the present invention. In FIG. 1, 11 is an organic polymer material, and 12 is a metal compound aggregate.

また、プロトン伝導性を持つ金属化合物粒子を分散させることで、膜全体のプロトン伝導性を阻害することなく燃料透過率を低減させることができる。この際には、(1)金属化合物粒子の含有率が低い、(2)金属化合物粒子の分散が不均一である、(3)金属化合物粒子の凝集径が大きい等の理由で、有機高分子材料のみで構成される部位が多くなり、金属化合物粒子同士の伝導の繋がりが不連続となれば、いわば直流回路の様に、金属化合物粒子 → 有機高分子材料の親水性クラスター → 金属化合物粒子というように、有機高分子材料を介してプロトンが伝導することとなり、本来の金属化合物粒子の持つ高いプロトン伝導性を効果的に発揮することができない。この場合、凝集体(二次粒子)は、その内部に含まれる金属化合物粒子(一次粒子)のみに着目すれば「直接に接触」するという意味合いで最も近い位置に金属化合物粒子同士が配置されている状態であるように見えるが、図2に示したように、金属化合物粒子の膜中における凝集体間の距離が広くなり、プロトン伝導の道筋を断ってしまうこととなる。図2は、金属化合物粒子の凝集体が粗大化した場合の分散状態を示す模式図であり、図2において、21が有機高分子材料、22が金属化合物凝集体を示す。以上の理由から、プロトン伝導性を向上させる場合には、特に無機粒子の有機高分子材料に対する含有率を高くし、膜全体に対して均一に含有させることで、より良い特性を引き出し得ることが期待される。   Further, by dispersing the metal compound particles having proton conductivity, the fuel permeability can be reduced without inhibiting the proton conductivity of the entire membrane. In this case, the organic polymer is used because (1) the content of the metal compound particles is low, (2) the dispersion of the metal compound particles is non-uniform, and (3) the aggregation diameter of the metal compound particles is large. If there are many parts composed of only materials and the connection of conduction between metal compound particles becomes discontinuous, the so-called DC circuit, metal compound particles → hydrophilic clusters of organic polymer materials → metal compound particles Thus, protons are conducted through the organic polymer material, and the high proton conductivity of the original metal compound particles cannot be effectively exhibited. In this case, if the aggregate (secondary particles) is focused on only the metal compound particles (primary particles) contained therein, the metal compound particles are arranged in the closest position in the sense of “direct contact”. However, as shown in FIG. 2, the distance between the aggregates in the film of the metal compound particles is increased, and the path of proton conduction is cut off. FIG. 2 is a schematic diagram showing a dispersion state when the aggregate of metal compound particles is coarsened. In FIG. 2, 21 indicates an organic polymer material, and 22 indicates a metal compound aggregate. For the above reasons, when improving the proton conductivity, it is possible to bring out better characteristics by increasing the content of the inorganic particles with respect to the organic polymer material, and uniformly including the entire membrane. Be expected.

本発明は、以上の点を鑑みて成されたものであり、以下、本発明の実施形態を説明する。   The present invention has been made in view of the above points, and embodiments of the present invention will be described below.

(実施形態1)
先ず、本発明のプロトン伝導性複合電解質膜を説明する。本発明のプロトン伝導性複合電解質膜は、プロトン伝導性を有する金属化合物粒子と、プロトン伝導性を有する有機高分子材料と、スルホン酸基を有する分散剤とを含む。
(Embodiment 1)
First, the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention will be described. The proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention includes metal compound particles having proton conductivity, an organic polymer material having proton conductivity, and a dispersant having a sulfonic acid group.

上記金属化合物粒子の平均一次粒子径は、0.5nm以上5nm以下である。また、上記金属化合物粒子は、その一次粒子が凝集して二次粒子を形成し、その平均二次粒子径は50nm以下である。さらに、上記金属化合物粒子の一次粒子及び二次粒子を合わせた、その平均分散粒子径は、30nm以下である。金属化合物粒子の粒子径がこれらの範囲内であれば、金属化合物粒子間の隙間が大きくならず、燃料透過率を低くすることができるからである。上記平均二次粒子径及び上記平均分散粒子径の下限値は、上記平均一次粒子径の値程度となる。   The average primary particle diameter of the metal compound particles is 0.5 nm or more and 5 nm or less. Moreover, the said metal compound particle | grain aggregates the primary particle, forms a secondary particle, The average secondary particle diameter is 50 nm or less. Furthermore, the average dispersed particle diameter of the primary particles and the secondary particles of the metal compound particles is 30 nm or less. This is because if the particle diameter of the metal compound particles is within these ranges, the gap between the metal compound particles does not increase, and the fuel permeability can be lowered. The lower limits of the average secondary particle size and the average dispersed particle size are about the value of the average primary particle size.

本発明において、電解質膜中の粒子の平均粒子径は、後述する小角散乱測定により求めることができる。   In the present invention, the average particle diameter of the particles in the electrolyte membrane can be determined by small angle scattering measurement described later.

また、上記金属化合物粒子の含有量は、本発明のプロトン伝導性複合電解質膜の全重量に対して、30重量%以上60重量%以下である。30重量%未満では、金属化合物粒子の添加の効果が発現せず、60重量%を超えると、膜の強度が低下し自立膜化が困難となるからである。   Further, the content of the metal compound particles is 30% by weight or more and 60% by weight or less with respect to the total weight of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention. If the amount is less than 30% by weight, the effect of adding metal compound particles does not appear. If the amount exceeds 60% by weight, the strength of the film decreases and it becomes difficult to form a self-supporting film.

スルホン酸基を有する分散剤を使用するのは、上記有機高分子材料との相溶性が良いからである。また、上記分散剤と上記金属化合物粒子との重量比は、0.1:100〜5:100である。この範囲内で分散剤を添加することで、上記分散剤で上記金属化合物粒子の表面を分散効果が発揮できる程度に覆うことが可能となり、且つ、上記金属化合物粒子の表面に吸着し得ない過剰の分散剤が上記有機高分子材料中に混在することを防ぐことができるからである。これにより、高いプロトン伝導性を有する金属化合物粒子を、有機高分子材料中に均一に且つ高い含有率で含有させることができ、優れたプロトン伝導性と低燃料透過性とを両立したプロトン伝導性複合電解質膜を提供できる。上記分散剤の重量比が、0.1を下回ると分散剤の効果が発現せず、5を超えるとプロトン伝導性を阻害するおそれがあるため好ましくない。   The reason why the dispersant having a sulfonic acid group is used is that the compatibility with the organic polymer material is good. The weight ratio of the dispersant to the metal compound particles is 0.1: 100 to 5: 100. By adding a dispersant within this range, it becomes possible to cover the surface of the metal compound particles with the dispersant to such an extent that a dispersion effect can be exerted, and an excess that cannot be adsorbed on the surface of the metal compound particles This is because it is possible to prevent the dispersant from being mixed in the organic polymer material. As a result, the metal compound particles having high proton conductivity can be uniformly contained at a high content in the organic polymer material, and the proton conductivity that achieves both excellent proton conductivity and low fuel permeability. A composite electrolyte membrane can be provided. If the weight ratio of the dispersant is less than 0.1, the effect of the dispersant is not exhibited, and if it exceeds 5, the proton conductivity may be hindered.

上記プロトン伝導性を有する金属化合物としては、酸化ジルコニウム水和物、酸化タングステン水和物、酸化スズ水和物、ニオブをドープした酸化タングステン水和物、酸化ケイ素水和物、酸化リン酸水和物、ジルコニウムをドープした酸化ケイ素水和物、タングストリン酸水和物、モリブドリン酸水和物等の金属酸化物水和物を用いることができる。また、これらの金属酸化物水和物を複数混合して用いることができる。特に、高温作動型PEFC用電解質膜に分散させる金属化合物としては、結晶水によるプロトン伝導が起こりやすい酸化ジルコニウム水和物又は酸化スズ水和物が望ましい。   Examples of the metal compound having proton conductivity include zirconium oxide hydrate, tungsten oxide hydrate, tin oxide hydrate, niobium-doped tungsten oxide hydrate, silicon oxide hydrate, and phosphoric acid hydrate. Further, metal oxide hydrates such as zirconium oxide-doped silicon oxide hydrate, tungstophosphoric acid hydrate, and molybdophosphoric acid hydrate can be used. A mixture of these metal oxide hydrates can be used. In particular, as the metal compound to be dispersed in the electrolyte membrane for high-temperature operation type PEFC, zirconium oxide hydrate or tin oxide hydrate that is likely to cause proton conduction by crystal water is desirable.

これらの金属酸化物水和物粒子の作製方法は、水和水量の高い微粒子が得られる水系の作製方法を用い、共沈法、水熱法等の公知の作製方法が適用できるが、これらのうち特に、高い水和水量を得るために水熱法を用いることが好ましい。水熱法を用いるに当たっては、通常の水熱法では用いられない、70〜150℃という低い温度範囲で処理することが好ましい。150℃を超える高い温度で水熱処理を行うと、規則的結晶構造が形成されてしまい結晶水が減少することとなる。以上の条件で水熱法を用いて金属酸化物水和物粒子を作製することにより、平均一次粒子径が0.5nm以上5nm以下であり、且つ、水和水量が2.7以上である金属酸化物水和物粒子を得ることができる。   These metal oxide hydrate particles can be produced by using an aqueous production method in which fine particles with a high amount of hydrated water can be obtained, and well-known production methods such as coprecipitation methods and hydrothermal methods can be applied. Among them, it is particularly preferable to use a hydrothermal method in order to obtain a high amount of hydrated water. In using the hydrothermal method, it is preferable to perform the treatment in a low temperature range of 70 to 150 ° C., which is not used in the normal hydrothermal method. When hydrothermal treatment is carried out at a high temperature exceeding 150 ° C., a regular crystal structure is formed and water of crystallization is reduced. By producing metal oxide hydrate particles using the hydrothermal method under the above conditions, a metal having an average primary particle diameter of 0.5 nm or more and 5 nm or less and a hydrated water amount of 2.7 or more Oxide hydrate particles can be obtained.

特に、上記金属酸化物水和物粒子は、一般式ZrO2・nH2O(n≧2.7)で表される酸化ジルコニウム水和物粒子であることが好ましい。酸化ジルコニウム水和物粒子は、粒子自体のプロトン伝導率が高いからである。上記金属酸化物水和物粒子の1分子当たりの水和水量nは、2.7以上が好ましく、より好ましくは4以上である。これにより、金属化合物粒子自体のプロトン伝導性をより高めることができる。上記水和水量の上限は特に限定されないが、通常は10程度となる。 In particular, the metal oxide hydrate particles are preferably zirconium oxide hydrate particles represented by the general formula ZrO 2 · nH 2 O (n ≧ 2.7). This is because the zirconium oxide hydrate particles have high proton conductivity. The amount n of hydrated water per molecule of the metal oxide hydrate particles is preferably 2.7 or more, more preferably 4 or more. Thereby, the proton conductivity of the metal compound particles themselves can be further increased. The upper limit of the amount of hydration water is not particularly limited, but is usually about 10.

上記一般式中のnは、酸化ジルコニウム水和物粒子を水に分散させた後、濾過し、その後、空気中において60℃で6時間乾燥させた後に示差熱熱重量同時分析(TG/DTA)により測定した数値である。これは、酸化ジルコニウム水和物粒子の水和水量、特に吸着水量は乾燥条件により変化するものであり、酸化ジルコニウム水和物粒子の結晶水と吸着水との総和としての水和水量を相互に比較するための基準を明確にするためである。また、示差熱熱重量同時分析において、酸化ジルコニウム水和物における水和水量変化は、吸着水、結晶水を含めて連続的なものであり、全ての水和水が完全に抜けると、不連続な結晶構造変化が起こるために、約400〜500℃の範囲において発熱ピークが観測される。本発明における水和水量は、示差熱熱重量同時分析において、この発熱ピークが観測される点までの水分量変化から求めたものである。   N in the above general formula is obtained by dispersing zirconium oxide hydrate particles in water, followed by filtration, and then drying in air at 60 ° C. for 6 hours, followed by simultaneous differential thermothermal gravimetric analysis (TG / DTA). It is the numerical value measured by. This is because the amount of hydrated water of the zirconium oxide hydrate particles, especially the amount of adsorbed water, varies depending on the drying conditions, and the amount of hydrated water as the sum of the crystal water and adsorbed water of the zirconium oxide hydrate particles is mutually determined. This is to clarify the standard for comparison. In simultaneous differential thermothermal gravimetric analysis, the change in the amount of hydrated water in zirconium oxide hydrate is continuous, including adsorbed water and crystal water. Exothermic peaks are observed in the range of about 400 to 500 ° C. due to the remarkable change in crystal structure. The amount of hydrated water in the present invention is determined from the change in the amount of water up to the point where this exothermic peak is observed in the differential thermothermal gravimetric simultaneous analysis.

上記プロトン伝導性を有する有機高分子材料としては、パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリスチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、その他のエンジニアリングプラスチック材料に、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基等のプロトン供与体をドープあるいは化学的に結合、固定化したものを用いることができる。また上記材料において、架橋構造にすること、あるいは部分フッ素化することにより材料安定性を高めることも望ましい。   Examples of the organic polymer material having proton conductivity include perfluorocarbon sulfonic acid, polystyrene, polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, other engineering plastic materials, sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, A proton donor such as a carboxyl group doped or chemically bonded and immobilized can be used. It is also desirable to improve the material stability by forming a cross-linked structure or partial fluorination in the above material.

また、上記スルホン酸基を有する分散剤は、その数平均分子量が150以上1000以下のものが好ましい。分散剤の数平均分子量がこの範囲内であれば、金属化合物粒子の間に侵入しやすく、金属化合物粒子を分散させやすくなるからである。具体的には、例えば、ラウリルベンゼンスルホン酸塩、ベンゼンスルホン酸塩、トルエンスルホン酸塩、スチレンスルホン酸塩、オクチルベンゼンスルホン酸塩、スルホこはく酸ジイソオクチル塩等から少なくとも一種を選択して用いることができる。即ち、一般に高いプロトン伝導性を有し、且つ自立膜を形成し得る有機高分子材料は、長い鎖状構造を持ち、一分子当たり複数のスルホン酸基を持つ場合が多く、これらのスルホン酸基に吸着結合すると考えられる金属化合物が、その有機高分子材料の複雑な三次元構造のために吸着しにくい。それに対して、上記分散剤は、一分子当たりのスルホン酸基数が比較的少なく、分子量が小さいため、分散剤分子の三次元的なサイズが小さく、金属化合物の凝集体の中に入り込みやすい。また、各分散剤のスルホン酸基の数が少ないために、容易に分散剤の全てのスルホン酸基と金属化合物とが吸着結合することができる。従って、この分散剤が金属化合物の表面に吸着することにより、金属化合物をより微細に分散させることが可能となる。   The dispersant having a sulfonic acid group preferably has a number average molecular weight of 150 to 1,000. If the number average molecular weight of the dispersant is within this range, it is easy to penetrate between the metal compound particles, and the metal compound particles are easily dispersed. Specifically, for example, at least one selected from lauryl benzene sulfonate, benzene sulfonate, toluene sulfonate, styrene sulfonate, octyl benzene sulfonate, diisooctyl sulfosuccinate and the like may be used. it can. That is, in general, organic polymer materials having high proton conductivity and capable of forming a self-supporting membrane often have a long chain structure and a plurality of sulfonic acid groups per molecule. A metal compound that is considered to be adsorbed and bound to is difficult to adsorb due to the complex three-dimensional structure of the organic polymer material. On the other hand, the dispersant has a relatively small number of sulfonic acid groups per molecule and a small molecular weight. Therefore, the three-dimensional size of the dispersant molecule is small, and it easily enters the aggregate of the metal compound. Further, since the number of sulfonic acid groups of each dispersant is small, all the sulfonic acid groups of the dispersant and the metal compound can be easily adsorbed and bonded. Therefore, when this dispersing agent is adsorbed on the surface of the metal compound, the metal compound can be more finely dispersed.

さらに、従来のプロトン伝導性有機高分子材料及び金属化合物のみから構成される膜の場合には、有機高分子材料の持つスルホン酸基が複雑な形状を保持したまま金属化合物に吸着することとなるため、その状態を保持するために膜が硬くなるという欠点があるが、上記の分子量の小さな分散剤を使用することにより、有機高分子材料と金属化合物との橋渡しとして柔軟性をも高めることも可能となる。   Further, in the case of a membrane composed only of a conventional proton conductive organic polymer material and a metal compound, the sulfonic acid group of the organic polymer material is adsorbed to the metal compound while maintaining a complicated shape. Therefore, in order to maintain the state, there is a drawback that the film becomes hard, but by using a dispersant having a small molecular weight as described above, it is possible to increase flexibility as a bridge between the organic polymer material and the metal compound. It becomes possible.

本発明における分散剤の数平均分子量は、GPC(Gel Permeation Chromatography)法によって求めることができる。   The number average molecular weight of the dispersant in the present invention can be determined by a GPC (Gel Permeation Chromatography) method.

上記分散剤は、ベンゼン環を有する有機材料であることが好ましい。分散剤が、ベンゼン環を有することにより、分散剤と有機高分子材料との結合性が高まり、その結果、金属化合物粒子と有機高分子材料とを分散剤を介してより強固に結合できるからである。また、これにより有機高分子材料と金属化合物との橋渡しとしての機能をより発揮することができる。   The dispersant is preferably an organic material having a benzene ring. Since the dispersing agent has a benzene ring, the binding property between the dispersing agent and the organic polymer material is increased, and as a result, the metal compound particles and the organic polymer material can be more firmly bonded via the dispersing agent. is there. Moreover, the function as a bridge | bridging of an organic polymer material and a metal compound can be exhibited more by this.

本発明のプロトン伝導性複合電解質膜には、上記プロトン伝導性を有する高分子材料及びスルホン酸基を有する分散剤に加えて、架橋等のためにポリアリルアミン化合物、ジビニル化合物等の他の材料を添加してもよい。但し、上記他の材料としては、プロトン伝導性を阻害しないものを選択する必要があり、その添加量は、プロトン伝導性に悪影響を与えない範囲とする必要がある。   In addition to the polymer material having proton conductivity and the dispersant having a sulfonic acid group, other materials such as polyallylamine compounds and divinyl compounds are used for the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention for crosslinking. It may be added. However, it is necessary to select a material that does not inhibit proton conductivity as the other material, and it is necessary that the amount of addition be in a range that does not adversely affect proton conductivity.

次に、本発明のプロトン伝導性複合電解質膜の製造方法について説明する。本発明のプロトン伝導性複合電解質膜の製造方法では、先ず、上記金属化合物粒子、上記有機高分子材料、上記分散剤、必要に応じて他の有機材料及び有機溶媒を混合して、有機溶媒に有機高分子材料及び分散剤を溶解させると共に、金属化合物粒子を分散させて分散体を作製する。   Next, a method for producing the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention will be described. In the method for producing a proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention, first, the metal compound particles, the organic polymer material, the dispersant, and if necessary, other organic materials and an organic solvent are mixed to form an organic solvent. The organic polymer material and the dispersant are dissolved, and the metal compound particles are dispersed to prepare a dispersion.

上記有機溶媒は、上記有機高分子材料及び上記分散剤等を溶解し、その後に蒸散等により除去し得るものであれば特に制限はなく、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒;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等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル;ジクロロメタン、トリクロロエタン等のハロゲン系溶媒;i−プロピルアルコール、t−ブチルアルコール等のアルコール等を用いることができる。有機溶媒は用いる上記有機高分子材料等に合わせて適宜選択するが、その溶解度は10重量%以上であることが好ましい。この際の溶解度は作製する分散体の固形分量に影響を及ぼすが、この固形分量が少なすぎると、製膜する際に十分な厚みのものが得られにくいために好ましくない。十分な厚みのものを得るために重層塗布するなどの手段もあり、溶解度が10重量%未満の有機溶媒でも必ずしも利用できないわけではないが、均一な膜を得るためには高い塗布技術と複雑な工程が必要となるため、好ましくない。   The organic solvent is not particularly limited as long as it dissolves the organic polymer material, the dispersant and the like, and can be removed by transpiration thereafter. N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, Aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone and dimethyl sulfoxide; alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether; dichloromethane and trichloroethane Halogenous solvents such as i-propyl alcohol, t-butyl alcohol and the like can be used. The organic solvent is appropriately selected according to the organic polymer material and the like to be used, and the solubility is preferably 10% by weight or more. The solubility at this time affects the solid content of the dispersion to be produced. However, if the solid content is too small, it is not preferable because it is difficult to obtain a film having a sufficient thickness when forming a film. There are also means such as multi-layer coating to obtain a sufficient thickness, and even an organic solvent having a solubility of less than 10% by weight is not necessarily available, but in order to obtain a uniform film, a high coating technique and a complicated Since a process is required, it is not preferable.

上記金属化合物粒子の含有量は、上記分散体の固形分の全重量に対して、30重量%以上60重量%以下とする。金属化合物粒子の含有量が30重量%未満では、燃料透過性を低下させる点では有効であるが、プロトン伝導性を向上させる効果がほとんど得られない。即ち、金属化合物粒子の含有量が低い場合には必然的に金属化合物粒子間の距離が開き、膜としてのプロトン伝導率は急激に低下する。また、上記含有量が60重量%を超えると、このような高含有量において、自立膜化のための有機高分子材料同士の繋がりを得ようとすれば、必然的に被吸着物である金属化合物粒子の比表面積を減少させなければならない。このことは即ち、金属化合物粒子がより大きな粒子径を持つか、あるいは、凝集により粗大な二次粒子径を持つこととなり、最終的に得られる電解質膜において燃料透過性を低下させることができない。よって、金属化合物の含有量は30重量%以上60重量%以下であることが必要であり、特にプロトン伝導性と低燃料透過性の両者の特性を向上させるという意味では、40重量%以上55重量%以下がより好ましい。   Content of the said metal compound particle shall be 30 to 60 weight% with respect to the total weight of the solid content of the said dispersion. When the content of the metal compound particles is less than 30% by weight, it is effective in reducing the fuel permeability, but the effect of improving the proton conductivity is hardly obtained. That is, when the content of the metal compound particles is low, the distance between the metal compound particles is inevitably increased, and the proton conductivity as a membrane rapidly decreases. In addition, when the content exceeds 60% by weight, a metal that is necessarily an adsorbed material is obtained if an attempt is made to obtain a connection between organic polymer materials for forming a self-supporting film at such a high content. The specific surface area of the compound particles must be reduced. This means that the metal compound particles have a larger particle size or a coarse secondary particle size due to aggregation, and the fuel permeability cannot be lowered in the finally obtained electrolyte membrane. Therefore, the content of the metal compound needs to be 30% by weight or more and 60% by weight or less, and particularly 40% by weight or more and 55% by weight in the sense of improving both the properties of proton conductivity and low fuel permeability. % Or less is more preferable.

上記分散体の作製方法は特に限定されない。例えば、金属化合物粒子を、有機高分子材料及び分散剤を溶解させた溶液中に混合し、分散機を用いて分散することにより作製できる。分散法としては、スターラ法、ボールミル法、ジェットミル法、ナノミル法、超音波法等を用いることができる。   The method for producing the dispersion is not particularly limited. For example, the metal compound particles can be prepared by mixing in a solution in which an organic polymer material and a dispersant are dissolved and dispersing using a disperser. As the dispersion method, a stirrer method, a ball mill method, a jet mill method, a nanomill method, an ultrasonic method, or the like can be used.

次に、上記分散体を基板に塗布し、有機溶媒を蒸発させることで、無機有機複合電解質膜を得ることができる。その後、水に浸漬することで、基板から複合電解質膜を剥がし取ることにより、本発明のプロトン伝導性複合電解質膜が得られる。上記分散体の基板への塗布方法は特に限定されるものではなく、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等を用いることができる。上記基板は、上記分散体を塗布した後に膜を剥がすことができれば特に制限はなく、ガラス板、フッ素樹脂シート、ポリイミドシート等を用いることができる。   Next, an inorganic-organic composite electrolyte membrane can be obtained by applying the dispersion to a substrate and evaporating the organic solvent. Then, the proton-conducting composite electrolyte membrane of the present invention is obtained by immersing in water to peel off the composite electrolyte membrane from the substrate. A method for applying the dispersion to the substrate is not particularly limited, and a dip coating method, a spray coating method, a roll coating method, a doctor blade method, a gravure coating method, a screen printing method, and the like can be used. The substrate is not particularly limited as long as the film can be peeled off after the dispersion is applied, and a glass plate, a fluororesin sheet, a polyimide sheet, or the like can be used.

本発明のプロトン伝導性複合電解質膜の厚みは特に制限はないが、10μm以上200μm以下が好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減、即ち発電性能向上のためには200μmより薄い方が好ましい。特に、20μm以上100μm以下が好ましい。溶液キャスト法により製膜した場合、膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。また、溶融材料を用いて製膜する場合、膜厚は溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等で得た所定厚さのフィルムを、所定の倍率に延伸することで膜厚を制御できる。   The thickness of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more and 200 μm or less. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 200 μm is preferable to reduce membrane resistance, that is, to improve power generation performance. In particular, 20 μm or more and 100 μm or less is preferable. When the film is formed by the solution casting method, the film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. Moreover, when forming into a film using a molten material, a film thickness can be controlled by extending | stretching the film of the predetermined thickness obtained by the melt press method or the melt extrusion method to a predetermined magnification.

以上のようにして、平均一次粒子径が0.5nm以上5nm以上であり、高いプロトン伝導性を有する超微粒子金属化合物粒子を分散させた複合電解質膜を得ることができる。   As described above, a composite electrolyte membrane having an average primary particle diameter of 0.5 nm or more and 5 nm or more and in which ultrafine metal compound particles having high proton conductivity are dispersed can be obtained.

このようにして得られた本発明のプロトン伝導性複合電解質膜の分散状態の評価方法としては、例えば以下のような指標が用いられる。   As a method for evaluating the dispersion state of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention thus obtained, for example, the following indicators are used.

(1)透過型電子顕微鏡(TEM)観察
得られた電解質膜について、その断面のTEM写真を撮影し、目視から凝集粒子径(二次粒子径)及び無機粒子充填率を求めることができる。より凝集粒子径が小さく、無機粒子の充填率が高く、有機材料のみの空間(TEM写真ではバックグラウンドとなるカーボンと同様、白く写る部分)が少ない方が、より微細分散できていると判定することができる。
(1) Transmission electron microscope (TEM) observation About the obtained electrolyte membrane, the cross-sectional TEM photograph can be image | photographed and an aggregated particle diameter (secondary particle diameter) and an inorganic particle filling rate can be calculated | required visually. The smaller the aggregate particle size, the higher the filling rate of the inorganic particles, and the smaller the space of only the organic material (in the TEM photograph, the portion that appears white like the background carbon) is determined to be more finely dispersed. be able to.

(2)光学測定
黒色以外の無機粒子の一次粒子径が十分に小さく、約200nm以下である場合には、一般的に微細分散していれば可視光を透過する。本発明においては、金属化合物粒子の平均一次粒子径は数nmサイズの粒子を用いるため、分散されていれば必ず、ある割合で可視光を透過する膜となる。この際、膜内部の凝集粒子径が小さくなり、全体として見た際に凝集粒子径のばらつきが少なくなれば、可視光透過を阻害するような粗大粒子が少なくなるために可視光透過率が高くなり、ばらつきによる不均一が少なくなればヘイズ値(表面散乱光)が小さくなる。従って、同じ無機粒子含有率、同じ膜厚であれば、可視光透過率が高く、ヘイズ値が小さい方がより微細分散できていると判定することができる。ここで、ヘイズ値は、日本工業規格(JIS)K7105に規定する曇価である。このような光学特性による判定では、TEM写真による判定では難しい、全体としての「均一性」の評価をすることが可能であり、含有率・膜厚が一定である場合の分散状態の比較評価としては、写真観察と共に有用な方法である。
(2) Optical measurement When the primary particle diameter of inorganic particles other than black is sufficiently small and about 200 nm or less, generally visible light is transmitted if finely dispersed. In the present invention, since the average primary particle diameter of the metal compound particles is a particle having a size of several nanometers, a film that transmits visible light at a certain ratio is always obtained if it is dispersed. At this time, the aggregated particle diameter inside the film is reduced, and if the variation in the aggregated particle diameter is reduced when viewed as a whole, the number of coarse particles that obstruct visible light transmission is reduced, so the visible light transmittance is high. Thus, the haze value (surface scattered light) decreases as the non-uniformity due to variations decreases. Therefore, it can be determined that the same inorganic particle content and the same film thickness are more finely dispersed when the visible light transmittance is higher and the haze value is smaller. Here, the haze value is a haze value defined in Japanese Industrial Standard (JIS) K7105. In such a determination based on optical characteristics, it is possible to evaluate the “uniformity” as a whole, which is difficult to determine with a TEM photograph. Is a useful method together with photographic observation.

(3)小角散乱測定
得られた電解質膜の透過型小角散乱スペクトルを測定し、その結果から膜中の粒子の平均粒子径及びその分布を求めることができる。各材料の真密度が明らかな場合には、膜厚や含有率等に依存することも無く、一義的に測定することが可能である。但し、小角散乱測定を用いて精密に測定できる平均粒子サイズは、高々100nm程度までであり、また、その分布状態がある程度シャープなものでなければ、正確に粒子径を求めることができない。そのため、より粗大な凝集体を含む場合には、本測定方法を用いることができない。
(3) Small-angle scattering measurement The transmission-type small-angle scattering spectrum of the obtained electrolyte membrane is measured, and the average particle size and distribution of the particles in the membrane can be obtained from the result. When the true density of each material is clear, it can be uniquely measured without depending on the film thickness, the content rate, or the like. However, the average particle size that can be precisely measured using small angle scattering measurement is up to about 100 nm, and the particle size cannot be determined accurately unless the distribution state is somewhat sharp. Therefore, when a coarser aggregate is included, this measurement method cannot be used.

本発明においては、凝集粒子径が微細であることから、分析方法としては以上のいずれの方法を用いてもよいが、凝集粒子径、無機粒子含有率、膜厚等に左右されずに一義的に膜中の粒子の分散状態を判定することのできる、小角散乱測定を用いる。   In the present invention, since the aggregated particle diameter is fine, any of the above methods may be used as an analysis method, but it is unambiguous regardless of the aggregated particle diameter, inorganic particle content, film thickness, etc. In addition, small-angle scattering measurement that can determine the dispersion state of particles in the film is used.

(実施形態2)
次に、本発明の膜電極接合体とそれを用いた燃料電池を説明する。本発明の膜電極接合体は、酸素を還元する触媒層を含む酸素極と、燃料を酸化する触媒層を含む燃料極と、上記酸素極と上記燃料極との間に配置された実施形態1で説明した本発明のプロトン伝導性複合電解質膜とを備える。また、本発明の燃料電池は、上記本発明の膜電極接合体を備えている。本発明のプロトン伝導性複合電解質膜を用いることにより、より高出力の膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供できる。
(Embodiment 2)
Next, the membrane electrode assembly of the present invention and a fuel cell using the same will be described. Embodiment 1 The membrane electrode assembly of the present invention is disposed between an oxygen electrode including a catalyst layer for reducing oxygen, a fuel electrode including a catalyst layer for oxidizing fuel, and the oxygen electrode and the fuel electrode. And the proton-conducting composite electrolyte membrane of the present invention described above. The fuel cell of the present invention includes the membrane electrode assembly of the present invention. By using the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention, a higher output membrane electrode assembly and a fuel cell using the same can be provided.

以下、本発明の膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池の一例を図面に基づき説明する。   Hereinafter, an example of a membrane electrode assembly of the present invention and a fuel cell using the same will be described with reference to the drawings.

図4は、本発明の膜電極接合体とそれを用いた燃料電池の一例を示す模式断面図である。図4において、燃料電池40は、膜電極接合体41を備え、膜電極接合体41は、酸素極1、燃料極2及びプロトン伝導性複合電解質膜3から構成されている。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the membrane electrode assembly of the present invention and a fuel cell using the same. In FIG. 4, the fuel cell 40 includes a membrane electrode assembly 41, and the membrane electrode assembly 41 includes an oxygen electrode 1, a fuel electrode 2, and a proton conductive composite electrolyte membrane 3.

酸素極1及び燃料極2は、それぞれ、触媒層1b、2bとガス拡散層1a、2aとを備えているが、酸素極1及び燃料極2は、それぞれ触媒層1b、2bのみで構成されていてもよい。また、酸素極1のガス拡散層1a及び燃料極2のガス拡散層2aは、多孔性の電子伝導性材料等で構成することができ、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シート等を用いることができる。プロトン伝導性複合電解質膜3は、実施形態1で説明した本発明のプロトン伝導性複合電解質膜である。   The oxygen electrode 1 and the fuel electrode 2 include catalyst layers 1b and 2b and gas diffusion layers 1a and 2a, respectively. However, the oxygen electrode 1 and the fuel electrode 2 are configured only by the catalyst layers 1b and 2b, respectively. May be. Further, the gas diffusion layer 1a of the oxygen electrode 1 and the gas diffusion layer 2a of the fuel electrode 2 can be made of a porous electron conductive material or the like, for example, a porous carbon sheet subjected to water repellent treatment or the like. Can be used. The proton conductive composite electrolyte membrane 3 is the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention described in the first embodiment.

また、燃料電池40は、酸素極1のガス拡散層1a及び燃料極2のガス拡散層2aの外側に、それぞれ集電板5、6を備えている。酸素極1側の集電板5には、酸素(空気)を取り込むための孔9が設けられており、さらにリード体5aが接続されている。また、燃料極2側の集電板6には、燃料経路8から燃料(水素等)を取り込むための孔7が設けられており、さらにリード体6aが接続されている。膜電極接合体41は集電板5、6により挟まれ、シール材4で封止されることにより燃料電池40が構成される。   The fuel cell 40 includes current collecting plates 5 and 6 outside the gas diffusion layer 1a of the oxygen electrode 1 and the gas diffusion layer 2a of the fuel electrode 2, respectively. The current collector plate 5 on the oxygen electrode 1 side is provided with a hole 9 for taking in oxygen (air), and is further connected to a lead body 5a. Further, the current collector plate 6 on the fuel electrode 2 side is provided with a hole 7 for taking in fuel (hydrogen or the like) from the fuel path 8, and further connected to a lead body 6a. The membrane electrode assembly 41 is sandwiched between the current collector plates 5 and 6 and sealed with the sealing material 4 to constitute the fuel cell 40.

集電板4、5としては、例えば、白金、金等の貴金属や、ステンレス鋼等の耐食性金属、又は炭素材料等で構成することができる。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されていてもよい。   The current collecting plates 4 and 5 can be made of, for example, a noble metal such as platinum or gold, a corrosion-resistant metal such as stainless steel, or a carbon material. Further, the surface may be plated or painted to improve the corrosion resistance.

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
<金属化合物粒子の作製>
本実施例で用いる金属化合物として、酸化ジルコニウム水和物粒子を下記のようにして作製した。
Example 1
<Preparation of metal compound particles>
As a metal compound used in this example, zirconium oxide hydrate particles were prepared as follows.

先ず、28%アンモニア水溶液15.12gを300mLの水に溶解してアンモニア水溶液を調製した。また、このアンモニア水溶液とは別に、塩化酸化ジルコニウム8gを100mLの水に溶解してジルコニウム塩水溶液を調製した。   First, 15.12 g of 28% aqueous ammonia solution was dissolved in 300 mL of water to prepare an aqueous ammonia solution. Separately from this aqueous ammonia solution, 8 g of zirconium chloride oxide was dissolved in 100 mL of water to prepare a zirconium salt aqueous solution.

次に、上記アンモニア水溶液に上記ジルコニウム塩水溶液を滴下しつつ攪拌し、酸化ジルコニウム水和物粒子を含む沈殿物を生成させた。上記ジルコニウム塩水溶液は全て滴下して用いた。この沈殿物を含む懸濁液のpHは11.8であった。この沈殿物を懸濁液の状態で25℃で15時間、熟成させた。15時間経過後の懸濁液のpHは、11.3であった。   Next, the aqueous zirconium solution was stirred while dropping the aqueous zirconium salt solution to produce a precipitate containing zirconium oxide hydrate particles. All the aqueous zirconium salt solutions were used dropwise. The pH of the suspension containing this precipitate was 11.8. This precipitate was aged at 25 ° C. for 15 hours in the form of a suspension. The pH of the suspension after 15 hours was 11.3.

続いて、この沈殿物を含む懸濁液をオートクレーブに仕込み、100℃で7時間、水熱処理を施した。   Subsequently, the suspension containing the precipitate was charged into an autoclave and subjected to hydrothermal treatment at 100 ° C. for 7 hours.

最後に、水熱処理後の沈殿物から未反応物や不純物を除去するために、超音波洗浄器を使って水洗した後、濾過を行い、前述の水和水量の測定基準に沿って60℃で6時間、空気中で乾燥を行った。その後、乳鉢で軽く解砕し、酸化ジルコニウム水和物粒子を得た。   Finally, in order to remove unreacted substances and impurities from the hydrothermally treated precipitate, it is washed with water using an ultrasonic cleaner, filtered, and at 60 ° C. in accordance with the above-mentioned hydration water content measurement standard. Drying was performed in air for 6 hours. Thereafter, the mixture was lightly crushed with a mortar to obtain zirconium oxide hydrate particles.

得られた酸化ジルコニウム水和物粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察し、そのTEM写真を用いて、300個の酸化ジルコニウム水和物粒子の直径又は長軸長さの算術平均を求め、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均一次粒子径を求めたところ、2nmであった。   The obtained zirconium oxide hydrate particles were observed using a transmission electron microscope (TEM), and the arithmetic average of the diameter or major axis length of 300 zirconium oxide hydrate particles was measured using the TEM photograph. The average primary particle diameter of the obtained zirconium oxide hydrate particles was 2 nm.

続いて、乾燥終了後1時間経過した上記酸化ジルコニウム水和物粒子について、リガク社製の示差熱天秤(装置型番:TG−DTA−2000S)を用いて示差熱熱重量同時分析(TG/DTA)を行い、一般式ZrO2・nH2Oで表される酸化ジルコニウム水和物粒子の水和水量nを求めたところ、5.5であった。 Subsequently, for the zirconium oxide hydrate particles that have passed for 1 hour after the completion of drying, simultaneous differential thermothermogravimetric analysis (TG / DTA) using a differential thermobalance (equipment model number: TG-DTA-2000S) manufactured by Rigaku Corporation. And the amount of hydrated water n of the zirconium oxide hydrate particles represented by the general formula ZrO 2 · nH 2 O was determined to be 5.5.

<プロトン伝導性複合電解質膜の作製>
金属化合物粒子として上記酸化ジルコニウム水和物粒子(ZrO2・5.5H2O)を用い、プロトン伝導性を有する有機高分子材料として、ポリエーテルスルホンにスルホン酸基を導入したSM−PES(Sulfonated Methyl−Poly Ether Sulfone)を用いた。SM−PESの乾燥重量当たりのイオン交換容量は、1.25meq/gとした。また、スルホン酸基を有する分散剤としてラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(一分子当たりのスルホン酸基の数=1)を用いた。
<Preparation of proton conductive composite electrolyte membrane>
Using the zirconium oxide hydrate particles (ZrO 2 .5.5H 2 O) as metal compound particles, and an organic polymer material having proton conductivity, SM-PES (sulfonated) in which sulfonic acid groups are introduced into polyethersulfone. Methyl-Poly Ether Sulfone) was used. The ion exchange capacity per dry weight of SM-PES was 1.25 meq / g. Further, sodium laurylbenzene sulfonate (number of sulfonic acid groups per molecule = 1) was used as a dispersant having a sulfonic acid group.

先ず、SM−PES及びラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムを有機溶媒であるジメチルスルホキシドに溶解させ、SM−PES濃度25重量%及びラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム濃度10重量%の溶液を準備した。次に、この溶液に下記重量割合で、ジメチルスルホキシドと酸化ジルコニウム水和物粒子とを加えて、ボールミル法を用いて30時間混合し、酸化ジルコニウムを分散させた分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 400重量部
(3)ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(濃度:10重量%) 10重量部
(4)ジメチルスルホキシド 300重量部
First, SM-PES and sodium laurylbenzenesulfonate were dissolved in dimethyl sulfoxide as an organic solvent to prepare a solution having an SM-PES concentration of 25% by weight and a sodium laurylbenzenesulfonate concentration of 10% by weight. Next, dimethyl sulfoxide and zirconium oxide hydrate particles were added to this solution at the following weight ratio, and mixed for 30 hours using a ball mill method to prepare a dispersion in which zirconium oxide was dispersed.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 400 parts by weight (3) Sodium laurylbenzenesulfonate (concentration: 10% by weight) 10 parts by weight (4) 300 parts by weight of dimethyl sulfoxide

次に、この分散体を、アプリケータによりガラス板上に塗布し、真空乾燥機により60℃で3時間乾燥することで、ジメチルスルホキシドを蒸発させて製膜した。その後、得られた膜を水に浸漬することで、ガラス板上から剥がし取った。続いて、その膜を1Mの硫酸水溶液に浸漬することでプロトン化し、酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させたプロトン伝導性複合電解質膜とした。得られた複合電解質膜は全体的に均一な白色透明膜であり、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量は50重量%であり、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比は、1:100であり、厚さは25μmであった。   Next, this dispersion was applied onto a glass plate with an applicator and dried at 60 ° C. for 3 hours with a vacuum dryer to evaporate dimethyl sulfoxide to form a film. Then, it peeled off from the glass plate by immersing the obtained film | membrane in water. Subsequently, the membrane was protonated by immersing it in a 1 M aqueous sulfuric acid solution to obtain a proton conductive composite electrolyte membrane in which zirconium oxide hydrate particles were dispersed. The obtained composite electrolyte membrane was a uniform white transparent membrane as a whole, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 50% by weight, sodium laurylbenzenesulfonate, zirconium oxide hydrate particles, The weight ratio was 1: 100, and the thickness was 25 μm.

このようにして得られた電解質膜について、小角散乱測定から粒子径分布を求めた。その結果、酸化ジルコニウムの一次粒子による3nm程度の粒子分布と、酸化ジルコニウムの一次粒子の凝集体からなる二次粒子による40nm程度の粒子分布との2種が観測された。この結果から酸化ジルコニウム水和物粒子の平均一次粒子径と平均二次粒子径を求め、これら全体の平均粒子径を平均分散粒子径とした。また、電解質膜の断面のTEM観察を行い、これらの分布測定結果が妥当であることを目視により確認した上で、最大二次粒子径を測定した。本実施例の電解質膜の小角散乱測定スペクトルを図5に示し、その電解質膜の断面のTEM写真を図6に示す。以上の酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を、分散剤の種類、対金属化合物重量比、及び酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。   With respect to the electrolyte membrane thus obtained, the particle size distribution was determined from small angle scattering measurement. As a result, two kinds of particle distributions of about 3 nm due to the primary particles of zirconium oxide and particle distributions of about 40 nm due to secondary particles composed of aggregates of the primary particles of zirconium oxide were observed. From these results, the average primary particle size and average secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles were determined, and the average particle size of these particles was taken as the average dispersed particle size. Further, the cross section of the electrolyte membrane was observed with a TEM, and the maximum secondary particle size was measured after visually confirming that these distribution measurement results were appropriate. A small angle scattering measurement spectrum of the electrolyte membrane of this example is shown in FIG. 5, and a TEM photograph of a cross section of the electrolyte membrane is shown in FIG. The average dispersed particle size, average secondary particle size, maximum secondary particle size of the above zirconium oxide hydrate particles, type of dispersant, weight ratio of metal compound, and zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles) Table 1 together with the weight percent of

(実施例2)
以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 933重量部
(3)ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(濃度:10重量%) 10重量部
(4)ジメチルスルホキシド 300重量部
(Example 2)
A dispersion was produced in the same manner as in Example 1 except that the zirconium oxide hydrate particles were dispersed in the following weight ratio.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 933 parts by weight (3) Sodium laurylbenzenesulfonate (concentration: 10% by weight) 10 parts by weight (4) 300 parts by weight of dimethyl sulfoxide

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が30重量%、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比が1:100、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を作製した。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 30% by weight, and the weight ratio of sodium laurylbenzenesulfonate to zirconium oxide hydrate particles was the same as in Example 1. A white transparent proton-conducting composite electrolyte membrane having an overall uniformity of 1: 100 and a thickness of 25 μm was produced.

このようにして得られたプロトン伝導性複合電解質膜について実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を測定し、その結果を、分散剤の種類、対金属化合物重量比、及び酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。   The proton conductive composite electrolyte membrane thus obtained was measured for the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the type of dispersant, the weight ratio of the metal compound, and the weight percent of the zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles).

(実施例3)
以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 290重量部
(3)ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(濃度:10重量%) 10重量部
(4)ジメチルスルホキシド 300重量部
(Example 3)
A dispersion was produced in the same manner as in Example 1 except that the zirconium oxide hydrate particles were dispersed in the following weight ratio.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 290 parts by weight (3) Sodium laurylbenzenesulfonate (concentration: 10% by weight) 10 parts by weight (4) 300 parts by weight of dimethyl sulfoxide

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が58重量%、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比が1:100、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を作製した。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 58% by weight in the same manner as in Example 1, and the weight ratio of sodium laurylbenzenesulfonate to zirconium oxide hydrate particles was A white transparent proton-conducting composite electrolyte membrane having an overall uniformity of 1: 100 and a thickness of 25 μm was produced.

このようにして得られたプロトン伝導性複合電解質膜について実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を測定し、その結果を、分散剤の種類、対金属化合物重量比、及び酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。   The proton conductive composite electrolyte membrane thus obtained was measured for the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the type of dispersant, the weight ratio of the metal compound, and the weight percent of the zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles).

(実施例4)
ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムに代えて、スルホこはく酸ジイソオクチル(“エーロゾルOT”、一分子当たりのスルホン酸基の数=1)を用い、以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 400重量部
(3)スルホこはく酸ジイソオクチル(濃度:10重量%) 10重量部
(4)ジメチルスルホキシド 300重量部
Example 4
Instead of sodium laurylbenzenesulfonate, diisooctyl sulfosuccinate (“Aerosol OT”, number of sulfonic acid groups per molecule = 1) was used, and zirconium oxide hydrate particles were dispersed at the following weight ratios: Produced a dispersion in the same manner as in Example 1.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 400 parts by weight (3) diisooctyl sulfosuccinate (concentration: 10% by weight) 10 parts by weight (4) dimethyl 300 parts by weight of sulfoxide

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が50重量%、スルホこはく酸ジイソオクチルと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比が1:100、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を作製した。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 50% by weight in the same manner as in Example 1, and the weight ratio of diisooctyl sulfosuccinate to zirconium oxide hydrate particles was 1. : 100, a thickness of 25 μm, and an overall uniform white transparent proton conductive composite electrolyte membrane was produced.

このようにして得られたプロトン伝導性複合電解質膜について実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を測定し、その結果を、分散剤の種類、対金属化合物重量比、及び酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。   The proton conductive composite electrolyte membrane thus obtained was measured for the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the type of dispersant, the weight ratio of the metal compound, and the weight percent of the zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles).

(実施例5)
以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 400重量部
(3)ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(濃度:10重量%) 40重量部
(4)ジメチルスルホキシド 300重量部
(Example 5)
A dispersion was produced in the same manner as in Example 1 except that the zirconium oxide hydrate particles were dispersed in the following weight ratio.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 400 parts by weight (3) Sodium laurylbenzenesulfonate (concentration: 10% by weight) 40 parts by weight (4) 300 parts by weight of dimethyl sulfoxide

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が50重量%、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比が4:100、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を作製した。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 50% by weight in the same manner as in Example 1, and the weight ratio of sodium laurylbenzenesulfonate to zirconium oxide hydrate particles was 4: 100, a thickness of 25 μm, and an entirely uniform white transparent proton conductive composite electrolyte membrane was produced.

このようにして得られたプロトン伝導性複合電解質膜について実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を測定し、その結果を、分散剤の種類、対金属化合物重量比、及び酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。   The proton conductive composite electrolyte membrane thus obtained was measured for the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the type of dispersant, the weight ratio of the metal compound, and the weight percent of the zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles).

(比較例1)
ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムを用いず、以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 400重量部
(3)ジメチルスルホキシド 300重量部
(Comparative Example 1)
A dispersion was prepared in the same manner as in Example 1 except that sodium laurylbenzenesulfonate was not used and the zirconium oxide hydrate particles were dispersed at the following weight ratio.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 400 parts by weight (3) dimethyl sulfoxide 300 parts by weight

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が50重量%、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を作製した。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 50% by weight and the thickness was 25 μm in the same manner as in Example 1. A conductive composite electrolyte membrane was prepared.

このようにして得られたプロトン伝導性複合電解質膜について実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を測定し、その結果を、酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。   The proton conductive composite electrolyte membrane thus obtained was measured for the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the weight percent of zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles).

(比較例2)
以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 1000重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 4000重量部
(3)ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(濃度:10重量%) 3重量部
(4)ジメチルスルホキシド 3000重量部
(Comparative Example 2)
A dispersion was produced in the same manner as in Example 1 except that the zirconium oxide hydrate particles were dispersed in the following weight ratio.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 1000 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 4000 parts by weight (3) Sodium laurylbenzenesulfonate (concentration: 10% by weight) 3 parts by weight (4) 3000 parts by weight of dimethyl sulfoxide

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が50重量%、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比が0.03:100、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を作製した。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 50% by weight in the same manner as in Example 1, and the weight ratio of sodium laurylbenzenesulfonate to zirconium oxide hydrate particles was A uniform white transparent proton conductive composite electrolyte membrane having a thickness of 0.03: 100 and a thickness of 25 μm was produced.

このようにして得られたプロトン伝導性複合電解質膜について実施例1と同様にして、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径を測定し、その結果を、分散剤の種類、対金属化合物重量比、及び酸化ジルコニウム水和物粒子(金属化合物粒子)の重量%と合わせて表1に示す。また、本比較例の電解質膜の断面のTEM写真を図7に示す。   The proton conductive composite electrolyte membrane thus obtained was measured for the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the type of dispersant, the weight ratio of the metal compound, and the weight percent of the zirconium oxide hydrate particles (metal compound particles). Moreover, the TEM photograph of the cross section of the electrolyte membrane of this comparative example is shown in FIG.

(比較例3)
以下の重量割合で酸化ジルコニウム水和物粒子を分散させた以外は、実施例1と同様にして分散体を作製した。
(1)酸化ジルコニウム水和物粒子 100重量部
(2)SM−PES溶液(濃度:25重量%) 171重量部
(3)ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム(濃度:10重量%) 10重量部
(4)ジメチルスルホキシド 300重量部
(Comparative Example 3)
A dispersion was produced in the same manner as in Example 1 except that the zirconium oxide hydrate particles were dispersed in the following weight ratio.
(1) Zirconium oxide hydrate particles 100 parts by weight (2) SM-PES solution (concentration: 25% by weight) 171 parts by weight (3) Sodium laurylbenzenesulfonate (concentration: 10% by weight) 10 parts by weight (4) 300 parts by weight of dimethyl sulfoxide

その後、この分散体を用いて実施例1と同様にして、乾燥時における酸化ジルコニウム水和物粒子の含有量が70重量%、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウムと酸化ジルコニウム水和物粒子との重量比が1:100、厚さが25μmであり、全体的に均一な白色透明のプロトン伝導性複合電解質膜を得たが、機械的強度が非常に弱く、溶媒乾燥時に亀裂が多く発生し、自立膜としての形状保持が困難であった。このため、得られたプロトン伝導性複合電解質膜について、酸化ジルコニウム水和物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径、最大二次粒子径の測定を行わなかった。   Thereafter, using this dispersion, the content of zirconium oxide hydrate particles during drying was 70% by weight, and the weight ratio of sodium laurylbenzenesulfonate to zirconium oxide hydrate particles was the same as in Example 1. 1: 100, 25 μm in thickness, and a uniform white transparent proton-conducting composite electrolyte membrane was obtained, but the mechanical strength was very weak and many cracks were generated when the solvent was dried. It was difficult to maintain the shape. For this reason, measurement of the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the zirconium oxide hydrate particles was not performed on the obtained proton conductive composite electrolyte membrane.

Figure 2010138325
Figure 2010138325

表1に示したように、実施例1〜5の電解質膜では、金属化合物粒子の平均分散粒子径、平均二次粒子径及び最大二次粒子径のいずれもが比較例1及び2と比べて小さいことが分かる。効率の良いプロトン伝導を念頭に置いた場合、たとえ平均分散粒子径が微細であっても、中に粗大な二次粒子が存在すれば、プロトン伝導を阻害する要因となるため、平均分散粒子径のみならず、平均二次粒子径、最大二次粒子径のいずれもが微細であることが好ましく、実施例1〜5の結果はこれに見合ったものとなっている。これは、金属化合物粒子をプロトン伝導性有機高分子材料中に分散させる際には、金属化合物粒子は上記有機高分子材料の親水性基に吸着して分散されると考えられるが、上記有機高分子材料と比較して分子量が低く、分子中のスルホン酸基の数が少ない分散剤を用いることで、分散中のスルホン酸基と金属化合物粒子との衝突確率が上昇し、より効率的に分散を行うことができたと考えられる。   As shown in Table 1, in the electrolyte membranes of Examples 1 to 5, all of the average dispersed particle size, average secondary particle size, and maximum secondary particle size of the metal compound particles were compared to Comparative Examples 1 and 2. I understand that it is small. With efficient proton conduction in mind, even if the average dispersed particle size is fine, if there are coarse secondary particles in it, it will be a factor that inhibits proton conduction. In addition, it is preferable that both the average secondary particle size and the maximum secondary particle size are fine, and the results of Examples 1 to 5 are commensurate with this. This is because when the metal compound particles are dispersed in the proton conductive organic polymer material, the metal compound particles are considered to be adsorbed and dispersed on the hydrophilic group of the organic polymer material. By using a dispersant that has a lower molecular weight than the molecular material and a smaller number of sulfonic acid groups in the molecule, the collision probability between the sulfonic acid groups in the dispersion and the metal compound particles is increased, resulting in more efficient dispersion. It is thought that was able to be done.

一方、比較例1では分散剤を添加しなかったため、金属化合物粒子の分散性が低下し、金属化合物粒子の粒子径が大きくなったものと思われる。また、比較例2では、分散剤を添加したものの、その量が少なかったため、分散剤の効果が発現しなかったものと思われる。さらに、比較例3では、金属化合物粒子の含有量が多すぎたため、相対的に有機高分子材料の量が不足し、自立膜を形成することができなかったと考えられる。   On the other hand, in Comparative Example 1, since no dispersant was added, it is considered that the dispersibility of the metal compound particles was lowered and the particle diameter of the metal compound particles was increased. Moreover, in Comparative Example 2, although the dispersant was added, the amount of the dispersant was small, so it seems that the effect of the dispersant was not expressed. Furthermore, in Comparative Example 3, since the content of the metal compound particles was too large, it is considered that the amount of the organic polymer material was relatively insufficient and a self-supporting film could not be formed.

以上のように本発明のプロトン伝導性複合電解質膜は、優れたプロトン伝導性と低燃料透過性とを有するので、これを用いることにより、より高出力の膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供できる。   As described above, since the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention has excellent proton conductivity and low fuel permeability, by using this, a higher output membrane electrode assembly and a fuel using the same Battery can be provided.

本発明の金属化合物粒子の理想的な分散状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ideal dispersion state of the metal compound particle | grains of this invention. 金属化合物粒子の凝集体が粗大化した場合の分散状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a dispersion state when the aggregate of metal compound particles is coarsened. 従来のプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物粒子と有機高分子材料とで構成される複合電解質膜の模式断面図である。It is a schematic cross section of a composite electrolyte membrane composed of conventional metal oxide hydrate particles having proton conductivity and an organic polymer material. 本発明の膜電極接合体とそれを用いた燃料電池の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the membrane electrode assembly of this invention, and a fuel cell using the same. 実施例1の電解質膜の小角散乱測定スペクトルを示す図である。3 is a diagram showing a small angle scattering measurement spectrum of the electrolyte membrane of Example 1. FIG. 実施例1の電解質膜の断面のTEM写真を示す図である。3 is a diagram showing a TEM photograph of a cross section of the electrolyte membrane of Example 1. FIG. 比較例2の電解質膜の断面のTEM写真を示す図である。6 is a diagram showing a TEM photograph of a cross section of an electrolyte membrane of Comparative Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 酸素極
2 燃料極
3 プロトン伝導性複合電解質膜
11、21、31 有機高分子材料
12、22 金属化合物凝集体
32 金属酸化物水和物粒子
40 燃料電池
41 膜電極接合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen electrode 2 Fuel electrode 3 Proton conductive composite electrolyte membrane 11, 21, 31 Organic polymer material 12, 22 Metal compound aggregate 32 Metal oxide hydrate particle 40 Fuel cell 41 Membrane electrode assembly

Claims (6)

プロトン伝導性を有する金属化合物粒子と、プロトン伝導性を有する有機高分子材料と、スルホン酸基を有する分散剤とを含むプロトン伝導性複合電解質膜であって、
前記金属化合物粒子の平均一次粒子径が、0.5nm以上5nm以下であり、
前記金属化合物粒子の平均二次粒子径が、50nm以下であり、
前記金属化合物粒子の平均分散粒子径が、30nm以下であり、
前記金属化合物粒子の含有量が、前記電解質膜の全重量に対して、30重量%以上60重量%以下であり、
前記分散剤と前記金属化合物粒子との重量比が、0.1:100〜5:100であることを特徴とするプロトン伝導性複合電解質膜。
A proton conductive composite electrolyte membrane comprising metal compound particles having proton conductivity, an organic polymer material having proton conductivity, and a dispersant having a sulfonic acid group,
The average primary particle diameter of the metal compound particles is 0.5 nm or more and 5 nm or less,
The average secondary particle diameter of the metal compound particles is 50 nm or less,
The average dispersed particle size of the metal compound particles is 30 nm or less,
The content of the metal compound particles is 30% by weight to 60% by weight with respect to the total weight of the electrolyte membrane,
A proton conductive composite electrolyte membrane, wherein a weight ratio of the dispersant to the metal compound particles is 0.1: 100 to 5: 100.
前記分散剤の数平均分子量が、150以上1000以下である請求項1に記載のプロトン伝導性複合電解質膜。   The proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 1, wherein the dispersant has a number average molecular weight of 150 or more and 1000 or less. 前記分散剤は、ベンゼン環を有する有機材料である請求項1又は2に記載のプロトン伝導性複合電解質膜。   The proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 1, wherein the dispersant is an organic material having a benzene ring. 前記金属化合物粒子は、一般式ZrO2・nH2O(n≧2.7)で表される酸化ジルコニウム水和物粒子である請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性複合電解質膜。 The proton conductive composite according to claim 1, wherein the metal compound particles are zirconium oxide hydrate particles represented by a general formula ZrO 2 · nH 2 O (n ≧ 2.7). Electrolyte membrane. 酸素を還元する触媒層を含む酸素極と、燃料を酸化する触媒層を含む燃料極と、前記酸素極と前記燃料極との間に配置された請求項1〜4のいずれか1項に記載のプロトン伝導性複合電解質膜とを含むことを特徴とする膜電極接合体。   The oxygen electrode including a catalyst layer that reduces oxygen, a fuel electrode including a catalyst layer that oxidizes fuel, and the oxygen electrode and the fuel electrode are disposed between the oxygen electrode and the fuel electrode. And a proton conductive composite electrolyte membrane. 請求項5に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5.
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