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JP5229931B2 - PROTON CONDUCTIVE COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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PROTON CONDUCTIVE COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME Download PDF

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Description

本発明は、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜、その製造方法、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を用いたエネルギーデバイス及び燃料電池セルに係り、更に詳細には、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し得るプロトン伝導性コンポジット型電解質膜、その製造方法、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を用いたエネルギーデバイス及び燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a proton conductive composite electrolyte membrane, a method for producing the same, an energy device using the proton conductive composite electrolyte membrane, and a fuel cell, and more specifically, when the electrolyte material is an ionic liquid alone. The present invention relates to a proton conductive composite electrolyte membrane capable of improving ionic conductivity, a manufacturing method thereof, an energy device using the proton conductive composite electrolyte membrane, and a fuel cell.

燃料電池は、発電効率が高く、環境負荷抑制に優れており、エネルギーを多大に消費している国々において現在の大きな課題となっている環境問題、エネルギー問題の解決に貢献が期待されている次世代型エネルギー供給デバイスである。
また、燃料電池は、電解質の種類により分類されるが、中でも固体高分子形燃料電池は、小型で且つ高出力を得ることができるため、小規模の定置型用、移動体用、携帯端末用のエネルギー供給源としての適用について研究・開発が進められている。
Fuel cells have high power generation efficiency and excellent environmental load control, and are expected to contribute to solving environmental and energy problems that are currently a major issue in countries that consume large amounts of energy. It is a generational energy supply device.
Fuel cells are classified according to the type of electrolyte. Among them, polymer electrolyte fuel cells are small and can provide high output, so that they can be used for small-sized stationary devices, mobile devices, and portable terminals. Research and development is underway for the application of energy as a source of energy.

かかる固体高分子電解質膜は、高分子鎖中にスルホン酸基やリン酸基などの親水性官能基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合しており、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維又は膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜などの各種用途に利用されている。   Such a solid polymer electrolyte membrane is a solid polymer material having a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group or a phosphoric acid group in a polymer chain, and is firmly bonded to a specific ion, and is either a cation or an anion. Since it has a property of selectively permeating ions, it is formed into particles, fibers or membranes and used in various applications such as electrodialysis, diffusion dialysis, and battery membranes.

また、固体高分子型燃料電池は、高い総合エネルギー効率が得られる発電手段として現在改良が盛んに進められている。その主要な構成要素は、アノード、カソードの両電極と、ガス流路を形成するセパレータ板と、両極間を隔てる固体高分子電解質膜である。アノードの触媒上で生成したプロトンは、固体高分子電解質膜中を移動してカソードの触媒上に達し、酸素と反応する。従って、両極間のイオン伝導抵抗は、電池性能に大きく影響する。   In addition, solid polymer fuel cells are being actively improved as a power generation means that can provide high overall energy efficiency. The main components are anode and cathode electrodes, a separator plate that forms a gas flow path, and a solid polymer electrolyte membrane that separates the electrodes. Protons generated on the anode catalyst move through the solid polymer electrolyte membrane, reach the cathode catalyst, and react with oxygen. Therefore, the ion conduction resistance between the two electrodes greatly affects the battery performance.

上述の固体高分子電解質膜を用いて燃料電池を形成するには、両電極の触媒と固体高分子電解質膜をイオン伝導パスで接合する必要がある。そのために、高分子電解質の溶液と触媒粒子とを混合し、塗布・乾燥して両者を結合させた触媒層を電極に用い、電極の触媒と固体高分子電解質膜とを加熱下でプレスするという手法が一般的に用いられていた。
イオン伝導を担う高分子電解質には、一般に、パーフルオロカーボン系主鎖にスルホン酸基が導入されたポリマーが使用される。具体的な商品としては、デュポン(DuPont)社製のナフィオン(Nafion)、旭硝子(株)製のフレミオン(Flemion)、旭化成(株)製のアシプレックス(Aciplex)などが使用される。パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質は、パーフルオロカーボン系主鎖とスルホン酸基をもつ側鎖からなり、高分子電解質は、スルホン酸基を主体とする領域とパーフルオロカーボン主鎖を主体とする領域とにミクロ相分離して、スルホン酸基の相はクラスターを形成すると考えられている。このパーフルオロカーボン系主鎖が凝集している部位がパーフルオロスルホン酸系電解質膜の化学的安定性に寄与しており、イオン伝導に寄与するのはスルホン酸基が集まってクラスターを形成している部分である。
In order to form a fuel cell using the above-mentioned solid polymer electrolyte membrane, it is necessary to join the catalyst of both electrodes and the solid polymer electrolyte membrane by an ion conduction path. For this purpose, a catalyst layer in which a polymer electrolyte solution and catalyst particles are mixed, applied and dried to bond them together is used as an electrode, and the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte membrane are pressed under heating. The technique was commonly used.
In general, a polymer in which a sulfonic acid group is introduced into a perfluorocarbon-based main chain is used as a polymer electrolyte responsible for ionic conduction. As specific products, Nafion manufactured by DuPont, Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and the like are used. A perfluorosulfonic acid polymer electrolyte is composed of a perfluorocarbon main chain and a side chain having a sulfonic acid group, and the polymer electrolyte is a region mainly composed of a sulfonic acid group and a region mainly composed of a perfluorocarbon main chain. It is thought that the sulfonic acid group phase forms a cluster by microphase separation. The site where the perfluorocarbon main chain aggregates contributes to the chemical stability of the perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, and the sulfonic acid groups gather to form a cluster that contributes to ionic conduction. Part.

このように、優れた化学的安定性とイオン伝導性を兼ね備えるパーフルオロスルホン酸系電解質膜の製造は困難であり、非常に高価となる欠点がある。そのため、パーフルオロスルホン酸系の用途は限定されており、移動体用の動力源と期待される固体高分子型燃料電池への適用が非常に困難を極めている。   As described above, it is difficult to produce a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane having both excellent chemical stability and ion conductivity, and there is a drawback that it is very expensive. Therefore, the use of perfluorosulfonic acid is limited, and it is extremely difficult to apply it to a polymer electrolyte fuel cell which is expected to be a power source for a moving body.

また、現状の固体高分子型燃料電池は、室温から80℃程度の比較的低い温度領域で運転される。この運転温度の制限は、用いられているフッ素系膜が120〜130℃近辺にガラス転移点を有し、これよりも高温領域ではプロトン伝導に寄与しているイオンチャネル構造の維持が困難となるため、実質的には100℃以下での使用が望ましいこと、及び水をプロトン伝導媒体として使用するため、水の沸点である100℃を超えると加圧が必要となり、装置が大がかりとなることによる。運転温度が低いことは、燃料電池にとっては発電効率が低くなると共に、触媒のCOによる被毒が顕著に起こる。運転温度が100℃以上になると発電効率は向上し、更に廃熱利用が可能となるためにより効率的にエネルギーを活用できる。また、燃料電池自動車への適用を考えると、運転温度を120℃まで上昇させることができれば、効率の向上だけではなく、排熱に必要なラジエター負荷を下げることとなり、現行の移動体に使用されているラジエターと同等仕様のものを適用できるため、システムをコンパクト化できる。   In addition, current polymer electrolyte fuel cells are operated in a relatively low temperature range from room temperature to about 80 ° C. The limitation on the operating temperature is that the fluorine-based membrane used has a glass transition point in the vicinity of 120 to 130 ° C., and it becomes difficult to maintain an ion channel structure that contributes to proton conduction in a higher temperature region. Therefore, it is substantially desirable to use at 100 ° C. or lower, and since water is used as a proton conducting medium, pressurization is required when the water boiling point exceeds 100 ° C., and the apparatus becomes large. . The low operating temperature results in low power generation efficiency for the fuel cell and significant poisoning of the catalyst by CO. When the operating temperature is 100 ° C. or higher, the power generation efficiency is improved, and the waste heat can be used. Also, considering the application to fuel cell vehicles, if the operating temperature can be raised to 120 ° C, not only the efficiency will be improved, but also the radiator load required for exhaust heat will be lowered, and it will be used in current mobile units. The same specifications as the existing radiator can be applied, so the system can be made compact.

このように、より高い温度での運転を実現させるため、今まで種々の検討が行われている。代表的には、先の電解質膜のコスト低減も視野に入れたアクションとして、フッ素膜の代わりに、安価でかつ耐熱性に優れた芳香族炭化水素系高分子材料の固体高分子電解質への適用が検討されている。例えば、固体高分子電解質として、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、ポリベンズイミダゾールといった種々の芳香族系炭化水素系固体高分子電解質が検討されている。   Thus, various studies have been made so far in order to realize operation at higher temperatures. Typically, as an action with a view to reducing the cost of the previous electrolyte membrane, instead of a fluorine membrane, application of an aromatic hydrocarbon polymer material that is inexpensive and excellent in heat resistance to a solid polymer electrolyte Is being considered. For example, various aromatic hydrocarbon solid polymer electrolytes such as sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and polybenzimidazole are studied as solid polymer electrolytes. Has been.

しかし、上記高分子電解質も水をプロトン伝導媒体として使用するため、水の沸点である100℃を超えると加圧が必要となり、装置が大がかりとなる。更に、耐熱性が高く、水をプロトン伝導媒体として使用しない電解質としては、「イオン液体を浸透した、カチオン伝導性/プロトン伝導性のセラミック膜」が提案されている(例えば特許文献1参照)。
この電解質膜は、特許文献2に記載された多孔質で柔軟なセラミック膜を基礎として、イオン伝導性を示すように改質し、その後イオン液体で処理して得られる。
また、この電解質膜は、イオン液体の使用により、100℃より高い温度で極めて良好なプロトン伝導性又はカチオン伝導性を有する。更に、柔軟性を維持し、燃料電池の電解質膜として使用できるというものである。
特表2004−515351号公報 PCT/EP98/05939号
However, since the polymer electrolyte also uses water as a proton conduction medium, pressurization is required when the boiling point of water exceeds 100 ° C., which makes the apparatus large. Furthermore, as an electrolyte that has high heat resistance and does not use water as a proton conducting medium, “a cation-conductive / proton-conducting ceramic membrane infiltrated with an ionic liquid” has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
This electrolyte membrane is obtained by modifying so as to exhibit ionic conductivity on the basis of a porous and flexible ceramic membrane described in Patent Document 2, and then treating with an ionic liquid.
Further, this electrolyte membrane has extremely good proton conductivity or cation conductivity at a temperature higher than 100 ° C. by using an ionic liquid. Furthermore, flexibility is maintained and it can be used as an electrolyte membrane of a fuel cell.
JP-T-2004-515351 PCT / EP98 / 05939

しかし、上述のセラミック膜とイオン液体を組み合わせた電解質膜は、イオン伝導性のないセラミックス膜にイオン液体を含浸させるため、イオン液体単独に比べイオン伝導度は低下してしまう。   However, an electrolyte membrane in which the above-described ceramic membrane and ionic liquid are combined impregnates the ionic liquid into a ceramic membrane having no ionic conductivity, so that the ionic conductivity is lower than that of the ionic liquid alone.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、イオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制でき、安価に製造できるプロトン伝導性コンポジット型電解質膜、その製造方法、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を用いたエネルギーデバイス及び燃料電池セルを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to improve ionic conductivity, heat resistance and water content compared to when the ionic liquid is used alone. An object of the present invention is to provide a proton conductive composite electrolyte membrane that can suppress swelling at the time and can be manufactured at low cost, a manufacturing method thereof, an energy device using the proton conductive composite electrolyte membrane, and a fuel cell.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、無機多孔体の球状孔内の表面をプロトン供与性官能基で化学修飾し、特定のイオン液体を含浸させることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors chemically modified the surface in the spherical pores of the inorganic porous body with a proton-donating functional group and impregnated with a specific ionic liquid, thereby The present inventors have found that the problem can be solved and have completed the present invention.

即ち、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜は、無機多孔体が有する複数の球状孔内に電解質材料を配設して成るプロトン伝導性コンポジット型電解質膜であって、
上記無機多孔体は、該無機多孔体内部に3次元的に存在する球状孔を有し、該球状孔同士が連通しており、
上記無機多孔体の気孔率が70〜90%であり、
上記無機多孔体は、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも1種の金属酸化物で形成されており、
上記無機多孔体は、球状孔内の表面にスルホン酸基を有し、
上記電解質材料は、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸水素塩を含む、ことを特徴とする。
That is, the proton conductive composite type electrolyte membrane of the present invention is a proton conductive composite type electrolyte membrane formed by disposing an electrolyte material in a plurality of spherical holes of an inorganic porous body,
The inorganic porous body has spherical holes that exist three-dimensionally in the inorganic porous body, and the spherical holes communicate with each other.
The inorganic porous body has a porosity of 70 to 90%,
The inorganic porous body is formed of at least one metal oxide selected from the group consisting of alumina, silica, titania and zirconia,
The inorganic porous body has a sulfonic acid group on the surface in the spherical hole,
The electrolyte material includes 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate which is an ionic liquid.

また、本発明の第1のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法は、上記プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造するに当たり、次の工程
(1)溶媒に無機ゾルと球状有機樹脂を混合して懸濁液とする工程
(2)該懸濁液を攪拌し、濾過により製膜する工程
(3)濾過成形膜の余剰水分を除去し、乾燥させる工程
(4)濾過成形膜を加熱焼成し多孔膜とする工程
(5)該多孔膜の球状孔内へプロトン供与性官能基を導入する化学修飾工程
(6)導入官能基を球状孔内に定着させて無機多孔体とする工程
(7)得られた無機多孔体へ電解質材料を含浸させる工程
を行うプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法であって、
上記工程(5)において、無機多孔体の球状孔内の表面に水熱反応により水酸基を付加する又は表面に存在する水酸基を水熱反応により増加させ、更にシランカップリング剤によりメルカプト基を導入した後、過酸化水素水溶液中でメルカプト基を酸化処理して、スルホン酸基を導入することを特徴とする。
更に、本発明の第2のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法は、上記プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造するに当たり、次の工程
(1)溶媒に無機ゾルと球状有機樹脂を混合して懸濁液とする工程
(2)該懸濁液を攪拌し、濾過により製膜する工程
(3)濾過成形膜の余剰水分を除去し、乾燥させる工程
(4)濾過成形膜を加熱焼成し多孔膜とする工程
(5)該多孔膜の球状孔内へプロトン供与性官能基を導入する化学修飾工程
(6)導入官能基を球状孔内に定着させて無機多孔体とする工程
(7)得られた無機多孔体へ電解質材料を含浸させる工程
を行うプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法であって、
上記工程(5)において、無機多孔体の球状孔内の表面に水熱反応により水酸基を付加する又は表面に存在する水酸基を水熱反応により増加させ、更に1,3−プロパンスルトンとトルエン溶液中で反応させることにより、スルホン酸基を導入することを特徴とする。

The first method for producing a proton conductive composite electrolyte membrane according to the present invention includes the following step (1): mixing an inorganic sol and a spherical organic resin in a solvent in the next step (1). (2) A step of stirring the suspension and forming a film by filtration (3) A step of removing excess moisture from the filtration molded membrane and drying (4) A filter molded membrane is heated and fired Step of forming porous membrane (5) Chemical modification step of introducing a proton donating functional group into the spherical pore of the porous membrane (6) Step of fixing the introduced functional group into the spherical pore to form an inorganic porous body (7) A method for producing a proton-conductive composite electrolyte membrane, which comprises a step of impregnating an electrolyte material into the obtained inorganic porous body ,
In the above step (5), a hydroxyl group is added to the surface in the spherical pores of the inorganic porous body by a hydrothermal reaction or a hydroxyl group existing on the surface is increased by a hydrothermal reaction, and a mercapto group is further introduced by a silane coupling agent. Thereafter, the mercapto group is oxidized in an aqueous hydrogen peroxide solution to introduce a sulfonic acid group .
Furthermore, the second method for producing a proton conductive composite electrolyte membrane according to the present invention includes the following steps in producing the proton conductive composite electrolyte membrane:
(1) Step of mixing an inorganic sol and a spherical organic resin in a solvent to form a suspension
(2) Stirring the suspension and forming a film by filtration
(3) Step of removing excess moisture from the filtration molded membrane and drying it
(4) Step of heating and baking the filtration molded membrane to form a porous membrane
(5) Chemical modification step for introducing a proton-donating functional group into the spherical pores of the porous membrane
(6) Step of fixing the introduced functional group in the spherical pores to form an inorganic porous material
(7) A step of impregnating the obtained inorganic porous material with an electrolyte material
A method for producing a proton conductive composite electrolyte membrane, comprising:
In the step (5), a hydroxyl group is added to the surface in the spherical pores of the inorganic porous body by a hydrothermal reaction or the hydroxyl group present on the surface is increased by a hydrothermal reaction, and further in 1,3-propane sultone and toluene solution It is characterized by introducing a sulfonic acid group by reacting with.

更に、本発明のエネルギーデバイス及び燃料電池セルは、上記プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を適用したことを特徴とする。   Furthermore, the energy device and the fuel cell of the present invention are characterized by applying the proton conductive composite electrolyte membrane.

本発明によれば、無機多孔体の球状孔内の表面をプロトン供与性官能基で化学修飾し、特定のイオン液体を含浸させることとしたため、イオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制でき、安価に製造できる。   According to the present invention, the surface in the spherical pores of the inorganic porous body is chemically modified with a proton-donating functional group and impregnated with a specific ionic liquid, so that the ionic conductivity is higher than when the ionic liquid alone is used. It is improved, heat resistance is high, swelling when containing water can be suppressed, and it can be manufactured at low cost.

以下、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜について詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。   Hereinafter, the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention will be described in detail. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.

本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜は、無機多孔体が有する複数の球状孔内に、電解質材料を配設して成る。
無機多孔体は、球状孔内の表面にプロトン供与性官能基を有する。また、電解質材料は、カチオンと多価アニオンを含んでおり、プロトン伝導性を示すように球状孔内に配設(充填)されている。
図1に電極材料3で挟持された本電解質膜(無機多孔体1及び電解質材料2)の模式的構造及び写真を示す。
The proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention is formed by disposing an electrolyte material in a plurality of spherical holes of an inorganic porous material.
The inorganic porous body has a proton-donating functional group on the surface in the spherical pore. The electrolyte material contains a cation and a polyvalent anion, and is disposed (filled) in the spherical hole so as to exhibit proton conductivity.
FIG. 1 shows a schematic structure and a photograph of the present electrolyte membrane (inorganic porous body 1 and electrolyte material 2) sandwiched between electrode materials 3.

このように、カチオンと多価アニオンを含む電解質材料を、プロトン供与性官能基で球状孔内の表面を化学修飾した無機多孔体へ含浸させることで、その界面に働く相互作用の効果により、固定化イオン伝導体のイオン伝導度が液体状態より高くなる。
また、電解質材料の固定化と、イオン伝導度の向上が一挙に達成できる。
更に、フッ素系電解質より安価な材料で構成されるため、より安価で普及に適した電解質膜が得られる。
In this way, by impregnating an electrolyte material containing a cation and a polyvalent anion into an inorganic porous material whose surface is chemically modified with proton-donating functional groups, it is fixed due to the interaction effect acting on the interface. The ion conductivity of the ionized ion conductor is higher than that of the liquid state.
Also, immobilization of the electrolyte material and improvement of ionic conductivity can be achieved at once.
Furthermore, since it is made of a material cheaper than the fluorine-based electrolyte, an electrolyte membrane that is cheaper and suitable for popularization can be obtained.

更にまた、無機多孔体を保持体として用い、内部に耐熱性に優れる電解質材料を配設できるので、耐熱性に優れた電解質膜が得られる。
また、湿潤状態においては、無機多孔体が電解質材料の膨潤を抑制する。特に、多孔体内部に存在する球状孔をほぼ均等な径で構成することで、電解質材料の含水時における膨潤に対して、多孔体は均質且つ分散された膨潤力を受けるので、局所的な電解質の破損が抑制される。換言すれば、無機多孔体の球状孔が3次元規則配列構造をとることで、電解質材料の膨潤圧が均質に無機多孔体にかかるため、含水により膨潤する電解質膜の支持体として適している。
更に、多孔体の球状孔をほぼ均等に制御することで、電解質材料の含浸状態が良好となり、従来から使用されているパーフルオロスルホン酸系電解質材料を同じコンポジット型電解質膜に適用したケースに比べて、高いプロトン伝導性を発現する。
Furthermore, since an inorganic porous body is used as a holding body and an electrolyte material having excellent heat resistance can be disposed inside, an electrolyte membrane having excellent heat resistance can be obtained.
In the wet state, the inorganic porous body suppresses the swelling of the electrolyte material. In particular, since the porous body receives a uniform and dispersed swelling force with respect to the swelling of the electrolyte material when it contains water by configuring the spherical pores existing in the porous body with a substantially uniform diameter, the local electrolyte The damage of the is suppressed. In other words, since the spherical pores of the inorganic porous body have a three-dimensional regular array structure, the swelling pressure of the electrolyte material is uniformly applied to the inorganic porous body, and therefore, it is suitable as a support for the electrolyte membrane that swells with water.
Furthermore, by controlling the spherical pores of the porous body almost evenly, the impregnation state of the electrolyte material becomes better, compared to the case where the perfluorosulfonic acid electrolyte material used conventionally is applied to the same composite electrolyte membrane High proton conductivity.

ここで、上記カチオンと多価アニオンを含む電解質材料は、1.優れた熱安定性(不揮発性、蒸気圧が極めて低い、広い温度域で液体である)、2.高イオン密度、3.大熱容量などの観点から、イオン液体を使用することが好適である。   Here, the electrolyte material containing the cation and the polyvalent anion is: 1. Excellent thermal stability (non-volatile, extremely low vapor pressure, liquid in a wide temperature range) 2. high ion density; From the viewpoint of a large heat capacity and the like, it is preferable to use an ionic liquid.

代表的なイオン液体としては、カチオンには、例えば、以下の化学式2に示すイミダゾリウム誘導体(Imidazolium Derivatives、2置換体)などが挙げられる。 Exemplary ionic liquids, the cation, for example, etc. imidazolium derivative (imidazolium Derivatives, 2 location recombinants) can be mentioned as shown in the following chemical formula 2.

Figure 0005229931
Figure 0005229931

化学式2中のR1、R2は同一でも異なっていてもよく、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を有する。
そして、具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ヘキサデシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
R1 and R2 in Chemical Formula 2 may be the same or different, and have a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, and more preferably an alkyl group or arylalkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
Specific examples include methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, octyl, decyl, hexadecyl, dodecyl, tetradecyl, hexadecyl, octadecyl, benzyl, γ -A phenyl propyl group etc. can be mentioned.

また、多価アニオンには、S が使用できる。このときは、他のイオン液体に対し、高いプロトン伝導度が得られる。 Further, the multivalent anion, S O 4 2 - can be used. At this time, high proton conductivity is obtained with respect to other ionic liquids.

なお、これらのカチオン又は多価アニオンは、1種又は2種以上を適宜組合わせて使用できる。   These cations or polyvalent anions can be used alone or in combination of two or more.

一方、上記無機多孔体は、電解質材料を安定に保持する観点からは、例えば、アルミナ(Al)、シリカ(SiO)、チタニア(TiO)又はジルコニア(ZrO)、及びこれらの任意の組合わせに係るものを含むことが好適である。
金属酸化物は安定で且つ安価に入手が可能なものが多いため、それらから適宜選択することで、より安価で最適な電解質膜を得ることが可能となる。
On the other hand, from the viewpoint of stably holding the electrolyte material, the inorganic porous body is, for example, alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), and these It is preferable to include those related to any combination.
Since there are many metal oxides that are stable and available at low cost, it is possible to obtain an optimum electrolyte membrane at a lower cost by appropriately selecting them.

また、上記無機多孔体は、内径がほぼ均一な球状孔を有し、該球状孔は多孔体内部に3次元的に存在し、隣接する球状孔同士は連通しており、該球状孔内に電解質材料を備えていることが好適である。
このときは、球状孔は無機多孔体内に3次元且つ規則的に配列されるので、この球状孔の大きさを変化させることで電解質材料の含浸状態を制御することができる。
Further, the inorganic porous body has spherical holes having a substantially uniform inner diameter, the spherical holes are three-dimensionally present inside the porous body, and adjacent spherical holes are in communication with each other. It is preferable to have an electrolyte material.
At this time, since the spherical pores are regularly and three-dimensionally arranged in the inorganic porous body, the impregnation state of the electrolyte material can be controlled by changing the size of the spherical pores.

更に、上記無機多孔体の気孔率は70〜90%であることが好適である。このときは、無機多孔体への電解質材料の充填率を高めることができ、高いイオン伝導性が得られる。   Furthermore, the porosity of the inorganic porous material is preferably 70 to 90%. At this time, the filling rate of the electrolyte material into the inorganic porous body can be increased, and high ion conductivity can be obtained.

更にまた、上記無機多孔体は、無機ゾルを形成する材料で形成されていることが好適である。これにより、安価な無機ゾルを利用することができ、コストメリットが見込まれる。また、簡易な多孔質膜形成技術であるゾルゲル法が利用できる。
上記無機ゾルを形成する材料は、無機コロイドであることが好適である。無機コロイドは、3次元規則配列状態を保持した多孔質膜形成に適しており、例えば、ポリマー粒子を鋳型に用いて、規則配列形状を有する無機多孔体を形成できる。
Furthermore, the inorganic porous body is preferably formed of a material that forms an inorganic sol. Thereby, an inexpensive inorganic sol can be used, and cost merit is expected. Further, a sol-gel method, which is a simple porous film forming technique, can be used.
The material forming the inorganic sol is preferably an inorganic colloid. The inorganic colloid is suitable for forming a porous film having a three-dimensional ordered arrangement state. For example, an inorganic porous body having a regularly arranged shape can be formed using polymer particles as a template.

また、上記無機多孔体は、例えば、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液(エマルション)から得られる。このような懸濁液を適用することで、ポリマー微粒子が積み重なることで形成される3次元規則配列構造を鋳型とした、無機多孔体を得ることができる。特に、ポリマー微粒子の粒径サイズ、積層状態を制御することで、任意の細孔径構造を有する無機多孔体を設計できる。なお、細孔内のポリマー微粒子は熱処理などにより除去することで、電解質材料の入るスペースが確保される。   Moreover, the said inorganic porous body is obtained from the suspension liquid (emulsion) which mixed the polymer fine particle and the inorganic material, for example. By applying such a suspension, an inorganic porous body can be obtained using a three-dimensional regular array structure formed by stacking polymer fine particles as a template. In particular, an inorganic porous body having an arbitrary pore size structure can be designed by controlling the particle size and the lamination state of the polymer fine particles. The polymer fine particles in the pores are removed by heat treatment or the like, so that a space for the electrolyte material is secured.

更に、上記無機多孔体において、球状孔の内径は20〜1000nmであることが好適である。1000nm超では、無機多孔体単位重量あたりに固定化されるプロトン供与性官能基の量が少ないため、効果が不十分となり易い。20nm未満では、球状樹脂をテンプレートとして利用した多孔体の形成が困難となり易い。また、ナノスケール無機多孔質ガラスとの技術的な差別がつきにくくなる。
また、球状孔の内径は50〜500nmであることがより好適である。500nm以下では、無機多孔体単位重量あたりに固定化されるプロトン供与性官能基の量が急激に多くなり、十分な効果が発揮できる。50nm以上では、球状樹脂をテンプレートとして利用した多孔質の形成がより容易と成り、安定した多孔体の形成が可能となる。また、ナノスケール無機多孔質ガラスとの技術的領域の差別がより明確となる。
Furthermore, in the inorganic porous body, the inner diameter of the spherical hole is preferably 20 to 1000 nm. If it exceeds 1000 nm, the amount of the proton-donating functional group immobilized per unit weight of the inorganic porous material is small, so that the effect tends to be insufficient. If it is less than 20 nm, formation of a porous body using a spherical resin as a template tends to be difficult. In addition, it is difficult to make technical distinction from nanoscale inorganic porous glass.
The inner diameter of the spherical hole is more preferably 50 to 500 nm. When the thickness is 500 nm or less, the amount of the proton donating functional group immobilized per unit weight of the inorganic porous body increases rapidly, and a sufficient effect can be exhibited. When the thickness is 50 nm or more, it becomes easier to form a porous material using a spherical resin as a template, and a stable porous material can be formed. In addition, the technical area of the nanoscale inorganic porous glass becomes more distinct.

更にまた、上記プロトン供与性官能基は、球状孔の所望の大きさに対して電解質材料を良好に固定化してプロトン伝導性を向上させる観点から、無機多孔体の単位重量あたり0.01〜2.8mmol/gの濃度で含有されていることが好適である。0.01mmol/g未満では化学修飾によるプロトン伝導性の向上効果が得られにくい。また、2.8mmol/gは球状孔の内径が20nmのときの官能基修飾量の理論値であり、これを超えると球状樹脂をテンプレートとして利用した多孔体の形成が困難となる。
より好ましくは、0.03〜1.2mmol/gの濃度で含有されていることが良い。0.03mmol/gより大きいと、無機多孔体表面のプロトン供与性官能基の濃度が高く、無機多孔体表面でのプロトン伝導が促進され好ましい。また、1.2mmol/gより小さいと、表面にプロトン供与性官能基を安定的に導入できるため好ましい。
Furthermore, the proton donating functional group is 0.01 to 2 per unit weight of the inorganic porous body from the viewpoint of improving the proton conductivity by favorably fixing the electrolyte material to the desired size of the spherical pore. It is preferable that it is contained at a concentration of .8 mmol / g. If it is less than 0.01 mmol / g, it is difficult to obtain an effect of improving proton conductivity by chemical modification. Further, 2.8 mmol / g is a theoretical value of the functional group modification amount when the inner diameter of the spherical pore is 20 nm, and if it exceeds this, it becomes difficult to form a porous body using the spherical resin as a template.
More preferably, it is contained at a concentration of 0.03 to 1.2 mmol / g. When it is larger than 0.03 mmol / g, the concentration of the proton-donating functional group on the surface of the inorganic porous body is high, and proton conduction on the surface of the inorganic porous body is promoted, which is preferable. Moreover, it is preferable if it is smaller than 1.2 mmol / g because proton donating functional groups can be stably introduced onto the surface.

また、上記無機多孔体において、球状孔内の表面を修飾するプロトン供与性官能基は、ブレンステッド酸型官能基であることが好適である。
上記ブレンステッド酸型官能基としては、例えば、スルホン酸基、リン酸基又はカルボン酸基、及びこれらの任意の組合せに係る官能基が挙げられる。
In the inorganic porous material, the proton-donating functional group that modifies the surface of the spherical pore is preferably a Bronsted acid type functional group.
Examples of the Bronsted acid functional group include a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, and a functional group according to any combination thereof.

更に、上記無機多孔体自体のEquivalent Weight(EW)値は、多孔体表面でのプロトン伝導性の促進効果と、安定したプロトン供与性官能基の導入の観点から、350〜90000g/molであることが好適である。より好ましくは、890〜33000g/molであることが良い。   Further, the Equivalent Weight (EW) value of the inorganic porous material itself is 350 to 90000 g / mol from the viewpoint of promoting the proton conductivity on the surface of the porous material and introducing a stable proton donating functional group. Is preferred. More preferably, it is 890 to 33000 g / mol.

次に、本発明のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法について詳細に説明する。
本発明の製造方法では、次の工程
(1)溶媒に無機ゾルと球状有機樹脂を混合して懸濁液とする工程
(2)該懸濁液を攪拌し、濾過により製膜する工程
(3)濾過成形膜の余剰水分を除去し、乾燥させる工程
(4)濾過成形膜を加熱焼成し多孔膜とする工程
(5)該多孔膜の球状孔内へプロトン供与性官能基を導入する化学修飾工程
(6)導入官能基を球状孔内に定着させて無機多孔体とする工程
(7)得られた無機多孔体へ電解質材料を含浸させる工程
を行い、上述したプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造する。図2に作製手順の流れを示す。
Next, the production method of the proton conductive composite electrolyte membrane of the present invention will be described in detail.
In the production method of the present invention, the following step (1) step of mixing an inorganic sol and a spherical organic resin in a solvent to form a suspension (2) step of stirring the suspension and forming a film by filtration (3 ) Step of removing excess moisture from the filter-formed membrane and drying (4) Step of heating and baking the filter-formed membrane to form a porous membrane (5) Chemical modification for introducing a proton-donating functional group into the spherical pores of the porous membrane Step (6) A step of fixing the introduced functional group in the spherical pores to form an inorganic porous body (7) A step of impregnating the obtained inorganic porous body with an electrolyte material to carry out the above-described proton conductive composite electrolyte membrane To manufacture. FIG. 2 shows the flow of the manufacturing procedure.

工程(1)及び工程(2)では、無機ゾルと球状有機樹脂を均質な状態に分散できる。
また、工程(2)の濾過は、球状有機樹脂のテンプレートの隙間に無機ゾルを充填する方法として適している。
更に、工程(3)では、濾過成形膜を予め乾燥させることで、焼成工程等での膜のハンドリングを容易にする。次いで、工程(4)では、濾過成形膜を加温焼成することで、無機ゾルによる無機支持体を焼成形成すると共に、テンプレート樹脂を焼成除去することで多孔膜を形成できる。
In step (1) and step (2), the inorganic sol and the spherical organic resin can be dispersed in a homogeneous state.
Further, the filtration in the step (2) is suitable as a method for filling the gap between the spherical organic resin templates with the inorganic sol.
Furthermore, in the step (3), the filtration molded membrane is dried in advance, thereby facilitating the handling of the membrane in the firing step or the like. Next, in step (4), the filter-molded membrane is heated and fired to burn and form an inorganic support using an inorganic sol, and the template resin is burned and removed to form a porous membrane.

工程(5)及び工程(6)では、多孔膜の球状孔内を化学修飾することで電解質材料が固定され易くなり、工程(7)で、容易に目的とするプロトン伝導性コンポジット型電解質膜が得られる。   In step (5) and step (6), the electrolyte material is easily fixed by chemically modifying the inside of the spherical pores of the porous membrane. In step (7), the intended proton-conductive composite electrolyte membrane is easily obtained. can get.

また、工程(5)では、無機多孔体の球状孔内の表面に水酸基を付加する又は表面に存在する水酸基を増加させることができる。
例えば、図3(上図)に示すように、無機多孔体の球状孔内の表面に水熱処理によりシラノール基を増加させ、更にシランカップリング剤によりメルカプト基を導入した後、過酸化水素水溶液中でメルカプト基を酸化処理して、プロトン供与性官能基を導入することができる。
また、図3(下図)に示すように、無機多孔体の球状孔内の表面に水熱処理によりシラノール基を増加させ、更に1,3−プロパンスルトンとトルエン溶液中で反応させることにより、プロトン供与性官能基を導入することができる。
Further, in the step (5), a hydroxyl group can be added to the surface in the spherical pore of the inorganic porous body or the hydroxyl group present on the surface can be increased.
For example, as shown in FIG. 3 (upper figure), silanol groups are increased by hydrothermal treatment on the surface of the spherical pores of the inorganic porous material, and mercapto groups are further introduced by a silane coupling agent. Then, the mercapto group can be oxidized to introduce a proton-donating functional group.
In addition, as shown in FIG. 3 (below), protons are donated by increasing silanol groups on the surface of the spherical pores of the inorganic porous material by hydrothermal treatment and further reacting with 1,3-propane sultone in a toluene solution. A functional group can be introduced.

上記工程(1)〜(4)を経ることで、有機樹脂材料をテンプレートとして、3次元規則配列された無機多孔体が得られる。
球状有機樹脂としては、例えば20nm〜1000nm程度のポリエチレンを代表とするポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、架橋アクリル樹脂、メチルメタクリレート樹脂、ポリアミド樹脂などが適宜選択できる。20nmより小さくなると粒径の分布が均質に整った粒子を安価に入手することが困難となる。また、1000nmより大きくなると無機支持体を構成する支持構造の均質性に乱れが発生して好ましくない。
また、濾過は無機多孔体の球状孔の大きさ、細孔密度などから、適宜10〜60kPa程度減圧して行うことができる。
更に、工程(4)においては、濾過膜中の有機樹脂材料を除去するための仮焼成を行い、その後無機多孔体を焼結させることが良い。仮焼成は、例えば、1〜10℃/min、好ましくは2〜5℃/minの昇温速度で400〜500℃、より好ましくは430〜470℃まで昇温させ、30分以上熱処理を行うことができる。また、焼成は、例えば800〜900℃以上で30〜100分間程度の熱処理を行うことができる。更に、本焼成は複数回繰り返して行っても良い。
By passing through the said process (1)-(4), the inorganic porous body by which the organic resin material was used as a template and three-dimensional regular arrangement | sequence was obtained.
As the spherical organic resin, for example, polyolefin resin typified by polyethylene of about 20 nm to 1000 nm, polystyrene resin, cross-linked acrylic resin, methyl methacrylate resin, polyamide resin and the like can be appropriately selected. When it is smaller than 20 nm, it is difficult to obtain particles having a uniform particle size distribution at low cost. On the other hand, if it exceeds 1000 nm, the homogeneity of the support structure constituting the inorganic support is disturbed, which is not preferable.
Further, the filtration can be performed at a reduced pressure of about 10 to 60 kPa as appropriate from the size of the spherical pores of the inorganic porous material, the pore density, and the like.
Furthermore, in the step (4), it is preferable to perform preliminary firing for removing the organic resin material in the filtration membrane and then sinter the inorganic porous body. Temporary baking is performed at a heating rate of 1 to 10 ° C./min, preferably 2 to 5 ° C./min, 400 to 500 ° C., more preferably 430 to 470 ° C., and heat treatment is performed for 30 minutes or longer. Can do. Moreover, baking can perform the heat processing for about 30 to 100 minutes, for example at 800-900 degreeC or more. Further, the main baking may be repeated a plurality of times.

次に、本発明のエネルギーデバイスについて説明する。
本発明のエネルギーデバイスは、上述のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を適用して構成される。このときは、他の制御手段と組合わせて適宜システム化することもできる。
代表的には、燃料電池(セル又はスタック)、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどが挙げられる。
Next, the energy device of the present invention will be described.
The energy device of the present invention is configured by applying the above proton conductive composite electrolyte membrane. In this case, a system can be appropriately formed by combining with other control means.
Typically, a fuel cell (cell or stack), water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor, and the like can be given.

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in full detail, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
シリカ多孔質膜をマトリックスとして、その孔中に電解質材料としてイオン液体を導入することにより、無機・有機コンポジット型電解質膜を作製した。
Example 1
An inorganic / organic composite electrolyte membrane was prepared by introducing an ionic liquid as an electrolyte material into the pores using a silica porous membrane as a matrix.

1)無機多孔体の作製
無機多孔体の孔径制御を目的に平均直径約500nmのポリスチレン球状粒子を使用した。
この直径約500nmのポリスチレン球状粒子及び直径70〜100nmのコロイダルシリカを、サスペンション溶液中に含まれる溶質体積が所定の膜厚になるよう混合することでサスペンションの調製を行った。
手順としては、まずポリスチレンの所定量を秤量し、水に添加した後に、ポリスチレン球形微粒子を含有溶液にコロイダルシリカ含有容器を加えた。それらの粒子を均一に分散させるため、超音波攪拌した。
次いで、サスペンションの濾過によって無機多孔質の形成を行った。メンブレンフィルターをフィルターホルダーにセットし、手動式真空ポンプを用いて、大気圧に対して大きくても10kPa以下の圧力となるように減圧し、サスペンションを濾過した。
サスペンションがすべて濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰の溶剤を、濾紙を吸水材として用いて余剰水の除去を行い、室温で十分乾燥させた。その後にメンブレンフィルターから剥離することでポリスチレン及びシリカの混合物からなる膜が得られた。
1) Preparation of inorganic porous material For the purpose of controlling the pore size of the inorganic porous material, polystyrene spherical particles having an average diameter of about 500 nm were used.
The suspension was prepared by mixing the polystyrene spherical particles having a diameter of about 500 nm and the colloidal silica having a diameter of 70 to 100 nm so that the solute volume contained in the suspension solution had a predetermined film thickness.
As a procedure, first, a predetermined amount of polystyrene was weighed and added to water, and then a colloidal silica-containing container was added to a solution containing polystyrene spherical fine particles. In order to disperse these particles uniformly, ultrasonic stirring was performed.
Next, inorganic porous material was formed by filtration of the suspension. The membrane filter was set in a filter holder, and the pressure was reduced to 10 kPa or less with respect to atmospheric pressure using a manual vacuum pump, and the suspension was filtered.
After all the suspension was filtered, excess water contained in the filter-formed membrane was removed using filter paper as a water absorbing material and sufficiently dried at room temperature. Then, a film made of a mixture of polystyrene and silica was obtained by peeling from the membrane filter.

得られたポリスチレン及びシリカの混合物からなる膜の熱処理は次のようにして行った。
ポリスチレンを取り除くため仮焼成を行った。2℃/minで昇温を行い、その温度にて30分以上熱処理を行った。また、シリカの焼結を行なうため、仮焼成後少なくとも800℃以上で約60分間熱処理を行った。更に、機械的強度を向上させるため、900℃以上の温度にて15分間熱処理を行い、ゆっくりと室温に戻すことで、目的とする無機多孔体を得た。
The obtained film made of a mixture of polystyrene and silica was heat-treated as follows.
Temporary baking was performed to remove polystyrene. The temperature was raised at 2 ° C./min, and heat treatment was performed at that temperature for 30 minutes or more. Further, in order to sinter the silica, a heat treatment was performed at about 800 ° C. or higher for about 60 minutes after the preliminary firing. Furthermore, in order to improve mechanical strength, heat treatment was performed at a temperature of 900 ° C. or higher for 15 minutes, and the temperature was slowly returned to room temperature, thereby obtaining a target inorganic porous body.

2)無機多孔体の球状孔内の表面への化学修飾
まず、得られたシリカ多孔質膜に対して、オートクレーブを用いて170℃で24hr水熱処理を行った。シラノール基の増加はFT−IRにより確認した。
次に、シリカ多孔質膜へメルカプト基を導入した。γ−Mercaptopropyltrimethoxysilaneをシランカップリング剤として用いた。
0.01mol/lのシランカップリング剤を含有するトルエンにシリカ多孔質膜を所定の時間(100℃、20hr)浸漬させ、その後100℃で10分間真空乾燥させた。
2) Chemical modification to the surface in the spherical hole of an inorganic porous body First, the obtained silica porous membrane was hydrothermally treated at 170 ° C. for 24 hours using an autoclave. The increase in silanol groups was confirmed by FT-IR.
Next, mercapto groups were introduced into the porous silica membrane. γ-Mercaptopropyltrimethylsilane was used as a silane coupling agent.
A porous silica membrane was immersed in toluene containing 0.01 mol / l of a silane coupling agent for a predetermined time (100 ° C., 20 hours), and then vacuum-dried at 100 ° C. for 10 minutes.

球状孔内の表面のメルカプト基の吸収はFT−IRで観察した。その後、10%の過酸化水素水を用いて、70℃で2hrメルカプト基を酸化させ、スルホン酸基とした。
表面のスルホン酸基の存在はESCAで観察することで確認した。
The absorption of the mercapto group on the surface in the spherical pore was observed by FT-IR. Thereafter, a 10% hydrogen peroxide solution was used to oxidize the 2 hr mercapto group at 70 ° C. to form a sulfonic acid group.
The presence of sulfonic acid groups on the surface was confirmed by observation with ESCA.

SiOH基の導入の確認は、FT−IRを用いて計測を行った。その測定例を図4に示す。約3,500〜3,700cm−1に見られるSiOH基に由来するピークを検出することで、SiOH基の導入を確認した。
また、導入されたSOH基は、図5に例示すようにEDSスペクトルを測定することで得られるSiに対するSの元素比にて確認した。
Confirmation of the introduction of SiOH groups was measured using FT-IR. An example of the measurement is shown in FIG. The introduction of SiOH groups was confirmed by detecting a peak derived from SiOH groups found at about 3,500-3,700 cm −1 .
The introduced SO 3 H group was confirmed by the element ratio of S to Si obtained by measuring the EDS spectrum as shown in FIG.

なお、他の化学修飾方法としては、例えば、オートクレーブを用いて熱水処理した多孔体を5%濃度となるように調製した1,3−propanesultoneのトルエン溶液中に含浸を行い、120℃で24hr還流を行うことで、1段反応でSOH基を無機多孔体の細孔表面に導入できる。表面のスルホン酸基の存在は同様にESCAで観察することができる。 In addition, as another chemical modification method, for example, impregnation in a toluene solution of 1,3-propanesultone prepared so as to have a concentration of 5% with a hot water-treated porous body using an autoclave is performed at 120 ° C. for 24 hours. By performing the reflux, the SO 3 H group can be introduced into the pore surface of the inorganic porous body by a one-step reaction. The presence of sulfonic acid groups on the surface can be observed with ESCA as well.

このように単位面積あたりに導入されるSOH基を増加させることで、無機・有機コンポジット型電解質膜に含まれる官能基量を増大できる。
また、図6のグラフに示すように、単位膜重量あたりに含まれる細孔表面積を高めることでも、無機・有機コンポジット型電解質膜に含まれる官能基量を増大できる。
By increasing the SO 3 H groups introduced per unit area in this way, the amount of functional groups contained in the inorganic / organic composite electrolyte membrane can be increased.
Further, as shown in the graph of FIG. 6, the amount of functional groups contained in the inorganic / organic composite electrolyte membrane can also be increased by increasing the pore surface area contained per unit membrane weight.

3)電解質材料(イオン液体)の含浸
イオン液体(1−エチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸水素塩(EMIHSO )をスルホン酸基で表面修飾したシリカ多孔質膜に含浸させ、本例のコンポジット電解質膜を得た。この膜の断面のSEM写真を図7に示す。
3) Impregnation with electrolyte material (ionic liquid) A porous silica membrane whose surface is modified with a sulfonic acid group is impregnated with ionic liquid ( 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate ( EMI m HSO 4 ) ). A composite electrolyte membrane was obtained. A SEM photograph of the cross section of this film is shown in FIG.

(比較例1)
実施例1と同様のイオン液体のみを電解質材料として用意した。
(Comparative Example 1)
Only the ionic liquid similar to Example 1 was prepared as an electrolyte material.

(イオン伝導性評価)
実施例1で得られたコンポジット型電解質膜と、比較例1の電解質材料について、所定面積の金電極を用いて両面から挟み、10Hz〜100kHzの交流波をかけて計測したインピーダンスにて評価した。
なお、ここでのイオン導電率は多孔度を考慮せず、金電極と接触する面積を元に算出を行った。また、計測では、連続的に温度を変えてイオン伝導度を測定した。
(Ion conductivity evaluation)
The composite electrolyte membrane obtained in Example 1 and the electrolyte material of Comparative Example 1 were sandwiched from both surfaces using a gold electrode having a predetermined area, and evaluated by impedance measured by applying an AC wave of 10 Hz to 100 kHz.
Here, the ionic conductivity was calculated based on the area in contact with the gold electrode without considering the porosity. In the measurement, the ionic conductivity was measured by continuously changing the temperature.

この結果、実施例1のコンポジット型電解質膜では、イオン液体単独よりも良好なイオン伝導度が得られていることを確認した。
図8に示すように、実施例1で得られたプロトン伝導性コンポジット型電解質膜は、液体状態に対し、イオン伝導度の大幅な向上が見られた。
また、EMIHSOの、液体状態のイオン伝導度を1とし、イオン液体(EMIHSO)をスルホン酸基で表面修飾したシリカ多孔質膜に含浸させた電解質膜から成るコンポジット電解質膜の伝導度を比較した。その結果を図9に示す。このグラフから分かるように、イオン液体(EMIHSO)を含浸させたシリカ多孔質体から成る電解質膜は、液体状態に対しイオン伝導度が5.5倍向上していた。
As a result, it was confirmed that the composite type electrolyte membrane of Example 1 had better ionic conductivity than the ionic liquid alone.
As shown in FIG. 8, the proton conductive composite electrolyte membrane obtained in Example 1 showed a significant improvement in ionic conductivity with respect to the liquid state.
Also, the EMI m HSO 4, the ionic conductivity in the liquid state as one, the ionic liquid (EMI m HSO 4) a composite electrolyte membrane composed of the electrolyte membrane impregnated on porous silica film surface-modified with a sulfonic acid group The conductivity was compared. The result is shown in FIG. As can be seen from this graph, the electrolyte membrane made of a porous silica material impregnated with an ionic liquid (EMI m HSO 4 ) had an ionic conductivity improved by 5.5 times compared to the liquid state.

本発明の電解質膜の構造を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the electrolyte membrane of this invention typically. プロトン伝導性コンポジット型電解質膜の作製手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the preparation procedures of a proton conductive composite type electrolyte membrane. 無機多孔体の球状孔内の表面修飾手順の具体例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the specific example of the surface modification procedure in the spherical hole of an inorganic porous body. スルトン処理前後のIRスペクトルの計測例を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement example of IR spectrum before and after sultone processing. EDSスペクトルの計測例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a measurement of an EDS spectrum. 細孔径と官能基量(濃度)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a pore diameter and the amount of functional groups (concentration). コンポジット型電解質膜の断面SEM像を示す写真である。It is a photograph which shows the cross-sectional SEM image of a composite type electrolyte membrane. 実施例1及び比較例1で得られた電解質膜のイオン伝導度を示すグラフである。4 is a graph showing ionic conductivity of electrolyte membranes obtained in Example 1 and Comparative Example 1. イオン伝導度を比較したグラフである。It is the graph which compared ionic conductivity.

符号の説明Explanation of symbols

1 無機多孔体
2 電解質材料
3 電極材料
1 Inorganic porous material 2 Electrolyte material 3 Electrode material

Claims (5)

無機多孔体が有する複数の球状孔内に電解質材料を配設して成るプロトン伝導性コンポジット型電解質膜であって、
上記無機多孔体は、該無機多孔体内部に3次元的に存在する球状孔を有し、該球状孔同士が連通しており、
上記無機多孔体の気孔率が70〜90%であり、
上記無機多孔体は、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも1種の金属酸化物で形成されており、
上記無機多孔体は、球状孔内の表面にスルホン酸基を有し、
上記電解質材料は、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸水素塩を含む、ことを特徴とするプロトン伝導性コンポジット型電解質膜。
A proton conductive composite electrolyte membrane in which an electrolyte material is disposed in a plurality of spherical pores of an inorganic porous body,
The inorganic porous body has spherical holes that exist three-dimensionally in the inorganic porous body, and the spherical holes communicate with each other.
The inorganic porous body has a porosity of 70 to 90%,
The inorganic porous body is formed of at least one metal oxide selected from the group consisting of alumina, silica, titania and zirconia,
The inorganic porous body has a sulfonic acid group on the surface in the spherical hole,
A proton conductive composite electrolyte membrane, wherein the electrolyte material contains 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate which is an ionic liquid.
請求項1に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を適用したことを特徴とするエネルギーデバイス。   2. An energy device, wherein the proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 1 is applied. 請求項1に記載のプロトン伝導性コンポジット型電解質膜を適用したことを特徴とする燃料電池セル。   A fuel cell, wherein the proton conductive composite electrolyte membrane according to claim 1 is applied. 無機多孔体が有する複数の球状孔内に電解質材料を配設して成るプロトン伝導性コンポジット型電解質膜であって、
上記無機多孔体は、該無機多孔体内部に3次元的に存在する球状孔を有し、該球状孔同士が連通しており、
上記無機多孔体の気孔率が70〜90%であり、
上記無機多孔体は、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも1種の金属酸化物で形成されており、
上記無機多孔体は、球状孔内の表面にスルホン酸基を有し、
上記電解質材料は、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸水素塩を含む、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造するに当たり、次の工程
(1)溶媒に無機ゾルと球状有機樹脂を混合して懸濁液とする工程
(2)該懸濁液を攪拌し、濾過により製膜する工程
(3)濾過成形膜の余剰水分を除去し、乾燥させる工程
(4)濾過成形膜を加熱焼成し多孔膜とする工程
(5)該多孔膜の球状孔内へプロトン供与性官能基を導入する化学修飾工程
(6)導入官能基を球状孔内に定着させて無機多孔体とする工程
(7)得られた無機多孔体へ電解質材料を含浸させる工程
を行うプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法であって、
上記工程(5)において、無機多孔体の球状孔内の表面に水熱反応により水酸基を付加する又は表面に存在する水酸基を水熱反応により増加させ、更にシランカップリング剤によりメルカプト基を導入した後、過酸化水素水溶液中でメルカプト基を酸化処理して、スルホン酸基を導入することを特徴とするプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法。
A proton conductive composite electrolyte membrane in which an electrolyte material is disposed in a plurality of spherical pores of an inorganic porous body,
The inorganic porous body has spherical holes that exist three-dimensionally in the inorganic porous body, and the spherical holes communicate with each other.
The inorganic porous body has a porosity of 70 to 90%,
The inorganic porous body is formed of at least one metal oxide selected from the group consisting of alumina, silica, titania and zirconia,
The inorganic porous body has a sulfonic acid group on the surface in the spherical hole,
In producing the proton conductive composite type electrolyte membrane containing 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate which is an ionic liquid as the electrolyte material, the following step (1) Inorganic sol and spherical organic resin as solvent (2) A step of stirring the suspension and forming a film by filtration (3) A step of removing excess moisture from the filtration molded membrane and drying (4) A filtration molded membrane Step of heating and baking to form a porous membrane (5) Chemical modification step of introducing a proton-donating functional group into the spherical pores of the porous membrane (6) Step of fixing the introduced functional groups into the spherical pores to form an inorganic porous body (7) A method for producing a proton-conductive composite electrolyte membrane, which comprises a step of impregnating the obtained inorganic porous material with an electrolyte material,
In the above step (5), a hydroxyl group is added to the surface in the spherical pores of the inorganic porous body by a hydrothermal reaction or a hydroxyl group existing on the surface is increased by a hydrothermal reaction, and a mercapto group is further introduced by a silane coupling agent. Thereafter, a mercapto group is oxidized in a hydrogen peroxide solution to introduce a sulfonic acid group, thereby producing a proton conductive composite electrolyte membrane.
無機多孔体が有する複数の球状孔内に電解質材料を配設して成るプロトン伝導性コンポジット型電解質膜であって、
上記無機多孔体は、該無機多孔体内部に3次元的に存在する球状孔を有し、該球状孔同士が連通しており、
上記無機多孔体の気孔率が70〜90%であり、
上記無機多孔体は、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも1種の金属酸化物で形成されており、
上記無機多孔体は、球状孔内の表面にスルホン酸基を有し、
上記電解質材料は、イオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸水素塩を含む、プロトン伝導性コンポジット型電解質膜を製造するに当たり、次の工程
(1)溶媒に無機ゾルと球状有機樹脂を混合して懸濁液とする工程
(2)該懸濁液を攪拌し、濾過により製膜する工程
(3)濾過成形膜の余剰水分を除去し、乾燥させる工程
(4)濾過成形膜を加熱焼成し多孔膜とする工程
(5)該多孔膜の球状孔内へプロトン供与性官能基を導入する化学修飾工程
(6)導入官能基を球状孔内に定着させて無機多孔体とする工程
(7)得られた無機多孔体へ電解質材料を含浸させる工程
を行うプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法であって、
上記工程(5)において、無機多孔体の球状孔内の表面に水熱反応により水酸基を付加する又は表面に存在する水酸基を水熱反応により増加させ、更に1,3−プロパンスルトンとトルエン溶液中で反応させることにより、スルホン酸基を導入することを特徴とするプロトン伝導性コンポジット型電解質膜の製造方法。
A proton conductive composite electrolyte membrane in which an electrolyte material is disposed in a plurality of spherical pores of an inorganic porous body,
The inorganic porous body has spherical holes that exist three-dimensionally in the inorganic porous body, and the spherical holes communicate with each other.
The inorganic porous body has a porosity of 70 to 90%,
The inorganic porous body is formed of at least one metal oxide selected from the group consisting of alumina, silica, titania and zirconia,
The inorganic porous body has a sulfonic acid group on the surface in the spherical hole,
In producing the proton conductive composite type electrolyte membrane containing 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate which is an ionic liquid as the electrolyte material, the following step (1) Inorganic sol and spherical organic resin as solvent (2) A step of stirring the suspension and forming a film by filtration (3) A step of removing excess moisture from the filtration molded membrane and drying (4) A filtration molded membrane Step of heating and baking to form a porous membrane (5) Chemical modification step of introducing a proton-donating functional group into the spherical pores of the porous membrane (6) Step of fixing the introduced functional groups into the spherical pores to form an inorganic porous body (7) A method for producing a proton-conductive composite electrolyte membrane, which comprises a step of impregnating the obtained inorganic porous material with an electrolyte material,
In the step (5), a hydroxyl group is added to the surface in the spherical pores of the inorganic porous body by a hydrothermal reaction or the hydroxyl group present on the surface is increased by a hydrothermal reaction, and further in 1,3-propane sultone and toluene solution A method for producing a proton-conductive composite electrolyte membrane, wherein a sulfonic acid group is introduced by reacting in step (1).
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