JP5273654B2 - Novel proton conductor and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、大容量キャパシターや燃料電池に用いられている電気化学的エネルギー変換デバイス用プロトン伝導体の製造方法に関し、これを固体電解質として用いた大容量キャパシター並びに燃料電池に関する。 The present invention relates to a method for producing a proton conductor for an electrochemical energy conversion device used in a large-capacity capacitor or a fuel cell, and relates to a large-capacity capacitor and a fuel cell using the same as a solid electrolyte.
燃料電池は水素と酸素の化学反応により発電を行なうシステムである。反応生成物は原理的には水のみであるため、地球環境に与える負荷が小さいエネルギー源として大きな期待が寄せられている。このような世界的認識の高まりを背景として燃料電池の実用化技術の開発が緊急の社会要請となっている。燃料電池開発のための重要な技術要素として、高いプロトン伝導性能を持つ固体電解質材料の開発がある。現在、主に実用化研究が進められているのは、パーフルオロスルホン酸型陽イオン交換樹脂を用いた固体高分子型プロトン伝導体であるが、プロトンの移動媒体として水を必要とするなどの問題のため、作動温度の上限が通常は80℃程度までに限られるのが一般的である。 A fuel cell is a system that generates electricity by a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Since the reaction product is only water in principle, there is great expectation as an energy source with a small load on the global environment. The development of a practical technology for fuel cells has become an urgent social demand against the background of such global recognition. An important technical element for fuel cell development is the development of solid electrolyte materials with high proton conductivity. Currently, practical research is being conducted on solid polymer proton conductors using perfluorosulfonic acid type cation exchange resin, but water is required as a proton transfer medium. Due to problems, the upper limit of the operating temperature is generally limited to about 80 ° C.
一方、燃料電池の作動温度として好ましいのは、エネルギー効率、廃熱利用などの観点から、100℃以上、特に150℃以上と考えられている。この温度条件を満たす電解質材料として注目されているのが硫酸水素セシウムを代表とする無機固体酸である(特許文献1参照)。例えば、硫酸水素セシウムは143℃付近以上で構造相転移を起こし、超プロトン伝導相と呼ばれる高いプロトン伝導度を持つ固相状態に変化する。(超プロトン伝導相とは、10−3S/cm以上のプロトン伝導度を持つ固体状態をいう(非特許文献1参照)。)この超プロトン伝導相の状態を固体電解質材料として利用することにより、好ましい作動状況での燃料電池運転が可能となる。この他にも、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二硫酸水素三アンモニウム((NH4)3H(SO4)2)、リン酸二水素硫酸水素二セシウム(Cs2(HSO4)(H2PO4))、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)等、数種類の無機固体酸が同様の超プロトン伝導相を発現することが報告されている(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4参照)。
On the other hand, the preferred operating temperature of the fuel cell is considered to be 100 ° C. or higher, particularly 150 ° C. or higher, from the viewpoints of energy efficiency and waste heat utilization. An inorganic solid acid typified by cesium hydrogen sulfate is attracting attention as an electrolyte material that satisfies this temperature condition (see Patent Document 1). For example, cesium hydrogen sulfate undergoes a structural phase transition at around 143 ° C. or more, and changes to a solid phase state having a high proton conductivity called a super proton conduction phase. (The super proton conduction phase refers to a solid state having a proton conductivity of 10 −3 S / cm or more (see Non-Patent Document 1).) By using the state of this super proton conduction phase as a solid electrolyte material Therefore, the fuel cell can be operated in a preferable operating condition. In addition, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), triammonium hydrogen sulfate ((NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2 ), dicesium hydrogen bisulfate (Cs 2 (HSO 4 ) (H 2 PO 4 )), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), etc., several kinds of inorganic solid acids have been reported to exhibit the same superprotonic conduction phase (non-patent)
超プロトン伝導相への転移温度以下でも高いプロトン伝導性を発現させるため、シリカゲルのような微細孔を持つ物質と混合することで相転移を抑制する方法(特許文献2、非特許文献5、非特許文献6参照)や保水性を持つ有機ポリマーと混合して室温付近の伝導度を向上させる方法(特許文献3参照)などが知られている。これらは無機固体酸と、添加剤としての固体を混合して製造される点で共通しており、ここでは混合系プロトン伝導体と総称する。
In order to develop high proton conductivity even below the transition temperature to the super proton conducting phase, a method of suppressing phase transition by mixing with a substance having fine pores such as silica gel (
これらの混合系プロトン伝導体は一般に、材料の混合方法として無機固体酸の水溶液に添加剤としての固体を含浸する方法や、固体状態の無機固体酸と添加剤を乳鉢などで擦る方法など物理的な手法を用いて合成されるが、実際に燃料電池として動作させると起電力がやや低いという問題がある。(非特許文献5のFig.8)起電力が低いことはエネルギー変換デバイスとしての効率が損なわれることを意味し、競合技術に比べて高い効率を実現できることが特徴である燃料電池としては、是非解決しなければならない課題である。 In general, these mixed proton conductors are physically mixed, for example, by impregnating an aqueous solution of an inorganic solid acid with a solid as an additive, or by rubbing a solid inorganic solid acid and an additive with a mortar. However, there is a problem that the electromotive force is slightly low when actually operating as a fuel cell. (Fig. 8 of Non-Patent Document 5) A low electromotive force means that the efficiency as an energy conversion device is impaired, and as a fuel cell that is characterized by being able to achieve higher efficiency than competing technologies, It is a problem that must be solved.
起電力が低い理由として、非特許文献5では燃料電池として作動させる際に水素ガスが燃料極側から酸素極側に若干漏れ出すためであろうと結論付けている。また漏れの原因として、合成された材料の密度が低いことも指摘している。また、非特許文献5に開示されているとおり、この材料は一度加熱された後に冷却すると、可逆的に低温相に戻り、再び加熱した際に相転移を示す。このことは運転停止サイクルのたびに体積変化を伴う材料の変形が起きている可能性を示しており、微細な隙間が生じて水素ガスの漏れが生じるなどの機構によって燃料電池の性能が損なわれる可能性が否定できない。
As the reason for the low electromotive force, Non-Patent
また、動作時の抵抗損失による効率の低下を避けるために電気伝導度のいっそうの向上が必要であることはいうまでもない。従って、無機固体酸型電解質を実用化するためには、従来よりも電気伝導度が高く、かつ相転移がなく、起電力が高い、優れたプロトン伝導体の新しい製造方法が必要である。本発明は、従来よりも高い電気伝導度と電圧を得ることができ、相転移の問題を解決した電気化学的エネルギー変換デバイス用プロトン伝導体の新しい製造方法を提供し、このプロトン伝導体を固体電解質として用いた大容量キャパシタ及び燃料電池を提供する。 Needless to say, further improvement in electrical conductivity is necessary to avoid a decrease in efficiency due to resistance loss during operation. Therefore, in order to put the inorganic solid acid electrolyte into practical use, a new method for producing an excellent proton conductor having higher electric conductivity than the conventional one, no phase transition and high electromotive force is required. The present invention provides a new method for producing a proton conductor for an electrochemical energy conversion device, which can obtain a higher electric conductivity and voltage than conventional ones, and solves the problem of phase transition. Provided are a large-capacity capacitor and a fuel cell used as an electrolyte.
上記目的を達成するために本発明者らは鋭意研究を重ね、陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンYpOq j−を溶解したアルカリ性の溶液を第二の酸化物陰イオンXrOs k−の溶液で中和することを特徴とする、プロトン伝導体の製造方法を開発した。また、この中和反応によって合成された混合系プロトン伝導体が、従来の物理的な混合法を用いて製造されたプロトン伝導体と相転移挙動が異なるとともに、高い電気伝導度を示すこと、また燃料電池に利用した際に従来の混合系プロトン伝導体よりも高い電圧を発生することを見出した。 すなわち、本発明は、陽イオンRi+(RはNa、K、Rb、Csからなる群れより選ばれる元素の1種またはアンモニウムイオンから選ばれる1種である。)で示される陽イオンRi+と、第一の酸化物陰イオンYpOq j−(式中jは3〜4の整数であり、p、qは正の整数であり、YがAl、Siからなる群れより選ばれる元素の1種である。)で示される第一の酸化物陰イオンYpOq j−とを溶解したアルカリ性の水溶液を、第二の酸化物陰イオンXrOs k−(式中、kは1〜4の整数であり、XはP、S、Seからなる群れより選ばれる元素であり、r、sは正の整数である。)で示される第二の酸化物陰イオンXrOs k−の酸性水溶液と反応させたプロトン伝導体である。また、本発明においては、第一の酸化物陰イオンが非晶質の構造をとっており、第二の酸化物陰イオンがプロトンと結合していることができる。さらに、本発明は、150℃以上の温度まで加熱後、室温まで冷却し、さらに再度150℃まで加熱した際に、示差熱分析計によって相転移が観測されないプロトン伝導体である。また、本発明は、このようなプロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池である。さらに、本発明は、このようなプロトン伝導体を電解質に用いた大容量キャパシタである。 The present inventors to achieve the above object diligent research, cationic R i + a first oxidizing anions Y p O q alkaline solution of the j- second oxidizing anions X r O A method for producing a proton conductor, characterized by neutralizing with a solution of s k− , has been developed. In addition, the mixed proton conductor synthesized by this neutralization reaction has a different phase transition behavior from the proton conductor produced using the conventional physical mixing method, and exhibits high electrical conductivity, It has been found that when used in a fuel cell, a voltage higher than that of a conventional mixed proton conductor is generated. That is, the present invention is (are R Na, K, Rb, is one selected from one or ammonium ion of an element selected from the herd consisting of Cs.) Cation R i + a cation R i + represented by , First oxide anion Y p O q j- (wherein j is an integer of 3 to 4, p and q are positive integers, Y is an element selected from the group consisting of Al and Si) An alkaline aqueous solution in which the first oxide anion Y p O q j− represented by the formula (1) is dissolved, and the second oxide anion X r O s k− (wherein k is 1 to 4). X is an element selected from the group consisting of P, S, and Se, and r and s are positive integers.) The acidity of the second oxide anion X r O s k- A proton conductor reacted with an aqueous solution. In the present invention, the first oxide anion has an amorphous structure, and the second oxide anion can be bonded to a proton. Furthermore, the present invention is a proton conductor in which no phase transition is observed by a differential thermal analyzer when it is heated to a temperature of 150 ° C. or higher, cooled to room temperature, and further heated to 150 ° C. The present invention also provides a fuel cell using such a proton conductor as an electrolyte. Furthermore, the present invention is a large capacity capacitor using such a proton conductor as an electrolyte.
また、本発明は、陽イオンRi+(RはNa、K、Rb、Csからなる群れより選ばれる元素の1種またはアンモニウムイオンから選ばれる1種である。)で示される陽イオンRi+と、第一の酸化物陰イオンYpOq j−(式中、jは1〜4の整数であり、p、qは正の整数であり、YがAl、Siからなる群れより選ばれる元素の1種である。)で示される第一の酸化物陰イオンYpOq j−とを溶解したアルカリ性の水溶液を、第二の酸化物陰イオンXrOs k−(式中、kは1〜4の整数であり、XはP、S、Seからなる群れより選ばれる元素であり、r、sは正の整数である。)で示される第二の酸化物陰イオンXrOs k−の酸性水溶液と反応させることによるプロトン伝導体の製造方法である。さらに、本発明においては、陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンYpOq j−の組成比を、陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンYpOq j−が溶解したアルカリ性の水溶液が、第一の酸化物を所要量だけ溶存させることができる範囲の組成比とすることができる。またさらに、本発明においては、第一の酸化物陰イオンYpOq j−と第二の酸化物陰イオンXrOs k−による中和反応において、用いる二種類の酸化物陰イオン水溶液の濃度を調節することにより、電解質の特性をコントロールすることができる。 また、本発明においては、第一の酸化物陰イオンYpOq j−と第二の酸化物陰イオンXrOs k−による中和反応において、用いる二種類の酸化物陰イオン水溶液の比率を調節することにより、電解質の特性をコントロールすることができる。さらに、本発明はこのようなプロトン伝導体を、150から300℃において熱処理を行うことを特徴とするプロトン伝導体の活性化方法である。 Further, the present invention is (are R Na, K, Rb, is one selected from one or ammonium ion of an element selected from the herd consisting of Cs.) Cation R i + a cation R i + represented by during the first oxide anions Y p O q j- (wherein, j is an integer from 1 to 4, p, q are positive integers, Y is Al, an element selected from the herd consisting of Si An alkaline aqueous solution in which the first oxide anion Y p O q j− represented by the formula (1) is dissolved, and the second oxide anion X r O s k− (wherein k is 1 to X is an element selected from the group consisting of P, S, and Se, and r and s are positive integers.) Of the second oxide anion X r O s k- This is a method for producing a proton conductor by reacting with an acidic aqueous solution. Further, in the present invention, the cation R i + a first oxide anion Y p O q j- composition ratio of alkalinity j- cation R i + a first oxidizing anions Y p O q is dissolved The composition ratio of the aqueous solution can be such that the required amount of the first oxide can be dissolved. Furthermore, in the present invention, in the neutralization reaction by first oxidizing anions Y p O q j- and the second oxidizing anions X r O s k-, the concentration of the two kinds of oxide anions aqueous solution used By adjusting, the characteristics of the electrolyte can be controlled. In the present invention, adjusted in the neutralization reaction by first oxidizing anions Y p O q j- and the second oxidizing anions X r O s k-, the ratio of the two kinds of oxide anions aqueous solution used By doing so, the characteristics of the electrolyte can be controlled. Furthermore, the present invention is a method of activating a proton conductor characterized in that such a proton conductor is heat-treated at 150 to 300 ° C.
本発明は、新しいプロトン伝導体であり、従来の物理的な混合法を用いて製造されたプロトン伝導体と異なった相転移挙動を示す、高いプロトン伝導度を示す混合系プロトン伝導体を作成することができる。さらに、本発明においては、陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンと第二の酸化物陰イオンの添加割合により、種々の特性を有するプロトン伝導体を作ることができる。また燃料電池に利用した際に従来の混合系プロトン伝導体よりも高い電圧を得ることができる。 The present invention is a new proton conductor, and produces a mixed proton conductor exhibiting high proton conductivity and exhibiting a phase transition behavior different from that of a proton conductor manufactured by using a conventional physical mixing method. be able to. Furthermore, in this invention, the proton conductor which has various characteristics can be made with the addition ratio of cation Ri + , 1st oxide anion, and 2nd oxide anion. Further, when used in a fuel cell, a voltage higher than that of a conventional mixed proton conductor can be obtained.
本発明における、陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンYpOq j−を溶解したアルカリ性
の水溶液を第二の酸化物陰イオンXrOs k−の酸性水溶液と反応させることによるプロトン伝導体の製造方法を、詳しく述べる。 陽イオンRi+は特に限定されないが、長周期型周期律表第1A族、第4A族および第4B族の元素からなるイオン、およびアンモニウムイオンから選ばれる少なくとも1種を好ましく用いることができる。例えば、Na+、K+,Cs+,Rb+などのアルカリ金属イオンが好ましいが、これに限定されない。
In the present invention, the proton conductivity by reacting with a cation R i + a first oxidizing anions Y p O q j- shadows oxidizing alkaline aqueous solution prepared by dissolving the second ion X r O s k-acidic aqueous solution The body manufacturing method will be described in detail. Although the cation R i + is not particularly limited, at least one selected from ions consisting of elements of Group 1A, Group 4A and Group 4B of the long-period periodic table, and ammonium ion can be preferably used. For example, alkali metal ions such as Na + , K + , Cs + , Rb + are preferable, but not limited thereto.
第一の酸化物陰イオンYpOq j−はY=B,Al,Si,Y,Sc,Laである元素の酸化物から選ばれる1種を好ましく用いることができるがこれに限定されない。とくにケイ酸イオンが好ましい。ケイ酸イオンとしては、オルトケイ酸イオンSiO4 4−の他にSiO3 2−、Si2O7 6−、Si4O11 6−,Si6O18 12−など多様な化学種が知られている。 第二の酸化物陰イオンとしては、オキソ酸の陰イオンXrOs k−が好ましく、代表的には(SO4)2−,(PO4)3−,(SeO4)2−,(ClO4)−を挙げることが出来るがこれに限定されない。 陽イオンと第一の酸化物陰イオンの組み合わせは、アルカリ性の水溶液を構成することができればとくに限定されないが、Na+,K+,Cs+,Rb+などのアルカリ金属イオンとケイ酸イオンからなる組み合わせを特に好ましく用いることができる。 First oxidizing anions Y p O q j- is Y = B, Al, Si, Y, Sc, can be preferably used one selected from oxides of the elements is La not limited thereto. Silicate ions are particularly preferable. As silicate ions, various chemical species such as SiO 3 2− , Si 2 O 7 6− , Si 4 O 11 6− , Si 6 O 18 12− are known in addition to orthosilicate ions SiO 4 4−. Yes. The second oxidizing anions, preferably k- anion X r O s of oxo acids, typically (SO 4) 2-, (PO 4) 3-, (SeO 4) 2-, (ClO 4) - can be mentioned but not limited to this. The combination of the cation and the first oxide anion is not particularly limited as long as an alkaline aqueous solution can be formed, but a combination of alkali metal ions such as Na + , K + , Cs + and Rb + and silicate ions. Can be used particularly preferably.
陽イオンと第二の酸化物陰イオンの組み合わせは、上記のものであればとくに限定されないが、無機固体酸型プロトン伝導体を構成することが知られているものであれば特に好ましい。このような物質としては、CsHSO4の他に、CsH2PO4,KH2PO4, KHSO4, NH4HSO4,RbHSO4, CsHSeO4, Rb3H(SeO4)2,(NH4)3H(SO4)2,K3H(SO4)2,H3OClO4などが知られている。また、陰イオンを二種類以上含む、混酸タイプもあり、Cs2(HSO4)(H2PO4),Cs3(HSO4)2[H2−x(P1−xSx)O4]といったものが知られている。 第一の酸化物陰イオンと第二の酸化物陰イオンの組み合わせは、上記のものであればとくに限定されないが、相互に反応して安定な無機化合物を生じるものが特に好ましい。このような組み合わせを例示すると、第一の酸化物陰イオンがケイ酸、第二の酸化物陰イオンとしてリン酸を挙げることができるが、この二種類の酸化物を混合後加熱するとSiP2O7という安定な化合物を生じることが知られており、本発明においてこの組み合わせを用いた場合、安定な固体を生じることが期待できる。同様の効果が期待できる組み合わせを例示するならば、リン酸アルミニウムを生成する、第一の酸化物陰イオンとしてアルミン酸イオン(AlO3 3-)、第二の酸化物陰イオンとしてリン酸イオンの組み合わせを挙げることができる。 The combination of the cation and the second oxide anion is not particularly limited as long as it is the above, but it is particularly preferable if it is known to constitute an inorganic solid acid proton conductor. Examples of such substances include CsHSO 4 , CsH 2 PO 4 , KH 2 PO 4 , KHSO 4 , NH 4 HSO 4 , RbHSO 4 , CsHSeO 4 , Rb 3 H (SeO 4 ) 2 , (NH 4 ). 3 H (SO 4 ) 2 , K 3 H (SO 4 ) 2 , H 3 OClO 4 and the like are known. Moreover, there is also a mixed acid type containing two or more types of anions, Cs 2 (HSO 4 ) (H 2 PO 4 ), Cs 3 (HSO 4 ) 2 [H 2-x (P 1-x S x ) O 4 ] Is known. The combination of the first oxide anion and the second oxide anion is not particularly limited as long as it is as described above, but those that react with each other to produce a stable inorganic compound are particularly preferable. As an example of such a combination, silicic acid can be cited as the first oxide anion, and phosphoric acid can be cited as the second oxide anion. When these two types of oxides are mixed and heated, they are referred to as SiP 2 O 7. It is known to produce a stable compound, and when this combination is used in the present invention, it can be expected to produce a stable solid. By way of example a combination the same effect can be expected to produce aluminum phosphate, the first oxide anions as aluminate ions (AlO 3 3-), the combination of phosphate ions as the second oxide anions Can be mentioned.
本発明における、陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンYpOq j−を溶解したアルカリ性の水溶液を第二の酸化物陰イオンXrOs k−の酸性水溶液と反応させる手段は、公知技術を用いることができる。例えばマグネチックスターラーのようなものでアルカリ性の水溶液を攪拌しながら酸性水溶液を一滴ずつ滴下していくことができる。反応温度は常温でよいが、加熱あるいは冷却された状態で行うこともできる。滴下する速度は、滴下終了まで10秒から3時間程度が好ましいが、加減しても良い。滴下の際に、溶液のpHを監視しながら行い、途中で滴下を休止したり再開する手順をとっても良い。とくに、第一の酸化物としてケイ酸を用いた場合はケイ酸塩の析出が始まるpH10付近で滴下を休止することで析出する物質の微細構造に影響を与える可能性が高い。また、定められたpHへの到達を持って滴下終了とすることで、再現性を向上させることができる。 陽イオンRi+と第一の酸化物陰イオンYpOq j−を溶解したアルカリ性の水溶液の組成は、第一の酸化物を所要量だけ溶存させることができるものであれば任意の割合でよいが、たとえばセシウムとケイ酸の場合はCs4SiO4のように良く知られた水溶性化合物の組成を好ましく用いることができる。
In the present invention, the cation R i + a first oxidizing anions Y p O q j- shadows oxidizing alkaline aqueous solution prepared by dissolving the second ion X r O s k-means to react with the acidic aqueous solution of a known Technology can be used. For example, an acidic aqueous solution can be dropped dropwise while stirring an alkaline aqueous solution with a magnetic stirrer. The reaction temperature may be room temperature, but it can also be carried out in a heated or cooled state. The dropping speed is preferably about 10 seconds to 3 hours until the dropping is completed, but may be adjusted. When dropping, it may be performed while monitoring the pH of the solution, and a procedure for stopping or restarting dropping may be taken. In particular, when silicic acid is used as the first oxide, there is a high possibility of affecting the fine structure of the precipitated substance by stopping the dropping at around
また、中和反応に用いる二種類の水溶液の濃度は得られる電解質の特性が最良となるように加減することができる。また、二種類の水溶液の比率は得られる電解質の特性が最良となるように加減することができる。この比率の管理が必要である場合には、中和終了時のpHを用いると簡便である。 反応が完了した後は、溶液から水分を取り除くことによって固形の製品を得ることができるが、乾燥させる手段は特に限定されない。例えば150℃程度のホットプレートによる加熱や、真空乾燥、乾燥剤との接触など公知技術を用いることができる。 乾燥によって得られた固体を成型する手段は公知技術を用いることができる。たとえば油圧プレスによって加圧成型しても良いがこれに限定されず、溶媒に混和して塗布する方法を用いても良い。さらに前記の乾燥工程と一括して進めるため、反応完了後ただちに溶液のまま塗布し、そのまま乾燥させて目的の形状を得る方法をとっても良い。 Further, the concentrations of the two types of aqueous solutions used for the neutralization reaction can be adjusted so as to obtain the best characteristics of the obtained electrolyte. Further, the ratio of the two types of aqueous solutions can be adjusted so as to obtain the best characteristics of the electrolyte obtained. When it is necessary to manage this ratio, it is convenient to use the pH at the end of neutralization. After the reaction is completed, a solid product can be obtained by removing moisture from the solution, but the means for drying is not particularly limited. For example, known techniques such as heating with a hot plate at about 150 ° C., vacuum drying, and contact with a desiccant can be used. A known technique can be used as a means for molding the solid obtained by drying. For example, pressure molding may be performed by a hydraulic press, but the method is not limited to this, and a method of coating by mixing with a solvent may be used. Further, in order to proceed with the above drying step in a lump, a method of applying the solution as it is after completion of the reaction and drying it as it is to obtain a desired shape may be adopted.
前記の乾燥工程と一括して進める例としては、あらかじめ用意された第一の電極板の上に中和反応を終えた溶液を噴霧堆積させ、加熱乾燥した後に第二の電極板を重ねるような燃料電池の製造法が挙げられる。もちろん、前記のように油圧プレスによって加圧成型した電解質に第一の電極版と第二の電極板を圧着して燃料電池を製造することもできる。 得られた固体電解質、あるいはそれを組み込んだ大容量キャパシタや燃料電池は、熱処理を行って性能を向上させる、活性化方法をとることができる。 熱処理を行う温度は特に限定されないが、例えば190℃で数十分加熱することで、それより低い温度例えば150℃での性能を向上させることができる。熱処理を行う温度を決定するにあたって、示差熱分析DTAは有用である。たとえば、試料の温度を上昇させたときに150℃に大きな吸熱ピークがみられる固体電解質であれば、150℃以上で熱処理を行うことで、それ以下の温度における特性例えば電気伝導度、燃料電池セルの起電力、出力電力を向上させることができる。 As an example of proceeding together with the drying step, the solution after completion of the neutralization reaction is spray deposited on the first electrode plate prepared in advance, and the second electrode plate is stacked after heat drying. A method for producing a fuel cell may be mentioned. Of course, the fuel cell can also be manufactured by pressure-bonding the first electrode plate and the second electrode plate to the electrolyte press-molded by the hydraulic press as described above. The obtained solid electrolyte, or a large-capacity capacitor and a fuel cell incorporating the solid electrolyte can be activated by heat treatment to improve performance. The temperature at which the heat treatment is performed is not particularly limited. For example, by heating for several tens of minutes at 190 ° C., performance at a lower temperature such as 150 ° C. can be improved. In determining the temperature at which the heat treatment is performed, the differential thermal analysis DTA is useful. For example, if the solid electrolyte has a large endothermic peak at 150 ° C. when the temperature of the sample is increased, the heat treatment is performed at 150 ° C. or higher, and characteristics at lower temperatures such as electrical conductivity, fuel cell, etc. The electromotive force and output power can be improved.
はじめに陽イオンCs+と第一の酸化物陰イオンSiO4 4−を溶解したアルカリ性の水溶液を用意した。
この水溶液の製造法は特に限定されないが、例えば以下の方法を用いることができる。
ムライトるつぼに無水けい酸SiO2 [Mw=60.084]3.00gおよび炭酸セシウムCs2CO3 [Mw=325.819]32.54gを量り取り、電気炉で990℃まで加熱したところ完全に溶融したので約20分後にアルミ板に流しだして固化した。この固体を粉砕し、得られた固体2.71gに水を加えて完全に溶解し全容を35mlとして、陽イオンCs+と第一の酸化物陰イオンSiO4 4−を溶解したアルカリ性の水溶液を得た。
この水溶液を攪拌しながら、第二の酸化物陰イオンPO4 3-を含む酸性の水溶液である、リン酸水溶液(液状リン酸[85%, MW=97.995]10mlを全容50mlにしたもの)を滴下したところ溶液はしだいにゲル状になった。リン酸水溶液を8.91ml滴下したところで操作を終了した。なおリン酸水溶液を滴下する量を加減することによって得られるプロトン伝導体の電気伝導度は変化する。
First, an alkaline aqueous solution in which the cation Cs + and the first oxide anion SiO 4 4− were dissolved was prepared.
Although the manufacturing method of this aqueous solution is not specifically limited, For example, the following method can be used.
A mullite crucible was weighed with 3.00 g of silicic acid SiO 2 [Mw = 60.08] and cesium carbonate Cs 2 CO 3 [Mw = 325.819] and heated to 990 ° C. completely in an electric furnace. Since it melted, it was poured into an aluminum plate after about 20 minutes and solidified. This solid is pulverized, and water is added to the obtained solid (2.71 g) to completely dissolve it to a total volume of 35 ml to obtain an alkaline aqueous solution in which the cation Cs + and the first oxide anion SiO 4 4- are dissolved. It was.
While stirring this aqueous solution, an aqueous phosphoric acid solution (an aqueous solution containing 10% liquid phosphoric acid [85%, MW = 97.995] in a total volume of 50 ml) containing the second oxide anion PO 4 3− As the solution was added dropwise, the solution gradually became a gel. The operation was terminated when 8.91 ml of an aqueous phosphoric acid solution was dropped. In addition, the electrical conductivity of the proton conductor obtained by adjusting the amount of the phosphoric acid aqueous solution dripped changes.
得られたゲル状の溶液をホットプレート上で蒸発固化させた。この固体の粉末X線回折測定を行ったところ、同じ元素から構成されている、非特許文献5に開示されている物質とは異なる回折図形を示した。(図1)非特許文献5では第一の酸化物に相当するケイ酸が結晶性のSiP2O7を構成しており、回折図形はSiP2O7とCsH5(PO4)2の和となっている。これに対し、図1ではSiP2O7の回折ピークが見られず、CsH5(PO4)2と極めて少量のCsH2PO4からなると思われる回折図形を示している。以上のことから、非特許文献5に開示されている物質と構造が異なることは明らかである。
The obtained gel-like solution was evaporated and solidified on a hot plate. When this solid X-ray powder diffraction measurement was performed, a diffraction pattern different from that of the substance disclosed in
この固体を加熱しながら粉末X線回折測定を行ったところ、140℃付近で回折が消失し、アモルファスからと思われる散乱が観察された。200℃まで加熱して20分間温度を維持した後、室温まで冷却して粉末X線回折測定を行ったところ、同様のアモルファス状散乱のみが観察された。そのまま室温で3時間放置し粉末X線回折測定を行ったところ、やはり同様のアモルファス状散乱のみが観察された。(図2)なお、2−theta=38.4度付近に見られる回折ピークは、試料ホルダーのアルミニウムからの回折である。非特許文献4では、CsH5(PO4)2を融点(約153℃)で融解した後、冷却すると結晶性成分が現れることが記述されている。この点において、非特許文献4に開示されている物質とは異なる物質が生成したものと考えられる。 Powder X-ray diffraction measurement was performed while heating this solid. As a result, the diffraction disappeared at around 140 ° C., and the scattering considered to be amorphous was observed. After heating to 200 ° C. and maintaining the temperature for 20 minutes, the powder was cooled to room temperature and subjected to powder X-ray diffraction measurement. As a result, only similar amorphous scattering was observed. When the powder X-ray diffraction measurement was performed by allowing it to stand at room temperature for 3 hours as it was, only the similar amorphous scattering was observed. (FIG. 2) Note that the diffraction peak observed near 2-theta = 38.4 degrees is diffraction from aluminum of the sample holder. Non-Patent Document 4 describes that when CsH 5 (PO 4 ) 2 is melted at a melting point (about 153 ° C.) and then cooled, a crystalline component appears. In this respect, it is considered that a substance different from the substance disclosed in Non-Patent Document 4 is generated.
この固体を型に充填し、直径15.0mm厚さ1.6mmペレットを392MPaの油圧プレスを用いて成型、作成した。このペレットを厚み方向に破断し、へき開面を操作型電子顕微鏡(SEM)で観察し、さらにエネルギー分散型X線検出器(EDX)で元素分布を調べた。結果を図15から図19に示す。ペレット全体にわたり、ほぼ均一な構造と組成であることがわかる。比較例1で示すように、特許文献2に記載された固体酸とシリカゲルを物理的に混合する方法から得られたプロトン伝導体では、SiがSiO2として粗大粒子および粉砕された微細粒子が観察された。このことから、特許文献2に記載されているプロトン伝導体とは構造が異なることは明らかである。
This solid was filled in a mold, and a pellet having a diameter of 15.0 mm and a thickness of 1.6 mm was molded and prepared using a hydraulic press having a pressure of 392 MPa. The pellet was broken in the thickness direction, the cleavage plane was observed with a manipulation electron microscope (SEM), and the element distribution was examined with an energy dispersive X-ray detector (EDX). The results are shown in FIGS. It can be seen that the structure and composition are almost uniform throughout the pellet. As shown in Comparative Example 1, in the proton conductor obtained from the method of physically mixing the solid acid and silica gel described in
この固体を型に充填し、直径15.0mm厚さ1.6mmペレットを392MPaの油圧プレスを用いて成型、作成した。ペレットには直径13.00mmの白金担持炭素電極(Pt/C電極)を取り付けた。このペレットを用いて電気伝導率を評価した。プロトン伝導性の測定装置は、特許文献3で用いたものと同じものを用いた。まず、乾燥N2ガス雰囲気および湿潤N2ガス雰囲気における温度依存性を調べた。結果を図3および図4に示す。図中には比較のためにCsH2PO4の測定結果も示した。 3回目、4回目も2回目とほぼ同じ特性を示した。
乾燥雰囲気では、CsH2PO4単体と比較して全ての温度領域にわたって高い伝導率を示した。特に、相転移温度(約200℃)以下の伝導率が高く、相転移による伝導度ジャンプが見られなかった。
200℃付近における電気伝導度は、非特許文献5に記載されている電気伝導度の値よりも明らかに高かった。
図3に示す電気伝導率の温度依存性は、非特許文献4に記載されているCsH5(PO4)2のそれと類似しており、プロトン伝導のメカニズムにはリン酸ユニットを含む新規物質がかかわっていると推測される。
This solid was filled in a mold, and a pellet having a diameter of 15.0 mm and a thickness of 1.6 mm was molded and prepared using a hydraulic press having a pressure of 392 MPa. A platinum-supporting carbon electrode (Pt / C electrode) having a diameter of 13.00 mm was attached to the pellet. The electrical conductivity was evaluated using this pellet. The same proton conductivity measuring apparatus as that used in
In a dry atmosphere, high conductivity was exhibited over the entire temperature range as compared with CsH 2 PO 4 alone. In particular, the conductivity was high below the phase transition temperature (about 200 ° C.), and no conductivity jump due to the phase transition was observed.
The electric conductivity in the vicinity of 200 ° C. was clearly higher than the electric conductivity value described in
The temperature dependence of the electrical conductivity shown in FIG. 3 is similar to that of CsH 5 (PO 4 ) 2 described in Non-Patent Document 4, and a novel substance containing a phosphate unit is used for the mechanism of proton conduction. Presumed to be involved.
次にペレットのTG(熱重量分析)およびDTA(示差熱分析)測定を乾燥N2ガス及び湿潤N2ガス気流下で行った。結果を図4から7に示す。図5は乾燥窒素ガスを流しながら昇温する測定を二度行った際のTG測定結果である。昇温1回目に脱水反応と考えられる重量減少が認められるが、それが収束した後、二回目には重量変化が見られなくなることから、安定な物質が得られたことが分かる。
図6は同時に測定されたDTA測定の結果である。DTA測定では、昇温1回目で140℃付近に現れた吸熱ピークが昇温2回目では見られなくなった。これは、1回目の昇温時に非可逆的な変化が起きて相転移が消失したものと考えられる。また、CsH2PO4で起こる220℃付近の相転移にともなう吸熱も観察されなかった。このことは、このプロトン伝導体に含まれるリン酸塩は、CsH2PO4とは異なる物質であることを示している。
湿潤雰囲気において同様に2回繰り返しの測定を行った図7と図8においても同様であったことから、湿潤雰囲気においても安定で、相転移が消失していることが分かる。
The pellets were then subjected to TG (thermogravimetric analysis) and DTA (differential thermal analysis) measurements under dry N 2 gas and wet N 2 gas streams. The results are shown in FIGS. FIG. 5 shows a TG measurement result when the temperature is raised twice while flowing dry nitrogen gas. A decrease in weight, which is considered to be a dehydration reaction, is observed at the first temperature rise, but after it converges, no change in weight is observed at the second time, indicating that a stable substance was obtained.
FIG. 6 shows the result of the DTA measurement simultaneously measured. In the DTA measurement, the endothermic peak that appeared in the vicinity of 140 ° C. at the first temperature increase was not observed at the second temperature increase. This is thought to be due to the irreversible change at the first temperature rise and the disappearance of the phase transition. Further, no endotherm accompanying the phase transition around 220 ° C. occurring in CsH 2 PO 4 was observed. This indicates that the phosphate contained in the proton conductor is a substance different from CsH 2 PO 4 .
7 and 8 in which the measurement was repeated twice in the same manner in a humid atmosphere, it was found that the phase transition was stable even in the wet atmosphere and disappeared.
このペレットを用いて、燃料電池のセルを構成し、発電試験を行った結果を図9から12に示す。測定には加湿していない空気と水素ガスを用いた。
図9は、セルの温度を150℃に上昇させたときの電流電圧特性と出力電力のグラフである。開回路電圧(OCV)は0.703Vであった。
図10は、さらに195度に上昇させて測定を行った結果で、OCVは0.910Vであり、非特許文献5のFig.8に開示されているOCV0.75Vと比較して約0.15V高かった。出力は19.5mw/cm2であった。
FIGS. 9 to 12 show the results of a fuel cell constructed using this pellet and subjected to a power generation test. For measurement, unhumidified air and hydrogen gas were used.
FIG. 9 is a graph of current-voltage characteristics and output power when the cell temperature is raised to 150 ° C. The open circuit voltage (OCV) was 0.703V.
FIG. 10 shows the result of further increasing the temperature to 195 degrees, the OCV is 0.910 V, and FIG. Compared to the OCV of 0.75 V disclosed in FIG. The output was 19.5 mw / cm 2 .
再起動時の性能を測定するために、図9の測定の後セルを室温まで冷却し、再び150℃に加熱して測定を行った結果が図11である。OCVは0.908Vであり、最初の加熱を行うことによって電解質が活性化され、150℃でも高いOCVが得られる状態に変化したことがわかる。
同様の試験を別の試料に対して行ったところ、図12に示すように165℃で0.955Vの開回路電圧が得られた。
In order to measure the performance at the time of restart, FIG. 11 shows the result of the measurement after cooling the cell to room temperature after the measurement of FIG. 9 and heating it to 150 ° C. again. The OCV is 0.908 V, and it can be seen that the electrolyte was activated by the first heating, and changed to a state where a high OCV was obtained even at 150 ° C.
When a similar test was performed on another sample, an open circuit voltage of 0.955 V was obtained at 165 ° C. as shown in FIG.
実施例1で得られる固体の第一の酸化物陰イオン部分の構造を既存の二酸化ケイ素と比べるために、実施例1で得た固体を蒸留水を加えて第二の酸化物陰イオンを溶解し、不溶物を吸引ろ過し、蒸留水による洗浄を行った後に風乾して測定用試料とした。
この測定用試料のラマン散乱スペクトル及び赤外吸収スペクトルを室温で測定した。ラマン散乱スペクトルは、波長488nmのアルゴンレーザー光を光源に用いた。赤外吸収スペクトルは、ダイヤモンドアンビル・セルで挟み厚みを薄くした状態で測定した。結果を図13および14に示す。既存の不定形二酸化ケイ素の例として、同様にして測定したシリカゲル乾燥剤のスペクトルを併せて示す。図13のラマン散乱スペクトルにおいて、350及び1000 cm-1付近のピークプロファイルが特徴的であり、既存の二酸化ケイ素と異なる構造であることがわかる。図14の赤外吸収スペクトルでは、Si-O-Si結合に起因する450 cm-1付近のrocking mode、800, 1000 cm-1付近のbending mode、1100 cm-1付近のstretching modeが観測され、第一の酸化物陰イオン部分がSi-O-Si結合を有することがわかる。さらに1000 cm-1付近のbending modeのピーク位置が異なることから、微細な構造は既存の二酸化ケイ素とは異なっていることが赤外吸収スペクトルからもわかる。
(比較例1)
In order to compare the structure of the solid first oxide anion portion obtained in Example 1 with existing silicon dioxide, the solid obtained in Example 1 was added with distilled water to dissolve the second oxide anion, Insoluble matter was suction filtered, washed with distilled water, and then air-dried to obtain a measurement sample.
The Raman scattering spectrum and infrared absorption spectrum of this measurement sample were measured at room temperature. For the Raman scattering spectrum, argon laser light having a wavelength of 488 nm was used as a light source. The infrared absorption spectrum was measured with a diamond anvil cell sandwiched with a small thickness. The results are shown in FIGS. As an example of the existing amorphous silicon dioxide, the spectrum of the silica gel desiccant measured in the same manner is also shown. In the Raman scattering spectrum of FIG. 13, the peak profiles near 350 and 1000 cm −1 are characteristic, and it can be seen that the structure is different from existing silicon dioxide. In the infrared absorption spectrum of FIG. 14, a rocking mode near 450 cm-1, due to Si-O-Si bond, a bending mode near 800, 1000 cm-1, and a stretching mode near 1100 cm-1 are observed. It can be seen that the first oxide anion portion has a Si—O—Si bond. Furthermore, since the peak position of the bending mode near 1000 cm-1 is different, it can be seen from the infrared absorption spectrum that the fine structure is different from existing silicon dioxide.
(Comparative Example 1)
実施例1で作成したプロトン伝導体と比較するため、特許文献2で開示されているリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とシリカゲルSiO2を、物理的に混合した試料を作成し、その構造をSEMで観察した。混合比CsH2PO4:SiO2 =
69.9 :30.1 (モル 比)=89.9 : 10.1 (重量比)で混合した粉末CsH2PO4/SiO2を試作し試料とした。(ここで、SiO2はNa2SiO3から作られる。)混合粉末であるCsH2PO4/SiO2はハンドプレスでー方向に加圧され、ペレット状に成形した後、EDXにてO,P,Si、Cs元素の分析を行った。(図20から図24)
図22に示したようにSiの分析でSiがSiO2として粗大粒子および粉砕された微細粒子が観察された。実施例1による本製造方法による混合物のEDX分析では、図17に示すようにSiはほぼ均一に分散されている。このことから、特許文献2に記載されているプロトン伝導体と本発明に係るプロトン伝導体の構造が異なることは明らかである。
In order to compare with the proton conductor prepared in Example 1, a sample was prepared by physically mixing cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silica gel SiO 2 disclosed in
A powder CsH 2 PO 4 / SiO 2 mixed at 69.9: 30.1 (molar ratio) = 89.9: 10.1 (weight ratio) was produced as a sample. (Here, SiO 2 is made of Na 2 SiO 3. ) CsH 2 PO 4 / SiO 2 which is a mixed powder is pressed in the negative direction with a hand press and molded into a pellet shape, and then O, P, Si, and Cs elements were analyzed. (FIGS. 20 to 24)
As shown in FIG. 22, in the analysis of Si, coarse particles and fine particles obtained by pulverizing Si as SiO 2 were observed. In the EDX analysis of the mixture by this manufacturing method according to Example 1, Si is almost uniformly dispersed as shown in FIG. From this, it is clear that the structure of the proton conductor described in
水酸化カリウムKOH[Mw=56.11]2.24gを量り取り、これを入れた10mlのムライトるつぼに水酸化アルミニウムAl(OH)3[Mw=78]0.78gを入れて、電気炉で加熱した。430℃で蒸発するような音がしたので加熱を休止し、音が収まるのを待って980℃まで加熱した。10分間保持した後放冷したところ、未反応のアルミナと思われる少量のやや褐色がかった粉末以外は白い固体に変化していた。得られた白い固体をを粉砕し、その固体0.20gに水を20g加えて溶解し、5cのろ紙でろ過し陽イオンK+と第一の酸化物AlO3 3−を溶解したアルカリ性の水溶液を得た。
この水溶液を攪拌しながら、第二の酸化物PO4 3−を含む酸性の水溶液である、リン酸水溶液(液状リン酸[85%, MW=97.995]10mlを全容50mlにしたもの)を滴下した。溶液のpHが3.03になったところで、溶液をホットプレート上で蒸発固化させ、プロトン伝導体を得た。
Weigh out 2.24 g of potassium hydroxide KOH [Mw = 56.11] and put 0.78 g of aluminum hydroxide Al (OH) 3 [Mw = 78] in a 10 ml mullite crucible containing the potassium hydroxide. Heated. Since a sound that evaporates at 430 ° C. was heard, the heating was stopped, and the sample was heated to 980 ° C. after the sound had subsided. When it was allowed to cool after being held for 10 minutes, it turned into a white solid except for a small amount of a slightly brownish powder that seemed to be unreacted alumina. The obtained white solid was pulverized, 20 g of water was dissolved in 0.20 g of the solid, dissolved, and filtered through 5c filter paper to dissolve the cation K + and the first oxide AlO 3 3- in an alkaline aqueous solution. Got.
While stirring this aqueous solution, an aqueous solution of phosphoric acid (10 ml of liquid phosphoric acid [85%, MW = 97.995] in a total volume of 50 ml), which is an acidic aqueous solution containing the second oxide PO 4 3- It was dripped. When the pH of the solution reached 3.03, the solution was evaporated and solidified on a hot plate to obtain a proton conductor.
るつぼに無水けい酸SiO2 [Mw=60.084]3.00gおよび炭酸セシウムCs2CO3 [Mw=325.819]32.5gを量り取り、電気炉で990℃まで加熱したところ完全に溶融したので約20分後にアルミ板に流しだして固化した。この固体を粉砕し、得られた固体0.61gに水を20g加えて完全に溶解し、陽イオンCs+と第一の酸化物SiO4 4−を溶解したアルカリ性の水溶液を得た。
この水溶液を攪拌しながら、第二の酸化物SO4 4−を含む酸性の水溶液である、硫酸水溶液(液状硫酸[98%, MW=98]10mlを全容50mlにしたもの)を滴下したところ溶液はしだいに濁りをおびた。溶液のpHが2.03になったところで、得られた溶液をホットプレート上で蒸発固化させ、プロトン伝導体を得た。
Weigh 3.00 g of silicic acid SiO 2 [Mw = 60.08] and cesium carbonate Cs 2 CO 3 [Mw = 325.819] in a crucible and heat it to 990 ° C. in an electric furnace to completely melt it. Therefore, after about 20 minutes, it was poured into an aluminum plate and solidified. This solid was pulverized, and 20 g of water was added to 0.61 g of the obtained solid to completely dissolve it, thereby obtaining an alkaline aqueous solution in which the cation Cs + and the first oxide SiO 4 4− were dissolved.
When this aqueous solution was stirred, an acidic aqueous solution containing the second oxide SO 4 4- , a sulfuric acid aqueous solution (10 ml of liquid sulfuric acid [98%, MW = 98] was made 50 ml in total volume) was added dropwise. It gradually became cloudy. When the pH of the solution reached 2.03, the obtained solution was evaporated and solidified on a hot plate to obtain a proton conductor.
本発明で得られる新しいプロトン伝導体は、燃料電池、大容量キャパシタの電解質に用いることができるため、これらを利用する自動車や発電機に極めて有用な材料であり、産業上の利用可能性が高いものである。
Since the new proton conductor obtained in the present invention can be used as an electrolyte for fuel cells and large-capacity capacitors, it is an extremely useful material for automobiles and generators using these, and has high industrial applicability. Is.
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