JP7162214B2 - Electrolyte layer manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、電解質層の製造方法に関し、より詳しくは、膜電極接合体に備えられる電解質層の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte layer, and more particularly to a method for manufacturing an electrolyte layer provided in a membrane electrode assembly.
従来、車両などに搭載される燃料電池として、水素ガスなどの気体燃料や、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。 Fuel cells using gaseous fuel such as hydrogen gas and liquid fuel such as methanol, dimethyl ether, and hydrazine are conventionally known as fuel cells mounted on vehicles.
このような燃料電池として、例えば、アニオン交換膜またはカチオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池が知られている。燃料側電極には燃料供給路を介して燃料が供給され、また、酸素側電極には空気供給路を介して酸素が供給される(例えば、特許文献1参照)。 As such a fuel cell, for example, a fuel cell is known which includes an electrolyte layer made of an anion exchange membrane or a cation exchange membrane, and a fuel side electrode and an oxygen side electrode arranged opposite to each other with the electrolyte layer interposed therebetween. Fuel is supplied to the fuel-side electrode through a fuel supply channel, and oxygen is supplied to the oxygen-side electrode through an air supply channel (see, for example, Patent Document 1).
一方、燃料電池では、さらなる性能の向上を図るため、例えば、電解質層の耐久性を向上させる保護層、電解質層のイオン伝導性を向上させる伝導補助層などの機能性無機膜を、アニオン交換膜またはカチオン交換膜(イオン交換性高分子膜)の表面に形成することが要求される場合がある。 On the other hand, in order to further improve the performance of fuel cells, for example, functional inorganic membranes such as a protective layer that improves the durability of the electrolyte layer and a conductive auxiliary layer that improves the ionic conductivity of the electrolyte layer are added to the anion exchange membrane. Alternatively, it may be required to be formed on the surface of a cation exchange membrane (ion exchange polymer membrane).
とりわけ、低コスト化を図るため、機能性無機膜をイオン交換性高分子膜の両面には形成せず、機能性無機膜を、その機能に応じて、イオン交換性高分子膜の一方面のみに形成することが要求されている。 In particular, in order to reduce costs, the functional inorganic membrane is not formed on both sides of the ion-exchange polymer membrane, and the functional inorganic membrane is formed only on one side of the ion-exchange polymer membrane according to its function. It is required to be formed in
イオン交換性高分子膜の一方側の表面のみに機能性無機膜を形成するため、例えば、イオン交換性高分子膜の他方側の表面を、マスキング材によりマスクすることが検討されるが、このような方法では、マスキング材によってイオン交換性高分子膜に破損を生じる場合がある。 In order to form a functional inorganic membrane only on one surface of the ion-exchange polymer membrane, for example, masking the other surface of the ion-exchange polymer membrane with a masking material has been considered. In such a method, the ion-exchange polymer membrane may be damaged by the masking material.
本発明は、イオン交換性高分子膜の破損を抑制しながら、イオン交換性高分子膜の一方側の表面のみに機能性無機膜を形成できる電解質層の製造方法である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a method for producing an electrolyte layer capable of forming a functional inorganic membrane only on one surface of an ion-exchange polymer membrane while suppressing breakage of the ion-exchange polymer membrane.
本発明[1]は、イオン交換性高分子膜と、前記イオン交換性高分子膜の一方側の表面のみに配置される機能性無機膜とを備える電解質膜の製造方法であって、前記イオン交換性高分子膜と、一対の枠体を備える枠状治具とを準備する準備工程と、前記イオン交換性高分子膜を、一対の前記枠体の間隙に挟み込み、前記枠状治具で前記イオン交換性高分子膜を把持する把持工程と、前記機能性無機膜を構成する元素の金属イオン溶液に、前記枠体治具で把持された前記イオン交換性高分子膜を浸漬および保持する浸漬工程と、前記イオン交換性高分子膜の表面に前記機能性無機膜を形成する形成工程とを備え、前記浸漬工程では、前記イオン交換性高分子膜の一方側の表面と前記金属イオン溶液とを接触させ、かつ、前記イオン交換性高分子膜の他方側に空気溜まりを形成し、前記イオン交換性高分子膜の他方側の表面と前記金属イオン溶液との接触を抑制する、電解質層の製造方法を含んでいる。 The present invention [1] is a method for producing an electrolyte membrane comprising an ion-exchangeable polymer membrane and a functional inorganic membrane disposed only on one surface of the ion-exchangeable polymer membrane, wherein the ion a preparation step of preparing an exchangeable polymer membrane and a frame-shaped jig having a pair of frames; sandwiching the ion-exchangeable polymer membrane between the pair of frames; a holding step of holding the ion-exchangeable polymer membrane; and immersing and holding the ion-exchangeable polymer membrane held by the frame jig in a metal ion solution of elements constituting the functional inorganic membrane. and a forming step of forming the functional inorganic membrane on the surface of the ion-exchangeable polymer membrane. and forms an air reservoir on the other side of the ion-exchange polymer membrane to suppress contact between the other surface of the ion-exchange polymer membrane and the metal ion solution. including the manufacturing method of
本発明[2]は、前記イオン交換性高分子膜が、アニオン交換性高分子膜である、上記[1]に記載の電解質層の製造方法を含んでいる。 The present invention [2] includes the method for producing an electrolyte layer according to [1] above, wherein the ion-exchange polymer membrane is an anion-exchange polymer membrane.
本発明[3]は、前記機能性無機膜が、層状複水酸化物を含む、上記[1]または[2]に記載の電解質層の製造方法を含んでいる。 The present invention [3] includes the method for producing an electrolyte layer according to the above [1] or [2], wherein the functional inorganic film contains a layered double hydroxide.
本発明の電解質層の製造方法では、枠状治具でイオン交換性高分子膜を把持し、そのイオン交換性高分子膜を金属イオン溶液に浸漬する。 In the method for producing an electrolyte layer of the present invention, an ion-exchange polymer membrane is held by a frame-shaped jig, and the ion-exchange polymer membrane is immersed in a metal ion solution.
これにより、本発明の電解質層の製造方法では、イオン交換性高分子膜の一方側の表面と金属イオン溶液とを接触させ、かつ、イオン交換性高分子膜の他方側に空気溜まりを形成し、イオン交換性高分子膜の他方側の表面と金属イオン溶液との接触を抑制する。 Thus, in the method for producing an electrolyte layer of the present invention, the surface of one side of the ion-exchange polymer membrane is brought into contact with the metal ion solution, and an air reservoir is formed on the other side of the ion-exchange polymer membrane. , suppresses contact between the other surface of the ion-exchange polymer membrane and the metal ion solution.
このような電解質層の製造方法によれば、イオン交換性高分子膜にマスキング材などを接触させることなく、イオン交換性高分子膜の一方面のみと、金属イオン溶液とを接触させることができる。 According to such a method for producing an electrolyte layer, only one side of the ion-exchange polymer membrane can be brought into contact with the metal ion solution without contacting the ion-exchange polymer membrane with a masking material or the like. .
その結果、イオン交換性高分子膜の破損を抑制して、イオン交換性高分子膜の一方側の表面のみに機能性無機膜を形成することができる。 As a result, damage to the ion-exchange polymer membrane can be suppressed, and the functional inorganic membrane can be formed only on one surface of the ion-exchange polymer membrane.
1.燃料電池の全体構成
図1において、燃料電池1は、アニオン交換形燃料電池またはプロトン交換形燃料電池として構成されている。
1. Overall Configuration of Fuel Cell In FIG. 1, a
なお、燃料電池1は、通常、複数の燃料電池セルSを備え、複数の燃料電池セルSが積層されたスタック構造として構成されている。図1においては、図解しやすいように1つの燃料電池セルSのみを示している。
The
燃料電池セルSは、膜電極接合体15を備えている。
The fuel cell S has a
膜電極接合体15は、アノード電極2、カソード電極3および電解質層4を備えている。膜電極接合体15において、アノード電極2およびカソード電極3は、それらの間に電解質層4を挟んで、対向配置されている。換言すれば、膜電極接合体15は、電解質層4と、電解質層4を挟んで対向配置されるアノード電極2およびカソード電極3とを備えている。
The
アノード電極2は、電解質層4の一方面の表面(以下、単に一方面とする場合がある。)に対向接触されている。このアノード電極2は、例えば、触媒を担持した触媒担体などの電極材料により、形成されている。また、触媒担体を用いずに、電極材料として触媒粒子を用い、その触媒粒子を、直接、アノード電極2として形成してもよい。
The
触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素(ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt))、鉄族元素(鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni))などの周期表(IUPAC Periodic Table of the Elements(version date 22 June 2007)に従う。以下同じ。)第8~10(VIII)族元素や、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)などの周期表第11(IB)族元素、さらには亜鉛(Zn)などの金属単体や、それらの合金などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、鉄族元素が挙げられ、より好ましくは、ニッケルが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。
The catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), iron group elements ( Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)) and other periodic table (IUPAC Periodic Table of the Elements (
触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。 Examples of catalyst carriers include porous substances such as carbon.
触媒を触媒担体に担持させる場合、触媒と触媒担体との総量に対して、触媒担体の担持割合は、例えば、20質量%以上、好ましくは、40質量%以上であり、また、例えば、80質量%以下、好ましくは、60質量%以下である。 When the catalyst is supported on the catalyst carrier, the ratio of the catalyst carrier to the total amount of the catalyst and the catalyst carrier is, for example, 20% by mass or more, preferably 40% by mass or more, and, for example, 80% by mass. % or less, preferably 60 mass % or less.
アノード電極2の厚みは、例えば、10μm以上、好ましくは、20μm以上であり、また、例えば、200μm以下、好ましくは、100μm以下である。
The thickness of the
また、アノード電極2を形成するには、特に制限されないが、例えば、上記触媒とイオン交換樹脂とを混合し、必要によりアルコールやエーテルなどの適宜の溶媒を添加して粘度を調整することにより、上記触媒の分散液(アノード電極インク)を調製する。次いで、その分散液を、電解質層4の一方面の表面に塗布および乾燥させる。これにより、電解質層4の厚み方向一方側の表面に、上記触媒とイオン交換樹脂とを含むアノード電極2を形成することができる。なお、イオン交換樹脂として、好ましくは、アニオン交換樹脂が挙げられる。
In addition, the formation of the
また、アノード電極2において、触媒の担持量は、例えば、0.05mg/cm2以上、好ましくは、0.1mg/cm2以上であり、例えば、10mg/cm2以下、好ましくは、5mg/cm2以下である。
In the
カソード電極3は、電解質層4の他方の表面(以下、単に他方面とする場合がある。)に対向接触されている。このカソード電極3は、特に限定されないが、例えば、金属触媒が担持される多孔質電極として形成されている。
The
上記金属触媒は、遷移金属が含まれており、例えば、遷移金属と錯体形成有機化合物とが錯体を形成することにより、形成されているか、または、例えば、遷移金属が導電性高分子からなる担体に担持されることにより、形成されている。 The metal catalyst contains a transition metal, for example, is formed by forming a complex between the transition metal and a complex-forming organic compound, or, for example, the transition metal is a carrier made of a conductive polymer It is formed by being supported by
遷移金属としては、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、鉄、銀、コバルトが挙げられ、より好ましくは、鉄が挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができ、これらの合金も使用することができる。 Examples of transition metals include scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu ), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), lanthanum (La ), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), and gold (Au). Among these, iron, silver and cobalt are preferred, and iron is more preferred. These may be used singly or in combination of two or more, and alloys thereof may also be used.
錯体形成有機化合物は、金属原子に配位することによって、当該金属原子と錯体を形成する有機化合物であって、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、アミノアンチピリン(AAPYr)などの錯体形成有機化合物またはこれらの重合体が挙げられる。これらのうち、好ましくは、ピロールの重合体であるポリピロール、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、アミノアンチピリンが挙げられ、とりわけ好ましくは、ナイカルバジンが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 A complex-forming organic compound is an organic compound that forms a complex with a metal atom by coordinating to the metal atom, such as pyrrole, porphyrin, tetramethoxyphenylporphyrin, dibenzotetraazaannulene, phthalocyanine, choline, chlorin. , phenanthroline, sarcomine, nicarbazin, aminoantipyrine (AAPYr) and other complex-forming organic compounds or polymers thereof. Among these, polypyrrole, which is a polymer of pyrrole, phenanthroline, sarcomine, nicarbazin, and aminoantipyrine are preferred, and nicarbazin is particularly preferred. Moreover, these can be used individually or in combination of 2 or more types.
導電性高分子としては、上記した錯体形成有機化合物と重複する化合物もあるが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ポリピロールが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of conductive polymers include compounds that overlap with the complex-forming organic compounds described above, such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyvinylcarbazole, polytriphenylamine, polypyridine, polypyrimidine, polyquinoxaline, and polyphenylquinoxaline. , polyisothianaphthene, polypyridinediyl, polythienylene, polyparaphenylene, polyflurane, polyacene, polyfuran, polyazulene, polyindole, polydiaminoanthraquinone, and the like. Among these, polypyrrole is preferred. Moreover, these can be used individually or in combination of 2 or more types.
金属触媒を形成するには、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。 Formation of the metal catalyst is not particularly limited, and known methods can be employed.
カソード電極3の厚みは、例えば、10μm以上、好ましくは、20μm以上であり、また、例えば、300μm以下、好ましくは、150μm以下である。
The thickness of the
このような金属触媒からカソード電極3を形成するには、特に制限されないが、上記したアノード電極2と同様にして、例えば、まず、上記金属触媒とイオン交換樹脂とを混合し、必要によりアルコールやエーテルなどの適宜の溶媒を添加して粘度を調整することにより、上記金属触媒の分散液(カソード電極インク)を調製する。次いで、その分散液を、電解質層4の他方面の表面に塗布および乾燥させる。これにより、電解質層4の他方側の表面に、上記金属触媒とイオン交換樹脂とを含むカソード電極3を形成することができる。なお、イオン交換樹脂として、好ましくは、アニオン交換樹脂が挙げられる。
The method for forming the
また、カソード電極3において、金属触媒の担持量は、例えば、0.05mg/cm2以上、好ましくは、0.1mg/cm2以上であり、例えば、10mg/cm2以下、好ましくは、5mg/cm2以下である。
In the
電解質層4は、イオン交換性高分子膜16と、機能性無機膜17とを備えている。
The
イオン交換性高分子膜16としては、アニオン交換性高分子膜およびカチオン交換性高分子膜が挙げられ、燃料電池1の種類に応じて選択される。
The ion-
すなわち、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池である場合、アニオン交換性高分子膜であり、また、燃料電池1がプロトン交換形燃料電池である場合、カチオン交換性高分子膜である。
That is, when the
アニオン交換性高分子膜としては、アニオン成分(例えば、水酸化物イオン(OH-)など)が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、4級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)が挙げられる。 The anion-exchange polymer membrane is not particularly limited as long as it is a medium in which an anion component (e.g., hydroxide ion (OH − ), etc.) can migrate. Solid polymer membranes (anion exchange resins) having exchange groups can be mentioned.
また、カチオン交換性高分子膜としては、カチオン成分(例えば、プロトン(H+)など)が移動可能な媒体であれば、特に制限されず、例えば、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、スルホン酸基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(カチオン交換樹脂)が挙げられる。 In addition, the cation exchange polymer membrane is not particularly limited as long as it is a medium in which cation components (e.g., protons (H + ), etc.) can move. solid polymer membranes (cation exchange resins) having anion exchange groups such as
イオン交換性高分子膜16を形成する固体高分子としては、例えば、ポリスチレンおよびその変性体などの炭化水素系の固体高分子膜などが挙げられる。また、イオン交換性高分子膜16を形成する固体高分子は、その分子構造において、架橋構造を有していてもよい。なお、イオン交換性高分子膜16を形成する固体高分子のガラス転移温度(Tg)は、例えば、80~200℃、好ましくは、100~200℃である。
Examples of the solid polymer that forms the ion-
発電効率の観点から、イオン交換性高分子膜16として、好ましくは、アニオン交換性高分子膜が挙げられる。
From the viewpoint of power generation efficiency, the ion-
アニオン交換性高分子膜は、市販品として入手可能であり、例えば、セレミオン(旭硝子社製)、ネオセプタ(アストム社製)、A201(トクヤマ製)などが挙げられる。 Anion-exchange polymer membranes are commercially available, and examples thereof include Selemion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Neocepta (manufactured by Astom), A201 (manufactured by Tokuyama), and the like.
イオン交換性高分子膜16の厚みは、例えば、5μm以上、好ましくは、10μm以上であり、例えば、50μm以下、好ましくは、35μm以下である。
The thickness of the ion-
機能性無機膜17は、イオン交換性高分子膜16のいずれか一方側の表面(カソード電極3側の表面、または、アノード電極2側の表面)のみに配置されており、好ましくは、イオン交換性高分子膜16のカソード電極3側の表面のみに積層されている。
The functional
なお、機能性無機膜17についての詳細は、後述する。
Details of the functional
機能性無機膜17の厚みは、例えば、1μm以上、好ましくは、5μm以上であり、例えば、20μm以下、好ましくは、10μm以下である。
The thickness of the functional
また、電解質層4の厚み(イオン交換性高分子膜16と機能性無機膜17との合計厚み)は、例えば、6μm以上、好ましくは、15μm以上であり、例えば、70μm以下、好ましくは、45μm以下である。
The thickness of the electrolyte layer 4 (the total thickness of the ion-
燃料電池セルSは、膜電極接合体15の他、さらに、燃料供給部材5および酸素供給部材6を備えている。燃料供給部材5は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、アノード電極2に対向接触されている。そして、この燃料供給部材5には、アノード電極2の全体に燃料を接触させるための燃料側流路7が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路7は、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材5を貫通する供給口9および排出口8がそれぞれ連続して形成されている。
The fuel cell S further includes a
また、酸素供給部材6も、燃料供給部材5と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、カソード電極3に対向接触されている。そして、この酸素供給部材6にも、カソード電極3の全体に酸素(空気)を接触させるための酸素側流路10が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この酸素側流路10にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材6を貫通する供給口11および排出口12がそれぞれ連続して形成されている。
Similarly to the
また、図示しないが、燃料電池1においては、必要に応じて、燃料供給部材5とアノード電極2との間、および、酸素供給部材6とカソード電極3との間に、公知のガス拡散層を積層することができる。
Although not shown, in the
そして、この燃料電池1は、実際には、上記した燃料電池セルSが、複数積層されるスタック構造として形成される。そのため、燃料供給部材5および酸素供給部材6は、実際には、両面に燃料側流路7および酸素側流路10が形成されるセパレータとして構成される。
The
なお、図示しないが、この燃料電池1には、導電性材料によって形成される集電板が備えられており、集電板に備えられた端子から燃料電池1で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。
Although not shown, the
また、試験的(モデル的)には、この燃料電池セルSの燃料供給部材5と酸素供給部材6とを外部回路13によって接続し、その外部回路13に電圧計14を介在させて、発生する電圧を計測することもできる。
Further, experimentally (as a model), the
2.電解質層の製造方法
電解質層4は、上記したように、イオン交換性高分子膜16と、イオン交換性高分子膜16の一方側の表面(カソード電極3側の表面、または、アノード電極2側の表面)に形成される機能性無機膜17とを備えており、好ましくは、イオン交換性高分子膜16と、イオン交換性高分子膜16のカソード電極3側の表面のみに形成される機能性無機膜17とを備えている。
2. Method for Producing Electrolyte
機能性無機膜17としては、イオン交換性高分子膜16に種々の機能を付するために設けられる無機化合物膜であって、例えば、イオン交換性高分子膜16の耐久性を向上させる無機保護膜、イオン交換性高分子膜16のイオン伝導性を向上させる伝導補助層などの機能性無機膜などが挙げられる。
The functional
発電効率の向上を図る観点から、機能性無機膜17として、好ましくは、無機保護膜が挙げられる。
From the viewpoint of improving power generation efficiency, the functional
無機保護膜は、イオン交換性高分子膜16を保護するために金属酸化物から形成される無機膜であって、例えば、金属酸化物(層状複水酸化物を除く。)を含有する無機保護膜、層状複水酸化物を含有する無機保護膜などが挙げられる。これらは、単独使用または2種類以上併用することができる。
The inorganic protective film is an inorganic film formed from a metal oxide to protect the ion-
耐久性およびイオン伝導性の両立を図る観点から、好ましくは、層状複水酸化物を含有する無機保護膜が挙げられる。換言すれば、機能性無機膜17は、好ましくは、層状複水酸化物を含有する。
From the viewpoint of achieving both durability and ionic conductivity, an inorganic protective film containing a layered double hydroxide is preferred. In other words, the functional
複水酸化物とは、2種以上の金属水酸化物が複合して生成した高次化合物であると定義される。 A double hydroxide is defined as a higher-order compound produced by combining two or more kinds of metal hydroxides.
また、層状複水酸化物とは、複水酸化物が二次元的に配列した板状の結晶を有し、かつ、その板状の結晶が2つ以上積層している高次化合物であると定義される。 In addition, the layered double hydroxide is a higher-order compound having plate-like crystals in which double hydroxides are arranged two-dimensionally, and two or more of the plate-like crystals are laminated. Defined.
層状複水酸化物としては、例えば、下記式(I)で示される不定比化合物が挙げられる。 Examples of layered double hydroxides include non-stoichiometric compounds represented by the following formula (I).
[M2+
1-xM3+
x(OH)2][An-
x/n・yH2O] (I)
(式中、xは0<x<1を満たす実数を示し、yは実数を示す。また、M2+は2価金属イオンを示し、M3+は3価金属イオンを示し、An-は対アニオンを示す。)
上記式(I)において、M2+で示される2価金属イオンとしては、例えば、Li2+などの2価アルカリ金属イオン、例えば、Mg2+、Ca2+などの2価アルカリ土類金属イオン、例えば、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+などの2価遷移金属イオンが挙げられる。これらは、単独使用または2種類以上併用することができる。
[M 2+ 1−x M 3+ x (OH) 2 ][A n− x/n ·yH 2 O] (I)
(Wherein, x represents a real number that satisfies 0<x<1, y represents a real number, M 2+ represents a divalent metal ion, M 3+ represents a trivalent metal ion, and A n- is a pair indicates an anion.)
In the above formula (I), the divalent metal ion represented by M 2+ includes, for example, a divalent alkali metal ion such as Li 2+ , a divalent alkaline earth metal ion such as Mg 2+ and Ca 2+ , for example, Divalent transition metal ions such as Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ and Zn 2+ can be mentioned. These can be used alone or in combination of two or more.
2価金属イオンとして、好ましくは、2価アルカリ土類金属イオンが挙げられ、より好ましくは、Mg2+が挙げられる。 Divalent metal ions preferably include divalent alkaline earth metal ions, more preferably Mg 2+ .
上記式(I)において、M3+で示される3価金属イオンとしては、例えば、Fe3+、Co3+、Mn3+などの3価遷移金属イオン、例えば、Al3+などの3価貧金属イオンなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種類以上併用することができる。 In the above formula (I), the trivalent metal ion represented by M 3+ includes, for example, trivalent transition metal ions such as Fe 3+ , Co 3+ and Mn 3+ , trivalent poor metal ions such as Al 3+ , and the like. mentioned. These can be used alone or in combination of two or more.
3価金属イオンとして、好ましくは、3価貧金属イオンが挙げられ、より好ましくは、Al3+が挙げられる。 Trivalent metal ions preferably include trivalent poor metal ions, more preferably Al 3+ .
上記式(I)において、An-で示される対アニオンとしては、例えば、硝酸イオン、炭酸イオン、塩化物イオンなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種類以上併用することができる。 In the above formula (I), the counter anion represented by A n- includes, for example, nitrate ion, carbonate ion, chloride ion and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
対アニオンとして、好ましくは、硝酸イオンが挙げられる。 The counter anion is preferably nitrate ion.
上記式(I)において、xで示される実数は、0を超過し、好ましくは、0.1以上、より好ましくは、0.2以上であり、1未満、好ましくは、0.5以下、より好ましくは、0.4以下である。 In the above formula (I), the real number represented by x exceeds 0, preferably 0.1 or more, more preferably 0.2 or more, and is less than 1, preferably 0.5 or less, and more Preferably, it is 0.4 or less.
上記式(I)において、yで示される実数は、例えば、0以上、好ましくは、1以上であり、例えば、10以下である。 In formula (I) above, the real number represented by y is, for example, 0 or more, preferably 1 or more, and, for example, 10 or less.
なお、層状複水酸化物は、上記式(I)の層状複水酸化物(2価金属イオンおよび3価金属イオンを1種類ずつ有する層状複水酸化物)に限定されず、例えば、1価金属イオンおよび2価金属イオンを併有する層状複水酸化物であってもよく、例えば、2価金属イオン1種類および4価金属イオン2種類を併有する層状複水酸化物であってもよい。すなわち、互いに価数の異なる金属イオンを1種類以上有する公知の層状複水酸化物を用いることができる。なお、価数が互いに異なれば、同元素の金属イオンを含んでいてもよい。 Note that the layered double hydroxide is not limited to the layered double hydroxide of the above formula (I) (layered double hydroxide having one type of divalent metal ion and one type of trivalent metal ion), for example, monovalent It may be a layered double hydroxide containing both metal ions and divalent metal ions, for example, a layered double hydroxide containing both one divalent metal ion and two tetravalent metal ions. That is, known layered double hydroxides having one or more kinds of metal ions with mutually different valences can be used. In addition, if the valence numbers are different from each other, metal ions of the same element may be included.
層状複水酸化物として、好ましくは、上記式(I)の層状複水酸化物(2価金属イオンおよび3価金属イオンを1種類ずつ有する層状複水酸化物)が挙げられる。 The layered double hydroxide preferably includes the layered double hydroxide of the above formula (I) (layered double hydroxide having one each of divalent metal ions and trivalent metal ions).
そのような層状複水酸化物として、より具体的には、例えば、マグネシウム・アルミニウム複水酸化物、ニッケル・アルミニウム複水酸化物、2価コバルト・3価コバルト複水酸化物、2価鉄-3価鉄複水酸化物、コバルト-鉄複水酸化物、コバルト-アルミニウム複水酸化物などが挙げられる。これら層状複水酸化物は、単独使用または2種類以上併用することができる。 More specifically, such layered double hydroxides include, for example, magnesium/aluminum double hydroxide, nickel/aluminum double hydroxide, divalent cobalt/trivalent cobalt double hydroxide, divalent iron- trivalent iron double hydroxide, cobalt-iron double hydroxide, cobalt-aluminum double hydroxide and the like. These layered double hydroxides can be used alone or in combination of two or more.
層状複水酸化物として、好ましくは、マグネシウム・アルミニウム複水酸化物、ニッケル・アルミニウム複水酸化物が挙げられ、より好ましくは、マグネシウム・アルミニウム複水酸化物が挙げられる。 The layered double hydroxide preferably includes magnesium-aluminum double hydroxide and nickel-aluminum double hydroxide, more preferably magnesium-aluminum double hydroxide.
マグネシウム・アルミニウム複水酸化物は、例えば、下記式(II)で示される。 Magnesium-aluminum double hydroxide is represented, for example, by the following formula (II).
[Mg2+
1-xAl3+
x(OH)2][An-
x/n・yH2O] (II)
(式中、xは0<x<1を満たす実数を示し、yは実数を示す。また、An-は対アニオンを示す。)
なお、層状複水酸化物は、層状構造を有し、その層間にアニオンを取り込む性質(いわゆる、インターカレーション)を有する。また、層状構造のうち、水酸化物基本層は、2価金属イオンの一部を3価金属イオンが置換(固溶)することにより正電荷を持ち、その電荷を補うために層間へ陰イオンを取り込んで電気的中性を保つ。
[Mg 2+ 1−x Al 3+ x (OH) 2 ][A n− x/n ·yH 2 O] (II)
(Wherein, x represents a real number satisfying 0<x<1, y represents a real number, and A n- represents a counter anion.)
Note that the layered double hydroxide has a layered structure and has a property of taking in anions between the layers (so-called intercalation). In addition, among the layered structures, the basic hydroxide layer has a positive charge due to the substitution (solid solution) of part of the divalent metal ions by the trivalent metal ions. is taken in to maintain electrical neutrality.
層状複水酸化物の平均粒子径は、金属イオンの種類などにより異なるが、例えば、0.1μm以上10μm以下であり、また、層間隔は、例えば、1nm以上100nm以下である。 The average particle size of the layered double hydroxide is, for example, 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the layer spacing is, for example, 1 nm or more and 100 nm or less, although it varies depending on the type of metal ion.
層状複水酸化物の含有割合は、無機保護膜の総量に対して、例えば、90質量%以上、好ましくは、92質量%以上、より好ましくは、95質量%以上、さらに好ましくは、98質量%以上であり、通常、100質量%以下である。 The content of the layered double hydroxide is, for example, 90% by mass or more, preferably 92% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and still more preferably 98% by mass, relative to the total amount of the inorganic protective film. It is more than or equal to 100% by mass or less.
また、無機保護膜は、層状複水酸化物の他の金属酸化物(以下、その他の金属酸化物と称する。)を含有することができる。 In addition, the inorganic protective film can contain metal oxides other than the layered double hydroxide (hereinafter referred to as other metal oxides).
その他の金属酸化物としては、例えば、LiO、MgO、CaO、FeO、Fe2O3、CoO、Co2O3、Mn2O3、NiO、CuO、Cu2O、ZnOなどが挙げられる。 Examples of other metal oxides include LiO, MgO, CaO, FeO, Fe2O3 , CoO, Co2O3 , Mn2O3 , NiO , CuO , Cu2O and ZnO.
これらその他の金属酸化物は、単独使用または2種類以上併用することができる。 These other metal oxides can be used alone or in combination of two or more.
その他の金属酸化物は、例えば、層状複水酸化物の形成時における余剰の金属イオン(未反応原料)から形成され、無機保護膜に含有される。また、その他の金属酸化物は、例えば、層状複水酸化物の形成時に副生される不可避的不純物として、無機保護膜に含有されることもできる。 Other metal oxides are formed, for example, from surplus metal ions (unreacted raw materials) during formation of the layered double hydroxide and contained in the inorganic protective film. Other metal oxides can also be contained in the inorganic protective film, for example, as unavoidable impurities that are by-produced during the formation of the layered double hydroxide.
その他の金属酸化物の含有割合は、無機保護膜の総量に対して、10質量%以下、好ましくは、8質量%以下、より好ましくは、5質量%以下、さらに好ましくは、2質量%以下であり、通常、0質量%以上である。 The content of other metal oxides is 10% by mass or less, preferably 8% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and still more preferably 2% by mass or less, relative to the total amount of the inorganic protective film. Yes, and usually 0% by mass or more.
つまり、無機保護膜は、その他の金属酸化物を含有していなくともよい。とりわけ好ましくは、無機保護膜は、その他の金属酸化物を含有せず、層状複水酸化物からなる。 That is, the inorganic protective film does not have to contain other metal oxides. Most preferably, the inorganic protective film does not contain other metal oxides and consists of a layered double hydroxide.
層状複水酸化物および無機保護膜は、特に制限されないが、イオン交換性高分子膜16の破損を抑制する観点から、好ましくは、以下の方法で製造される。
The layered double hydroxide and the inorganic protective film are not particularly limited, but from the viewpoint of suppressing breakage of the ion-
すなわち、この方法では、まず、イオン交換性高分子膜16を用意する。また、必要により、イオン交換性高分子膜16の表面に、結晶成長の起点物質(金属イオン、対アニオンなど)を付着させる。
That is, in this method, first, an ion-
そして、層状複水酸化物の構成元素を含む金属イオン溶液としての原料水溶液を用意し、その水溶液中に、イオン交換性高分子膜16を浸漬する。
Then, a raw material aqueous solution is prepared as a metal ion solution containing constituent elements of the layered double hydroxide, and the ion-
原料水溶液は、上記構成元素の金属イオン溶液であり、より具体的には、例えば、上記式(I)で示される層状複水酸化物を得る場合には、2価金属イオン(M2+)、3価金属イオン(M3+)および対アニオン(An-)を所定濃度で含む水溶液が挙げられる。 The raw material aqueous solution is a metal ion solution of the above constituent elements. More specifically, for example, when obtaining the layered double hydroxide represented by the above formula (I), a divalent metal ion (M 2+ ), Examples include aqueous solutions containing trivalent metal ions (M 3+ ) and counter anions (A n− ) at predetermined concentrations.
このような水溶液は、例えば、2価金属イオン(M2+)の金属塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、有機酸塩など)および/またはその水和物と、3価金属イオン(M3+)の金属塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、有機酸塩など)および/またはその水和物とを、水中に溶解させることにより得ることができる。 Such an aqueous solution is, for example, a metal salt (e.g., sulfate, nitrate, organic acid salt, etc.) of divalent metal ions (M 2+ ) and/or hydrates thereof, and trivalent metal ions (M 3+ ). It can be obtained by dissolving a metal salt (eg, sulfate, nitrate, organic acid salt, etc.) and/or its hydrate in water.
原料水溶液において、2価金属イオン(M2+)の濃度は、例えば、0.1mol/L以上、好ましくは、0.2mol/L以上であり、例えば、0.5mol/L以下、好ましくは、0.4mol/L以下である。 In the raw material aqueous solution, the concentration of divalent metal ions (M 2+ ) is, for example, 0.1 mol/L or more, preferably 0.2 mol/L or more, and for example, 0.5 mol/L or less, preferably 0 .4 mol/L or less.
また、3価金属イオン(M3+)の濃度は、例えば、0.05mol/L以上、好ましくは、0.1mol/L以上であり、例えば、0.25mol/L以下、好ましくは、0.2mol/L以下である。 Further, the concentration of the trivalent metal ion (M 3+ ) is, for example, 0.05 mol/L or more, preferably 0.1 mol/L or more, and for example, 0.25 mol/L or less, preferably 0.2 mol. /L or less.
また、2価金属イオン(M2+)と3価金属イオン(M3+)との合計濃度は、例えば、0.15mol/L以上、好ましくは、0.3mol/L以上であり、例えば、0.75mol/L以下、好ましくは、0.6mol/L以下である。 Further, the total concentration of bivalent metal ions (M 2+ ) and trivalent metal ions (M 3+ ) is, for example, 0.15 mol/L or more, preferably 0.3 mol/L or more, for example, 0.3 mol/L or more. It is 75 mol/L or less, preferably 0.6 mol/L or less.
また、2価金属イオン(M2+)と3価金属イオン(M3+)とのモル比率(M2+/M3+)は、例えば、1以上、好ましくは、2以上であり、例えば、5以下、好ましくは、4以下である。 Further, the molar ratio (M 2+ /M 3+ ) between the bivalent metal ion (M 2+ ) and the trivalent metal ion (M 3+ ) is, for example, 1 or more, preferably 2 or more, and for example, 5 or less, Preferably, it is 4 or less.
また、対アニオン(An-)の濃度は、例えば、0.1mol/L以上、好ましくは、0.3mol/L以上であり、例えば、1mol/L以下、好ましくは、0.8mol/L以下である。 In addition, the concentration of the counter anion (A n- ) is, for example, 0.1 mol/L or more, preferably 0.3 mol/L or more, and for example, 1 mol/L or less, preferably 0.8 mol/L or less. is.
2価金属イオン(M2+)、3価金属イオン(M3+)および対アニオン(An-)の濃度が上記範囲であれば、副生成物を低減して、効率よく層状複水酸化物を得ることができる。 If the concentrations of the divalent metal ion (M 2+ ), trivalent metal ion (M 3+ ) and counter anion (A n− ) are within the above ranges, by-products are reduced and the layered double hydroxide is efficiently produced. Obtainable.
また、原料水溶液には、好ましくは、尿素が添加される。なお、尿素の添加量は、金属イオンの種類などに応じて、適宜設定される。 Further, urea is preferably added to the raw material aqueous solution. The amount of urea to be added is appropriately set according to the type of metal ion.
原料水溶液に尿素が添加されると、尿素の加水分解により原料水溶液中にアンモニアが発生し、原料水溶液のpHが所定範囲(例えば、7.0を超過し、8.5以下)に調整される。 When urea is added to the raw material aqueous solution, ammonia is generated in the raw material aqueous solution by hydrolysis of urea, and the pH of the raw material aqueous solution is adjusted to a predetermined range (for example, exceeding 7.0 and 8.5 or less). .
そして、この方法では、イオン交換性高分子膜16を、原料水溶液に浸漬し、保持する。
In this method, the ion-
保持条件としては、原料水溶液の温度が、例えば、60℃以上、好ましくは、70℃以上であり、例えば、100℃以下、好ましくは、90℃以下である。 As for the holding conditions, the temperature of the raw material aqueous solution is, for example, 60° C. or higher, preferably 70° C. or higher, and for example, 100° C. or lower, preferably 90° C. or lower.
また、原料水溶液にイオン交換性高分子膜16を浸漬する時間が、例えば、10時間以上、好ましくは、20時間以上であり、例えば、200時間以下、好ましくは、150時間以下である。
Also, the time for immersing the ion-
これにより、2価金属イオン(M2+)および3価金属イオン(M3+)と、対アニオン(An-)とが、イオン交換性高分子膜16の表面において、層状複水酸化物を形成する。
As a result, the divalent metal ions (M 2+ ) and trivalent metal ions (M 3+ ) and the counter anion (A n− ) form a layered double hydroxide on the surface of the ion-
その結果、イオン交換性高分子膜16の表面に、無機保護膜が形成される。
As a result, an inorganic protective film is formed on the surface of the ion
なお、上記の方法では、イオン交換性高分子膜16中、原料水溶液中に対して接触している部分に、無機保護膜が形成される。
In the above method, an inorganic protective film is formed on the portion of the ion-
そのため、イオン交換性高分子膜16の両面が原料水溶液と接触するように、イオン交換性高分子膜16を上記の原料水溶液に浸漬させると、イオン交換性高分子膜16のアノード電極2側表面とカソード電極3側表面との両面に、無機保護膜を積層することができる。
Therefore, when the ion-
また、イオン交換性高分子膜16の一方面(カソード電極3側の面)のみが原料水溶液と接触するように、イオン交換性高分子膜16を上記の原料水溶液に浸漬させると、イオン交換性高分子膜16のカソード電極3側表面のみに、無機保護膜を積層することができる。
Further, when the ion-
低コスト化と耐久性とのバランスを図る観点から、好ましくは、イオン交換性高分子膜16の一方面(カソード電極3側の面)のみが原料水溶液と接触するように、イオン交換性高分子膜16を上記の原料水溶液に浸漬させ、イオン交換性高分子膜16のカソード電極3側表面のみに無機保護膜を積層する。
From the viewpoint of achieving a balance between cost reduction and durability, preferably, the ion-
イオン交換性高分子膜16の一方面(カソード電極3側の面)のみが原料水溶液と接触するように、イオン交換性高分子膜16を上記の原料水溶液に浸漬させる方法としては、特に制限されないが、例えば、イオン交換性高分子膜16の他方面(アノード電極2側の面)に空気溜まりが形成されるように、原料水溶液にイオン交換性高分子膜16を浸漬する方法が挙げられる。
The method of immersing the ion-
より具体的には、この方法では、まず、図2Aに示されるように、イオン交換性高分子膜16、および、そのイオン交換性高分子膜16を把持するための枠状治具20を準備する(準備工程)。
More specifically, in this method, first, as shown in FIG. 2A, an ion-
枠状治具20は、一対の枠体としての上側枠体21と下側枠体22とを備えている。上側枠体21および下側枠体22は、所定幅で形成される略矩形枠状の金属部材であって、互いに略同一形状に形成されている。また、互いに略同一形状の四隅に貫通孔23を有することにより、締結部材24(ボルト24aおよびナット24bなど)で互いに締結可能とされている。
The frame-shaped
次いで、この方法では、図2Bに示されるように、枠体治具20によってイオン交換性高分子膜16を把持する(把持工程)。
Next, in this method, as shown in FIG. 2B, the ion
より具体的には、この工程では、上側枠体21および下側枠体22の間隙に、イオン交換性高分子膜16を挟み込み、上側枠体21および下側枠体22を締結部材24で締結する。
More specifically, in this step, the ion
これにより、枠状治具20によってイオン交換性高分子膜16が把持される。
Thereby, the ion-
なお、イオン交換性高分子膜16が枠状治具20に把持された状態において、イオン交換性高分子膜16の一方側(紙面上側、カソード電極3側)の表面は、上側枠体21の枠穴から上方に露出され、また、他方側(アノード電極2側)の表面が、下側枠体21の枠穴から下方に露出される。
When the ion-
次いで、この方法では、図3Aに示されるように、枠状治具20、および、枠状治具20によって把持されたイオン交換性高分子膜16を、上記原料水溶液中に浸漬および保持する(浸漬工程)。
Next, in this method, as shown in FIG. 3A, the frame-shaped
より具体的には、この工程では、枠状治具20およびイオン交換性高分子膜16により形成される空間に空気を内包させるように、原料水溶液の上方から下方に向かって、枠状治具20およびイオン交換性高分子膜16を静かに浸漬させる。
More specifically, in this step, the frame-shaped jig is moved downward from above the raw material aqueous solution so as to enclose air in the space formed by the frame-shaped
これにより、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)に、空気溜まり28が形成される(図3B参照。)。
As a result, an
その結果、イオン交換性高分子膜16の一方側(カソード電極3側)の表面と原料水溶液とが接触し、かつ、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)と原料水溶液との接触が抑制される。
As a result, the surface of one side (
その後、この方法では、枠状治具20およびイオン交換性高分子膜16を原料水溶液に浸漬した状態で上記の保持条件で保持する。
Thereafter, in this method, the frame-shaped
これにより、図3Bが参照されるように、イオン交換性高分子膜16の一方側(カソード電極3側)の表面において、層状複水酸化物が形成される(形成工程)。
As a result, as shown in FIG. 3B, a layered double hydroxide is formed on the surface of one side (
また、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)では、空気溜まり28により、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)の表面と、原料水溶液との接触が抑制されている。そのため、層状複水酸化物の形成が抑制される。
On the other side (
なお、空気溜まり28の体積が十分ではなく、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)の表面において、層状複水酸化物が形成される場合、その層状複水酸化物の形成時に発生する気体(酸素ガス、水素ガスなど)が、空気溜まり28の体積を大きくすることができる。これにより、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)と原料水溶液との接触を抑制して、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)の表面における層状複水酸化物の形成を抑制することができる。
In addition, when the volume of the
その結果、イオン交換性高分子膜16の一方側(カソード電極3側)の表面のみに、層状複水酸化物を含有する無機保護膜を形成することができる。
As a result, an inorganic protective film containing a layered double hydroxide can be formed only on one surface (
なお、無機保護膜は、単層であってもよく、多層であってもよい。 The inorganic protective film may be a single layer or multiple layers.
すなわち、上記のように、層状複水酸化物を1層のみ形成してもよく、さらに、上記の工程を繰り返して、層状複水酸化物を複数層(例えば、2~10層)形成してもよい。 That is, as described above, only one layer of layered double hydroxide may be formed, and the above steps are repeated to form multiple layers (for example, 2 to 10 layers) of layered double hydroxide. good too.
低コスト化と耐久性とのバランスを図る観点から、好ましくは、層状複水酸化物を1層のみ形成する。 From the viewpoint of achieving a balance between cost reduction and durability, preferably only one layer of the layered double hydroxide is formed.
無機保護膜の厚みは、例えば、1μm以上、好ましくは、5μm以上であり、例えば、20μm以下、好ましくは、10μm以下である。 The thickness of the inorganic protective film is, for example, 1 μm or more, preferably 5 μm or more, and for example, 20 μm or less, preferably 10 μm or less.
なお、機能性無機膜17としては、上記の層状複水酸化物を含有する無機保護膜に限定されず、例えば、アルミナ膜、ゼオライト膜などの金属酸化物(層状複水酸化物を除く。)を含有する無機保護膜などが挙げられる。
The functional
このような場合において、金属イオン溶液に含まれる金属イオンおよびその濃度は、機能性無機膜の構成元素に応じて、適宜選択される。 In such a case, the metal ions contained in the metal ion solution and their concentration are appropriately selected according to the constituent elements of the functional inorganic film.
より具体的には、例えば、ゼオライト膜を形成する場合、金属イオン溶液としては、例えば、けい酸ナトリウム、アルミン酸ナトリウムなどを用いることができる。 More specifically, when forming a zeolite membrane, for example, sodium silicate, sodium aluminate, or the like can be used as the metal ion solution.
3.発電方法
燃料電池1には、燃料および酸素(空気)が、改質などを経由することなく、直接供給される。
3. Power Generation Method Fuel and oxygen (air) are directly supplied to the
例えば、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池である場合、燃料としては、燃料化合物を含む液体燃料が挙げられる。また、燃料電池1がプロトン交換形燃料電池である場合、燃料としては、例えば、水素ガスや、燃料化合物を含む液体燃料が挙げられる。
For example, if the
燃料化合物としては、例えば、メタノール、エタノールなどのアルコール類、例えば、ジメチルエーテルなどのエーテル類、例えば、ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、カルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)などのヒドラジン類、例えば、尿素(NH2CONH2)、例えば、イミダゾール、1,3,5-トリアジン、3-アミノ-1,2,4-トリアゾールなどの複素環類、例えば、ヒドロキシルアミン(NH2OH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NH2OH・H2SO4)などのヒドロキシルアミン類などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of fuel compounds include alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2.H 2 O ), hydrazine carbonate ( ( NH2NH2 ) 2CO2 ), hydrazine sulfate ( NH2NH2.H2SO4 ) , monomethylhydrazine ( CH3NHNH2 ) , dimethylhydrazine ( ( CH3 ) 2NNH2 , CH3NHNHCH3 ) , hydrazines such as carboxylic hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO), e.g. urea (NH 2 CONH 2 ), e.g. imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole, etc. heterocycles, for example, hydroxylamines such as hydroxylamine (NH 2 OH) and hydroxylamine sulfate (NH 2 OH.H 2 SO 4 ). Among these, hydrazines are preferred. Moreover, these can be used individually or in combination of 2 or more types.
燃料化合物は、必要により、水に溶解して調製することができる。 Fuel compounds can be prepared by dissolving them in water, if desired.
なお、上記の燃料化合物をそのまま液体燃料として使用してもよく、また、上記の燃料化合物を水に溶解した水溶液を液体燃料として使用してもよい。 The above fuel compound may be used as it is as the liquid fuel, or an aqueous solution obtained by dissolving the above fuel compound in water may be used as the liquid fuel.
また、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池である場合、液体燃料は、好ましくは、添加剤を含有している。
Moreover, when the
添加剤としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化フランシウムなどのアルカリ金属水酸化物、例えば、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウムなどのアルカリ土類金属水酸化物などの電解質などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、アルカリ金属水酸化物が挙げられ、より好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of additives include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, and francium hydroxide; Electrolytes such as alkaline earth metal hydroxides such as barium and radium hydroxide. Among these, alkali metal hydroxides are preferred, and potassium hydroxide is more preferred. Moreover, these can be used individually or in combination of 2 or more types.
液体燃料が添加剤を含有すれば、後述する水酸化物イオン(OH-)の移動を促進することができる。 If the liquid fuel contains an additive, it can promote the movement of hydroxide ions (OH − ), which will be described later.
添加剤の添加量は、燃料化合物100質量部に対して、例えば、1質量部以上、好ましくは、5質量部以上であり、また、例えば、35質量部以下、好ましくは、30質量部以下である。 The amount of the additive added is, for example, 1 part by mass or more, preferably 5 parts by mass or more, and for example, 35 parts by mass or less, preferably 30 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the fuel compound. be.
そして、燃料電池1に、燃料および酸素(空気)を供給すると、以下の電気化学反応が生じ、電力を得ることができる。
Then, when fuel and oxygen (air) are supplied to the
例えば、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池である場合、酸素供給部材6の酸素側流路10に酸素(空気)を供給しつつ、燃料供給部材5の燃料側流路7に上記した燃料を供給すれば、カソード電極3においては、次に述べるように、アノード電極2で発生し、外部回路13を介して移動する電子(e-)と、水(H2O)と、酸素(O2)とが反応して、水酸化物イオン(OH-)を生成する。生成した水酸化物イオン(OH-)は、電解質層4を通過してカソード電極3からアノード電極2へ移動する。そして、アノード電極2においては、電解質層4を通過した水酸化物イオン(OH-)と、燃料とが反応して、電子(e-)が生成する。生成した電子(e-)は、燃料供給部材5から外部回路13を介して酸素供給部材6に移動され、カソード電極3へ供給される。このようなアノード電極2およびカソード電極3における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。
For example, when the
そして、このような電気化学的反応には、アノード電極2において、燃料に水酸化物イオン(OH-)を直接反応させる一段反応と、燃料を、水素(H2)と窒素(N2)とに分解した後に、分解により生成した水素(H2)に水酸化物イオン(OH-)を反応させる二段反応との2種類の反応がある。
Such an electrochemical reaction includes a one-step reaction in which the fuel is directly reacted with hydroxide ions (OH − ) at the
例えば、燃料としてヒドラジン(NH2NH2)を用いた場合には、一段反応は、アノード電極2、カソード電極3および全体として、次の反応式(1)~(3)で表すことができる。
(1) NH2NH2+4OH-→4H2O+N2+4e- (アノード電極)
(2) O2+2H2O+4e-→4OH- (カソード電極)
(3) NH2NH2+O2→2H2O+N2 (全体)
また、二段反応は、アノード電極2、カソード電極3および全体として、次の反応式(4)~(7)で表すことができる。
(4) NH2NH2→2H2+N2 (分解反応;アノード電極)
(5) H2+2OH-→2H2O+2e- (アノード電極)
(6) 1/2O2+H2O+2e-→2OH- (カソード電極)
(7) H2+1/2O2→H2O (全体)
また、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池である場合、酸素供給部材6の酸素側流路10に酸素(空気)を供給しつつ、燃料供給部材5の燃料側流路7に上記した燃料を供給すれば、アノード電極2では、燃料の分解によりプロトン(H+)および電子(e-)が発生する。一方、カソード電極3においては、アノード電極2で発生し、外部回路13を介して移動する電子(e-)と、アノード電極2で発生し、電解質層4を通過してアノード電極2からカソード電極3へ移動するプロトン(H+)と、酸素(O2)とが反応して、水(H2O)を生成する。なお、生成した水は、カソード電極3に供給される酸素(空気)を加湿する。このようなアノード電極2およびカソード電極3における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。
For example, when hydrazine (NH 2 NH 2 ) is used as the fuel, the one-step reaction can be represented by the following reaction formulas (1) to (3) for the
(1) NH 2 NH 2 +4OH − →4H 2 O+N 2 +4e − (anode electrode)
(2) O 2 +2H 2 O+4e − →4OH − (cathode electrode)
(3) NH 2 NH 2 +O 2 →2H 2 O+N 2 (whole)
Also, the two-step reaction can be represented by the following reaction formulas (4) to (7) for the
(4) NH 2 NH 2 →2H 2 +N 2 (decomposition reaction; anode electrode)
(5) H 2 +2OH − →2H 2 O+2e − (anode electrode)
(6) 1/2O 2 +H 2 O+2e − →2OH − (cathode electrode)
(7) H 2 + 1/2O 2 →H 2 O (whole)
Further, when the
例えば、燃料としてヒドラジン(NH2NH2)を用いた場合には、アノード電極2、カソード電極3および全体として、次の反応式(A)~(D)で表すことができる。
For example, when hydrazine (NH 2 NH 2 ) is used as the fuel, the reaction of the
(A)N2H4→N2+2H2 (分解反応;アノード電極)
(B)N2+2H2→N2+4H++4e- (アノード電極)
(C)O2+4H++4e-→2H2O (カソード電極)
(D) N2H4+O2→N2+2H2O (全体)
なお、この燃料電池1の運転条件は、特に限定されないが、例えば、アノード電極2側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、カソード電極3側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、燃料電池セルSの温度が0~120℃、好ましくは、20~80℃として設定される。
(A) N 2 H 4 →N 2 +2H 2 (decomposition reaction; anode electrode)
(B) N 2 +2H 2 →N 2 +4H + +4e − (anode electrode)
(C) O 2 +4H + +4e − →2H 2 O (cathode electrode)
(D) N 2 H 4 +O 2 →N 2 +2H 2 O (whole)
The operating conditions of the
4.作用効果
通常、燃料電池1では、電解質層4として、イオン交換性高分子膜16が単独で使用されるが、さらなる性能の向上を図るため、例えば、イオン交換性高分子膜16の耐久性を向上させる保護層、イオン交換性高分子膜16のイオン伝導性を向上させる伝導補助層などの機能性無機膜17を、イオン交換性高分子膜16の表面に形成することが要求される。とりわけ、低コスト化を図るため、機能性無機膜17を、イオン交換性高分子膜16の両面には形成せず、その機能に応じて、イオン交換性高分子膜16の一方面のみに形成することが要求される。
4. Effect Normally, in the
例えば、アニオン交換形燃料電池を長期間使用に供すると、燃料電池1の内部にOHラジカルが生じる。そして、電解質層4が機能性無機膜17を備えていない場合には、イオン交換性高分子膜16中のアニオン交換基とOHラジカルとが反応し、イオン交換性高分子膜16の損傷および劣化を惹起する。
For example, when an anion exchange fuel cell is used for a long period of time, OH radicals are generated inside the
そのため、イオン交換性高分子膜16に、その耐久性を向上させる機能性無機膜17を形成することが要求されている。また、OHラジカルがカソード電極3側で生成することから、機能性無機膜17を、イオン交換性高分子膜16のカソード電極3側の表面のみに形成することが要求される。
Therefore, it is required to form a functional
この点、イオン交換性高分子膜16の一方側(カソード電極3側)の表面のみに機能性無機膜17を形成するため、例えば、イオン交換性高分子膜16の他方側(アノード電極2側)の表面を、マスキング材によりマスクすることが検討されるが、このような方法では、マスキング材によってイオン交換性高分子膜16に破損を生じる場合がある。
In this regard, in order to form the functional
また、例えば、イオン交換性高分子膜16の一方側の表面のみに機能性無機膜17の原料溶液(無機化合物溶液など)を塗布および乾燥し、機能性無機膜17を形成することも検討されるが、このような方法で得られる機能性無機膜17は、イオン交換性高分子膜16に対する密着性に劣る。
Further, for example, forming the functional
これに対して、上記の電解質層4の製造方法では、枠状治具20でイオン交換性高分子膜16を把持し、そのイオン交換性高分子膜16を金属イオン溶液に浸漬する。
On the other hand, in the manufacturing method of the
これにより、上記の電解質層4の製造方法では、イオン交換性高分子膜16の一方側の表面と金属イオン溶液とを接触させ、かつ、イオン交換性高分子膜16の他方側に空気溜まり28を形成し、イオン交換性高分子膜16の他方側の表面と金属イオン溶液との接触を抑制する。
As a result, in the method for manufacturing the
このような電解質層4の製造方法によれば、イオン交換性高分子膜16にマスキング材などを接触させることなく、イオン交換性高分子膜16の一方面のみと、金属イオン溶液とを接触させることができる。
According to the manufacturing method of the
その結果、イオン交換性高分子膜16の破損を抑制して、イオン交換性高分子膜16の一方側の表面のみに、機能性無機膜17を形成することができる。さらに、得られる機能性無機膜17は、イオン交換性高分子膜16に対する密着性にも優れている。
As a result, damage to the ion-
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment of the present invention is not limited to this, and the design can be appropriately modified without changing the gist of the present invention.
なお、上記の燃料電池1の用途としては、例えば、自動車、船舶、航空機などにおける駆動用モータの電源や、携帯電話機などの通信端末における電源などが挙げられる。
Applications of the
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、何ら実施例および比較例に限定されない。また、以下の記載において用いられる配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値)または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値)に代替することができる。 EXAMPLES Examples and comparative examples are shown below to describe the present invention more specifically. In addition, the present invention is not limited to Examples and Comparative Examples. In addition, specific numerical values such as the mixing ratio (content ratio), physical property values, and parameters used in the following description are the corresponding mixing ratios ( Content ratio), physical properties, parameters, etc. be able to.
なお、「部」および「%」は、特に言及がない限り、質量基準である。 "Parts" and "%" are based on mass unless otherwise specified.
実施例1
(1)原料水溶液の調製
硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO3)2・6H2O、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO3)3・9H2O、関東化学株式会社製)、および、尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。
Example 1
(1) Preparation of raw material aqueous solution Magnesium nitrate hexahydrate (Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), aluminum nitrate nonahydrate (Al ( NO 3 ) 3.9H 2 O, Kanto Kagaku Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, Sigma-Aldrich) were prepared.
そして、金属イオン比(Mg2+/Al3+)が2になり、かつ、金属イオンの合計濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lになるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物とを秤量し、ビーカーに入れた後、イオン交換水をさらに加えて、全量75mlに調整した。 And magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate are Nonahydrate was weighed and placed in a beaker, and ion-exchanged water was further added to adjust the total volume to 75 ml.
次いで、得られた金属イオンの溶液を撹拌し、尿素を、硝酸イオンに対する尿素のモル比(尿素/NO3-)が4になるように添加し、さらに撹拌した。 The resulting solution of metal ions was then stirred and urea was added so that the molar ratio of urea to nitrate ions (urea/NO 3− ) was 4 and further stirred.
これにより、原料水溶液を得た。 Thus, a raw material aqueous solution was obtained.
(2)電解質層の製造
ステンレス製ジャケットを装備したテフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100mL)に、原料水溶液を注いだ。
(2) Production of Electrolyte Layer A raw material aqueous solution was poured into a Teflon (registered trademark) sealed container (capacity: 100 mL) equipped with a stainless steel jacket.
一方、枠状治具にてアニオン交換性高分子膜としてのA201(トクヤマ製)を把持し、空気溜まりを含むように、枠状治具およびアニオン交換性高分子膜を、原料水溶液に浸漬させた(図2および図3参照。)。 On the other hand, A201 (manufactured by Tokuyama) as an anion-exchange polymer membrane was held by a frame-shaped jig, and the frame-shaped jig and the anion-exchange polymer membrane were immersed in the raw material aqueous solution so as to include air pockets. (See Figures 2 and 3).
その後、原料水溶液を70℃に加熱して、144時間保持した。 After that, the raw material aqueous solution was heated to 70° C. and held for 144 hours.
これにより、アニオン交換性高分子膜の表面に層状複水酸化物を形成し、無機保護膜を形成した。その結果、アニオン交換性高分子膜と、その一方面に形成される無機保護膜とを備える電解質層を得た。 As a result, a layered double hydroxide was formed on the surface of the anion-exchange polymer membrane to form an inorganic protective membrane. As a result, an electrolyte layer comprising an anion-exchange polymer membrane and an inorganic protective membrane formed on one side thereof was obtained.
(3)アノード触媒インクの調製
ニッケル粉末を担持させたカーボン(ケッチェンブラック)の粉末(Ni:50質量%、C:50質量%、キャタラー社製)を、アニオン交換樹脂と混合させ混合物を得た。次いで、この混合物を、アルコールに分散させた。
(3) Preparation of Anode Catalyst Ink Powder of carbon (Ketjenblack) supporting nickel powder (Ni: 50% by mass, C: 50% by mass, manufactured by Cataler) was mixed with an anion exchange resin to obtain a mixture. rice field. This mixture was then dispersed in alcohol.
これにより、アノード触媒インクを調製した。 An anode catalyst ink was thus prepared.
(4)カソードインクの調製
ナイカルバジンFe錯体(NPC-2000、Pajarito社製)を、アニオン交換樹脂と混合させ混合物を得た。次いで、この混合物を、アルコールに分散させた。
(4) Preparation of Cathode Ink Nicarbazin Fe complex (NPC-2000, manufactured by Pajarito) was mixed with an anion exchange resin to obtain a mixture. This mixture was then dispersed in alcohol.
これにより、カソード触媒インクを調製した。 A cathode catalyst ink was thus prepared.
(5)膜電極接合体の製造
アノード触媒インクを、電解質層の無機保護膜が形成されていない側の表面(アニオン交換性高分子膜の露出面)の表面に、スプレー法により塗布し、25℃で乾燥させた。これにより、アノード電極(アノード触媒層)を形成した。
(5) Manufacture of Membrane Electrode Assembly The anode catalyst ink is applied by a spray method to the surface of the electrolyte layer on which the inorganic protective film is not formed (the exposed surface of the anion-exchange polymer membrane). Dried at °C. Thus, an anode electrode (anode catalyst layer) was formed.
なお、アノード触媒層の触媒担持量は、3.2mg/cm2とした。 The catalyst loading amount of the anode catalyst layer was 3.2 mg/cm 2 .
次いで、カソード触媒インクを、電解質層の無機保護膜が形成されている側の表面(無機保護膜の表面)に、スプレー法により塗布し、25℃で乾燥させた。これにより、カソード電極(カソード触媒層)を形成した。 Next, the cathode catalyst ink was applied to the surface of the electrolyte layer on which the inorganic protective film was formed (the surface of the inorganic protective film) by a spray method, and dried at 25°C. Thus, a cathode electrode (cathode catalyst layer) was formed.
なお、カソード触媒層の触媒担持量は、1.25mg/cm2とした
これにより、膜電極接合体を製造した。
The amount of catalyst supported on the cathode catalyst layer was set to 1.25 mg/cm 2 , thereby producing a membrane electrode assembly.
1 燃料電池
2 アノード電極
3 カソード電極
4 電解質層
15 膜電極接合体
16 アニオン交換性高分子膜
17 機能性無機膜
20 枠状治具
1
Claims (3)
前記イオン交換性高分子膜と、一対の枠体を備える枠状治具とを準備する準備工程と、
前記イオン交換性高分子膜を、一対の前記枠体の間隙に挟み込み、前記枠状治具で前記イオン交換性高分子膜を把持する把持工程と、
前記機能性無機膜を構成する元素の金属イオン溶液に、前記枠体治具で把持された前記イオン交換性高分子膜を浸漬および保持する浸漬工程と、
前記イオン交換性高分子膜の表面に前記機能性無機膜を形成する形成工程と
を備え、
前記浸漬工程では、
前記枠状治具および前記イオン交換性高分子膜により形成される空間に空気を内包させるように、前記金属イオン溶液に、前記枠状治具および前記イオン交換性高分子膜を浸漬させ、これにより、
前記イオン交換性高分子膜の一方側の表面と前記金属イオン溶液とを接触させ、かつ、
前記イオン交換性高分子膜の他方側に空気溜まりを形成し、前記イオン交換性高分子膜の他方側の表面と前記金属イオン溶液との接触を抑制する
ことを特徴とする、電解質層の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane comprising an ion-exchange polymer membrane and a functional inorganic membrane arranged only on one surface of the ion-exchange polymer membrane, comprising:
a preparation step of preparing the ion-exchange polymer membrane and a frame-shaped jig having a pair of frames;
a gripping step of sandwiching the ion-exchange polymer membrane between the pair of frames and gripping the ion-exchange polymer membrane with the frame-shaped jig;
an immersion step of immersing and holding the ion-exchange polymer membrane held by the frame jig in a metal ion solution of elements constituting the functional inorganic membrane;
a forming step of forming the functional inorganic membrane on the surface of the ion-exchange polymer membrane,
In the immersion step,
The frame-shaped jig and the ion-exchange polymer membrane are immersed in the metal ion solution so that air is included in the space formed by the frame-shaped jig and the ion-exchange polymer membrane, by
contacting one surface of the ion-exchange polymer membrane with the metal ion solution; and
Manufacture of an electrolyte layer characterized by forming an air reservoir on the other side of the ion-exchangeable polymer membrane to suppress contact between the surface of the other side of the ion-exchangeable polymer membrane and the metal ion solution. Method.
ことを特徴とする、請求項1に記載の電解質層の製造方法。 2. The method for producing an electrolyte layer according to claim 1, wherein the ion-exchange polymer membrane is an anion-exchange polymer membrane.
ことを特徴とする、請求項1または2に記載の電解質層の製造方法。
3. The method for producing an electrolyte layer according to claim 1, wherein the functional inorganic film contains a layered double hydroxide.
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