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プロトン伝導膜およびその製造方法

国内特許コード P08A013705
整理番号 20246
掲載日 2008年8月22日
出願番号 特願2005-258435
公開番号 特開2006-310253
登録番号 特許第4997438号
出願日 平成17年9月6日(2005.9.6)
公開日 平成18年11月9日(2006.11.9)
登録日 平成24年5月25日(2012.5.25)
優先権データ
  • 特願2005-097829 (2005.3.30) JP
発明者
  • 国武 豊喜
  • 李 海濱
  • 青木 芳尚
出願人
  • 国立研究開発法人理化学研究所
発明の名称 プロトン伝導膜およびその製造方法
発明の概要 【課題】 プロトン伝導性に優れたプロトン伝導膜の製造方法等を提供する。
【解決手段】シラノール基を表面に有する空孔構造を有するプロトン伝導膜の製造方法であって、シリカ前駆体と分散微粒子を含む組成物を、加水分解してゲル化させた後、前記分散微粒子を、ゲルが有するシラノール基が失われない方法にて除去することによって、前記空孔構造を形成することを特徴とする、プロトン伝導膜の製造方法。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


従来から、高分子電解質型燃料電池に用いられる電解質膜は、優れたプロトン伝導性に加えて、化学的・熱的に安定であることから、低温度領域で作動する燃料電池の材料として大きな関心を呼び、様々な研究が行われている。
しかしながら、従来知られている有機高分子電解質膜は高価であり、また、水の吸脱着に伴う膜変形により、電極と膜との間の抵抗が増大してしまうという問題がある。



そこで、ナノ空孔構造を有するシリカを主成分とするプロトン伝導膜について検討されている。この種のプロトン伝導膜は、該膜に存在する水酸基からのプロトンの解離と水酸基と水の間のプロトンのホッピングに基づく。具体的には非特許文献1には、ゾルゲル法で作製した厚さ0.1~1.0mmの多孔性シリカガラス膜が水分を吸着して0.003S・cm-1のプロトン伝導性を示し、また、非特許文献2には、300nm厚みの同様な膜では、最高10-5S・cm-1のプロトン伝導膜が開示されている。しかし、ナフィオンに匹敵する実用的に満足できる膜は得られていない。さらに、非特許文献3には、SiO2-P25二元系のプロトン伝導膜が開示されている。しかしながら、該プロトン伝導膜は、化学的安定性に欠けており、水に浸すとリン酸成分が溶出してプロトン伝導性が低下してしまう。



すなわち、化学的な安定性に優れ、かつ、高いプロトン伝導性を示すシリカ薄膜が社会的、技術的に求められている。



【非特許文献1】
J. Phys. Chem. 102, 5772-5775 (1998)
【非特許文献2】
Advanced Materials 14, No. 12, 912-914 (2002)
【非特許文献3】
高プロトン伝導性ガラス 工業材料 50, 43-46 (2002)

産業上の利用分野


本発明は燃料電池の電解質膜等として用いるプロトン伝導膜およびその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
シラノール基を表面に有する空孔構造を有するプロトン伝導膜の製造方法であって、シリカ前駆体と分散微粒子を含む組成物を、加水分解してゲル化させた後、前記分散微粒子を、ゲルが有するシラノール基が失われない方法にて除去することによって、前記空孔構造を形成する工程を含み、
前記分散微粒子の除去は、プラズマ処理またはオゾン処理によって行う、プロトン伝導膜の製造方法。

【請求項2】
前記分散微粒子の除去は、酸素プラズマ処理によって行う、請求項1に記載の製造方法。

【請求項3】
前記分散微粒子の除去は、オゾン処理によって行う、請求項1に記載の製造方法。

【請求項4】
前記分散微粒子は、粒径が0.4~40nmである、請求項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。

【請求項5】
前記分散微粒子は、略均一の大きさの微粒子である、請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。

【請求項6】
前記分散微粒子は、表面に極性基を有している、請求項1~5のいずれか1項に記載の製造方法。

【請求項7】
前記分散微粒子は、前記組成物中でミセル構造を形成する、請求項1~6のいずれか1項に記載の製造方法。

【請求項8】
前記分散微粒子は、界面活性剤からなる請求項7に記載の製造方法。

【請求項9】
前記組成物を基板上でゲル化させる、請求項1~8のいずれか1項に記載の製造方法。

【請求項10】
前記シリカ前駆体のうち、加水分解されなかったものを除去する工程を含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の製造方法。

【請求項11】
前記シリカ前駆体のうち、加水分解されなかったものの除去を、前記分散微粒子の除去とともに行う、請求項10に記載の製造方法。

【請求項12】
請求項1~11のいずれか1項に記載の製造方法によって製造されたプロトン伝導膜であって、該プロトン伝導膜は、膜厚が10~500nmであり、空孔率が20~80%であり、かつ、プロトン伝導度が10-5S・cm-1より大きいことを特徴とする、プロトン伝導膜。

【請求項13】
前記空孔構造の孔径は、0.4~40nmである、請求項12に記載のプロトン伝導膜。

【請求項14】
前記空孔の孔径が略一定である、請求項12または13に記載のプロトン伝導膜。

【請求項15】
前記空孔を規則的に有している、請求項12~14のいずれか1項に記載のプロトン伝導膜。

【請求項16】
さらに、孔径0.5nm以上2nm未満の微細孔を有する、請求項12~15のいずれか1項に記載のプロトン伝導膜。

【請求項17】
含水率が5%以上である、請求項12~16のいずれか1項に記載のプロトン伝導膜。

【請求項18】
請求項12~17のいずれか1項に記載のプロトン伝導膜を有する燃料電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005258435thum.jpg
出願権利状態 登録
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