+

WO2002058177A1 - Film conducteur de protons et son procede de fabrication, cellule a combustible ayant un film conducteur de protons et son procede de fabrication - Google Patents

Film conducteur de protons et son procede de fabrication, cellule a combustible ayant un film conducteur de protons et son procede de fabrication Download PDF

Info

Publication number
WO2002058177A1
WO2002058177A1 PCT/JP2002/000251 JP0200251W WO02058177A1 WO 2002058177 A1 WO2002058177 A1 WO 2002058177A1 JP 0200251 W JP0200251 W JP 0200251W WO 02058177 A1 WO02058177 A1 WO 02058177A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
proton conductor
group
proton
fuel cell
cell according
Prior art date
Application number
PCT/JP2002/000251
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Naoki Uetake
Original Assignee
Sony Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corporation filed Critical Sony Corporation
Priority to US10/466,649 priority Critical patent/US7226699B2/en
Priority to JP2002558358A priority patent/JP4670219B2/ja
Priority to EP02715762A priority patent/EP1353392A4/en
Priority to KR10-2003-7008950A priority patent/KR20030096244A/ko
Publication of WO2002058177A1 publication Critical patent/WO2002058177A1/ja
Priority to US11/747,502 priority patent/US20070212586A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/122Ionic conductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0289Means for holding the electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1046Mixtures of at least one polymer and at least one additive
    • H01M8/1048Ion-conducting additives, e.g. ion-conducting particles, heteropolyacids, metal phosphate or polybenzimidazole with phosphoric acid
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1067Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • TECHNICAL FIELD A proton conductor membrane and a method for producing the same, a fuel cell equipped with the proton conductor membrane, and a method for producing the same
  • the present invention relates to a proton conductor membrane, a method for producing the same, a fuel cell provided with a proton conductor membrane, and a method for producing the same.
  • proton-conductive polymer materials such as perfluorosulfonic acid resin (such as Nafion (R) manufactured by Du Pont) have been used as solid polymer electrolyte fuel cells for driving automobiles. Is known.
  • These polymeric materials and hydrated compounds exhibit high proton conductivity near room temperature when placed in a wet state.
  • the composite metal having a pair Ropusukaito structure such as S r C e 0 3 doped with Y b The metal oxide was found to have proton conductivity even without using water as a transport medium. In this composite metal oxide, it is considered that protons are independently channeled between the oxygen ions forming the perovskite structure skeleton and are conducted.
  • This conductive proton is not present in the composite metal oxide from the beginning.
  • the perovskite structure comes into contact with the water vapor contained in the surrounding atmospheric gas, the high-temperature water molecules react with oxygen vacancies formed in the perovskite structure by doping. Protons are thought to be generated.
  • matrix materials such as perfluorosulfonic acid resins need to be continuously humidified during use 'in order to keep the proton conductivity high.
  • a humidifier and various auxiliary devices are required for the configuration of a system such as a fuel cell, and it is inevitable that the size of the device increases and the cost of system construction increases.
  • the operating temperature is not wide enough to prevent freezing and boiling of the water contained in the matrix.
  • the composite metal oxide having a perovskite structure it is necessary to maintain the operating temperature at a high temperature of 500 ° C. or more in order to perform significant proton conduction.
  • the conventional proton conductor has a problem that the operating temperature is too high or its range is narrow, because the proton conductor has a high dependence on the atmosphere, such as capturing moisture and requiring steam. .
  • DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been proposed to fundamentally improve the situation described above, and its purpose is to be used in a wide temperature range including room temperature, and its minimum temperature is not particularly high.
  • a proton conductor that is low in atmosphere dependence, does not require moisture irrespective of whether it is a moving medium, has low film-forming properties, has high strength, and has gas permeation prevention ability. And a method for producing the same, and an electrochemical device.
  • the proton conductor according to the present invention has a weight of 20% by weight of a fullerene derivative obtained by introducing a proton dissociable group into a carbon atom constituting a fullerene molecule. / Polyvinyl alcohol with a content exceeding 0 .
  • the proton conductor according to the present invention has a fullerene derivative and a weight of 20%. / 0 content of polyvinyl alcohol makes it easy for the proton to dissociate even in a dry state, and this proton has a wide temperature range including room temperature (at least about 160 ° C to 140 ° C).
  • the temperature range is 0 ° C.
  • the lower limit of use temperature is not too high unlike conventional composite metal oxides.
  • the method for producing a proton conductor according to the present invention includes a step of introducing a proton dissociable group into a carbon atom constituting a fullerene molecule to produce a fullerene derivative; And mixing the mixture with polyvinyl alcohol having a mixing ratio of more than 2 to form a thin film of the mixture.
  • 'A method of manufacturing a pro ton conductor according to the present invention includes the steps that generates a fullerene derivative, this' a poly Biniruaru call compounding ratio greater than fullerene derivative and 2 0 weight 0/0 were mixed, Since this mixture is formed into a thin film, the proton conductor having the unique performance as described above can be efficiently produced in the form of a thin film.
  • the electric device includes a first electrode, a second electrode, and a proton conductor sandwiched between the two electrodes.
  • the proton conductor converts protons into carbon atoms constituting fullerene molecules. It contains a fullerene derivative into which a dissociable group has been introduced, and a polyvinyl alcohol having a content of more than 20% by weight.
  • the proton conductor sandwiched between the first electrode and the second electrode is a polybutyl alcohol having a content of more than 20% by weight with the fullerene derivative. Therefore, unlike conventional fuel cells that use water as a moving medium, for example, a humidifier is not required, and a proton conductive thin film with high strength and good gas impermeability is provided. In addition, the system can be reduced in size and simplified.
  • the proton conductor membrane according to the present invention is obtained by subjecting a proton conductor membrane containing a proton conductor and polyvinyl alcohol as a binder to heat treatment at a temperature of 150 ° C. to 200 ° C. Is applied.
  • a proton conductor membrane containing a proton conductor and polyvinyl alcohol as a binder is obtained by subjecting a proton conductor membrane containing a proton conductor and polyvinyl alcohol as a binder to heat treatment at a temperature of 150 ° C. to 200 ° C. Is applied.
  • the water resistance of the proton conductor membrane is improved, and even when water is generated by the electrode reaction, water is not eluted, and a proton conductive membrane having excellent hydrogen gas blocking ability can be obtained.
  • the heat treatment strengthens the hydrogen bonds between the multiple hydroxyl groups contained in the polybutyl alcohol and increases the crystallinity of the polyvinyl alcohol.
  • the heat treatment significantly reduces the solubility of polyvinyl alcohol in water, and significantly improves the water resistance of the proton conductor membrane using polyvinyl alcohol as the binder. Has been shown to improve.
  • the solubility of polyvinyl alcohol in water is significantly reduced. Even if water is generated by the electrode reaction, water is not eluted, and it is possible to obtain a proton conductor film having excellent hydrogen gas blocking ability.
  • the proton conductor is mixed with polyvinyl alcohol, and the resulting proton conductor membrane is formed at a temperature of 150 ° C. to 200 ° C.
  • the heat treatment is achieved by a method for producing a proton conductor film.
  • the solubility of polyvinyl alcohol in water is significantly reduced by subjecting a proton conductor membrane containing a proton conductor and a polyvinyl alcohol as a binder of the proton conductor to a heat treatment. Therefore, even if water is generated by the electrode reaction, it is not eluted and has excellent hydrogen gas blocking ability. It becomes possible to manufacture a proton conductor film.
  • the fuel cell according to the present invention includes a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and a proton conductor and polyvinyl alcohol as a binder of the proton conductor are provided between the hydrogen electrode and the oxygen electrode. And a proton conductor film that is heat-treated at a temperature of 150 ° C. to 200 ° C.
  • the solubility of polyvinyl alcohol in water is increased by subjecting a proton conductor film containing proton conduction breaks and polyvinyl alcohol as a binder of the proton conductor to heat treatment. Therefore, it is possible to obtain a high-output fuel cell that does not elute even when water is generated by an electrode reaction and that has a proton conductor membrane with excellent hydrogen gas blocking ability. Will be possible.
  • a method for manufacturing a fuel cell according to the present invention is directed to a proton conductor film including a proton conductor and polyvinyl alcohol as a binder for the proton conductor between a hydrogen electrode and an oxygen electrode. And a method of manufacturing a fuel cell by heating the proton conductor membrane at a temperature of 150 ° C. to 200 ° C.
  • the proton conductor film according to the present invention by subjecting a proton conductor film containing a proton conductor and a polyvinyl alcohol as a binder of the proton conductor to a heat treatment, the solubility of polyvinyl alcohol in water is improved.
  • the proton conductor film according to the present invention includes a proton conductor layer containing a fullerene derivative, and a hydrogen gas blocking layer in which a polybutyl alcohol is mixed with the fullerene derivative.
  • the present invention it is possible to reliably prevent the hydrogen gas from reaching the oxygen electrode, so that the hydrogen gas reaches the oxygen electrode, hinders the electrode reaction at the oxygen electrode, and reduces the output of the fuel cell. Can be effectively prevented.
  • the fuel cell according to the present invention includes a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and further includes a proton conductor layer containing a fullerene derivative between the hydrogen electrode and the oxygen electrode; and polyvinyl alcohol as the fullerene derivative. Professional with mixed hydrogen gas barrier A ton conductor film is provided.
  • the present invention it is possible to reliably prevent the hydrogen gas from reaching the oxygen electrode, so that the hydrogen gas reaches the oxygen electrode, hinders the electrode reaction at the oxygen electrode, and reduces the output of the fuel cell. Can be effectively prevented.
  • any material can be used as the proton conductor as long as it has proton conduction ability, but from the viewpoint that there is no need for humidification, fullerene derivatives such as fullerenol are used. It is preferably used.
  • a fullerene derivative refers to a substance obtained by introducing a proton dissociable group into a carbon atom constituting a fullerene molecule.
  • proton dissociation means “proton is released by ionization”
  • proton dissociable group means “proton is dissociated by ionization. Group that can be ".
  • the fullerene molecule into which the proton dissociative group is introduced may be a spherical carbon cluster molecule, and is not particularly limited, but includes C 3e , C 60 ,
  • a fullerene molecule selected from, C82 , C84 and the like, or a mixture of two or more thereof is preferably used.
  • the proton-dissociable group can be represented by —XH.
  • X is any atom or atomic group having a divalent bond
  • H is a hydrogen atom.
  • the proton dissociable group is preferably represented by —OH or —YOH.
  • Y is any atom or atomic group having a divalent bond.
  • the proton dissociating groups are, - OH, - OS_ ⁇ 3 H, - COOH, rather preferably be a group selected from the group consisting of one S_ ⁇ 3 H and one O PO (OH)
  • Typical fullerene derivatives include polyhydroxy fullerene and fullerenol bisulfate.
  • the fullerene derivative is an electron-withdrawing group such as a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group, a proton-dissociable group, and a carbon atom constituting the fullerene molecule.
  • Halogen such as fluorine and chlorine It is preferable that a nitrogen atom or the like is introduced.
  • the number of proton dissociable groups to be introduced into carbon atoms constituting the fullerene molecule can be arbitrarily determined within the range of the number of carbon atoms constituting the fullerene molecule. It is preferable that the number of carbon atoms constituting the fullerene molecule be equal to or less than 1 ⁇ ⁇ 2 in order to retain the ⁇ -electron property of fullerene and exhibit an effective electron-withdrawing property.
  • FIGS. 1A and 1B are structural diagrams of fullerene molecules used in the wood invention.
  • FIGS. 2A and 2B are structural diagrams of a polyhydroxylated fullerene which is an example of the fullerene derivative used in the present invention.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C are schematic diagrams showing other examples of the fullerene derivative used in the present invention and used in the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing an example of the proton conductor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fuel cell showing one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a hydrogen-air battery showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an electrochemical device showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an electrochemical device showing still another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A and 9B are circuit diagrams showing equivalent circuits of the fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the complex impedance of the pellet used in the fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing the temperature dependence of the proton conductivity of the pellet used in the fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing another example of the fuel cell according to the present invention (the measurement result of the complex impedance of the pellet used).
  • FIG. 13 is a diagram showing the temperature dependence of the proton conductivity of the pellet shown in FIG.
  • FIG. 14 is a graph showing the output characteristics of the fuel cell when the ratio of the polyvinyl alcohol content in the proton conductor according to the present invention is changed.
  • FIG. 15 is a graph showing the dependence of the output of the fuel cell according to the present invention on fullerenol and polyvinyl alcohol, and is a graph showing the characteristics of output and voltage.
  • FIG. 16 is a graph showing the dependence of the output of the fuel cell according to the present invention on fullerenol and polyvier alcohol, and is a graph showing voltage and current density.
  • FIG. 17 is a graph showing a test result of a water resistance test in Example 1 of the present invention.
  • FIG. 18 shows the change over time of the hydrogen gas concentration in Example 2 of the present invention and Comparative Example.
  • the fullerene molecule as the parent to which the proton dissociable group is introduced is preferably a spherical cluster molecule.
  • C S6 , C eo see Figure 1A
  • C,. See FIG. IB
  • C M, C 78 , C eo, single fullerene molecule selected from such C 82, C M, or a mixture of two or more thereof are preferably used.
  • Fullerene fluoride has high proton conductivity even in a dry state over a wide temperature range across the normal temperature range, that is, a temperature range above the freezing point of water and the boiling point (at least 160 ° C to 140 ° C).
  • this proton conductivity became more remarkable when a hydrogen sulfate group was introduced into a carbon atom constituting fullerene instead of a hydroxyl group.
  • “Polyfullerene hydroxide” is a generic name for those having a structure in which multiple hydroxyl groups are added to fullerene, as shown in FIGS. 2A and 2B, and is commonly called “Fullerenol”. " is called. Naturally, several variations are possible in the number of hydroxyl groups and their intramolecular arrangements. Fullerenol was first synthesized in 1992 by Ch “iang et al. (Chiang, LY; Swircz ewski, J. w .; Hsu, CS; Chowdhury, 5. K .; and ameron, Creegan, KJ Chem. Soc, Chem. Co "" 'mmun. 1992, 1791) Since then, bralenol with more than a certain amount of hydroxyl group introduced has been particularly noted for its "water-soluble characteristics. It has been studied in the field of biotechnology.
  • fullerenol into an aggregate as schematically shown in FIG. 3A, and the interaction between hydroxyl groups of adjacent fullerenol molecules (in FIG. 3, ⁇ indicates fullerene molecule). It was found for the first time that this aggregate exhibited high proton conduction properties (in other words, the dissociation of H + from the phenolic hydroxyl group of the fullerenol molecule) as a macro-aggregate. did it.
  • the object of the invention is achieved even cowpea to using aggregates of fullerene with, for example, multiple single OS 0 3 H group than fullerenols professional tons conductor.
  • Polyhydroxylated fullerene as shown in FIG. 3 B the OH groups is replaced with OS 0 3 H group
  • Sunawa Chi hydrogensulfate esterified fullerenol is also reported in 1 9 "9 4 years by Chiang et al. ( Chiang. LY; Wang, LY; Swircze ski, JW; Soled, S .; Cameron, SJ Org. Chem. 1994, 59, 3960)
  • Hydrogen sulfate esterified fullerenes contain one molecule. it also contain only OS 0 3 H group, or a plurality this group and the hydroxyl group, respectively, it is also possible to have.
  • Balta When allowed to aggregate a number of above-described fullerene derivative, it pro ton conductivity shown as Balta is derived from the original mass of the hydroxyl group or OS 0 3 H groups contained in the molecule Pro Since tons are directly involved in the movement, there is no need to take in hydrogen or gaseous tones originating from water vapor molecules or the like from the atmosphere, nor is it necessary to capture moisture from the outside, in particular, to absorb moisture from outside air, etc. There are no restrictions on the atmosphere.
  • fullerene Since most of the proton conductors of the present invention are composed of fullerene carbon atoms, they are light in weight, difficult to alter, and free from contaminants. Also, the production cost of fullerenes is dropping sharply. From a resource, environmental and economic perspective, fullerene is considered to be a near ideal carbon-based material over all other materials.
  • the proton dissociable group does not need to be limited to the above-mentioned hydroxyl group or OSO 3 H group.
  • this dissociable group is represented by the formula XH, and X may be any atom or atomic group having a divalent bond. Further, this group is represented by the formula —OH or —YOH, and Y may be any atom or atomic group having a divalent bond.
  • the proton dissociable group is preferably any one of —COOH, —SOsH, and —OPO (OH) 2 in addition to —OH and —OS OaH.
  • the carbon atom constituting the fullerene molecule is combined with the proton dissociating group and an electron withdrawing group such as a nitro group, a carboel group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group, and a halogen atom. (Fluorine, chlorine, etc.) are preferably introduced.
  • FIG. 3C shows a fullerene molecule in which Z is introduced in addition to 1 OH.
  • the Z is specifically one N0 2, one CN, one F, _C1, One COOR, One CHO, -COR, - CF 3, and the like one SOC F 3 (where R is Represents an alkyl group).
  • the number of the proton-dissociable groups to be introduced into the fullerene molecule may be any number within the range of the number of carbon atoms constituting the fullerene molecule, but is preferably 5 or more.
  • the number of the above groups is preferably equal to or less than half the number of carbon atoms constituting fullerene in order to retain the ⁇ -electron property of fullerene and to exhibit an effective electron-withdrawing property.
  • the fullerene molecule powder is appropriately combined with a known treatment such as an acid treatment or hydrolysis. By applying, a desired proton dissociable group may be introduced into the constituent carbon atom of the fullerene molecule.
  • the powder of the fullerene derivative thus obtained can be formed into a desired shape, for example, into a pellet by pressure.
  • the binder since the binder is unnecessary, it is effective in increasing the conductivity of the proton and in achieving the weight reduction of the proton conductor.
  • the proton conductor of the present invention can be suitably used for various electrochemical devices. That is, in the basic structure including the first pole, the second pole, and the proton conductor sandwiched between these two poles, the proton conductor of the present invention is preferably used as the proton conductor. Can be applied.
  • the first electrode and the ⁇ or the second electrode are used for an electrochemical device that is a gas electrode or an electrochemical device that uses an active material electrode for the first electrode and the ⁇ ⁇ or the second electrode.
  • the proton conductor of the present invention can be preferably applied.
  • an example in which the proton conductor of the present invention is applied to a fuel cell will be described.
  • the proton conduction of the fuel cell is as shown in the schematic diagram of FIG. 4, in which the proton conducting portion 1 is sandwiched between a first electrode (for example, a hydrogen electrode) 2 and a second electrode (for example, an oxygen electrode) 3.
  • the dissociated protons move from the first pole 2 to the second pole 3 along the direction of the arrow shown in the figure.
  • FIG. 5 shows a specific example of a fuel cell using the proton conductor of the present invention.
  • the catalysts 2a and 3a are opposed to each other in close contact with or dispersed in each other. It has a negative electrode (fuel electrode or hydrogen electrode) 2 and a positive electrode (oxygen electrode) 3 with terminals 8 and 9, and a proton conductor portion 1 is sandwiched between these two electrodes.
  • hydrogen is supplied from the inlet 12 and discharged from the outlet 13 (which may not be provided). Proton was generated while the fuel (H 2 ) 14 passed through the channel 15, and this proton was generated in the proton conductor 1.
  • the oxygen (air) 19 supplied from 16 to the flow channel 17 toward the exhaust port 18 reacts with the oxygen, thereby extracting a desired electromotive force.
  • the fuel cell having such a configuration is characterized in that protons supplied from the negative electrode 2 side move to the positive electrode 3 side while the protons are dissociated in the proton conduction section 1, so that the protons have high conductivity. Therefore, a humidifying device or the like is not required, so that the system can be simplified and reduced in weight.
  • the proton conductor of the present invention has a film-forming property derived from polyester alcohol, unlike the case of using the fullerene derivative alone, and is more compact than the case where the powder of the fullerene derivative described above is compression-molded. It can be used as a flexible proton conductive thin film (thickness is usually 300 m or less) with high strength and gas permeation preventing ability.
  • any material having a film-forming property can be used as long as it does not hinder the conductivity of the proton as much as possible (due to reaction with a fullerene derivative, etc.). Those having good stability can be used. Specific examples thereof include polyfluoroethylene and polyvinylidene fluoride.
  • known film forming means including extrusion molding may be used.
  • a hydrogen electrode 21 and an air electrode 22 are arranged opposite to each other with a thin-film proton conductor 20 inside, and a Teflon plate 24 a And a Teflon plate 24b with a number of holes 25, and the whole is fixed with bolts 26a and 26b and nuts 27a and 27b.
  • the cathode lead 28a and the cathode lead 28b are taken out.
  • the electrochemical device shown in FIG. 7 has a negative electrode active material layer 30 provided on the inner surface. And a positive electrode 33 (gas electrode) provided with a gas permeable support 32 on the outer surface, and has a structure in which a proton conductor 34 is sandwiched. 4 uses the proton conductor of the present invention.
  • the negative electrode active material is preferably a hydrogen storage alloy or a material in which a hydrogen storage alloy is supported on a carbon material such as fullerene.For the gas permeable support 32, for example, a porous carbon paper is used.
  • the positive electrode 33 is preferably formed by applying a material in which platinum is supported on carbon powder in a paste shape, for example. The gap between the outer end of the negative electrode 31 and the outer end of the positive electrode 33 is closed by the gasket 35. In this electrochemical device, charging can be performed with moisture present on the positive electrode 33 side.
  • the electrochemical device shown in FIG. 8 has a thin-film proton conduction between a negative electrode 38 provided with a negative electrode active material layer 37 on the inner surface and a positive electrode 40 provided with a positive electrode active material layer 39 on the inner surface. It has a structure in which the body 41 is sandwiched, and as the positive electrode active material, for example, a material mainly composed of nickel hydroxide is used. In this electrochemical device, the gap between the outer end of the negative electrode 38 and the outer end of the positive electrode 40 is closed by the gasket 42.
  • any of the electrochemical devices described above can exhibit the proton conduction effect by the same mechanism as the electrochemical device shown in FIG.
  • the proton conductor since the proton conductor uses a fullerene derivative in combination with a film-forming polybutyl alcohol, it can be used in the form of a thin film with improved strength and small gas permeability, exhibiting good proton conductivity. It is possible to
  • the conductor film occupies more than 20% by weight or 40% by weight of a fullerene derivative obtained by introducing a proton (H + ) dissociable group into a carbon atom constituting a fullerene molecule. /. It contains the following content of polybutyl alcohol. From the viewpoint of the voltage or current density dependence of the fuel cell output, the PVA content is preferably set to a value exceeding 20%, more preferably 25%. The upper limit is preferably 40%, more preferably 37%, and even more preferably 35%.
  • binder material to be mixed with fullerenol other polymer materials such as polyfluoroethylene can be used in combination with PVA, on the precondition that the PVA content exceeds 20%.
  • the proton conductor film of the present invention can be manufactured in a sheet shape,
  • the present invention can be applied to, for example, hydrogen production.
  • a hydrogen barrier layer in which a polyfullerene derivative is mixed with polybutyl alcohol is formed on at least one surface of the proton conductor layer containing the fullerene derivative.
  • a hydrogen barrier layer in which polyvinyl alcohol is mixed with a fullerene derivative is formed on the surface of the proton conductor layer containing the fullerene derivative on the oxygen electrode side.
  • a hydrogen barrier layer in which polyvinyl alcohol is mixed with a fullerene derivative is formed on the surface of the proton conductor layer containing the fullerene derivative on the hydrogen electrode side.
  • the hydrogen blocking layer obtained by mixing polyvinyl alcohol with the fullerene derivative preferably has a thickness of 0.1 m to 10 / m. If the thickness of the hydrogen barrier layer in which the fullerene derivative is mixed with polybutyl alcohol is less than 0.1 / x m, sufficient hydrogen gas barrier ability cannot be obtained,
  • the resistance value of the entire proton conductor film increases, which causes a decrease in the output of the fuel cell, which is not preferable.
  • the mixing ratio of the fullerene derivative and polyvinyl alcohol in the hydrogen blocking layer in which polyvinyl alcohol is mixed with the fullerene derivative varies depending on the type of the fullerene derivative. When is used, it is preferable to mix them in a weight ratio of 6: 4 to 9: 1.
  • a proton conductor film containing a proton conductor and a polyvinyl alcohol as a binder is formed at a temperature of 150 ° C. to 200 ° C. It is necessary to perform heat treatment at a temperature of C. If the treatment temperature exceeds 200 ° C., the polyvinyl alcohol as a binder may be deteriorated, while the treatment temperature is 150 ° C. If it is less than C, the water resistance of a proton conductor film using polyvinyl alcohol as a binder cannot be improved in a practical processing time.
  • the temperature is preferably from 160 ° C. to 200 ° C.
  • a proton conductor film containing a proton conductor and polyvinyl alcohol as its binder is Heat treatment is performed.
  • the thickness of the proton conductor film containing the proton conductor and polyvinyl alcohol as its binder varies depending on the type of the proton conductor, but is from 0.1 ⁇ m to 0.1 ⁇ m. It is preferably 20 ⁇ m. If the thickness of the proton conductor film containing the proton conductor and polyvinyl alcohol as its binder is less than 0.1 / im, sufficient hydrogen gas blocking ability cannot be obtained. When the thickness of the proton conductor film containing the proton conductor and polyvinyl alcohol as its binder exceeds 20 ⁇ m, the resistance value of the entire proton conductor film increases, It is not preferable because it causes a decrease in the output of the fuel cell.
  • the fullerene derivative and the polybutyl alcohol are used in a weight of 60:40 to 95: 5, depending on the type of the fullerene derivative. It is preferable to mix them in a ratio to form a proton conductor film.
  • the method of forming the proton conductor film is not particularly limited, but various coating methods such as a bar coating method, a spin coating method, and a doctor blade method, and various printing methods such as screen printing and gravure printing. It can be formed by a method, a spray drying method, or the like.
  • a fullerene derivative when used as the proton conductor, for example, a mixture of the fullerene derivative and polyvinyl alcohol is used in a weight ratio of 1 to 10 of a mixture of the fullerene derivative and polyvinyl alcohol.
  • the proton conductor film can be formed by dispersing or dissolving in water, printing it, and evaporating water as a solvent after printing.
  • an organic solvent such as methanol, ethanol, or isopropyl alcohol, or a mixed solvent of these and water can be preferably used. After printing, the solvent is evaporated to remove the solvent.
  • a conductor film can be formed.
  • layers of the proton conductor that do not contain polyvinyl alcohol are formed on both sides of the proton conductor film.
  • a layer of a proton conductor that does not contain polyvinyl alcohol is formed on both sides of the proton conductor film, and is mainly made of carbon.
  • the fuel cell is constituted by being sandwiched between the hydrogen electrode and the oxygen electrode.
  • Polyvinyl alcohol is water-soluble, whereas hydrogen and oxygen electrodes, which are mainly made of carbon, have water repellency, so that protons using polybutyl alcohol as a binder are used.
  • the conductor film is directly adhered to the hydrogen electrode and the oxygen electrode, the adhesion is poor and the output of the fuel cell may be reduced.
  • the proton conductor layer containing no polybutyl alcohol is formed on both sides of the proton conductor film, the adhesion between the hydrogen electrode and oxygen electrode and the proton conductor film is greatly improved. Therefore, a high-power fuel cell can be obtained.
  • the layer of proton conductor without polyvinyl alcohol has a thickness of 5 ⁇ m to 20 m. If the thickness of the fullerene derivative layer containing no polyvinyl alcohol is less than 5 ⁇ , it is not possible to sufficiently improve the adhesion to a hydrogen electrode and an oxygen electrode mainly composed of carbon. On the other hand, when the thickness of the proton conductor layer containing no polyvinyl alcohol exceeds 20 ⁇ , the resistance value of the entire proton conductor film increases, which causes a decrease in the output of the fuel cell. It is not preferable.
  • the method for forming the layer of the proton conductor that does not contain polyvinyl alcohol is not particularly limited, but various coating methods such as a bar coating method, a spin coating method, and a doctor-blade method, and a method for forming a screen. It can be formed by various printing methods such as lean printing and Daravia printing, and a spray drying method.
  • a printing method when a fullerene derivative is used as the proton conductor, for example, a tetrahydrofuran, acetonitrinole, dimethylacetate, which is 1 to 10 times the fullerene derivative by weight, is used. Disperse or dissolve in organic solvents such as amide, dimethylformamide, and ⁇ -methylpyrrolidone, print, print, and then evaporate the solvent to form a fullerene derivative layer that does not contain polyvinyl alcohol. can do.
  • the proton conductor film includes a fullerene derivative and polyvinyl alcohol, and further includes a hydrogen gas blocking layer in which the fullerene derivative is mixed with polyvinyl alcohol. It has been recognized that when a proton conductor membrane is further provided with a hydrogen gas barrier layer in which a fullerene derivative is mixed with polyvinyl alcohol, the hydrogen gas barrier ability of the proton conductor membrane is significantly improved.
  • the fullerene derivative may be provided with a hydrogen gas blocking layer in which polyvinyl alcohol is mixed, and the formation position is not limited.
  • the hydrogen gas blocking layer in which polyvinyl alcohol is mixed with the fullerene derivative is formed on at least one surface of the proton conductor membrane containing the fullerene derivative.
  • the hydrogen gas blocking layer in which the fullerene derivative is mixed with polybutyl alcohol is formed on the oxygen electrode side surface of the proton conductor film, it is formed on the hydrogen electrode side surface of the proton conductor film. It may be formed.
  • the hydrogen gas blocking layer is formed to a thickness of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m. If the thickness of the hydrogen barrier layer in which polyvinyl alcohol is mixed with the fullerene derivative is less than 0.1 ⁇ , sufficient hydrogen gas barrier ability cannot be obtained. It is not preferable because the resistance value of the entire ton-conducting film increases and causes a decrease in the output of the fuel cell.
  • the mixing ratio of the fullerene derivative and polyvinyl alcohol in the hydrogen barrier layer, in which polyvinyl alcohol is mixed with the fullerene derivative varies depending on the type of the fullerene derivative. In this case, it is preferable to mix them in a weight ratio of 6: 4 to 9: 1.
  • the method for forming the hydrogen blocking layer in which polyvinyl alcohol is mixed with the fullerene derivative is not particularly limited, but various coating methods such as a bar coating method, a spin coating method, and a doctor blade method, and a screen coating method. It can be formed by various printing methods such as lean printing and gravure printing, and a spray drying method.
  • a mixture of a fullerene derivative and polyvinyl alcohol is dispersed or dissolved in water in a weight ratio of 1 to 10 times that of a mixture of the fullerene derivative and polyvinyl alcohol, and the printing is performed. Then, by evaporating water as a solvent, a hydrogen barrier layer in which polyvinyl alcohol is mixed with the braylene derivative can be formed.
  • polyvinyl alcohol is mixed with the fullerene derivative.
  • a layer of a proton conductor containing no polybutyl alcohol is formed on the surface of the hydrogen barrier layer.
  • the heat treatment of the proton conductor membrane may be performed at any time after the formation of the proton conductor membrane.
  • heat treatment may be performed, or a proton conductor film may be formed on a hydrogen electrode or oxygen electrode mainly composed of carbon. May be formed, and a heat treatment may be performed after an oxygen electrode or a hydrogen electrode is brought into close contact with the surface of the proton conductor film.
  • a layer of a fullerene derivative containing no polyvinyl alcohol is formed, a layer of a fullerene derivative containing no polyvinyl alcohol is formed on a hydrogen electrode or an oxygen electrode mainly composed of carbon, and a professional layer is formed thereon.
  • a heat treatment may be performed, or a layer of a fullerene derivative containing no polyvinyl alcohol is formed on a hydrogen electrode or an oxygen electrode mainly composed of carbon, and the proton layer is formed thereon.
  • a layer of a fullerene derivative not containing polyvinyl alcohol is formed on the surface of the proton conductor film, and an oxygen electrode or a hydrogen electrode is formed on the layer of the fullerene derivative not containing polyvinyl alcohol. Then, a heat treatment may be performed after the substrates are brought into close contact with each other.
  • the formed proton conductor film may be subjected to heat treatment alone.
  • the method of performing the heat treatment on the proton conductor film is not particularly limited.
  • the proton conductor film or the laminate including the proton conductor film is placed on a heater and heated.
  • Treatment method a heater is directly pressed onto the proton conductor film, and a hot press method in which heat treatment is performed.
  • a laminate containing a proton conductor film or a proton conductor film is placed in a thermostat.
  • a method of performing a heat treatment a method of applying a gas such as heated air, nitrogen, or argon to a proton conductor film or a laminate including the proton conductor film to perform a heat treatment can be used.
  • Heat treatment of the proton conductor membrane or the laminate including the proton conductor membrane is performed by an It may be performed in an inert gas atmosphere such as gon and nitrogen, or may be performed in the air.
  • the powder of the polyhydroxylated fullerene was taken and pressed in one direction so as to form a circular pellet having a diameter of 15 mm.
  • the press pressure at this time was about 7 tons / cm 2 .
  • the polyhydroxylated fullerene powder was excellent in moldability despite containing no binder resin, and could be easily pelletized.
  • the pellet has a thickness of about 300 microns, which is the pellet of Example 1.
  • the resulting precipitate was separated by centrifugation, washed three times with getyl ether and twice with a 2: 1 mixture of getyl ether and acetonitrile, and dried under reduced pressure at 40 ° C. I let you.
  • the FT-IR measurement of the powder obtained in this way showed that the IR spectrum of the fullerene derivative partially containing a hydroxyl group and an OSO aH group, which was shown in the above-mentioned literature, almost coincided with the IR spectrum. The powder was confirmed to be the target substance.
  • each side of each pellet was sandwiched by an aluminum plate with a diameter of 15 mm equal to the pellet, and this was applied from 7 MHz.
  • An AC voltage (amplitude 0.4 V) up to 0.01 Hz was applied, and the complex impedance at each frequency was measured. The measurement was performed in a dry atmosphere.
  • the proton conduction part 1 of the proton conductor made of the above-mentioned pellets electrically constitutes an equivalent circuit as shown in Fig. 9A, and is composed of a parallel circuit of a resistor 4 and a capacitor 5.
  • Capacitances 6a and 6b are formed between the first pole 2 and the second pole 3 including the proton conduction portion 1 shown. Note that the capacitance 5 represents a delay effect when the proton moves (phase lag at a high frequency), and the resistance 4 represents a parameter of the ease of movement of the proton.
  • FIG. 9B is an equivalent circuit when a normal fullerene molecule without proton dissociation is used (comparative example described later).
  • FIG. 10 shows the impedance measurement results for the pellets in Example 1 and Comparative Example 1.
  • the charged particles are not electrons or holes, but other charged particles, that is, ions. Due to the composition of the fullerenol used, this charged particle is unlikely to be any other than a proton. From the X-axis intercept of the circular arc seen on the quotient frequency side, the conductivity of this charged particle can be determined.In the pellet of Example 1, it is calculated as approximately 5 Xl (T 6 S / cm. When the same measurement was performed for the pellets of Example 2 and Example 3, the frequency characteristics of the impedance were the same for the entire shape as in Example 1. However, the frequency characteristics were obtained from the X intercept of the arc part. The measured conductivity was different from each other as shown in Table 1. The conductivity of the proton conductor pellet in the present invention (25 ° C.)
  • the above complex impedance measurement was performed in the temperature range from 160 ° C to —40 ° C, and the temperature dependence of the conductivity obtained from the high-frequency side arc at that time.
  • the sex was examined.
  • Figure 11 shows the results as an Arrhenius type plot. You. Thus, it can be seen that the conductivity changes sharply and linearly from 160 ° C. to 140 ° C. In other words, the figure shows that a single ion conduction mechanism can proceed in this temperature range. That is, the proton conductor of the present invention can conduct electricity in a wide temperature range including room temperature, particularly in a high temperature of 160 ° C. or a low temperature of 140 ° C.
  • FIG. 9A and the proton conduction part represented by the resistance 4 A capacitance 6 is formed between the first pole 2 and the second pole 3 including the first pole.
  • the capacitance 6 represents the delay effect when the proton moves (phase lag at high frequency), and the resistance 4 represents the parameter of the ease of movement of the proton.
  • FIG. 9B is an equivalent circuit in the case of using a normal fullerene molecule without proton dissociation (comparative example described later).
  • FIG. 12 shows the impedance measurement results for the pellets in Example 4 and Comparative Example 2.
  • the particles are not electrons or holes, but other charged particles, that is, ions. Due to the composition of the fullerenol used, this charged particle is unlikely to be any other than a proton. From the X-axis intercept of the arc seen at the high frequency side, the conductivity of this charged particle can be determined, and in the pellet of Example 4, it is calculated to be approximately 1 X 1 CT 6 SZ cm. The same measurement was performed for the pellets of Example 4, Example 5, Example 4, Example 5, and Example 6, and the frequency characteristics of the impedance were similar to those of Example 4 for the overall shape. However, the conductivity obtained from the X-intercept of the arc was different as shown in Table 2. Conductivity of proton conductor pellet in the present invention (25 ° C)
  • the conductivity in the pellets tends to increase when the hydroxyl group is replaced by the OSCH group. This is towards the OS 0 3 H groups than hydroxyl ionization of hydrogen by prone stiffness. Then, a hydroxyl group, in either case of OS_ ⁇ 3 H group, or even when the both are mixed, aggregates of this kind of a fullerene derivative in a dry atmosphere, finding that it is possible to pro tons conductivity at room temperature I was able to.
  • the above complex impedance measurement was performed in the temperature range from 160 ° C to 140 ° C, and the temperature dependence of the conductivity obtained from the high-frequency side arc at that time was measured. The sex was examined.
  • Figure 13 shows the results as an Arrhenius-type plot. According to this, it can be seen that the temperature changes very linearly from 160 ° C to 140 ° C. In other words, it can be seen that a single ion conduction mechanism can proceed in this temperature range. In other words, it indicates that a single ion conduction mechanism can proceed in this temperature range. That is, the proton conductor of the present invention can conduct electricity in a wide temperature range including room temperature, particularly in a high temperature such as 160 ° C. and a low temperature such as 140 ° C.
  • a proton conduction portion was formed by a mixture of the poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate) used in Example 5 and a binder (polyvinyl alcohol).
  • a binder polyvinyl alcohol
  • FL polyhydroxylated fullerene hydrogen sulfate
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the inflection point is shown when the PVA content is 20%, and when the PVA content falls below 20%, the output drops sharply, and when it exceeds 20%, a high output is obtained. Is. From this result, the PVA content should be more than 20%. Further, since an inflection point appears at 25%, the lower limit of the PVA content is desirably set to 25%. In addition, the output starts to decrease at the peak of 33%, and an inflection point appears at 37% .However, when it exceeds 40%, the output itself tends to decrease considerably, so the upper limit of the PVA content is 40%. And more preferably 37%. Therefore, from FIG.
  • the PVA content should be more than 20%, preferably 25%, and the upper limit is preferably 40%, more preferably 37%, and more preferably 3%. 5%.
  • the advantage of such a PVA compounding ratio is clear from the data on the output voltage or current density shown in FIG. 15 or FIG. 16 described later.
  • Figures 15 and 16 show that the fuel cell fabricated for the above measurement has the lowest (12.5%), the highest (50%), the peak value of 33% and the PVA content of the PVA content.
  • Fig. 2 is a graph showing the output and voltage characteristics
  • Fig. 3 is a graph showing the voltage and current density characteristics.
  • the output shows a peak at 40 OmV, and especially when the PVA content is 25% and 33%, the output peaks before and after 40 OmV.
  • the rise and fall of the output show sharp symmetry, and the output performance is maintained up to 900 mV.
  • the voltage and current density characteristics shown in Fig. 16 it can be proved that an excellent fuel cell can be realized by using a proton conductor containing a fullerene derivative and a polybutyl alcohol having a content exceeding 20 wt% in the present invention.
  • Hydrosulfated esterified fullerenol was dispersed in tetrahydrofuran at a weight ratio of 1: 2 to prepare a dispersion.
  • the resulting dispersion is applied on a carbon electrode using a mask and a squeegee, and dried to evaporate the solvent tetrahydrofuran.
  • a 10 / m-thick hydrogen sulfate ester is applied on the carbon electrode.
  • a layer of furenol bromide was formed.
  • the hydrogen sulfate esterified fullerenol and the polyvinyl alcohol are mixed in a weight ratio of 2: 1, and dispersed or dissolved in water having a weight 5 times the total weight of the hydrogen sulfate esterified fullerenol and the polyvinyl alcohol.
  • Apply the prepared slurry onto a layer of bisulfuric acid esterified fullerenol using a mask and a squeegee evaporate the water, and include a 12 ⁇ m thick bisulfuric acid esterified fullerenol and polyvinyl alcohol A proton conductor film was formed.
  • a heater is directly press-bonded to the laminate composed of the carbon electrode, the hydrogen sulfate esterified fullerenol layer, and the proton conductor film thus obtained, and the heating temperature and the heating time are changed to form a proton conductor film. Heat treatment was performed.
  • heating temperature 120 ° C., 150 ° C., 160 ° C., 180 ° C., and 200 ° C. were selected.
  • the heat-treated laminates were immersed in water, allowed to stand for 1 minute, and subjected to a water resistance test. The elution state of the proton conductor film into water was visually observed. Observed.
  • FIG. 17 The test results are shown in Figure 17.
  • the X mark means that most of the proton conductor membrane was eluted
  • the ⁇ mark means that almost half of the proton conductor membrane was eluted.
  • Hata means that 90% or more of the proton conductive film remained without being eluted.
  • Fig. 17 Force, et al. When the proton conductor membrane is heated at 200 ° C, 180 ° C or 160 ° C, the processing time is 10 seconds or less. While the water resistance of the proton conductor membrane has been greatly improved, if the proton conductor membrane is heated at 150 ° C, it must be heated for at least 20 seconds. It has been found that the water resistance of the proton conductor membrane cannot be improved as desired.
  • a mixture was prepared by mixing hydrogensulfated esterified fullerenol and polycarbonate at a weight ratio of 2: 1 and dispersing or dissolving in dichloromethane having a weight 5 times the total weight of bisulfated esterified fullerenol and polyvinyl alcohol.
  • the slurry is applied using a mask and a squeegee onto the layer of bisulfurized esterified fullerenol, and the water is evaporated to a proton conductor containing 12 m thick esterified fullerenol bisulfate and polycarbonate.
  • a body membrane was formed.
  • a mixture of hydrogen sulfate esterified fullerenol and polyvinyl alcohol at a weight ratio of 2: 1 was mixed with hydrogen sulfate esterified fullerenol and polyvinyl alcohol.
  • a liquid mixture dispersed or dissolved in water 5 times the total weight of vinyl alcohol is applied by gravure printing, dried, water is evaporated, and 1 m-thick hydrogen sulfate esterified fullerenol is added.
  • a mixture layer with polyvinyl alcohol was formed.
  • a heater was directly pressure-bonded to the resulting laminate of the proton conductor films, and a heat treatment was performed at 180 ° C. for 10 seconds.
  • Example 2 In the same manner as in Example 2, a hydrogen gas having a pressure of 0.03 MPa was supplied from one side of the formed laminate of the proton conductor film, and the hydrogen gas concentration on the other side was temporally changed. Changes were measured.
  • the proton conductor membrane according to Example 2 in which a mixture layer of bisulfurized esterified fullerenol and polyvinyl alcohol is formed on one surface of the proton conductor film.
  • the ton conductor film has an excellent ability to block hydrogen gas as compared with the proton conductor film of the comparative example in which the mixture layer of the hydrogen sulfate esterified fullerenol and polyvinyl alcohol is not formed. There was found.
  • Hydrogen gas having a pressure of 0.03 MPa was supplied to the proton conductor membrane according to Example 2 from the side where the mixture layer of the hydrogen sulfate esterified fullerenol and polyvinyl alcohol was formed.
  • the change over time of the hydrogen gas concentration on the side where the mixture layer of the hydrogen esterified fullerenol and polyvinyl alcohol was not formed was measured, no significant difference was observed.
  • the proton conductor produced by the production method of the present invention is a fullerene derivative in which a proton dissociable group is introduced into a carbon atom constituting a fullerene molecule.
  • the present invention even if water is generated by the electrode reaction, the water is eluted. And a proton conductor membrane with excellent hydrogen gas blocking ability, a method for producing the same, and water produced by the electrode reaction, which are not eluted, and which are excellent in hydrogen gas blocking ability. It is possible to provide a high-output fuel cell having a ton-conducting membrane and a method of manufacturing the same.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Description

明細書 プロ トン伝導体膜及びその製造方法並びにプロ トン伝導体膜を備えた燃料電池 及びその製造方法 技術分野 一、
り 本発明は、 プロ トン伝導体膜及びその製造方法並びにプロトン伝導体膜を備え た燃料電池及びその製造方法に関する。 背景技術 近年、 例えば自動車駆動用の高分子固体電解質型の燃料電池として、 パーフル ォロスルホン酸樹脂 (Du Pont 社製の Nafion(R) など) のようなプロ トン (水素 イオン) 伝導性の高分子材料を用いたものが知られている。
また、 比較的新しいプロ トン伝導体として、 Η3Μο 12 Ρ04。 · 2 9 Η20や S b · 5. 4 Η20などの多くの水和水を持つポリモリプデン酸類や酸化物も知 られている。
これらの高分子材料や水和化合物は、 湿潤状態に置かれると、 常温付近で高い プロ トン伝導性を示す。
即ち、 パーフルォロスルホン酸樹脂を例にとると、 そのスルホン酸基より電離 したプロ トンは、 高分子マトリ ックス中に大量に取込まれている水分と結合 (水 素結合) してプロ トン化した水、 つまりォキソニゥムイオン (Η30 + ) を生成し、 このォキソニゥムイオンの形態をとつてプロ 卜ンが髙分子マトリ ックス内をスム ーズに移動することができるので、 この種のマトリックス材料は常温下でもかな り高いプロ トン伝導効果を発揮できる。
一方、 最近になってこれらとは伝導機構の全く異なるプロトン伝導体も開発さ れている。
即ち、 Y bをドープした S r C e 03などのぺロプスカイト構造を有する複合金 属酸化物は、 水分を移動媒体としなくても、 プロ トン伝導性を有することが見出 された。 この複合金属酸化物においては、 プロ トンはぺロプスカイ ト構造の骨格 を形成している酸素イオン間を単独でチャンネリングして伝導されると考えられ ている。
この伝導性のプ口 トンは初めから複合金属酸化物中に存在しているわけではな い。 ぺロプスカイ ト構造が周囲の雰囲気ガス中に含まれている水蒸気と接触した 際、 その高温の水分子が、 ドープによりべロプスカイト構造中に形成されていた 酸素欠陥部と反応し、 この反応により初めてプロ トンが発生するのだと考えられ る。
上述した各種のプロトン伝導体は次のような問題点が指摘されている。
まず、 パーフルォロスルホン酸樹脂などのマ ト リ ックス材料では、 プロ トンの 伝導性を高く維持するために、 使用中'、 継続的に充分な湿潤状態に匱かれること が必要である。
したがって、 燃料電池等のシステムの構成には、 加湿装置や各種の付随装置が 要求され、 装置の規模が大型化したり、 システム構築のコストアップが避けられ ない。
さらに、 作動温度も、 マ ト リ ックスに含まれる水分の凍結や沸騰を防ぐため、 温度範囲が広くないという問題がある。
また、 ぺロプスカイ ト構造をもつ前記複合金属酸化物の場合、 意味のあるプロ トンの伝導が行われるためには、 作動温度を 5 0 0 °C以上という高温に維持する ことが必要である。
このよ うに、 従来のプロ トン伝導体は湿分を捕給したり、 水蒸気を必要とする など雰囲気に対する依存性が高く、 しかも作動温度が高過ぎるか又はその範囲が 狭いという問題点があった。 発明の開示 本発明は、 上述した事情を根本的に改善するために提案されたもので、 その目 的は、 常温を含む広い温度域で用いることができ、 その下限温度も特に高くはな く、 しかも移動媒体であるとないとを問わず水分を必要としないという、 雰囲気 依存性が小さく、 更に成膜性を有すると共に、 強度が高く、 ガス透過防止能を備 えた、 プロ トン伝導体及びその製造方法、 並びに電気化学デバイスを提供するこ とにある。
本発明に係るプロ トン伝導体は、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ ト ン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体と、 2 0重量。 /0を超える含有量の ポリ ビニルアルコールとを含有している。
このように、 本発明に係るプロ トン伝導体は、 フラーレン誘導体と 2 0重量。 /0 を超える含有量のポリビニルアルコールが含有されているので、 乾燥状態でもプ 口 トンが解離し易く、 しかもこのプロ トンは常温を含む広い温度域 (少なく とも 約 1 6 0 °C〜一 4 0 °Cの範囲。 使用下限温度も従来の複合金属酸化物と違って高 過ぎることはない。 ) にわたつて高伝導性を発揮することが可能であると共に、 ポリビニルアルコールの含有によって成膜性が付与されているため、 強度が高め られ、 ガス透過を防ぎ、 プロトン伝導性の良好な薄膜として用いることができる。 本発明に係るプロ トン伝導体の製造方法は、 フラーレン分子を構成する炭素原 子にプロ トン解離性の基を導入してフラーレン誘導体を生成する工程と、 このフ ラーレン誘導体と、 2 0重量%を超える配合比のポリビニルアルコールとを混合 し、 この混合物を薄膜状に成膜する工程と 有する。
'また、 本発明に係るプロ トン伝導体の製造方法は、 フラーレン誘導体を生成す る工程と、 こ'のフラーレン誘導体と 2 0重量0 /0を超える配合比のポリ ビニルアル コールとを混合し、 この混合物を薄膜状に成膜する工程とからなるので、 上述し たような特異な性能を有するプロトン伝導体を薄膜の形で効率的に製造すること ができる。
本発明に係る電気デバイスは、 第 1極と、 第 2極と、 これら両極間に挟持され たプロ トン伝導体とからなり、 このプロ トン伝導体が、 フラーレン分子を構成す る炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体と、 2 0重量 %を超える含有量のポリ ビニルアルコールとを含有する。
本発明に係る電気化学デバイスは、 第 1極と第 2極との間に挟持されたプロ ト ン伝導体が、 フラーレン誘導体と 2 0重量%を超える含有量のポリビュルアルコ 一ルとを含有するので、 これまでの例えば水分を移動媒体とする燃料電池と異な つて、 加湿装置等は不要であると共に高強度でガス不透過性の良好なプロ トン伝 導性薄膜を有し、 システムの小型化、 简易化を実現することができる。
さらに、 本発明に係るプロ トン伝導体膜は、 プロ トン伝導体と、 そのバインダ 一としてポリビニルアルコールとを含むプロトン伝導体膜に、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で加熱処理を施すものである。 これにより、 プロトン伝導体膜の耐水 性が向上し、 電極反応によって、 水が生成されても溶出することがなく、 水素ガ ス遮断能力に優れたプロ トン伝導膜を得ることができる。
プロ トン伝導体と、 そのバインダーとしてポリビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜に、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理を施すことによって、 プロ トン伝導体膜の耐水性が向上する理由は、 必ずしも明らかではなく、 加熱処 理を施すことによって、 ポリビュルアルコールに含まれている複数の水酸基同士 の水素結合が強まり、 ポリビニルアルコールの結晶化度が高くなるためと推測さ れるが、 その理由はともかく、 加熱処理を施すことによって、 ポリビニルアルコ ールの水に対する溶解度が著しく低下し、 ポリビュルアルコールをバインダ一と して用いたプロトン伝導体膜の耐水性が大幅に向上することが認められている。 本発明によれば、 プロトン伝導体と、 プロトン伝導体のバインダーとしてのポ リビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜に加熱処理を施すことによって、 ポリビニルアルコールの水に対する溶解度が著しく低下するから、 電極反応によ つて、 水が生成されても溶出することがなく、 しかも、 水素ガス遮断能力に優れ たプロ トン伝導体膜を得ることが可能になる。
本発明に係るプロ トン伝導体膜の製造方法は、 プロ トン伝導体を、 ポリビニル アルコールに混合して、 成膜したプロトン伝導体膜に、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの 温度で、 加熱処理を施すことを特徴とするプロ トン伝導体膜の製造方法によって 達成される。
本発明によれば、 プロ トン伝導体と、 プロトン伝導体のバインダーとしてのポ リビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜に加熱処理を施すことによって、 ポリ ビニルアルコールの水に対する溶解度が著しく低下するから、 電極反応によ つて、 水が生成されても溶出することがなく、 しかも、 水素ガス遮断能力に優れ たプロ トン伝導体膜を製造することが可能になる。
本発明に係る燃料電池は、 水素電極と、 酸素電極を備え、 前記水素電極と前記 酸素電極との間に、 プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポ リ ビニルアルコールを含み、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理されたプ 口 トン伝導体膜を備える。
本^明によれば、 プロ トン伝導休と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポ リ ビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜に加熱処理を施すことによって、 ポリ ビニルアルコールの水に対する溶解度が著しく低下するから、 電極反応によ つて、 水が生成されても溶出することがなく、 しかも、 水素ガス遮断能力に優れ たプロ トン伝導体膜を備えた高出力の燃料電池を得ることが可能になる。
本発明に係る燃料電池の製造方法は、 水素電極と、 酸素電極との間に、 プロ ト ン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダ一としてのポリ ビニルアルコールとを含 むプロ トン伝導体膜を挟持させて、 燃料電池を製造する方法であって、 前記プロ トン伝導体膜を、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理するステップを含む ことにより達成される。
本発明によれば、 プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポ リ- ビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜に加熱処理を施すことによって、 ポリ ビニルアルコールの水に対する溶解度が著しく低下するから、 電極反応によ つて、 水が生成されても溶出することがなく、 しかも、 水素ガス遮断能力に優れ たプロ トン伝導体膜を備えた高出力の燃料電池を製造することが可能になる。 また、 本発明に係るプロ トン伝導体膜は、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導 体層と、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビュルアルコールを混合させた水素ガス遮断 層を備える。
本発明によれば、 水素ガスが、 酸素電極に到達することを確実に防止すること ができるので、 水素ガスが酸素電極に達して、 酸素電極における電極反応を阻害 し、 燃料電池の出力が低下することを効果的に防止することが可能になる。
また、 本発明に係る燃料電池は、 水素電極と、 酸素電極を備え、 さらに、 水素 電極と酸素電極の間に、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層と、 フラーレ ン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた水素ガス遮断層とを備えたプロ トン伝導体膜が設けられている。
本発明によれば、 水素ガスが、 酸素電極に到達することを確実に防止すること ができるので、 水素ガスが酸素電極に達して、 酸素電極における電極反応を阻害 し、 燃料電池の出力が低下することを効果的に防止することが可能になる。
本発明においては、 プロ トン伝導体としては、 プロ トン伝導能力を有するもの であれば、 任意の材料を用いることができるが、 加湿の必要がないなどの観点か ら、 フラレノールなどのフラーレン誘導体が好ましく用いられる。
本発明において、 フラーレン誘導体とは、 フラーレン分子を構成する炭素原子 にプロ トン解離性の基を導入してなるものをいう。
本明細書において、 「プロ トンの解離」 とは、 「電離によって、 プロ トンが離 れること」 を意味し、 「プロトン解離性の基」 とは、 「プロトンが、 電離によつ て、 離脱し得る基」 を意味するものである。
本発明において、 プロ トン解離性の基を導入するフラーレン分子は、 球状炭素 クラスター分子であればよく、 とくに限定されるものではないが、 C3e、 C60
C C C C8。、 C82、 C 84などから選ばれるフラーレン分子の単体又 はこれらの 2種以上の混合物が好ましく用いられる。
本発明において、 プロトン解離性の基は、 —XHによって表わすことができる。 ここに、 Xは、 2価の結合手を有する任意の原子又は原子団であり、 Hは水素原 子である。
本発明において、 プロ トン解離性の基は、 好ましくは、 — OH又は— YOHに よって表わされる。 ここに、 Yは、 2価の結合手を有する任意の原子又は原子団 である。
本発明において、 プロトン解離性の基は、 — OH、 — O S〇3H、 — COOH、 一 S〇 3H及び一 O PO (OH) よりなる群から選ばれた基であることが好まし く、 典型的なフラーレン誘導体としては、 ポリ水酸化フラーレン、 硫酸水素エス テル化フラレノールを挙げることができる。
本発明において、 フラーレン誘導体は、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン解離性の基と共に、 電子吸引基、 例えば、 ニトロ基、 カルボニル基、 力 ルボキシル基、 二トリル基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素、 塩素などのハロゲ ン原子などが導入されていることが好ましい。
本発明において、 フラーレン分子を構成する炭素原子に導入するプロ トン解離 性の基の数は、 フラーレン分子を構成する炭素原子の数の範囲内で、 任意に決定 することができるが、 5以上であることが好ましく、 フラーレンの π電子性を残 し、 有効な電子吸引性を出すためには、 フラーレン分子を構成する炭素原子の数 の 1 Ζ 2以下が好ましい。
本発明の更に他の目的、 木発明によって得られる具体的な利点は、 以下に説明 される実施例の説明から一層明らかにされるであろう。 図面の簡単な説明 図 1 Α及び図 1 Bは、 木発明に用いるフラーレン分子の構造図である。
図 2 A及び図 2 Bは、 本発明に用いるフラーレン誘導体の一例であるポリ水酸 ィ匕フラーレンの構造図である。
図 3 A、 図 3 B及び図 3 Cは、 本発明に用いる本発明に用いるフラーレン誘導 体の他の例を示す模式図である。
図 4は、 本発明に係るプロトン伝導体の一例を示す模式図である。
図 5は、 本発明の一実施の形態を示す燃料電池の構成を示す図である。 、 図 6は、 本発明の他の実施の形態を示す水素一空気電池の構成図である。
図 7は、 本発明の他の実施の形態を示す電気化学デバイスの概略構成図である。 図 8は、 本発明の更に他の実施の形態を示す電気化学デバイスの概略構成図で あ ό。
図 9 Α及び図 9 Bは、 本発明に係る燃料電池の等価回路を示す回路図である。 図 1 0は、 本発明に係る燃料電池に用いたペレツ トの複素インピーダンスの測 定結果を示す図である。
図 1 1は、 本発明に係る燃料電池に用いたペレツトのプロ トン伝導率の温度依 存性を示す図である。
図 1 2は、 本発明に係る燃料電池の他の例 (こ用いたペレツトの複素インピーダ ンスの測定結果を示す図である。 図 1 3は、 図 1 2に示すペレツトのプロ トン伝導率の温度依存性を示す図であ る。
図 1 4は、 本発明に係るプロ トン伝導体におけるポリ ビニルアルコール含有量 の割合を変えたときの燃科電池の出力特性を示すグラフである。
図 1 5は、 本発明に係る燃料電池の出力のフラレノール及びポリ ビニルアルコ ールに対する依存性を示し、 出力と電圧の特性を示すグラフである。
図 1 6は、 本発明に係る燃料電池の出力のフラレノール及びポリビエルアルコ ールに対する依存性を示し、 電圧と電流密度を示すグラフである。
図 1 7は、 本発明の実施例 1における耐水性試験の試験結果を示すグラフであ る。
図 1 8は、 本発明の実施例 2及び比較例における水素ガス濃度の時間的な変化
発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明を実施の形態に基づいて更に具体的に説明する。
本発明に係るプロ トン伝導体、 プロ トン伝導体の製造方法及び電気化学デバイ スにおいては、 プロ トン解離性の基の導入対象となる母体としてのフラーレン分 子は、 球状クラスター分子であれば特に限定しないが、 通常は C S6、 C eo (図 1 A参 照) 、 C ,。 (図 I B参照) 、 C M、 C 78、 C eo, C 82、 C Mなどから選ばれるフラーレン 分子の単体、 若しくはこれらの 2種以上の混合物が好ましく用いられる。
これらのフラーレン分子は、 1 9 8 5年に炭素のレーザアブレーションによる "クラスタービームの質量分析スペク トル中に発見された (Kroto, H. W.; Heath, ]"". R.; O' Bri en, S. C.; Curl, R. F.; Small ey, R. E. Nature 1985. 318, 162. )。 "実際にその製造方法が確立されるのは更に 5 年後のことで、 1 9 9 0年に炭素電 極のアーク放電法による製造法が見出され、 それ以来、 フラーレンは炭素系半導 体材料等として注目されてきた。
本発明者は、 このフラーレン分子の誘導体につき、 そのプロ トン伝導性を種々 検討した結果、 フラーレンの構成炭素原子に水酸基を導入して得られるポリ水酸 化フラーレンは、 乾燥状態でも、 常温域を挟む広い温度範囲、 即ち、 水の凝固点 や、 沸点を超えた温度範囲 (少なくとも 1 6 0 °C〜一 4 0 °C ) で高いプロ トン伝 導性を示すことを見出すことができた。 そして、 このプロ トン伝導性は水酸基に 替えて硫酸水素エステル基をフラーレンの構成炭素原子に導入したときに、 より 顕著になることが知見できた。
さらに詳述する,'ご、 ポリ水酸化フラーレンは、 図 2 A及ぴ図 2 Bに示す如く、 フラーレンに複数の水酸基を付加した構造を持ったものの総称であり、 通称 「フ ラレノール (Fullerenol) 」 と呼ばれている。 当然の事ながら、 水酸基の数やそ の分子内配置などには幾つかのバリエーションも可能である。 フラレノールは 1 9 9 2年に Ch" iangらによって最初に合成例が報告された (Ch iang, L. Y. ; Swircz ewski, J. w. ; Hs u, C. S. ; Chowdhury, 5. K. ; し ameron, ¾. ; Creegan, K. J. Chem. Soc, Chem. Co""'mmun. 1992, 1791) 。 以来、 一定量以上の水酸基を導入したブラ レノールは、 特に"水溶性である特徴が注目され、 主にバイオ関連の技術分野で研 究されてきた。
本出願人は、 そう したフラレノールを図 3 Aに概略図示するように凝集体とし、 近接し合ったフラレノール分子 (図 3中、 〇はフラーレン分子を示す。 ) の水酸 基同士に相互作用が生じるようにしたところ、 この凝集体はマクロな集合体とし て高いプロ トン伝導特性 (換言すれば、 フラレノール分子のフエノール性水酸基 からの H +の解離性) を発揮することを初めて知見することができた。
本発明の目的は、 フラレノール以外に例えば複数の一O S 0 3 H基をもつフラー レンの凝集体をプロ トン伝導体として用いることによつても達成される。 O H基 が O S 0 3 H基と置き換わった図 3 Bに示すようなポリ水酸化フラーレン、 すなわ ち硫酸水素エステル化フラレノールは、 やはり Chiangらによって 1 9 " 9 4年に報 告されている (Chi ang. L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swircze ski , J. W. ; Soled, S. ; C ameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960) 。 硫酸水素エステル化されたフラーレ ンには、 一つの分子内に O S 0 3 H基のみを含むものもあるし、 あるいはこの基と 水酸基をそれぞれ複数、 もたせることも可能である。
上述したフラーレン誘導体を多数凝集させた時、 それがバルタとして示すプロ トン伝導性は、 分子内に元々含まれる大量の水酸基や O S 0 3 H基に由来するプロ トンが移動に直接関わるため、 雰囲気から水蒸気分子などを起源とする水素、 プ 口トンを取り込む必要はなく、 また、 外部からの水分の捕給、 とりわけ外気より 水分等を吸収する必要もなく、 雰囲気に対する制約はない。 また、 これらの誘導 体分子の基体となっているフラーレンはとくに求電子性の性質を持ち、 このこと が酸性度の高い O S 03H基のみならず、 水酸基等においても水素イオンの電離の 促進に大きく寄与してると考えられる。 これが、 本発明のプロ トン伝導体が優れ たプロトン伝導性を示す理由の一つである。
さらに、 一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基及び O S 03H基等を導 入することができるため、 伝導の関与するプロトンの伝導体体積あたりの数密度 が非常に多くなる。 これが、 本発明のプロ トン伝導体が実効的な伝導率を発現す るもう一つの理由である。
本発明のプロ トン伝導体は、 その殆どが、 フラーレンの炭素原子で構成されて いるため、 重量が軽く、 変質もし難しく、 また汚染物質も含まれていない。 また、 フラーレンの製造コス トも急激に低下しつつある。 資源的、 環境的、 経済的にみ てフラーレンは他のどの材料にもまして、 理想に近い炭素系材料であると考えら れる。
更に本出願人の研究によれば、 プロ トン解離性の基は、 前述した水酸基や O S O 3 H基に限定する必要はない。
即ち、 この解離性の基は式一 XHで表わされ、 Xは 2価の結合手を有する任意 の原子若しくは原子団であればよい。 更には、 この基は式— OH又は— YOHで 表わされ、 Yは 2価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であればよい。 具体的には、 前記プロ トン解離性の基としては、 前記 _OH、 — O S OaH以外 に一 COOH、 一 S OsH、 -O P O (OH) 2のいずれかが好ましい。
更に、 本発明では、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 前記プロ トン解離 性の基とともに、 電子吸引基、 例えば、 ニトロ基、 カルボエル基、 カルボキシル 基、 二トリル基、 ハロゲン化アルキル基、 ハロゲン原子 (フッ素、 塩素など) な どが導入されていることが好ましい。 図 3 Cに、 一 OHの外に Zを導入したフラ 一レン分子を示す。 この Zは、 具体的には、 一 N02、 一 CN、 一 F、 _C1、 一 COOR、 一 CHO、 -COR, — C F3、 一 SOC F3などである (ここで Rは アルキル基を表わす) 。 このように電子吸引基が併存していると、 その電子吸引 効果のために、 上記プロ トン解離性の基からプロトンが解離し易くなる。
但し、 本発明では、 フラーレン分子に導入する前記プロ トン解離性の基の数は- フラーレン分子を構成する炭素数の範囲内で任意でよいが、 望ましくは 5個以上 とするのがよい。 なお、 フラーレンの π電子性を残し、 有効な電子吸引性を出す ためには、 上記基の数は、 フラーレンを構成する炭素数の半分以下が好ましい。 本発明のプロトン伝導体に用いる前記フラーレン誘導体を合成するには、 後述 の実施例に明らかなように、 前記フラーレン分子の粉末に対し、 例えば酸処理や 加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、 フラーレン分子の 構成炭素原子に所望のプロ トン解離性の基を導入すればよい。
本発明では、 こうして得られたフラーレン誘導体の粉末を所望の形状、 例えば ペレットに加圧成形することもできる。 この場合はバインダ一は不必要であるの でプロ トンの伝導性を高める上でもプロトン伝導体の軽量化を達成する上でも有 効である。
本発明のプロトン伝導体は、 各種の電気化学デバイスに好適に使用できる。 す なわち、 第 1極と、 第 2極と、 これらの両極間に挟持されたプロ トン伝導体とか らなる基本的構造体において、 そのプロ トン伝導体に本発明のプロ トン伝導体を 好ましく適用することができる。
更に具体的に言うと、 第 1極及び Ζ又は第 2極が、 ガス電極である電気化学デ バイスとか、 第 1極及びノ又は第 2極に活物質性電極を用いる電気化学デバイス などに対し、 本発明のプロ トン伝導体を好ましく適用することが可能である。 以下、 本発明のプロ トン伝導体を、 燃料電池に適用した例について、 説明する。 その燃料電池のプロ トン伝導は、 図 4の模式図に示すようになり、 プロトン伝 導部 1は第 1極 (例えば水素極) 2と第 2極 (例えば酸素極) 3との間に挟持さ れ、 解離したプロトンは図示矢印方向に沿って第 1極 2側から第 2極 3側へと移 動する。
図 5は、 本発明のプロトン伝導体を用いた燃料電池の一具体例を示すものであ る。
この燃料電池は、 触媒 2 a及び 3 aをそれぞれ密着又は分散させた互に対向す る、 端子 8及び 9付きの負極 (燃料極又は水素極) 2及び正極 (酸素極) 3を有 し、 これらの両極間にプロ トン伝導体部 1が挟着されている。 使用時には、 負極 2側では導入口 1 2から水素が供給され、 排出口 1 3 (これは設けないこともあ る。 ) から排出される。 燃料 (H 2 ) 1 4が流路 1 5を通過する間にプロ トンを発 生し、 このプロトンはプロ トン伝導体部 1で発生した.プロ トンとともに正極 3側 へ移動し、 そこで導入口 1 6から流路 1 7に供給されて排気口 1 8へ向かう酸素 (空気) 1 9と反応し、 これにより所望の起電力が取り出される。
かかる構成の燃料電池は、 プロ トン伝導部 1でプロ トンが解離しつつ負極 2側 から供給されるプロ トンが正極 3側へ移動するので、 プロ トンの伝導率が高い特 徴がある。 従って、 加湿装置等は不必要となるので、 システムの簡略化、 軽量化 を図ることができる。
しかも、 本発明のプロ トン伝導体は、 フラーレン誘導体単独の場合と違ってポ リビエルアルコールに由来する成膜性が付与されており、 既述したフラーレン誘 導体の粉末を圧縮成形する場合に比べ、 強度の大きい、 ガス透過防止能を有する 柔軟なプロ トン伝導性薄膜 (厚みは通常 3 0 0 m以下) として用いることがで さる。
また、 前記ポリビニルアルコール以外にも、 プロ トンの伝導性をできるだけ阻 害 (フラーレン誘導体との反応等による) せず、 成膜性を有するものなら使用可 能であるが、 通常は電子伝導性をもたず、 良好な安定性を有するものが用いるこ とができる。 その具体例を挙げると、 ポリフルォロエチレン、 ポリフッ化ビ-リ デンなどがある。
本発明のプロトン伝導体の薄膜を得るには、 押出し成形を始め公知の成膜手段 を用いればよい。
例えば、 図 6に示す水素—空気電池は、 薄膜状のプロ トン伝導体 2 0を中にし て水素極 2 1と空気極 2 2とが対向配置され、 これらの外側を、 テフロン板 2 4 aと、 多数の孔 2 5を設けたテフロン板 2 4 bとで挟み込み、 全体をボルト 2 6 a , 2 6 b及びナット 2 7 a , 2 7 bにより固定したもので、 各極から外部に水 素極リード 2 8 a、 空気極リ一ド 2 8 bが取出されている。
また、 図 7に示す電気化学デバイスは、 内面に負極活物質層 3 0を設けた負極 3 1と、 外面にガス透過支持体 3 2を設けた正極 3 3 (ガス電極) との間に、 プ 口 トン伝導体 3 4が挟持された構造を有しており、 このプロトン伝導体 3 4に本 発明のプロ トン伝導体が用いられる。 なお、 負極活物質には、 水素吸蔵合金又は フラーレンなどのカーボン材料に水素吸蔵合金を担持させたものが好ましく、 ガ ス透過支持体 3 2には、 例えば多孔性のカーボンぺーパなどが用いられ、 正極 3 3は、 例えば白金をカーボン粉末に担持させた材料をペース ト状に塗布、 形成す るのが好ましい。 なお、 負極 3 1の外端と正極 3 3の外端との隙間は、 ガスケッ ト 3 5により塞がれている。 この電気化学デバイスでは、 正極 3 3側に水分を存 在させて、 充電を行うことができる。
図 8に示す電気化学デバイスは、 内面に負極活物質層 3 7を設けた負極 3 8と、 内面に正極活物質層 3 9を設けた正極 4 0との間に、 薄膜状のプロ トン伝導体 4 1を挟持させた構造を有し、 正極活物質としては、 例えば水酸化ニッケルを主成 分とするものが用いられる。 なお、 この電気化学デバイスも負極 3 8の外端と正 極 4 0の外端との隙間は、 ガスケット 4 2によって塞がれている。
上述したいずれの電気化学デバイスも、 図 5に示した電気化学デバイスと同様 のメカニズムでプロ トン伝導効果を発揮することができる。 しかもプロ トン伝導 体はフラーレン誘導体を成膜性のポリビュルアルコールと併用するので、 強度の 向上した、 さらにはガス透過性の小さな薄膜の形で使用することができ、 良好な プロトン伝導性を発揮することが可能である。
本発明における実施態様では、 伝導体膜が、 フラーレン分子を構成する炭素原 子にプロトン (H +) 解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体と、 2 0重量% を超える又は 4 0重量。/。以下の含有量のポリビュルアルコールを含む。 燃料電池 出力の電圧又は電流密度依存性の観点から、 P V A含有量は 2 0 %を超える値と するのが好ましく、 さらに好ましくは 2 5 %である。 また上限は 4 0 %が好まし く、 更に好ましくは 3 7 %、 更には 3 5 %である。
例えば、 フラレノールに混合するバインダ一の材料としては P V A以外にも、 P V A含有量が 2 0 %を超える前提条件で例えばポリフルォロエチレン等、 他の 高分子材料を併用することもできる。
また、 本発明のプロ トン伝導体膜はシート状に作製することもでき、 燃料電池 以外にも例えば水素の製造に適用することもできる。
さらに本発明においては、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビュルアルコールを混合 させた水素遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の少なく とも一 方の面に形成されている。
本発明においては、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた 水素遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の酸素電極側の面に形 成されている。
本発明においては、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた 水素遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の水素電極側の面に形 成されている。
本発明において、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた水 素遮断層は、 0 . 1 m乃至 1 0 / mの厚さを有していることが好ましレ、。 フラ 一レン誘導体に、 ポリ ビュルアルコールを混合させた水素遮断層の厚さが、 0 . 1 /x m未満の場合には、 十分な水素ガス遮断能力を得ることができず、
を越えると、 プロ トン伝導体膜全体の抵抗値が大きくなり、 燃料電池の出力低下 の原因となり、 好ましくない。
本発明において、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた水 素遮断層中のフラーレン誘導体とポリ ビニルアルコールの混合比は、 フラーレン 誘導体の種類によっても異なるが、 フラーレン誘導体として、 硫酸水素エステル 化フラレノールを用いた場合には、 重量比で、 6 : 4乃至 9 : 1に配合すること が好ましい。
本発明において、 プロ トン伝導体と、 そのバインダーと してポリ ビュルアルコ 一ルとを含むプロ トン伝導体膜を、 1 5 0 °C乃至 2 0 0。Cの温度で、 加熱処理す ることが必要であり、 処理温度が 2 0 0 °Cを越えると、 バインダーであるポリ ビ ニルアルコールが変質するおそれがあり、 他方、 処理温度が 1 5 0 °C未満のとき は、 実用的な処理時間で、 ポリ ビニルアルコールをバインダ一と して用いたプロ トン伝導体膜の耐水性を向上させることができない。
本発明において、 好ましくは、 1 6 0 °C乃至 2 0 0。Cの温度で、 プロ トン伝導 体と、 そのバインダーと してポリ ビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜に、 加熱処理が施される。
本発明において、 プロ トン伝導体と、 そのバインダーと してポリ ビニルアルコ 一ルとを含むプロ トン伝導体膜の厚さは、 プロ トン伝導体の種類によっても異な るが、 0 . 1 μ m乃至 2 0 μ mであることが好ましい。 プロ トン伝導体と、 その バインダーとしてポリ ビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜の厚さが、 0 . 1 /i m未満の場合には、 十分な水素ガス遮断能力を得ることができず、 一方、 プ 口 トン伝導体と、 そのバインダーとしてポリ ビエルアルコールとを含むプロ トン 伝導体膜の厚さが、 2 0 μ mを越える場合には、 プロ トン伝導体膜全体の抵抗値 が大きくなり、 燃料電池の出力低下の原因となり、 好ましくない。
本発明において、 プロ トン伝導体として、 フラ一レン誘導体を用いる場合には、 フラーレン誘導体の種類によっても異なるが、 フラーレン誘導体と、 ポリ ビュル アルコールを、 6 0 : 4 0乃至 9 5 : 5の重量比で、 配合させて、 プロ トン伝導 体膜を成膜することが好ましい。 '
本発明において、 プロ トン伝導体膜の形成方法は、 とくに限定されるものでは ないが、 バーコート法、 スピンコート法、 ドクタープレード法などの各種塗布方 法、 スクリーン印刷、 グラビア印刷などの各種印刷方法、 スプレードライ法など によって、 形成することができる。
印刷方法による場合は、 プロ トン伝導体として、 フラーレン誘導体を用いると きには、 例えば、 フラーレン誘導体とポリ ビニルアルコールの混合物を、 重量比 で、 フラーレン誘導体とポリ ビュルアルコールの混合物の 1乃至 1 0倍の水に分 散乃至溶解させて、 印刷し、 印刷後、 溶剤である水を蒸発させることによって、 プロ トン伝導体膜を形成することができる。 有機溶剤を使用する場合には、 メタ ノール、 エタノール、 イソプロピルアルコールなどの有機溶剤及びこれらと水の 混合溶媒が好ましく使用することができ、 印刷後、 溶剤を蒸発させることによつ て、 プロ トン伝導体膜を形成することができる。
本発明の好ましい実施態様においては、 プロ トン伝導体膜の両側に、 ポリ ビニ ルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層が形成されている。
本発明の好ましい実施態様においては、 プロ トン伝導体膜の両側に、 ポリ ビニ ルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層が形成され、 主としてカーボンから なる水素電極及び酸素電極によって、 挾持されて、 燃料電池が構成される。
ポリ ビュルアルコールが水溶性を有しているのに対し、 主と してカーボンより なる水素電極及び酸素電極が撥水性を有しているため、 バインダーと して、 ポリ ビュルアルコールを用いたプロ トン伝導体膜を、 直接的に、 水素電極及び酸素電 極に密着させる場合には、 密着性が悪く、 燃料電池の出力の低下を招くおそれが あるが、 本発明の好ましい実施態様によれば、 プロ トン伝導体膜の両側に、 ポリ ビュルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層が形成されているため、 水素電 極及び酸素電極と、 プロ トン伝導体膜との密着性を大幅に改善することができ、 したがって、 高出力の燃料電池を得ることが可能になる。
ポリ ビエルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層は、 5 μ m乃至 2 0 m の厚さを有していることが好ましい。 ポリ ビニルアルコールを含まないフラーレ ン誘導体の層の厚さが、 5 μ πι未満の場合には、 主と してカーボンよりなる水素 電極及び酸素電極との密着性を十分に向上させることができず、 一方、 ポリ ビニ ルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層の厚さが、 2 0 μ πιを越えると、 プ 口 トン伝導体膜全体の抵抗値が大きくなり、 燃料電池の出力低下の原因となり、 好ましくない。
本発明において、 ポリ ビニルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層の形成 方法は、 とくに限定されるものではないが、 バーコート法、 スピンコート法、 ド クタ一ブレード法などの各種塗布方法、 スク リーン印刷、 ダラビア印刷などの各 種印刷方法、 スプレードライ法などによって、 形成することができる。 印刷方法 による場合は、 プロ トン伝導体と して、 フラーレン誘導体を用いるときは、 例え ば、 フラーレン誘導体を、 重量比で、 フラーレン誘導体の 1乃至 1 0倍のテトラ ヒ ドロフラン、 ァセトニトリノレ、 ジメチルァセトアミ ド、 ジメチルホルムァミ ド、 Ν—メチルピロリ ドンなどの有機溶媒に分散乃至溶解させて、 印刷し、 印刷後、 溶剤を蒸発させることによって、 ポリ ビエルアルコールを含まないフラーレン誘 導体の層を形成することができる。
本発明においては、 プロ トン伝導体膜が、 フラーレン誘導体と、 ポリ ビニルァ ルコールとを含み、 さらに、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビエルアルコールを混合 させた水素ガス遮断層を備えている。 プロ トン伝導体膜に、 さらに、 フラーレン誘導体に、 ポリビニルアルコールを 混合させた水素ガス遮断層を設けると、 プロトン伝導体膜の水素ガス遮断能力が 著しく向上することが認められている。
本発明において、 フラーレン誘導体に、 ポリビニルアルコールを混合させた水 素ガス遮断層が設けられていればよく、 その形成位置は問わない。
本発明においては、 フラーレン誘導体に、 ポリビニルアルコールを混合させた 水素ガス遮断層は、 フラーレン誘導体を含むプロトン伝導体膜の少なくとも一方 の面に形成される。 この場合、 フラーレン誘導体に、 ポリビュルアルコールを混 合させた水素ガス遮断層が、 プロ トン伝導体膜の酸素電極側の面に形成されてい ても、 プロトン伝導体膜の水素電極側の面に形成されていてもよい。
本発明においては、 水素ガス遮断層は、 0 . 1 μ m乃至 1 0 μ mの厚さに形成 される。 フラーレン誘導体に、 ポリビニルアルコールを混合させた水素遮断層の 厚さが、 0 . Ι μ πι未満の場合には、 十分な水素ガス遮断能力を得ることができ ず、 1 0 mを越えると、 プロ トン伝導体膜全体の抵抗値が大きくなり、 燃料電 池の出力低下の原因となり、 好ましくない。
フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた水素遮断層中のフラ 一レン誘導体とポリビニルアルコールの混合比は、 フラーレン誘導体の種類によ つても異なるが、 フラーレン誘導体として、 硫酸水素エステル化フラレノールを 用いた場合には、 重量比で、 6 : 4乃至 9 : 1に配合することが好ましい。 本発明において、 フラーレン誘導体に、 ポリビニルアルコールを混合させた水 素遮断層の形成方法は、 とくに限定されるものではないが、 バーコート法、 スピ ンコート法、 ドクターブレード法などの各種塗布方法、 スク リ ーン印刷、 グラビ ァ印刷などの各種印刷方法、 スプレードライ法などによって、 形成することがで きる。 印刷方法による場合は、 例えば、 フラーレン誘導体とポリ ビニルアルコー ルの混合物を、 重量比で、 フラーレン誘導体とポリビュルアルコールの混合物の 1乃至 1 0倍の水に分散乃至溶解させて、 印刷し、 印刷後、 溶剤である水を蒸発 させることによって、 ブラ一レン誘導体に、 ポリビニルアルコールを混合させた 水素遮断層を形成することができる。
本発明においては、 フラーレン誘導体に、 ポリビニルアルコールを混合させた 水素遮断層の表面に、 ポリビュルアルコールを含まないプロトン伝導体の層が形 成される。
本発明において、 プロトン伝導体膜の加熱処理は、 プロトン伝導体膜の成膜後 であれば、 何時、 実行してもよい。
主としてカーボンからなる水素電極又は酸素電極上に、 プロ トン伝導体膜を形 成した後に、 加熱処理を施してもよいし、 主としてカーボンからなる水素電極又 は酸素電極上に、 プロ トン伝導体膜を形成し、 プロ トン伝導体膜の表面に、 酸素 電極又は水素電極を密着させた後に、 加熱処理を施してもよい。
また、 ポリビニルアルコールを含まないフラーレン誘導体の層を形成する場合 には、 主としてカーボンからなる水素電極又は酸素電極上に、 ポリビニルアルコ ールを含まないフラーレン誘導体の層を形成し、 その上に、 プロ トン伝導体膜を 形成した後に、 加熱処理を施してもよいし、 主としてカーボンからなる水素電極 又は酸素電極上に、 ポリビニルアルコールを含まないフラーレン誘導体の層を形 成し、 その上に、 プロ トン伝導体膜を形成した後に、 さらに、 プロ トン伝導体膜 の表面に、 ポリビニルアルコールを含まないフラーレン誘導体の層を形成し、 ポ リビニルアルコールを含まないフラーレン誘導体の層に、 酸素電極又は水素電極 を密着させた後に、 加熱処理を施すようにしてもよい。
さらに、 フラ一レン誘導体の層に、 ポリビニルアルコールを混合させた水素遮 断層を設ける場合には、 水素遮断層を形成した後に、 加熱処理が施される。
また、 成膜されたプロ トン伝導体膜のみを、 単独で、 加熱処理するようにして もよい。
プロ トン伝導体膜に、 加熱処理を施す方法は、 とくに、 限定されるものではな く、 例えば、 ヒーター上に、 プロ トン伝導体膜あるいはプロ トン伝導体膜を含む 積層体を載せて、 加熱処理する方法、 ヒーターを、 直接、 プロ トン伝導体膜に圧 着して、 加熱処理するホットプレス法、 恒温槽内に、 プロトン伝導体膜あるいは プロ トン伝導体膜を含む積層体を収容させて、 加熱処理する方法、 加熱した空気、 窒素、 アルゴンなどのガスを、 プロ トン伝導体膜あるいはプロ トン伝導体膜を含 む積層体に吹き当てて、 加熱処理する方法などが利用可能である。
プロトン伝導体膜あるいはプロトン伝導体膜を含む積層体の加熱処理は、 アル ゴンゃ窒素などの不活性なガス雰囲気下で、 実行してもよいし、 大気中で、 実行 してもよい。
次に、 本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
くポリ水酸化フラーレンの合成〉
この合成は、 文献 (Chieng, L. Y. ;Wang, L. Y. ;Swirczewski. J. W. ;Soled, S,; Cam eron, S. J. Org. Chem.1994, 59, 3960) を参考にしておこなった。 CMを約 1 5 %含む C6。/C?。フラーレン混合物の粉末 2 gを発煙硫酸 3 0 m 1中に投じ、 窒素雰囲気中 で 5 7°Cに保ちながら 3日間攪拌した。 得られた反応物を、 氷浴内で冷やした無 水ジェチルエーテル中に少しずつ投下し、 その沈殿物を遠心分離で分別し、 さら にジェチルエーテルで 3回、 及びジェチルエーテルとァセトニトリルの 2 : 1混 合液で 2回洗浄したあと、 4 0°Cにて減圧中で乾燥させた。 さらに、 この乾燥物 を 6 O m 1のイオン交換水中に入れ、 8 5 °Cで窒素によるバプリングを行いなが ら 1 0時間攪拌した。 反応生成物は遠心分離によって沈殿物を分離し、 この沈殿 物をさらに純水で数回洗浄し、 遠心分離を繰り返した後に、 4 0 Cで減圧乾燥し た。 このようにして得られた茶色の粉末の F T— I R測定を行ったところ、 上記 文献に示されている CM (OH) 12の I Rスペク トルとほぼ一致し、 この粉末が目的 物質であるポリ水酸化フラーレンと確認された。
<ポリ水酸化フラーレン凝集べレッ トの製造 >
次に、 このポリ水酸化フラーレンの粉末 9 0 m gをとり、 直径 1 5 mmの円形 ペレツト状になるように一方方向へのプレスを行った。 この時のプレス圧は約 7 トン/ c m2であった。 その結果、 このポリ水酸化フラーレンの粉末は、 バインダ 一樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、 容易にペレツ ト化す ることができた。 そのペレットは厚みが約 3 0 0ミクロンで、 これを例 1のペレ ッ トとする。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル (全エステル化) の合成 1 > これも、 同様に前記の文献を参考にしておこなった。 ポリ水酸化フラーレンの 粉末 1 gを 6 O m 1の発煙硫酸中に投下し、 室温にて窒素雰囲気下で 3日間攪拌 した。 得られた反応物を、 氷浴内で冷やした無水ジェチルエーテル中に少しずつ 投下し、 その沈殿物を遠心分離で分別し、 さらにジェチルエーテルで 3回、 及び ジェチルエーテルとァセトニトリルの 2 : 1混合液で 2回洗浄した後、 4 0 ?にて 減圧下で乾燥させた。 このようにして得られた粉末の T F— I R測定を行ったと ころ、 前記文献中に示されている、 全ての水酸基が硫酸水素エステル化されたも のの I Rスぺク トルとほぼ一致し、 この粉末が目的物質であると確認できた。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレツ トの製造 1 〉
このポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルの粉末 7 0 m gをとり、 直径 1 5 m mの円形ペレツ ト状になるように一方方向へのプレスを行った。 この時のプレ ス圧は約 7 トン/ c m2であった。 その結果、 この粉末はバインダー樹脂等を一切 含まないにも関わらず、 成形性に優れており、 容易にペレッ ト化することができ た。 このペレットは厚みが約 3 0 0ミクロンで、 これを例 2のペレットとする。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル (部分エステル化) の合成 2 > C を約 1 5。/。含む C 6。Z C 7。フラーレン混合物の粉末 2 gを発煙硫酸 3 0 m l 中 に投じ、 窒素の雰囲気中にて、 5 7 °Cに保ちながら 3日間攪拌した。 得られた反 応物を、 氷浴内で冷やしたジェチルエーテル中に少しずつ投下した。 但し、 この 場合のジェチルエーテルは脱水処理を行っていないものを用いた。 得られた沈殿 物を遠心分離で分別し、 さらにジェチルエーテルで 3回、 及びジェチルェ一テル とァセトニトリルの 2 : 1混合液で 2回洗浄した後、 4 0 °Cにて減圧下で乾燥さ せた。 このようにして得られた粉末の F T— I R測定を行ったところ、 前記文献 に示されている、 部分的に水酸基と O S O aH基を含むフラーレン誘導体の I Rス ぺク トルとほぼ一致し、 この粉末が目的物質であると確認できた。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレツ トの製造 2 >
この、 一部が硫酸水素エステル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末 8 0 m g をとり、 直径 1 5 m mの円形ペレツト状になるように一方方向へのプレスを行つ た。 この時のプレス圧は約 7 トン/ c m2であった。 その結果、 この粉末はバイン ダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、 容易にペレツ ト化 することができた。 このペレッ トは厚みが約 3 0 0ミクロンで、 これを例 3のぺ レツ トとする。
<フラーレン凝集ペレツ トの製造 >
比較のため、 前記各例で合成原料に用いたフラーレンの粉末9 0 m gをとり、 直径 1 6 m mの円形ペレツ ト状になるように一方方向へのプレスを行った。 この 時のプレス圧は約 7 トン Z c m2であった。 その結果、 この粉末はバインダー樹脂 等を一切含まないにも関わらず成形性に比較的すぐれており、 割合容易にペレツ ト化することができた。 このペレットは厚みが約 3 0 0ミクロンで、 これを比較 例 1のペレツトとする。
<各例及び比較例で得たペレツ トのプロ トン伝導率測定 >
上述した各例 1〜 3及び比較例 1 のペレツ 卜の伝導率を測定するために、 まず、 ペレットと等しい直径 1 5 m mのアルミニウム板でそれぞれのペレツトの両側を 挟み、 これに 7 MH zから 0 . 0 1 H zまでの交流電圧 (振幅 0 . I V ) を印加 し、 各周波数における複素インピーダンスを測定した。 測定は、 乾燥雰囲気下で 行った。
インピーダンス測定に関し、 上記ペレツ トからなるプロ トン伝導体のプロ トン 伝導部 1は、 電気的には、 図 9 Aに示すような等価回路を構成しており、 抵抗 4 と容量 5の並列回路で表されるプロ トン伝導部 1も含めて第 1極 2と第 2極 3と の間にそれぞれ容量 6 aと 6 bとを形成している。 なお、 容量 5は、 プロトンが 移動するときの遅延効果 (高周波のときの位相遅れ) を表し、 抵抗 4は、 プロト ンの動き易さのパラメータを表す。
ここで、 測定インピーダンス Zは、 Z = R e ( Z ) + i · I m ( Z ) で表され、 上記等価回路で示されるプロ トン伝導部の周波数依存性を調べた。
なお、 図 9 Bは、 プロ トン解離性のない通常のフラーレン分子を用いた場合 (後述の比較例) の等価回路である。
図 1 0に、 例 1及び比較例 1におけるペレツトについてのインピーダンス測定 結果を示す。
これによれば、 比較例 1においては、 図 1 0中 Bで示すように、 複素インピー ダンスの周波数特性はおおよそキャパシター単独の挙動と同様であり、 フラーレ ン自体の凝集体については荷電粒子 (電子、 イオンなど) の伝導挙動は一切観測 されなかった。 それに比べて例 1の場合は、 図 1 0中 Aで示すように、 高周波数 部分に偏平ではあるが、 非常にきれいな単一の半円状円弧を見ることができる。 これは、 ペレツト内部においてなんらかの荷電粒子の伝導挙動が存在しているこ とを示している。 さらに、 低周波数領域においては、 インピーダンスの虚数部分 の急激な上昇が観測される。 これは、 徐々に直流電圧に近づくにつれてアルミ電 極との間で荷電粒子のブロッキングが生じていることを示しており、 当然、 アル ミ電極側における荷電粒子は電子であるから、 ペレツ ト内部の荷電粒子は電子や ホールではなく、 それ以外の荷電粒子、 すなわちイオンであることがわかる。 用 いたフラレノールの構成から、 この荷電粒子はプロ トン以外には考えられない。 商周波数側に見られる円弧の X軸切片から、 この荷電粒子の伝導率を求めるこ とができ、 例 1のペレッ トにおいては、 おおよそ 5 X l (T6 S / c mと計算される, 更に、 実施例 2及び実施例 3のペレッ トについても同様の測定を行ったところ、 例 1の場合と全体の形状については同様なインピーダンスの周波数特性となった。 但し、 円弧部分の X切片から求められる伝導率は表 1に示すようにそれぞれ異な る値となった。 本発明におけるプロ トン伝導体ペレツ トの伝導率 (2 5 °C )
Figure imgf000024_0001
このよ うに、 水酸基が O S C H基に置き換わるとペレツト中の伝導率は大きく なる傾向を示している。 これは、 水酸基よりも O S ChH基の方が水素の電離が起 こり易いことによるものである。 そして、 水酸基、 O S C H基のどちらの場合も、 又は双方が混在する場合においても、 この種のフラーレン誘導体の凝集体は、 乾 燥雰囲気中において、 室温でプロトン伝導が可能であることを見出すことができ た。
次に、 例 1のペレッ トを用い、 上記の複素インピーダンス測定を 1 6 0 °Cから — 4 0 °Cまでの温度範囲で行い、 その時の高周波側の円弧から求めた伝導率の温 度依存性を調べた。 結果をァレニウス型のプロットとして示したのが図 1 1であ る。 このように、 1 6 0 °Cから一 4 0 °Cにおいて伝導率が鋭く直線的に変化して いることがわかる。 つまり、 同図はこの温度範囲において単一のイオン伝導機構 が進行可能であることを示している。 すなわち、 本発明のプロ トン伝導体は、 室 温を含む広い温度範囲、 特に 1 6 0 °Cといった高温や一 4 0 °Cといった低温にお いても伝導が可能である。
<ポリ水酸化フラーレンペレツ ト製造 A >
前述した合成法により得られたポリ水酸化フラーレンの粉末 7 5 m gをとり、 これとポリビニルアルコールの粉末 2 5 m g とを混合し、 ジメチルホルムアミ ド 0 . 5 m 1を加えてよく攪拌した。 この混合物を直径 1 5 m mの円形の型に流し 込み、 減圧下において溶媒を蒸発させた。 その後、 プレスを行い、 直系 1 5 m m のペレットを得た。 このペレッ トは厚みが約 3 0 0ミクロンであった。 これを例 4のペレツ トとする。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル (全エステル化) の合成 1 A〉 これも、 同様に既述した文献を参考にしておこなった。 ポリ水酸化フラーレン の粉末 1 gを 6 0 m 1 の発煙硫酸中に投下し、 室温にて窒素雰囲気下で 3日間攪 拌した。 得られた反応物を、 氷浴内で冷やした無水ジェチルエーテル中に少しず つ投下し、 その沈殿物を遠心分離で分別し、 さらにジェチルエーテルで 3回、 及 びジェチルエーテルとァセトニトリルの 2 : 1混合液で 2回洗浄した後、 4 0 °C にて減圧下で乾燥させた。 このようにして得られた粉末の F T— I R測定を行つ たところ、 前記文献中に示されている、 すべての水酸基が硫酸水素ヱステル化さ れたものの I Rスぺク トルとほぼ一致し、 この粉末が目的物質であると確認でき た。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルペレツ トの製造 1 A >
このポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルの粉末 7 5 m gをとり、 これとポ リビニルアルコールの粉末 2 5 m g とを混合し、 ジメチルホルムァミ ド 0 . 5 m 1を加えてよく攪拌した。 この混合物を直径 1 5 m mの円形の型に流し込み、 減 圧下において溶媒を蒸発させた。 その後、 プレスを行い、 直系 1 5 m mのペレツ トを得た。 このペレットは厚みが約 3 0 0ミクロンであった。 これを例 5のペレ ットとする。 <ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル (部分エステル化) の合成 2 A> C7。を約 1 5 %含む C6。/C,。フラーレン混合物 2 gを発煙硫酸 3 0 m 1 中に投じ. 窒素の雰囲気中にて、 5 7 Cに保ちながら 3日間攪拌した。 得られた反応物を、 氷浴内で冷やしたジェチルエーテル中に少しずつ投下した。 但し、 このジェチル エーテルは脱水処理を行っていないものを用いた。 得られた沈殿物を遠心分離で 分別し、 さらにジェチルエーテルで 3回、 及ぴジェチルエーテルとァセ トニト リ ルの 2 : 1混合液で 2回洗浄した後、 4 0 °Cにて減圧下で乾燥させた。 このよう にして得られた粉末の F T— I R測定を行ったところ、 前記文献に示されている、 部分的に水酸基と O S 03H基を含むフラーレン誘導体の I Rスぺク トルとほぼ一 致し、 この粉末が目的物質であると確認できた。
<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルぺレッ トの製造 2 A>
この、 一部が硫酸水素エステル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末 7 5 m g をと り、 これとポリ ビエルアルコールの粉末 2 5 m gとを混合し、 ジメチルホル ムアミ ド 0. 5 m 1を加えてよく攪拌した。 この混合物を直径 1 5 mmの円形の 型に流し込み、 減圧下において溶媒を蒸発させた。 その後、 プレスを行い、 直径 1 5 mmのぺレットを得た。 このべレットは厚みが約 3 00ミクロンであった。 これを例 6のペレツトとする。
<フラーレンペレツ トの製造〉
比較のため、 前記各例で合成原料として用いたフラーレンの粉末 7 5 πι gをと り、 これとポリ ビニルアルコールの粉末 2 5 m g とを混合し、 ジメチルホルムァ ミ ド 0. 5 m 1 を加えてよく攪拌した。 この混合物を直径 1 5 mmの円形の型に 流し込み、 減圧下において溶媒を蒸発させた。 その後、 プレスを行い、 直径 1 5 mmのペレッ トを得た。 このペレッ トは厚みが約 3 00ミクロンであった。 これ を比較例 2のペレツトとする。
<各例及び比較例のペレツト中のプロ トン伝導率測定 >
例 4〜6、 及び比較例 2のペレッ トの伝導率を測定するために、 まず、 ペレツ トと等しい直径 1 5 mmのアルミニゥム板でそれぞれのペレツ トの両側を挟み、 これに 7MH zから 0. 0 1 H zまでの交流電圧 (振幅 0. I V) を印加し、 各 周波数における複素インピーダンスを測定した。 測定は、 乾燥雰囲気で行った。 インピーダンス測定に関し、 上記ペレツトからなるプロ トン伝導体のプロ トン 伝導部 1は、 電気的には、 図 9 Aに示すような等価回路を構成しており、 抵抗 4 で表されるプロ トン伝導部 1も含めて第 1極 2と第 2極 3 との間に容量 6を形成 している。 なお、 容量 6はプロ トンが移動するときの遅延効果 (高周波のときの 位相遅れ) を表し、 抵抗 4はプロトンの動き易さのパラメータを表す。 ここで、 測定インピーダンス Zは、 Z = R e ( Z ) + i · I m ( Z ) で表され、 上記等価 回路で示されるプロ トン伝導部の周波数依存性を調べた。 なお、 図 9 Bはプロ ト ン解離性のない通常のフラーレン分子を用いた場合 . (後述の比較例) の等価回路 である。
図 1 2に、 例 4及び比較例 2におけるペレツ トについてのインピーダンス測定 結果を示す。
これによれば、 比較例 2においては、 図 1 2中 Dで示すように、 複素インピー ダンスの周波数特性はおおよそキャパシタ一単独の挙動と同様であり、 フラーレ ン自体の凝集体については荷電粒子 (電子、 イオンなど) の伝導挙動は一切観測 されなかった。 それに比べて例 4の場合は、 図 1 2中 Cで示すように、 高周波数 部分に偏平ではあるが、 非常にきれいな単一の半円状円弧を見ることができる。 これは、 ペレツト内部においてなんらかの荷電粒子の伝導挙動が存在しているこ とを示している。 さらに、 低周波数領域においては、 インピーダンスの虚数部分 の急激な上昇が観測される。 これは、 徐々に直流電圧に近づくにつれてアルミ電 極との間で荷電粒子のブロッキングが生じていることを示しており、 当然、 アル ミ電極側における荷電粒子は電子であるから、 ペレツト内部の荷電粒子は電子や ホ一ルではなく、 それ以外の荷電粒子、 すなわちイオンであることがわかる。 用 いたフラレノールの構成から、 この荷電粒子はプロ トン以外には考えられない。 高周波数側に見られる円弧の X軸切片から、 この荷電粒子の伝導率を求めるこ とができ、 例 4のペレットにおいては、 おおよそ 1 X 1 CT6 S Z c mと計算される, 更に、 例 5及び例 6、 加えて例 4、 例 5及び例 6のペレットについても同様の測 定を行ったところ、 例 4の場合と全体の形状については同様なインピーダンスの 周波数特性となった。 但し、 円弧部分の X切片から求められる伝導率は表 2に示 すようにそれぞれ異なる値となった。 本発明におけるプロ トン伝導体ペレツトの伝導率 (2 5°C)
Figure imgf000028_0001
このように、 水酸基が O SC H基に置き換わるとペレツト中の伝導率は大きく なる傾向を示している。 これは、 水酸基よりも O S 03H基の方が水素の電離が起 こり易いことによるものである。 そして、 水酸基、 O S〇3H基のどちらの場合も、 又は双方が混在する場合においても、 この種のフラーレン誘導体の凝集体は乾燥 雰囲気中において、 室温でプロ トン伝導が可能であることを見出すことができた。 次に、 例 4のペレッ トを用い、 上記の複素インピーダンス測定を 1 6 0°Cから 一 4 0°Cまでの温度範囲で行い、 その時の高周波側の円弧から求めた伝導率の温 度依存性を調べた。 結果をァレニウス型のプロッ トとして示したのが図 1 3であ る。 これによると、 1 6 0°Cから一 4 0°Cにおいて非常に直線的に変化している ことがわかる。 つまり、 この温度範囲において単一のイオン伝導機構が進行可能 であることがわかる。 つまり、 この温度範囲において単一のイオン伝導機構が進 行可能であることを示している。 すなわち、 本発明のプロ トン伝導体は、 室温を 含む広い温度範囲、 特に 1 6 0°Cといった高温や一 4 0°Cといった低温において も伝導が可能である。
<燃料電池の作製とその性能評価〉
更に、 上記した例 5に用いたポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルとバイン ダー (ポリビニルアルコール) との混合物によって、 プロ トン伝導部を形成した。 この際、 ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル (以下、 F Lと称する。 ) とポ リビニルアルコール (以下、 PVAと称する。 ) との配合比: {PVAZ (F L + P V A) } (単位: w t %、 以下、 単に%とする) を変え、 それぞれに対応し た図 8に示した如き構造の燃料電池を作製し、 負極側に水素を、 正極側に酸素を 供給し、'定電流モードで作動させてその出力特性を測定した。
その結果、 図 1 4に示すように、 プロ トン伝導部の PV A含有 fiに応じた出力 特性 (但し、 出力ピーク電圧 = 4 0 OmV) が得られた。
すなわち、 P V A含有量が 2 0 %において変曲点を示し、 これを境に 2 0 %以 下となると出力が急激に低下し、 2 0 %を超えると、 高出力が得られることが明 らかである。 この結果から、 PV A含有量は 2 0 %を超える値とすべきである。 更に 2 5 %において変曲点が現われるので、 P V A含有量の下限は 2 5 %とす るのが望ましい。 また、 3 3%をピークに出力が低下し始め、 3 7%において変 曲点が現われるが、 4 0%を超えると出力自体がかなり低下し易くなるため、 P V A含有量の上限は 4 0 %とするのがよく、 更に 3 7%とするのがより望ましい。 したがって、 図 1 4から P V A含有量は 20 %を超える値とすべきであり、 好 ましくは 2 5 %であり、 また上限は 4 0 %が好ましく、 更に好ましくは 3 7 %、 更には 3 5 %である。 このような PVA配合比が有利であることは後述する図 1 5又は図 1 6に示す、 出力の電圧又は電流密度依存性のデータからも明らかであ る。
図 1 5及び図 1 6は、 上記測定のために作製した燃料電池において、 PVA含 有量が最低 (1 2. 5 %) 、 最大 (5 0 %) 、 ピーク値を示す 3 3%及び変曲点 を示す 2 5 %における、 出力の F L及び PVAに対する依存性を示し、 図 2は出 力と電圧の特性、 図 3は電圧と電流密度の特性を示すグラフである。
すなわち、 図 1 5の出力と電圧の特性においては、 いずれも 40 OmV時に出 力がピークを示し、 特に P V A含有量が 2 5 %及び 3 3 %の場合に、 40 OmV を境としてこの前後の電圧時に、 出力の上昇と降下の度合がシャープな対称を示 すと共に、 900 mVまで出力の性能が維持されており、 この特性は図 1 6に示 す電圧と電流密度の特性においても同様であり、 本発明における、 フラーレン誘 導体と 2 0 w t %を超える含有量のポリビュルアルコールを含有しているプロ ト ン伝導体を用いることによって、 優れた燃料電池を実現できることが証明できる。 実施例 1
硫酸水素エステル化フラレノールを、 重量比で、 1 : 2の配合比で、 テトラヒ ドロフラン中に分散させて、 分散液を調製した。 得られた分散液を、 カーボン電極上に、 マスクとスキージを用いて、 塗布し、 乾燥させて、 溶剤であるテトラヒ ドロフランを揮発させ、 カーボン電極上に、 厚 さ 1 0 / mの硫酸水素エステル化フラレノールの層を形成した。
次いで、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコールを、 2 : 1 の重量比で、 混合させ、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコー ルの総重量の 5倍の重量の水に分散乃至溶解させて、 調製したスラリーを、 マス クとスキージを用いて、 硫酸水素エステル化フラレノールの層上に塗布し、 水を 蒸発させて、 厚さ 1 2 μ mの硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアル コールを含むプロ トン伝導体膜を形成した。
こうして得られたカーボン電極、 硫酸水素エステル化フラレノールの層及びプ 口トン伝導体膜よりなる積層体に、 直接、 ヒーターを圧着し、 加熱温度と加熱時 間を変えて、 プロ トン伝導体膜に加熱処理を施した。
ここに、 加熱温度としては、 1 2 0 °C、 1 5 0 °C、 1 6 0 °C、 1 8 0 °C及び 2 0 0 °Cを選択した。
こう して、 加熱処理を施した積層体を、 それぞれ、 水中に浸し、 1分間にわた つて、 放置して、 耐水性試験をおこない、 プロ トン伝導体膜の水中への溶出状態 を、 目視によって観察した。
試験結果は、 図 1 7に示されている。 図 1 7において、 X印は、 プロ トン伝導 体膜のほとんどが溶出したと認められたことを意味し、 △印は、 プロトン伝導体 膜のほぼ半分が溶出したと認められたことを意味しており、 秦印は、 プロ トン伝 導体膜の 9 0 %以上が、 溶出することなく、 残ったことを意味している。
図 1 7力、ら、 2 0 0 °C、 1 8 0 °Cあるいは 1 6 0 °Cで、 プロトン伝導体膜に、 加熱処理を施した場合には、 1 0秒以下の処理時間で、 プロトン伝導体膜の耐水 性が大幅に向上したのに対し、 1 5 0 °Cで、 プロ トン伝導体膜に、 加熱処理を施 した場合は、 2 0秒以上にわたって、 加熱処理を施さないと、 プロトン伝導体膜 の耐水性を、 所望のように、 向上させることができないことが判明した。
また、 2 0 0 °Cを越える温度で、 プロトン伝導体膜に、 加熱処理を施した場合 には、 ポリビュルアルコールに変質が認められた。
したがって、 図 1 7から、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの加熱温度で、 プロ トン伝導 体膜に、 加熱処理を施すことが必要であり、 1 6 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 プ 口 トン伝導体膜に、 加熱処理を施すと、 好ましいことが判明した。
実施例 2
硫酸水素エステル化フラレノールとポリカーボネ一トを、 2 : 1の重量比で、 混合させ、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコールの総重量の 5倍の重量のジクロロメタンに分散乃至溶解させて、 調製したスラリーを、 マス クとスキージを用いて、 硫酸水素エステル化フラ レノールの層上に塗布し、 水を 蒸発させて、 厚さ 1 2 mの硫酸水素エステル化フラレノールとポリカーボネー トを含むプロ トン伝導体膜を形成した。
こう して形成されたプロ トン伝導体膜の一方の面に、 硫酸水素エステル化フラ レノールとポリ ビニルアルコールを、 2 : 1の重量比で、 混合させた混合物を、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコールの総重量の 5倍の重量 の水に分散乃至溶解させた混合液を、 グラビア印刷法によって、 塗布し、 乾燥し て、 水を蒸発させ、 厚さ 1 mの硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニル アルコールとの混合物層を形成した。
こ う して得られたプロ トン伝導体膜の積層体に、 直接、 ヒーターを圧着し、 1 8 0 °Cで、 1 0秒間にわたって、 加熱処理を施した。
次いで、 プロ トン伝導体膜の積層体に、 硫酸水素エステル化フラレノールとポ リ ビュルアルコールとの混合物層が形成されていない側から、 0 . 0 3 M P aの 圧力の水素ガスを供給し、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコ ールとの混合物層が形成されている側の水素ガス濃度の時間的な変化を測定した。 測定結果は、 図 1 8に示されている。
比較例
実施例 2と同様にして、 形成されたプロ トン伝導体膜の積層体一方の側から、 0 . 0 3 M P aの圧力の水素ガスを供給し、 他方の側における水素ガス濃度の時 間的な変化を測定した。
測定結果は、 図 1 8に示されている。
図 1 8から、 プロ トン伝導体膜の一方の面に、 硫酸水素エステル化フラレノー ルとポリ ビニルアルコールとの混合物層が形成されている実施例 2にかかるプロ トン伝導体膜は、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコールとの 混合物層が形成されていない比較例にかかるプロ トン伝導体膜に比して、 優れた 水素ガス遮断能力を有していることが判明した。
硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコールとの混合物層が形成 されている側から、 実施例 2にかかるプロ トン伝導体膜に、 0 . 0 3 M P aの圧 力の水素ガスを供給し、 硫酸水素エステル化フラレノールとポリ ビニルアルコー ルとの混合物層が形成されていない側の水素ガス濃度の時間的な変化を測定した ところ、 有意差は認められなかった。
本発明は、 以上の実施態様及び実施例に限定されることなく、 特許請求の範囲 に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、 それらも本発明の範囲内 に包含されるものであることはいうまでもない。 産業上の利用可能性 以上に明らかなように、 本発明の製造方法により作製されるプロ トン伝導体は、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン解離性の基が導入されたフラーレ ン誘導体と、 2 0重量%を超える含有量のポリ ビニルアルコールを含有している ので、 室温を挟む広い温度範囲で乾燥状態でも高いプロ トン伝導性を発揮するこ とができると共に、 ポリ ビニルアルコールの含有によって成膜性が付与されてい るため、 強度が高められ、 ガス透過を防ぎ、 プロ トン伝導性の良好な薄膜と して 用いることができる。
また、 このプロ トン伝導体を電気化学デバイスに用いることにより、 雰囲気の 制約を受けないので、 システムの小型化、 簡易化を実現することができる。
また、 本発明によれば、 水素ガスの遮断能力が高く、 燃料電池の出力低下を招 くおそれのない燃料電池のプロ トン伝導体膜及び高出力を実現可能な燃料電池を 提供することが可能になる。
このプロ トン伝導体を電気化学デバイスに用いることにより、 雰囲気の制約を 受けないので、 システムの小型化、 簡易化を実現することができる。
さらに、 本発明によれば、 電極反応によって、 水が生成されても溶出すること がなく、 しかも、 水素ガス遮断能力に俊れたプロ トン伝導体膜及びその製造方法 ならびに電極反応によって、 水が生成されても溶出することがなく、 しかも、 水 素ガス遮断能力に優れたプロ トン伝導体膜を備えた高出力の燃料電池及びその製 造方法を提供することが可能になる。

Claims

請求の範囲
1. フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン (H+) 解離性の基を導入して なるフラーレン誘導体と、 20重量%を超える含有量のポリビニルアルコールと を含有しているプロトン伝導体。
2. 前記ポリビニルアルコールの含有量が 40重量%以下である請求の範囲第 1 項記載のプロトン伝導体。
3. 前記プロトン解離性の基が、 — XH (Xは 2価の結合手を有する任意の原子 若しくは原子団、 Hは水素原子である。 ) である請求の範囲第 1項記載のプロト ン伝導体。
4. 前記プロトン解離性の基が、 _011又はー¥011 (Yは 2価の結合手を有す る任意の原子若しくは原子団である。 ) である請求の範囲第 1項記載のプロトン 伝導体。
5. 前記プロトン解離性の基が、 — OH、 — O S 03H、 -COOH _S〇3H、 -OPO (OH) 2のいずれかより選ばれる基である請求の範囲第 4項記載のプロ トン伝導体。
6. 前記フラーレン分子に、 プロトン解離性の基と、 電子吸引基とが導入されて いる請求の範囲第 1項記載のプロトン伝導体。
7. 前記電子吸引基が少なくともニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二 トリル基、 ハロゲン化アルキル基又はハロゲン原子を含む請求の範囲第 6項記載 のプロ トン伝導体。
8. 前記フラーレン分子が、 球状炭素クラス夕一分子が Cm (mは Cmが球状構造 を形成しえる自然数) である請求の範囲第 1項記載のプロトン伝導体。
9. 厚み 300 /zm以下の薄膜に形成されている請求の範囲第 1項記載のプロト ン伝導体。
1 0. フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン (H + ) 解離性の基を導入し てフラーレン誘導体を生成する工程と、
このフラーレン誘導体と 20重量%を超える配合比のポリビニルアルコールと を混合し、 この混合物を薄膜状に成膜する工程と を有するプロトン伝導体の製造方法。
1 1. 前記ポリビニルアルコールの配合比を 4 0重量%以下とする請求の範囲第 1 0項記載のプロ トン'伝導体の製造方法。
1 2. 前記プロ トン解離性の基を、 — XH (Xは 2価の結合手を有する任意の原 子若しくは原子団、 Hは水素原子である。 ) とする請求の範囲第 1 0項記載のプ 口 トン伝導体の製造方法。
1 3. 前記プロ トン解離性の基を、 一 OH又は一 YOH (Yは 2価の結合手を有 する任意の原子若しくは原子団である。 ) とする請求の範囲第 1 0項記載のプロ トン伝導体の製造方法。
1 4. 前記プロ トン解離性の基を— OH、 —O S 03H、 — COOH、 — S 03H、 — O PO (OH) 2のいずれかより選ばれる基とする請求の範囲第 1 3項記載のプ 口 トン伝導体の製造方法。
1 5. 前記フラーレン分子に、 プロ トン解離性の基と、 電子吸引基とを導入する、 請求の範囲第 1 0項記載のプロ トン伝導体の製造方法。
1 6. 前記電子吸引基として、 少なく ともニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシ ル基、 二トリル基、 ハロゲン化アルキル基又はハロゲン原子を導入する請求の範 囲第 1 5項記載のプロトン伝導体の製造方法。
1 7. 前記フラーレン分子を、 球状炭素クラスター分子 Cm (mは Cmが球状構造 を形成しえる自然数) とする請求の範囲第 1 0項記載のプロトン伝導体の製造方 法。
1 8. 前記プロ トン伝導体を厚み 3 0 0 μ m以下の薄膜に形成する請求の範囲第 1 0項記載のプロトン伝導体の製造方法。
1 9. 第 1極と、 第 2極と、 これら両極間に挟持されたプロ トン伝導体とからな Ό、
上記プロ トン伝導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン (H + ) 解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体と、 2 0重量%を超える含有量のポ リ ビニルアルコールとを含有する電気化学デバイス。
2 0. 前記ポリビニルアルコールの含有量が 4 0重量%以下である請求の範囲第 1 9項記載の電気化学デバイス。
2 1. 前記プロ トン解離性の基が、 — XH (Xは 2価の結合手を有する任意の原 子若しくは原子団、 Hは水素原子である。 ) である請求の範囲第 1 9項記載の電 気化学デバイス。
2 2. 前記プロ トン解離性の基が、 — OH又は一 YOH (Dは重水素、 Yは 2価 の結合手を有する任意の原子若しくは原子団である。 ) である請求の範囲第 1 9 項記載の電気化学デバイス。
2 3. 前記プロ トン解離性の基が、 一 OH:、 一 O S〇3H、 — COOH、 一 S 03 H、 — O PO (OH) 2のいずれかより選ばれる基である請求の範囲第 2 2項記載 の電気化学デバイス。
24. 前記フラーレン分子に、 プロトン解離性の基と、 電子吸引基とが導入され ている請求の範囲第 1 9項記載の電気化学デバィス。
2 5. 前記電子吸引基が少なく ともニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリル基、 ハロゲン化アルキル基又はハロゲン原子を含む請求の範囲第 24項 記載の電気化学デバイス。
2 6. 前記フラーレン分子が、 球状炭素クラスター分子 Cm (mは Cmが球状構造 を形成しえる自然数) である請求の範囲第 1 9項記載の電気化学デバイス。
2 7. 前記プロ トン伝導体が厚み 3 0 0 m以下の薄膜に形成されている請求の 範囲第 1 9項記載の電気化学デバイス。
2 8. 前記デバイスは、 燃料電池として構成されている請求の範囲第 1 9項記載 の電気化学デバイス。
2 9. 前記デバイスは、 水素一空気電池として構成されている請求の範囲第 1 9 項記載の電気化学デバイス。
3 0. 前記第 1極又は第 2極のうち少なくとも一方がガス電極である請求の範囲 第 1 9項記載の電気化学デバイス。
3 1. 前記第 1極及び前記第 2極の少なくとも一方が活物質性電極である請求の 範囲第 1 9項記載の電気化学デバイス。
3 2. プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポリ ビュルアル コールを含み、 1 5 0°C乃至 2 00°Cの温度で、 加熱処理されたことを特徴とす る燃料電池のプロ トン伝導体膜。
3 3 . プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポリ ビニルアル コールを含み、 1 6 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理されたことを特徴とす る燃料電池のプロ トン伝導体膜。
3 4 . 前記プロ トン伝導体膜が、 0 . 1 m乃至 2 0 μ mの厚さを有しているこ とを特徴とする請求の範囲第 3 2項又は第 3 3項記載の燃料電池のプロ トン伝導 体膜。
3 5 . さらに、 前記プロ トン伝導体膜の両側に、 ポリビニルアルコールを含まな いプロトン伝導体の層が形成されたことを特徴とする請求の範囲第 3 2項又は第 3 3項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
3 6 . 前記ポリビニルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層が、 5 Μ πι乃至
2 0 μ ιηの厚さを有していることを特徴とする請求の範囲第 3 5項記載の燃料電 池のプロ トン伝導体膜。
3 7 . 前記プロ トン伝導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン解 離性の基を導入してなるフラーレン誘導体によって構成されたことを特徴とする 請求の範囲第 3 2項又は第 3 3項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
3 8 . さらに、 フラーレン誘導体に、 ポリビュルアルコールを混合させた水素ガ ス遮断層を備えたことを特徴とする請求の範囲第 3 7項記載の燃料電池のプロ ト ン伝導体膜。
3 9 . 前記水素ガス遮断層が、 前記プロ トン伝導体膜の少なくとも一方の面に形 成されたことを特徴とする請求の範囲第 3 8項記載の燃料電池のプロ トン伝導体 膜。
4 0 . 前記水素ガス遮断層が、 前記プロ トン伝導体膜の酸素電極側の面に形成さ れたことを特徴とする請求の範囲第 3 9項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 1 . 前記水素ガス遮断層が、 前記プロ トン伝導体膜の水素電極側の面に形成さ れたことを特徴とする請求の範囲第 3 9項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 2 . 前記水素ガス遮断層が、 0 . 1 m乃至 1 0 μ mの厚さを有していること を特徴とする請求の範囲第 3 8項乃至第 4 1項のいずれか 1項記載の燃料電池の プロ トン伝導体膜。
4 3 . 前記プロ トン解離性の基が、 一 X H ( Xは、 2価の結合手を有する任意の 原子又は原子団であり、 Hは水素原子である。 ) であることを特徴とする請求の 範囲第 3 7項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
44. 前記プロ トン解離性の基が、 — OH又は— YOH (Yは、 2価の結合手を 有する任意の原子又は原子団である。 ) であることを特徴とする請求の範囲第 4 3項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 5. 前記プロ トン解離性の基が、 一OH、 一〇 S〇3H、 一 COOH、 一 S〇 3 H、 一〇 PO (OH) のいずれかより選ばれる基であることを特徴とする請求の 範囲第 44項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 6. フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン解 離性の基とともに、 電子吸引基が導入されてなることを特徴とする請求の範囲第
3 7項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 7. 前記電子吸引基が、 ニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリル 基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素及びハロゲン原子よりなる群から選ばれた 1 又は 2以上の官能基又は原子を含むことを特徴とする請求の範囲第 46項記載の 燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 8. 前記フラーレン分子が、 その炭素数が、 3 6、 6 0、 7 0、 76、 7 8、 8 0、 8 2及び 8 4よりなる群から選ばれた球状炭素クラスター分子よりなるこ とを特徴とする請求の範囲第 3 7項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
4 9. プロ トン伝導体をポリ ビエルアルコールに混合して成膜したプロ トン伝導 体膜に、 1 50°C乃至 2 0 0°Cの温度で加熱処理を施すことを特徴とするプロ ト ン伝導体膜の製造方法。
5 0. プロ トン伝導体をポリ ビニルアルコールに混合して成膜したプロ トン伝導 体膜に、 1 60°C乃至 2 0 0°Cの温度で加熱処理を施すことを特徴とするプロ ト ン伝導体膜の製造方法。
5 1. 前記プロ トン伝導体膜を、 0. 1 / m乃至 2 0 μ mの厚さに成膜するこ と を特徴とする請求の範囲第 4 9項又は第 5 0項記載のプロ トン伝導体膜の製造方 法。
5 2. さらに、 前記プロ トン伝導体膜の両側に、 ポリ ビニルアルコールを含まな いプロ トン伝導体の層を形成することを特徴とする請求の範囲第 4 9項又は第 5 0項記載のプロトン伝導体膜の製造方法。
5 3. 前記ポリビニルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層を、 乃至 2 0 μ mの厚さに形成することを特徴とする請求の範囲第 5 2項記載のプロ トン 伝導体膜の製造方法。
5 4. 前記プロ トン伝導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン解 離性の基を導入してなるフラーレン誘導体によって構成されたことを特徴とする 諸求の範囲第 4 9項又は第 5 0項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
5 5 . さらに、 フラーレン誘導体に、 ポリビュルアルコールを混合させた水素ガ ス遮断層を形成することを特徴とする請求の範囲第 5 4項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
5 6 . 前記水素ガス遮断層を、 前記プロ トン伝導体膜の少なく とも一方の面に形 成することを特徴とする請求の範囲第 5 5項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜 の製造方法。
5 7. 前記水素ガス遮断層を、 前記プロ トン伝導体膜の酸素電極側の面に形成す ることを特徴とする請求の範囲第 5 6項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製 造方法。
5 8. 前記水素ガス遮断層を、 前記プロ トン伝導体膜の水素電極側の面に形成す ることを特徴とする請求の範囲第 5 6項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製 造方法。
5 9. 前記水素ガス遮断層を、 0. 1 m乃至 1 0 μ mの厚さに形成することを 特徴とする請求の範囲第 5 5項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
6 0. 前記プロ トン解離性の基が、 — XH (Xは、 2価の結合手を有する任意の 原子又は原子団であり、 Hは水素原子である。 ) であることを特徴とする請求の 範囲第 5 4項記載の燃料電池のプロトン伝導体膜の製造方法。
6 1 . 前記プロトン解離性の基が、 — O H又は一 Y O H (Yは、 2価の結合手を 有する任意の原子又は原子団である。 ) であることを特徴とする請求の範囲第 6 0項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
6 2. 前記プロ トン解離性の基が、 一 OH、 — O S 03H、 — C O OH、 - S O 3 H、 一 O P O (O H) 2のいずれかより選ばれる基であることを特徴とする請求の 範囲第 6 1項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
6 3 . フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン解 離性の基とともに、 電子吸引基が導入されてなることを特徴とする請求の範囲第
5 4項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
6 4 . 前記電子吸引基が、 ニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリル 基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素及びハロゲン原子よりなる群から選ばれた 1 又は 2以上の官能基又は原子を含むことを特徴とする請求の範囲第 6 3項記載の 燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方法。
6 5 . 前記フラーレン分子が、 その炭素数が、 3 6、 6 0、 7 0、 7 6、 7 8、 8 0、 8 2及び 8 4よりなる群から選ばれた球状炭素クラスター分子よりなるこ とを特徴とする請求の範囲第 5 4項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜の製造方 法。
6 6 . 水素電極と、 酸素電極を備え、 さらに、 前記水素電極と前記酸素電極の間 に、 プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポリ ビニルアルコ ールを含み、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理されたプロ トン伝導体膜 を備えたことを特徴とする燃料電池。
6 7 . 水素電極と、 酸素電極を備え、 さらに、 前記水素電極と前記酸素電極の間 に、 プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバインダーと してのポリ ビニルアルコ ールを含み、 1 6 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理されたプロ トン伝導体膜 を備えたことを特徴とする燃料電池。
6 8 . 前記プロ トン伝導体膜が、 0 . 1 / m乃至 2 0 mの厚さを有しているこ とを特徴とする請求の範囲第 6 6項又は第 6 7項記載の燃料電池。
6 9 . さらに、 前記プロ トン伝導体膜の両側に、 ポリ ビエルアルコールを含まな いプロ トン伝導体の層を備え、 前記ポリ ビュルアルコールを含まないプロ トン伝 導体の層が、 それぞれ、 前記水素電極あるいは前記酸素電極に接していることを 特徴とする請求の範囲第 6 6項又は第 6 7項記載の燃料電池。
7 0 . 前記ポリ ビニルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層が、 5 ηι乃至
2 0 mの厚さを有していることを特徴とする請求の範囲第 6 9項記載の燃料電 池。
7 1. 前記プロ トン伝導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン解 離性の基を ¾入してなるフラーレン誘導によって構成されたことを特徴とする請 求の範囲第 6 6項又は第 6 7項記載の燃料電池。
7 2. さらに、 フラーレン誘導体に、 ポリビエルアルコールを混合させた水素ガ ス遮断層を備えたことを特徴とする請求の範囲第 7 1項記載の燃料電池。
7 3. 前記水素ガス遮断層が、 前記プロ トン伝導体膜の少なく とも一方の面に形 成されたことを特徴とする請求の範囲第 7 2項記載の燃料電池。
74. 前記水素ガス遮断層が、 前記プロ トン伝導体膜の酸素電極側の面に形成さ れたことを特徴とする請求の範囲第 7 3項記載の燃料電池。
7 5. 前記水素ガス遮断層が、 前記プロ トン伝導体膜の水素電極側の面に形成さ れたことを特徴とする請求の範囲第 7 3項記載の燃料電池。
7 6. 前記水素ガス遮断層が、 0. 1 m乃至 1 0 μ mの厚さを有していること を特徴とする請求の範囲第 7 2項乃至第 7 5項のいずれか 1項記載の燃料電池。
7 7. 前記プロ トン解離性の基が、 — XH (Xは、 2価の結合手を有する任意の 原子又は原子団であり、 Hは水素原子である。 ) であることを特徴とする請求の 範囲第 7 1記載の燃料電池。
7 8. 前記プロ トン解離性の基が、 一 OH又は— YOH (Yは、 2価の結合手を 有する任意の原子又は原子団である。 ) であることを特徴とする請求の範囲第 7 7項記載の燃料電池。
7 9. 前記プロ トン解離性の基が、 — OH、 — O S〇3H、 一 COOH、 - S Os H、 — O PO (OH) 2のいずれかより選ばれる基であることを特徴とする請求の 範囲第 7 8項記載の燃料電池。
8 0. フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン解 離性の基とともに、 電子吸引基が導入されてなることを特徴とする請求の範囲第 7 1項記載の燃料電池。
8 1. 前記電子吸引基が、 ニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリル 基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素及びハロゲン原子よりなる群から選ばれた 1 又は 2以上の官能基又は原子を含むことを特徴とする請求の範囲第 8 0項記載の 燃料電池。
8 2 . 前記フラーレン分子が、 その炭素数が、 3 6、 6 0、 7 0、 7 6、 7 8、 8 0、 8 2及び 8 4よりなる群から選ばれた球状炭素クラスター分子よりなるこ とを特徴とする請求の範囲第 7 1項記載の燃料電池。
8 3 . 水素電極と、 酸素電極との間に、 プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバ ィンダ一としてのポリビニルアルコールとを含むプロ トン伝導体膜を挟持させて- 燃料電池を製造する方法において、 前記プロトン伝導体膜を、 1 5 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理するステップを含むことを特徴とする燃料電池の製造方 法。
8 4 . 水素電極と、 酸素電極との間に、 プロ トン伝導体と、 プロ トン伝導体のバ インダ一としてのポリビニルアルコールとを含むプロトン伝導体膜を挟持させて、 燃料電池を製造する方法において、 前記プロトン伝導体膜を、 1 6 0 °C乃至 2 0 0 °Cの温度で、 加熱処理するステップを含むことを特徴とする燃料電池の製造方 法。
8 5 . 前記プロ トン伝導体膜を、 0 . 1 μ m乃至 2 0 mの厚さに成膜すること を特徴とする請求の範囲第 8 3項又は第 8 4項記載の燃料電池の製造方法。
8 6 . 前記プロ トン伝導体膜を、 前記水素電極及び前記酸素電極の一方の上に形 成し、 加熱処理を施すことを特徴とする請求の範囲第 8 3項又は第 8 4項記載の 燃料電池の製造方法。
8 7 . 前記プロ トン伝導体膜を、 前記水素電極及び前記酸素電極の一方の上に形 成するのに先立って、 前記前記プロ トン伝導体膜に、 加熱処理を施すことを特徴 とする請求の範囲第 8 3項又は第 8 4項記載の燃料電池の製造方法。
8 8 . 前記水素電極及び前記酸素電極の一方の上に、 ポリビニルアルコールを含 まないプロトン伝導体の層を形成し、 前記ポリビュルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層上に、 前記プロ トン伝導体膜を形成した後に、 加熱処理を施すこ とを特徴とする請求の範囲第 8 3項又は第 8 4項記載の燃料電池の製造方法。
8 9 . 前記水素電極及び前記酸素電極の一方の上に、 ポリビニルアルコールを含 まないプロ トン伝導体の層を形成した後に、 前記ポリビュルアルコールを含まな いプロ トン伝導体の層上に、 前記プロ トン伝導体膜を形成し、 さらに、 前記プロ トン伝導体膜の表面に、 ポリビニルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層を 形成し、 前記プロ トン伝導体膜の表面に形成された前記ポリビニルアルコールを 含まないプロトン伝導体の層上に、 前記水素電極及び前記酸素電極の他方を密着 させた後に加熱処理を施すことを特徴とする請求の範囲第 8 3項又は第 8 4項記 載の燃料電池の製造方法。
9 0. 前記ポリビュルアルコールを含まないプロ トン伝導体の層を、 5 μ πι乃至 2 0 μ mの厚さに形成することを特徴とする請求の範囲第 8 8項記載の燃料電池 の製造方法。
9 1. 前記プロ トン伝導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ トン解 離性の基を導入してなるフラーレン誘導体によって構成されたことを特徴とする 請求の範囲第 8 3項又は第 8 4項記載の燃料電池の製造方法。
9 2. さらに、 前記水素電極と前記酸素電極の間に、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビュルアルコールを混合させた水素ガス遮断層を形成することを特徴とする請求 の範囲第 9 1項記載の燃料電池の製造方法。
9 3 . 前記水素ガス遮断層を、 前記プロトン伝導体膜の少なく とも一方の面に形 成することを特徴とする請求の範囲第 9 2項記載の燃料電池の製造方法。
9 4. 前記水素ガス遮断層を、 前記プロ トン伝導体膜の酸素電極側の面に形成す ることを特徴とする請求の範囲第 9 3項記載の燃料電池の製造方法。
9 5 . 前記水素ガス遮断層を、 前記プロ トン伝導体膜の水素電極側の面に形成す ることを特徴とする請求の範囲第 9 3項記載の燃料電池の製造方法。
9 6 . 前記水素ガス遮断層を、 0. 1 m乃至 1 0 μ mの厚さに形成することを 特徴とする請求の範囲第 9 2項記載の燃料電池の製造方法。
9 7. 前記プロ トン解離性の基が、 一 XH ( は、 2価の結合手を有する任意の 原子又は原子団であり、 Hは水素原子である。 ) であることを特徴とする請求の 範囲第 9 1項記載の燃料電池の製造方法。
9 8 . 前記プロ トン解離性の基が、 — OH又は一 Y OH (Yは、 2価の結合手を 有する任意の原子又は原子団である。 ) であることを特徴とする請求の範囲第 9 7項記載の燃料電池の製造方法。
9 9 . 前記プロ トン解離性の基が、 — O H、 _ O S 03H、 一 C O OH、 一 S 03 H、 - O P O (O H) 2のいずれかより選ばれる基であることを特徴とする請求の 範囲第 9 8項記載の燃料電池の製造方法。
1 0 0. フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン 解離性の基とともに、 電子吸引基が導入されてなることを特徴とする請求の範囲 第 9 1項記載の燃料電池の製造方法。
1 0 1. 前記電子吸引基が、 ニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリ ル基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素及びハロゲン原子よりなる群から選ばれた
1又は 2以上の官能基又は原子を含むことを特徴とする請求の範囲第 1 00項記 載の燃料電池の製造方法。
1 0 2. 前記フラーレン分子が、 その炭素数が、 3 6、 6 0、 7 0、 7 6、 7 8、 8 0、 8 2及ぴ 8 4よりなる群から選ばれた球状炭素クラスター分子よりなるこ とを特徴とする請求の範囲第 9 1項記載の燃料電池の製造方法。
1 0 3. フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層と、
フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた水素ガス遮断層と を備えたことを特徴とする燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 0 4. 前記水素ガス遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の少 なく とも一方の面に形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 0 3項記載の燃 料電池のプロ トン伝導体膜。
1 0 5. 前記水素ガス遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の酸 素電極側の面に形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 0 4項記載の燃料電 池のプロ トン伝導体膜。
1 0 6. 前記水素ガス遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の水 素電極側の面に形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 0 4項記載の燃科電 池のプロ トン伝導体膜。
1 0 7. 前記水素ガス遮断層が、 0. 1 m乃至 1 0 mの厚さを有しているこ とを特徴とする請求の範囲第 1 0 3項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 0 8. 前記フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ ト ン解離性の基を導入してなることを特徴とする請求の範囲第 1 0 3項記載の燃料 電池のプロ トン伝導体膜。
1 0 9. 前記プロ トン解離性の基が、 一 XH (又は、 2価の結合手を有する任意 の原子又は原子団であり、 Hは水素原子である。 ) であることを特徴とする請求 の範囲第 1 0 8項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 1 0. 前記プロ トン解離性の基が、 一 OH又は一 YOH (Yは、 2価の結合手 を有する任意の原子又は原子団である。 ) であることを特徴とする請求の範囲第 1 0 9項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 1 1. 前記プロ トン解離性の基が、 — OH、 - O S O H , — COOH、 — S O :!H、 一 O PO (OH) 2のいずれかより選ばれる基であることを特徴とする請求 の範囲第 1 1 0項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 1 2. フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン 解離性の基とともに、 電子吸引基が導入されてなることを特徴とする請求の範囲 第 1 0 3項記載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 1 3. 前記電子吸引基が、 ニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリ ル基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素及びハロゲン原子よりなる群から選ばれた
1又は 2以上の官能基又は原子を含むことを特徴とする請求の範囲第 1 1 2項記 載の燃料電池のプロ トン伝導体膜。
1 1 4. 前記フラーレン分子が、 その炭素数が、 3 6、 6 0、 7 0、 7 6、 7 8、 8 0、 8 2及び 8 4よりなる群から選ばれた球状炭素クラスター分子よりなるこ とを特徴とする請求の範囲第 1 0 8項乃至第 1 1 3項のいずれか 1項記載の燃料 電池のプロ トン伝導体膜。
1 1 5. 水素電極と、 酸素電極を備え、
さらに、 前記水素電極と前記酸素電極の間に、 フラーレン誘導体を含むプロ ト ン伝導体層と、 フラーレン誘導体に、 ポリ ビニルアルコールを混合させた水素ガ ス遮断層とを備えたプロ トン伝導体膜が設けられたことを特徴とする燃料電池。
1 1 6. 前記水素ガス遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の少 なく とも一方の面に形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 1 5項記載の燃 料電池。
1 1 7. 前記水素ガス遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の酸 素電極側の面に形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 1 6項記載の燃料電 池。
1 1 8. 前記水素ガス遮断層が、 フラーレン誘導体を含むプロ トン伝導体層の水 素電極側の面に形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 1 6項記載の燃科電 池。
1 1 9. 前記水素ガス遮断層が、 0. 1 m乃至 1 0 mの厚さを有しているこ とを特徴とする請求の範囲第 1 1 5項乃至第 1 1 8項のいずれか 1項記載の燃料 電池。
1 2 0. 前記フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子にプロ ト ン解離性の基を導入してなることを特徴とする請求の範囲第 1 1 5項記載の燃料 電池。
1 2 1. 前記プロ トン解離性の基が、 一 XH (Xは、 2価の結合手を有する任意 の原子又は原子団であり、 Hは水素原子である。 ) であることを特徴とする請求 の範囲第 1 20項記載の燃料電池。
1 2 2. 前記プロ トン解離性の基が、 一 OH又は— Y〇H (Yは、 2価の結合手 を有する任意の原子又は原子団である。 ) であることを特徴とする請求の範囲第 1 2 1項記載の燃料電池。
1 2 3. 前記プロ トン解離性の基が、 — OH、 — O S〇3H、 一 COOH、 - S O 3H、 -O P O (OH) 2のいずれかより選ばれる基であることを特徴とする請求 の範囲第 1 2 2項記載の燃料電池。
1 2 4. フラーレン誘導体が、 フラーレン分子を構成する炭素原子に、 プロ トン 解離性の基とともに、 電子吸引基が導入されてなることを特微とする請求の範囲 -第 1 1 5項記載の燃料電池。
1 2 5. 前記電子吸引基が、 ニトロ基、 カルボニル基、 カルボキシル基、 二トリ ル基、 ハロゲン化アルキル基、 フッ素及ぴハロゲン原子よりなる群から選ばれた
1又は 2以上の官能基又は原子を含むことを特徴とする請求の範囲第 1 24項記 載の燃料電池。
1 2 6. 前記フラーレン分子が、 その炭素数が、 3 6、 6 0、 7 0、 7 6、 7 8、 8 0、 8 2及び 8 4よりなる群から選ばれた球状炭素クラスター分子よりなるこ とを特徴とする請求の範囲第 1 2 0項乃至第 1 2 5項のいずれか 1項記載の燃料 電池。
PCT/JP2002/000251 2001-01-19 2002-01-16 Film conducteur de protons et son procede de fabrication, cellule a combustible ayant un film conducteur de protons et son procede de fabrication WO2002058177A1 (fr)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/466,649 US7226699B2 (en) 2001-01-19 2002-01-16 Proton conductor film, manufacturing method therefor, fuel cell provided with proton conductor film and manufacturing method therefor
JP2002558358A JP4670219B2 (ja) 2001-01-19 2002-01-16 プロトン伝導体膜及びその製造方法並びにプロトン伝導体膜を備えた燃料電池及びその製造方法
EP02715762A EP1353392A4 (en) 2001-01-19 2002-01-16 PROTON CONDUCTIVE FILM AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, FUEL CELL HAVING PROTON CONDUCTIVE FILM AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
KR10-2003-7008950A KR20030096244A (ko) 2001-01-19 2002-01-16 프로톤 전도체막 및 그 제조 방법 및 프로톤 전도체막을구비한 연료 전지 및 그 제조 방법
US11/747,502 US20070212586A1 (en) 2001-01-19 2007-05-11 Proton conductor film, manufacturing method therefor, fuel cell provided with proton conductor film and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001-10987 2001-01-19
JP2001-10993 2001-01-19
JP2001011114 2001-01-19
JP2001010987 2001-01-19
JP2001-11114 2001-01-19
JP2001010993 2001-01-19

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US11/747,502 Division US20070212586A1 (en) 2001-01-19 2007-05-11 Proton conductor film, manufacturing method therefor, fuel cell provided with proton conductor film and manufacturing method therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2002058177A1 true WO2002058177A1 (fr) 2002-07-25

Family

ID=27345754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2002/000251 WO2002058177A1 (fr) 2001-01-19 2002-01-16 Film conducteur de protons et son procede de fabrication, cellule a combustible ayant un film conducteur de protons et son procede de fabrication

Country Status (7)

Country Link
US (2) US7226699B2 (ja)
EP (1) EP1353392A4 (ja)
JP (1) JP4670219B2 (ja)
KR (1) KR20030096244A (ja)
CN (1) CN1486516A (ja)
TW (1) TW567635B (ja)
WO (1) WO2002058177A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004014120A (ja) * 2002-06-03 2004-01-15 Sony Corp プロトン伝導体膜及びその製造方法、膜−電極接合体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス
WO2005011035A1 (ja) * 2003-07-28 2005-02-03 Sony Corporation イオン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003280819A1 (en) * 2002-11-18 2004-06-15 Sony Corporation Proton conductor, single ion conductor, process for the production of them, and electrochemical capacitors
JP2005326493A (ja) * 2004-05-12 2005-11-24 Fuji Photo Film Co Ltd 光重合性平版印刷版の製造方法
US8039681B2 (en) 2004-08-20 2011-10-18 E. I. Du Pont De Nemours And Company Functionalized carbon materials
US8785013B2 (en) * 2004-08-20 2014-07-22 E I Du Pont De Nemours And Company Compositions containing modified fullerenes
KR100657939B1 (ko) * 2004-12-24 2006-12-14 삼성에스디아이 주식회사 프로톤 전도체, 이를 포함한 고분자 전해질 및 이를채용한 연료전지
KR101451803B1 (ko) * 2007-12-07 2014-10-17 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함한연료전지
US9085463B2 (en) 2011-01-17 2015-07-21 Marelle, Llc Water-soluble functionalized fullerenes

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0676838A (ja) * 1992-06-25 1994-03-18 Aqueous Res:Kk イオン交換膜型燃料電池およびその製造方法
JPH09194609A (ja) * 1996-01-25 1997-07-29 Sumitomo Electric Ind Ltd イオン交換膜およびその製造方法
JP2000256007A (ja) * 1999-03-11 2000-09-19 Jsr Corp プロトン伝導性材料の製造方法
EP1063334A1 (en) * 1999-06-22 2000-12-27 Johnson Matthey Public Limited Company Non-woven fibre webs
WO2001006519A1 (fr) * 1999-07-19 2001-01-25 Sony Corporation Materiau conducteur de protons, procede de preparation associe, et dispositif electrochimique utilisant ledit materiau
JP2001035509A (ja) * 1999-07-19 2001-02-09 Agency Of Ind Science & Technol イオン伝導性膜

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0690881B2 (ja) * 1989-11-27 1994-11-14 工業技術院長 炭素質固体電解質材料およびこれを用いた固体電解質電池
US5177248A (en) * 1991-10-28 1993-01-05 Exxon Research And Engineering Company Process of forming polysubstituted fullerenes
US6495290B1 (en) * 1999-07-19 2002-12-17 Sony Corporation Proton conductor, production method thereof, and electrochemical device using the same
DE69934223T2 (de) 1999-07-19 2007-10-18 Sony Corp. Protonenleiter, Verfahren zu seiner Herstellung und Brennstoffzelle
JP4848585B2 (ja) 2000-12-25 2011-12-28 ソニー株式会社 フラーレン誘導体の製造方法及びそのフラーレン誘導体、プロトン伝導体、並びに電気化学デバイス
JP2004192808A (ja) * 2001-01-18 2004-07-08 Sony Corp プロトン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0676838A (ja) * 1992-06-25 1994-03-18 Aqueous Res:Kk イオン交換膜型燃料電池およびその製造方法
JPH09194609A (ja) * 1996-01-25 1997-07-29 Sumitomo Electric Ind Ltd イオン交換膜およびその製造方法
JP2000256007A (ja) * 1999-03-11 2000-09-19 Jsr Corp プロトン伝導性材料の製造方法
EP1063334A1 (en) * 1999-06-22 2000-12-27 Johnson Matthey Public Limited Company Non-woven fibre webs
WO2001006519A1 (fr) * 1999-07-19 2001-01-25 Sony Corporation Materiau conducteur de protons, procede de preparation associe, et dispositif electrochimique utilisant ledit materiau
JP2001035509A (ja) * 1999-07-19 2001-02-09 Agency Of Ind Science & Technol イオン伝導性膜

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1353392A4 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004014120A (ja) * 2002-06-03 2004-01-15 Sony Corp プロトン伝導体膜及びその製造方法、膜−電極接合体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス
JP4576784B2 (ja) * 2002-06-03 2010-11-10 ソニー株式会社 プロトン伝導体膜及びその製造方法、膜−電極接合体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス
WO2005011035A1 (ja) * 2003-07-28 2005-02-03 Sony Corporation イオン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス

Also Published As

Publication number Publication date
KR20030096244A (ko) 2003-12-24
EP1353392A1 (en) 2003-10-15
TW567635B (en) 2003-12-21
CN1486516A (zh) 2004-03-31
US20040053102A1 (en) 2004-03-18
US20070212586A1 (en) 2007-09-13
US7226699B2 (en) 2007-06-05
JP4670219B2 (ja) 2011-04-13
JPWO2002058177A1 (ja) 2004-05-27
EP1353392A4 (en) 2005-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4848585B2 (ja) フラーレン誘導体の製造方法及びそのフラーレン誘導体、プロトン伝導体、並びに電気化学デバイス
KR100714347B1 (ko) 양성자 전도체 및 이의 제조 방법, 및 이를 이용한 전기화학 디바이스
JP4686383B2 (ja) 膜−電極アセンブリ,その製造方法及び燃料電池システム
JP2009212090A (ja) 電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタック
EP1411568A1 (en) Proton conductor and electrochemical device using the same
US20070212586A1 (en) Proton conductor film, manufacturing method therefor, fuel cell provided with proton conductor film and manufacturing method therefor
US8399149B2 (en) Composition with enhanced proton conductivity
JP4635306B2 (ja) プロトン伝導体及び電気化学デバイス
JP2001158806A (ja) スルホン基含有ポリビニルアルコール、固体高分子電解質、高分子複合膜、その製造方法、および電極
JPWO2002027831A1 (ja) 燃料電池及びその製造方法
JP2002063917A (ja) 電気化学デバイス及びその使用方法
KR100750075B1 (ko) 프로톤 전도성 전극 및 그 제조 방법 및 전기 화학 디바이스
JP2002216803A (ja) 燃料電池及びその製法並びに使用方法
JP5062722B2 (ja) 無水・高温下に作動可能なプロトン導電性燃料電池用膜、及びその製造方法
JP2002075420A (ja) 電気化学デバイス及びその駆動方法
WO2025007462A1 (zh) 一种无氟质子交换膜及其制备方法和应用
JP4649094B2 (ja) 燃料電池用膜電極接合体の製造方法
JP4892776B2 (ja) 燃料電池
JP2002216796A (ja) 電気化学デバイス及びプロトン伝導体
JP4848589B2 (ja) 膜−電極接合体及びその製造方法並びに燃料電池
JP4826002B2 (ja) 電気化学デバイス及びその製造方法
JP3886213B2 (ja) 新規機能性高分子、それを用いた高分子電解質及び燃料電池
JP2005050628A (ja) イオン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス
JP2002151089A (ja) 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極
JP2004227785A (ja) 電解質および燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2002558358

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020037008950

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2002715762

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 028037936

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10466649

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2002715762

Country of ref document: EP

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020037008950

Country of ref document: KR

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 2002715762

Country of ref document: EP

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载