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JP2002216796A - Electrochemical device and proton conductor - Google Patents

Electrochemical device and proton conductor

Info

Publication number
JP2002216796A
JP2002216796A JP2001011113A JP2001011113A JP2002216796A JP 2002216796 A JP2002216796 A JP 2002216796A JP 2001011113 A JP2001011113 A JP 2001011113A JP 2001011113 A JP2001011113 A JP 2001011113A JP 2002216796 A JP2002216796 A JP 2002216796A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
proton conductor
proton
electrode
group
electrochemical device
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP2001011113A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichiro Hikuma
弘一郎 日隈
Toru Kihira
徹 紀平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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 Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001011113A priority Critical patent/JP2002216796A/en
Publication of JP2002216796A publication Critical patent/JP2002216796A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • 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

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical device for maintaining proton conductivity without lowering electromotive force by preventing the entry of a water from an oxygen electrode side into a proton conductor membrane, and a proton conductor. SOLUTION: The proton conductor to be held between a fuel electrode 2 and an oxygen electrode 3 consists of a first proton conductor 1 having other groups than proton (H+) dissociative hydroxyl groups, disposed on the side of the fuel electrode 2, and a second conductor 7 having proton (H+) dissociative groups, disposed on the side of the oxygen electrode 3, to form a fuel cell. A water produced by the oxygen electrode 3 is shut off by the second proton conductor 7 and prevented from entering into the first proton conductor 1, therefore maintaining electromotive force without impairing the proton conductivity of the first proton conductor 1.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池として好
適な電気化学デバイス及びこれに用いられるプロトン
(H+)伝導体に関するものである。
The present invention relates to an electrochemical device suitable as a fuel cell and a proton (H + ) conductor used for the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】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、パーフルオロスルホン酸樹
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。
2. Description of the Related Art In recent years, for example, as a polymer solid electrolyte type fuel cell for driving an automobile, a proton (hydrogen ion) conductive material such as a perfluorosulfonic acid resin (such as Nafion (R) manufactured by Du Pont) has been used. One using a polymer material is known.

【0003】また、比較的新しいプロトン伝導体とし
て、H3Mo12PO40・29H2OやSb25・5.4H
2Oなどの多くの水和水を持つポリモリブデン酸類や酸
化物も知られている。
[0003] Also, relatively new proton conductors include H 3 Mo 12 PO 40 .29H 2 O and Sb 2 O 5 .5.4H.
Polymolybdates and oxides having many waters of hydration such as 2 O are also known.

【0004】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。
[0004] When these polymer materials and hydrated compounds are placed in a wet state, they exhibit high proton conductivity near normal temperature.

【0005】即ち、パーフルオ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、つまりオキソニウ
ムイオン(H3+)を生成し、このオキソニウムイオン
の形態をとってプロトンが高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。
That is, in the case of a perfluorosulfonic acid resin, for example, protons ionized from the sulfonic acid groups are protonated by bonding (hydrogen bonding) with water taken in a large amount into the polymer matrix. Since water, that is, oxonium ions (H 3 O + ) are generated, and protons can smoothly move in the polymer matrix in the form of the oxonium ions, this kind of matrix material can be used at room temperature. A considerably high proton conduction effect can be exhibited.

【0006】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。
On the other hand, recently, proton conductors having a completely different conduction mechanism from these have been developed.

【0007】即ち、YbをドープしたSrCeO3など
のペ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
ンはペ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。
That is, it has been found that a composite metal oxide having a perovskite structure, such as Yb-doped SrCeO 3 , has proton conductivity without using water as a transfer medium. In this composite metal oxide, it is considered that protons are independently channeled between oxygen ions forming the skeleton of the perovskite structure and are conducted.

【0008】と言って、この伝導性のプロトンは初めか
ら複合金属酸化物中に存在しているわけではない。ペロ
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
ペ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。
However, this conductive proton is not always present in the composite metal oxide from the beginning. When the perovskite structure comes into contact with water vapor contained in the surrounding atmosphere gas, the high-temperature water molecules react with oxygen vacancies formed in the perovskite structure by doping, and this reaction causes protons to be produced for the first time. Is thought to occur.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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。
However, the following problems have been pointed out with respect to the various proton conductors described above.

【0010】まず、前記パーフルオ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置か
れることが必要である。
[0010] First, the matrix material such as the perfluorosulfonic acid resin needs to be continuously and sufficiently wet during use in order to maintain high proton conductivity.

【0011】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。
Therefore, the configuration of a system such as a fuel cell requires a humidifying device and various auxiliary devices, which inevitably increases the size of the device and increases the cost of system construction.

【0012】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。
Further, the operating temperature is not wide enough to prevent freezing and boiling of the water contained in the matrix.

【0013】また、ペ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500℃以上という高温に維持
することが必要である。
In the case of the composite metal oxide having a perovskite structure, it is necessary to maintain the operating temperature at a high temperature of 500 ° C. or higher in order to conduct meaningful proton conduction.

【0014】このように、従来のプロトン伝導体は湿分
を補給したり、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。
As described above, the conventional proton conductor has a problem in that it has a high dependence on the atmosphere, such as replenishing moisture and requiring steam, and the operating temperature is too high or its range is narrow. Was.

【0015】従って本出願人は、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、雰囲気依存性の小さなプロトン伝導体、及
びその性能を保持しながら、更に成膜性を付与すること
によって、強度が高く、ガス透過防止能を備えたプロト
ン伝導性薄膜を用いた燃料電池を特願平11−2040
38号(平成11年7月19日出願:以下、先願発明と
称する)により提案した。
Therefore, the applicant of the present invention can use in a wide temperature range including room temperature, and the lower limit temperature is not particularly high.
In addition, a proton conductor that does not require moisture irrespective of whether or not it is a moving medium, has a small atmosphere dependence, and has a high film strength while maintaining its performance, and further imparts film forming properties, thereby achieving high strength and gas. Japanese Patent Application No. 11-2040 discloses a fuel cell using a proton conductive thin film having a permeation preventing ability.
No. 38 (filed on July 19, 1999; hereinafter referred to as a prior invention).

【0016】即ち、その燃料電池は、燃料電池と酸素電
極と、これら燃料電池と酸素電極がプロトン伝導体膜を
介して互いに対向配置して構成され、プロトン伝導体膜
に、−OH、−OSO3H、−COOH、−SO3H、−
OPO(OH)2で表されるようなプロトン解離性の基
を有するプロトン伝導体を使用したものである。
That is, the fuel cell comprises a fuel cell and an oxygen electrode, and the fuel cell and the oxygen electrode are arranged opposite to each other via a proton conductor membrane. 3 H, -COOH, -SO 3 H,-
It uses a proton conductor having a proton dissociating group as represented by OPO (OH) 2 .

【0017】しかしながら、上記した如く、この燃料電
池は優れた性能を有するものの、プロトン伝導体のう
ち、−OHの基以外の官能基が導入されたものは、水が
存在すると、温度条件によっては徐々に加水分解する可
能性がある。例えば、上記官能基が−OSO3Hである
場合には、酸素電極から生成された水によって、徐々に
加水分解されて、酸性の水酸基に変化し、プロトン伝導
能が低下し、燃料電池としての出力が低下してしまう可
能性があるなど、なお、改善の余地があることが分かっ
た。
However, as described above, although this fuel cell has excellent performance, among the proton conductors into which a functional group other than the -OH group is introduced, the presence of water may cause the proton conductor to have a certain temperature depending on the temperature conditions. May hydrolyze slowly. For example, when the above functional group is —OSO 3 H, it is gradually hydrolyzed by water generated from the oxygen electrode to be changed to an acidic hydroxyl group, the proton conductivity is reduced, and as a fuel cell, It has been found that there is still room for improvement, for example, the output may be reduced.

【0018】そこで本発明の目的は、プロトン伝導体膜
内への水の浸入を防止できる電気化学デバイス及びプロ
トン伝導体を提供することにある。
An object of the present invention is to provide an electrochemical device and a proton conductor which can prevent water from entering a proton conductor membrane.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、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
導体とからなり、このプロトン伝導体が、プロトン(H
+)解離性の水酸基以外の基を導入してなり、前記第1
極側に配された第1プロトン伝導体と、プロトン
(H+)解離性の水酸基を導入してなり、前記第2極の
側に配された第2プロトン伝導体とを有している、電気
化学デバイス(以下、本発明の電気化学デバイスと称す
る。)に係るものである。
That is, the present invention comprises a first electrode, a second electrode, and a proton conductor sandwiched between these two electrodes. The proton conductor is composed of a proton (H).
+ ) A group other than a dissociable hydroxyl group is introduced,
A first proton conductor disposed on the pole side, and a second proton conductor having a proton (H + ) dissociable hydroxyl group introduced therein and disposed on the second pole side; The present invention relates to an electrochemical device (hereinafter, referred to as an electrochemical device of the present invention).

【0020】本発明の電気化学デバイスによれば、第1
極側にプロトン(H+)解離性の水酸基以外の基が導入
された第1プロトン伝導体が配され、第2極側にプロト
ン(H+)解離性の水酸基が導入された第2プロトン伝
導体が配されているので、第1極を燃料電極、第2極を
酸素電極とした場合に、酸素電極と第1プロトン伝導体
との間に、水酸基を有する第2プロトン伝導体が介在す
るため、第2プロトン伝導体によって酸素電極側からの
水分の浸透が遮られ、第1プロトン伝導体への酸素電極
からの生成水の浸入を防いで電気化学デバイスの出力の
低下を抑えることができ、上記した先願発明の性能を更
に高めることができる。
According to the electrochemical device of the present invention, the first
A first proton conductor in which a group other than a proton (H + ) dissociable hydroxyl group is introduced on the pole side, and a second proton conductor in which a proton (H + ) dissociable hydroxyl group is introduced on the second pole side Since the body is disposed, when the first electrode is a fuel electrode and the second electrode is an oxygen electrode, a second proton conductor having a hydroxyl group is interposed between the oxygen electrode and the first proton conductor. Therefore, permeation of moisture from the oxygen electrode side is blocked by the second proton conductor, and the ingress of generated water from the oxygen electrode into the first proton conductor can be prevented, so that a decrease in the output of the electrochemical device can be suppressed. Thus, the performance of the above-mentioned prior invention can be further enhanced.

【0021】また、本発明は、プロトン(H+)解離性
の水酸基以外の基を導入してなる第1プロトン伝導体
と、プロトン(H+)解離性の水酸基を導入してなる第
2プロトン伝導体とを有しているプロトン伝導体(以
下、本発明のプロトン伝導体と称する。)に係るもので
ある。
Further, the present invention provides a first proton conductor into which a group other than a proton (H + ) dissociable hydroxyl group is introduced, and a second proton conductor into which a proton (H + ) dissociable hydroxyl group is introduced. The present invention relates to a proton conductor having a conductor (hereinafter, referred to as a proton conductor of the present invention).

【0022】本発明のプロトン伝導体によれば、燃料電
極側に第1プロトン伝導体を配し、酸素電極側に第2プ
ロトン伝導体を配し、両電極の間に挟持させて電気化学
デバイスに用いることにより、上記した本発明の電気化
学デバイスと同様な効果が奏せられる、電気化学デバイ
ス用のプロトン伝導体を提供することができる。
According to the proton conductor of the present invention, the first proton conductor is disposed on the fuel electrode side, the second proton conductor is disposed on the oxygen electrode side, and the two proton electrodes are sandwiched between the two electrodes. By using the same, it is possible to provide a proton conductor for an electrochemical device, which has the same effect as the above-described electrochemical device of the present invention.

【0023】本発明において、「プロトン解離性の基」
とは、プロトンが電離により離脱し得る官能基を意味
し、また「プロトン(H+)の解離」とは、電離により
プロトンが官能基から離れることを意味する。
In the present invention, "proton dissociable group"
Means a functional group from which a proton can be released by ionization, and "dissociation of proton (H + )" means that a proton is separated from the functional group by ionization.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】上記した本発明の電気化学デバイ
ス及びプロトン伝導体においては、前記第1プロトン伝
導体が、前記プロトン解離性の基として、XHx(O
H)y(Xは任意の原子もしくは原子団、Hは水素原子
であり、Oは酸素原子であり、1≦x、0≦yであ
る。)を有するのが望ましい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the above-described electrochemical device and proton conductor of the present invention, the first proton conductor has XH x (O
H) y (X is an arbitrary atom or atomic group, H is a hydrogen atom, O is an oxygen atom, and 1 ≦ x and 0 ≦ y).

【0025】この場合、前記XHが、−OSO3H、及
び−OPO(OH)2のいずれかより選ばれる基であ
り、前記xが1〜30、前記yが0〜30であるのが望
ましい。
In this case, it is preferable that the XH is a group selected from —OSO 3 H and —OPO (OH) 2 , wherein x is 1 to 30 and y is 0 to 30. .

【0026】また、前記第2プロトン伝導体が、前記プ
ロトン解離性の基として、OHz(Hは水素原子であ
り、Oは酸素原子であり、1≦zである。)を有し、前
記zが1〜30であるのが望ましい。
Further, the second proton conductor has OH z (H is a hydrogen atom, O is an oxygen atom, and 1 ≦ z) as the proton dissociating group. It is desirable that z is 1 to 30.

【0027】そして、前記第1又は第2プロトン伝導体
が、少なくともニトロ基、カルボニル基、カルボキシル
基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基又はハロゲン原
子を含む電子吸収基を有するのが望ましい。
Preferably, the first or second proton conductor has an electron absorbing group containing at least a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group or a halogen atom.

【0028】また、前記第1又は第2プロトン伝導体
が、球状炭素クラスター分子Cm(m=36、60、7
0、78、82、84等)で示されるフラーレン分子を
母体とするのが望ましい。
The first or second proton conductor is formed of a spherical carbon cluster molecule Cm (m = 36, 60, 7).
0, 78, 82, 84, etc.) as a base.

【0029】この場合、前記第1プロトン伝導体の厚さ
/前記第2プロトン伝導体の厚さの比が1〜105であ
り、前記第2プロトン伝導体の厚さが1nm以上、1μ
m以下であるのが望ましい。
[0029] In this case, the ratio of the thickness of the thickness / the second proton conductor of the first proton conductor is 1 to 10 5, the thickness of the second proton conductor is 1nm or more, 1 [mu]
m or less.

【0030】これにより、前記第1極が燃料電極、前記
第2極が酸素電極である燃料電池として構成され、前記
第2プロトン伝導体が少なくとも前記酸素電極と接して
いるのが望ましい。
Thus, it is preferable that the first electrode be a fuel electrode and the second electrode be an oxygen electrode, and that the second proton conductor be in contact with at least the oxygen electrode.

【0031】また、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ってもよく、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ってもよ
い。
At least one of the first and second poles may be a gas electrode, and at least one of the first and second poles may be an active material electrode.

【0032】以下、本発明の実施の形態を図面参照下で
具体的に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

【0033】本実施の形態の燃料電池は図1に示すよう
に、触媒2a及び3a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、この両極間の負極
2側に第1プロトン伝導体1が配され、正極3側に第2
プロトン伝導体7が配され、挟着される。そして、この
燃料電池のプロトン伝導は、図2(図1の一部を拡大し
た模式図)に示すように、解離したプロトンは矢印方向
に沿って負極2側から正極3側へと移動する。
As shown in FIG. 1, the fuel cell according to the present embodiment has negative electrodes (fuel electrode or hydrogen electrode) 2 having terminals 8 and 9 having catalysts 2a and 3a closely contacted or dispersed, respectively, and having opposed terminals 8 and 9. It has a positive electrode (oxygen electrode) 3, a first proton conductor 1 is disposed on the negative electrode 2 side between the two electrodes, and a second proton conductor 1 is disposed on the positive electrode 3 side.
A proton conductor 7 is provided and sandwiched. In the proton conduction of this fuel cell, as shown in FIG. 2 (a schematic diagram in which a part of FIG. 1 is enlarged), the dissociated protons move from the negative electrode 2 side to the positive electrode 3 side in the direction of the arrow.

【0034】この燃料電池の使用時には、負極2側では
導入口12から水素が供給され、排出口13(これは設
けないこともある。)から排出される。燃料(H2)1
4が流路15を通過する間にプロトンを発生し、このプ
ロトンは第1プロトン伝導体1で発生したプロトンと共
に第2プロトン伝導体7内を経て正極3側へ移動し、そ
こで導入口16から流路17に供給されて排気口18へ
向かう酸素(空気)19と反応し、これにより所望の起
電力が取り出される。
When this fuel cell is used, hydrogen is supplied from the inlet 12 on the negative electrode 2 side, and is discharged from the outlet 13 (this may not be provided). Fuel (H 2 ) 1
4 generates protons while passing through the flow path 15, and the protons move together with the protons generated in the first proton conductor 1 through the second proton conductor 7 toward the positive electrode 3, where the protons pass through the inlet 16. It is supplied to the flow path 17 and reacts with oxygen (air) 19 heading to the exhaust port 18, thereby extracting a desired electromotive force.

【0035】しかし、伝導されたプロトン(H+)が酸
素19と反応する際に正極(酸素極)3において水が生
成されるため、温度条件によっては、この水が水酸基を
有する第1プロトン伝導体1へ浸入し、第1プロトン伝
導体1の官能基が徐々に加水分解されて酸性の水酸基に
変化し、プロトン伝導能が損われる可能性がある。
However, since water is generated at the positive electrode (oxygen electrode) 3 when the conducted protons (H + ) react with the oxygen 19, depending on the temperature conditions, this water is converted into the first proton having a hydroxyl group. It may penetrate into the body 1, and the functional groups of the first proton conductor 1 may be gradually hydrolyzed and changed into acidic hydroxyl groups, and the proton conductivity may be impaired.

【0036】従って、図1に示すように、第1プロトン
伝導体1と酸素電極3との間に水酸基を有する第2プロ
トン伝導体7の膜を設けることにより、酸素電極3で生
成した水が、第2プロトン伝導体7の膜に遮られて、第
1プロトン伝導体1への浸入を抑えることができる。
Therefore, as shown in FIG. 1, by providing a membrane of the second proton conductor 7 having a hydroxyl group between the first proton conductor 1 and the oxygen electrode 3, the water generated at the oxygen electrode 3 is reduced. In addition, the infiltration into the first proton conductor 1 can be suppressed by being blocked by the membrane of the second proton conductor 7.

【0037】この第1プロトン伝導体1は、好ましくは
Cm(XH)x(OH)y(m=36、60、70、7
8、82、84・・・・、X=−OSO3H、−OPO
(OH)2、x=1〜30、y=0〜30)で表される
材料が使用されるが、これに限定されるものではない。
This first proton conductor 1 is preferably made of Cm (XH) x (OH) y (m = 36, 60, 70, 7
8, 82, 84..., X = —OSO 3 H, —OPO
A material represented by (OH) 2 , x = 1 to 30, y = 0 to 30) is used, but is not limited thereto.

【0038】また、第2プロトン伝導体7は、好ましく
はCn(OH)z(n=36、60、70、78、8
2、84・・・・、z=1〜30)で表される材料が使
用されるが、これに限定されるものではない。
Further, the second proton conductor 7 is preferably Cn (OH) z (n = 36,60,70,78,8
2, 84..., Z = 1 to 30), but the material is not limited thereto.

【0039】プロトン伝導能は、第2プロトン伝導体7
の水酸基よりも、第1プロトン伝導体1のプロトン解離
性の基のほうが高いので、プロトン伝導能の観点からみ
れば、プロトン伝導体全体が第1プロトン伝導体で構成
されているのが望ましい。
The proton conductivity is determined by the second proton conductor 7
Since the proton-dissociable group of the first proton conductor 1 is higher than the hydroxyl group of the above, it is desirable that the entire proton conductor is composed of the first proton conductor from the viewpoint of proton conductivity.

【0040】しかし、上記したように第1プロトン伝導
体1のプロトン解離性の基は、水による加水分解が起こ
るので、水酸基を有する第2プロトン伝導体7の膜を酸
素極3との間に形成するが、プロトン伝導能を下げない
ためには、あまり厚く形成しないほうがよい。
However, as described above, the proton-dissociable group of the first proton conductor 1 is hydrolyzed by water, so the membrane of the second proton conductor 7 having a hydroxyl group is placed between the first proton conductor 1 and the oxygen electrode 3. Although it is formed, it is better not to form it too thick in order not to lower the proton conductivity.

【0041】具体的には、第2プロトン伝導体7の厚さ
は1nm(フラレノール1分子の厚みに相当)以上、1
μm以下が好ましく、より好ましくは2nm以上500
nm以下、さらにより好ましくは10nm以上100n
m以下とするのがよい。この厚さが1μmより厚いと、
第1プロトン伝導体の相対的な厚さが減ってプロトン
(H+)伝導性が低下し、反対に1nm未満と薄過ぎる
と水分の浸入を防止しきれない。
More specifically, the thickness of the second proton conductor 7 is 1 nm (corresponding to the thickness of one molecule of fullerenol) or more.
μm or less, more preferably 2 nm or more and 500
nm or less, still more preferably 10 nm or more and 100 n
m or less. If this thickness is greater than 1 μm,
When the relative thickness of the first proton conductor is reduced, the proton (H + ) conductivity is reduced. On the other hand, when the thickness is less than 1 nm, the penetration of moisture cannot be prevented.

【0042】また、第1プロトン伝導体1の厚さは1μ
m以上、100μm以下が好ましい。即ち、これより厚
いと却ってプロトン伝導性が低下し、薄型化にとって不
利であり、また薄過ぎると、プロトン(H+)伝導性が
低下し易く、膜強度が不十分となる。
The thickness of the first proton conductor 1 is 1 μm.
m or more and 100 μm or less. That is, if the thickness is larger than this, proton conductivity is rather lowered, which is disadvantageous for thinning. If too thin, the proton (H + ) conductivity is easily reduced, and the membrane strength becomes insufficient.

【0043】そして、第1プロトン伝導体の厚さ/第2
プロトン伝導体の厚さの比は、1〜105とするのが好
ましい。この範囲より厚さの比が小さいと、プロトン伝
導性が低下し、また大きすぎると水分の浸入を防止しき
れないことがある。この厚さの比は、2〜5×104
より好ましく、10〜104が更に好ましい。
Then, the thickness of the first proton conductor / the thickness of the second
The ratio of the thickness of the proton conductor is preferably 1 to 10 5. If the thickness ratio is smaller than this range, the proton conductivity is reduced, and if it is too large, the penetration of moisture may not be completely prevented. The thickness ratio is more preferably 2 to 5 × 10 4, and still more preferably 10 to 10 4 .

【0044】上記した第1プロトン伝導体1及び第2プ
ロトン伝導体7は、公知の方法を用いて製造することが
可能である。
The above-mentioned first proton conductor 1 and second proton conductor 7 can be manufactured by using a known method.

【0045】以下、本発明に用いるプロトン伝導体につ
いて詳述する。
Hereinafter, the proton conductor used in the present invention will be described in detail.

【0046】即ち、このプロトン伝導体において、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C36、C60(図6(A)参照)、C70(図6
(B)参照)、C76、C78、C80、C82、C84などから
選ばれるフラーレン分子の単体、もしくはこれらの2種
以上の混合物が好ましく用いられる。
That is, in this proton conductor, the fullerene molecule as a base to which a proton-dissociable group is introduced is not particularly limited as long as it is a spherical cluster molecule, but it is usually C36 or C60 (FIG. 6A). C70 (see FIG. 6)
(See (B)), a fullerene molecule selected from C76, C78, C80, C82, C84 and the like, or a mixture of two or more thereof is preferably used.

【0047】これらのフラーレン分子は、1985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.; Hea
th,J.R.; O'Brien, S.C.; Curl, R. F.; Smalley, 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、1990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。
These fullerene molecules were discovered in 1985 in a mass spectrometry spectrum of a cluster beam obtained by laser ablation of carbon (Kroto, HW; Hea
th, JR; O'Brien, SC; Curl, RF; Smalley, R.
E. Nature 1985.318,162.). It is only five years later that the manufacturing method is actually established. In 1990, a manufacturing method of a carbon electrode by an arc discharge method was discovered, and since then fullerene has been attracting attention as a carbon-based semiconductor material. Was.

【0048】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160℃〜−40℃)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。
The inventors of the present invention have conducted various studies on the proton conductivity of this fullerene molecule derivative. As a result, the polyhydroxylated fullerene obtained by introducing a hydroxyl group into a carbon atom constituting the fullerene molecule has a room temperature range even in a dry state. It was found that the polymer exhibits high proton conductivity in a wide temperature range, that is, in the freezing point of water and in a temperature range exceeding the boiling point (at least 160 ° C. to −40 ° C.). Then, it was found that this proton conductivity becomes more remarkable when a hydrogen sulfate ester group is introduced into a carbon atom constituting fullerene instead of a hydroxyl group.

【0049】さらに詳述すると、ポリ水酸化フラーレン
は、図4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1992年にChia
ngらによって最初に合成例が報告された(Chiang, L.
Y.;Swirczewski,J.w.;Hsu, C.S.; Chowdhury, S.K.; Ca
meron, S.; Creegan, K.J. Chem. Soc, Chem. Commun.1
992,1791) 。以来、一定量以上の水酸基を導入したフラ
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。
More specifically, as shown in FIG. 4, polyhydroxylated fullerene is a general term for a substance having a structure in which a plurality of hydroxyl groups are added to fullerene, and is generally called "fullerenol". Naturally,
Some variations are possible for the number of hydroxyl groups and the arrangement in the molecule. Fullerenol was Chia in 1992
ng et al. first reported a synthetic example (Chiang, L.
Y.; Swirczewski, Jw; Hsu, CS; Chowdhury, SK; Ca
meron, S .; Creegan, KJ Chem. Soc, Chem. Commun. 1
992,1791). Since then, fullerenol, in which a certain amount or more of hydroxyl groups have been introduced, has been particularly noted for its water-soluble properties, and has been studied mainly in the field of biotechnology.

【0050】本発明者は、そうしたフラレノールを図5
(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(図中、○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ェノール性
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。
The present inventor has proposed such fullerenol in FIG.
As shown schematically in (A), an aggregate is formed, and an interaction is caused between hydroxyl groups of adjacent fullerenol molecules (in the figure, は indicates a fullerene molecule). It has been found for the first time that the aggregate exhibits high proton conductivity (in other words, dissociation of H + from the phenolic hydroxyl group of the fullerenol molecule).

【0051】上記のプロトン伝導体はフラレノール以外
に例えば複数の−OSO3H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っても達成さ
れる。OH基がOSO3H基と置き換わった図5(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
994年に報告されている(Chiang. L. Y.; Wang, L.
Y.; Swirczewski, J.W.; Soled, S.; Cameron, S.J. Or
g. 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OSO3H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。
The above-mentioned proton conductor can also be achieved by using, for example, a fullerene aggregate having a plurality of —OSO 3 H groups as the proton conductor in addition to fullerenol. FIG. 5 (B) in which OH groups are replaced with OSO 3 H groups
Polyhydroxylated fullerenes, i.e., hydrogen sulfated esterified fullerenols, as shown in
994 (Chiang. LY; Wang, L.
Y .; Swirczewski, JW; Soled, S .; Cameron, SJ Or
g. Chem. 1994,59,3960). Some hydrogen sulfate-esterified fullerenes contain only an OSO 3 H group in one molecule, or a plurality of this group and a plurality of hydroxyl groups can be provided.

【0052】上述したフラーレン誘導体を多数凝集させ
た時、それがバルク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OSO3H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、プロトンを取り込む必要は
なく、また、外部からの水分の補給、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OSO3H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、上記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。
When a large number of the above-described fullerene derivatives are aggregated, the proton conductivity of the fullerene derivatives as a bulk is determined because the large amount of protons originally contained in the molecule and the protons derived from the OSO 3 H groups are directly involved in the transfer. There is no need to take in hydrogen and protons originating from water vapor molecules and the like, and there is no need to replenish moisture from the outside, in particular, to absorb moisture from outside air, and there is no restriction on the atmosphere. In addition, fullerene, which is a substrate of these derivative molecules, has an electrophilic property, which is a significant factor in promoting ionization of hydrogen ions not only in highly acidic OSO 3 H groups but also in hydroxyl groups and the like. It is considered to have contributed. This is one of the reasons that the above-mentioned proton conductor shows excellent proton conductivity.

【0053】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OSO3H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、上記のプロトン伝導
体が実効的な伝導率を発現するもう一つの理由である。
Furthermore, since a large number of hydroxyl groups and OSO 3 H groups can be introduced into one fullerene molecule, the number density of protons involved in conduction per conductor volume becomes very large. This is another reason why the above-described proton conductor exhibits an effective conductivity.

【0054】上記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。
Since most of the above-mentioned proton conductors are composed of fullerene carbon atoms, they are light in weight, difficult to change in quality, and do not contain pollutants.
Further, the production cost of fullerenes is also rapidly decreasing. In terms of resources, environment and economy, fullerene is considered to be a near ideal carbon-based material above all other materials.

【0055】更に本発明者の研究によれば、プロトン解
離性の基は、前述した水酸基やOSO3H基に限定する
必要はないのである。
Further, according to the study of the present inventors, the proton dissociable group does not need to be limited to the above-mentioned hydroxyl group or OSO 3 H group.

【0056】即ち、この解離性の基は式−XHで表わさ
れ、Xは2価の結合手を有する任意の原子もしくは原子
団であればよい。更には、この基は式−OH又は−YO
Hで表わされ、Yは2価の結合手を有する任意の原子も
しくは原子団であればよい。
That is, this dissociative group is represented by the formula -XH, and X may be any atom or atomic group having a divalent bond. Furthermore, this group has the formula -OH or -YO
It is represented by H, and Y may be any atom or atomic group having a divalent bond.

【0057】具体的には、前記プロトンを解離性の基と
しては、前記−OH、−OSO3H以外に−OPO(O
H)3が好ましい。
Specifically, as the group capable of dissociating the proton, besides the above-mentioned -OH and -OSO 3 H, -OPO (O
H) 3 is preferred.

【0058】更に、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、カルボニル基、カルボキシル基、ニト
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5(C)に、−OHの外にZを導入したフラーレン分
子を示す。このZは、具体的には、−NO2、−CN、
−F、−Cl、−COOR、−CHO、−COR、−C
3、−SO3CF3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。
Further, an electron-withdrawing group such as a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group, a halogen atom (fluorine, It is preferable that chlorine or the like has been introduced.
FIG. 5C shows a fullerene molecule in which Z is introduced in addition to -OH. This Z is specifically —NO 2 , —CN,
-F, -C l, -COOR, -CHO , -COR, -C
F 3 , —SO 3 CF 3 and the like (where R represents an alkyl group). When the electron-withdrawing group coexists in this way,
Due to the electron-withdrawing effect, protons are easily dissociated from the proton-dissociable group.

【0059】但し、上記のプロトン伝導体では、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。
In the above-mentioned proton conductor, the number of the proton-dissociable groups 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. Is good. The number of the above groups is preferably not more than half the number of carbon atoms constituting fullerene in order to maintain the π-electron property of fullerene and to exhibit an effective electron-withdrawing property.

【0060】上記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、後述の例で明らかなよう
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。
In order to synthesize the fullerene derivative used for the above-mentioned proton conductor, a known treatment such as an acid treatment or hydrolysis is appropriately combined with the fullerene molecule powder, as will be apparent from the examples described later. In this case, a desired proton-dissociable group may be introduced into the constituent carbon atoms of the fullerene molecule.

【0061】そして、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
ことができる。この際、バインダーは不必要であり、こ
のことは、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。
The powder of the fullerene derivative thus obtained can be pressed into a desired shape, for example, into a pellet. At this time, a binder is not necessary, which is effective in increasing proton conductivity and achieving reduction in weight of the proton conductor.

【0062】上記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。即ち、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上記
のプロトン伝導体を好ましく適用することができる。
The above proton conductor can be suitably used for various electrochemical devices. That is, in the basic structure including the first electrode, the second electrode, and the proton conductor sandwiched between these two electrodes, the proton conductor described above can be preferably applied to the proton conductor.

【0063】更に具体的に言うと、第1極及び/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/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、上記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。
More specifically, an electrochemical device in which the first and / or second electrode is a gas electrode, an electrochemical device in which an active material electrode is used as the first and / or second electrode, etc. On the other hand, the proton conductor described above can be preferably applied.

【0064】以下、上記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。
Hereinafter, an example in which the above proton conductor is applied to a fuel cell will be described.

【0065】その燃料電池のプロトン伝導は図7の模式
図に示すようになり、プロトン伝導部1は第1極(たと
えば水素極)2と第2極(たとえば酸素極)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。
The proton conduction of the fuel cell is as shown in the schematic diagram of FIG. 7, and the proton conducting portion 1 is sandwiched between a first electrode (for example, hydrogen electrode) 2 and a second electrode (for example, oxygen electrode) 3. The dissociated protons move from the first pole 2 side to the second pole 3 side in the direction of the arrow shown in the figure.

【0066】図8は上記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。
FIG. 8 shows a specific example of a fuel cell using the above-mentioned proton conductor.

【0067】この燃料電池は、触媒2a及び3a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12から水
素が供給され、排出口13(これは設けないこともあ
る。)から排出される。燃料(H2 )14が流路15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16から流路17に供給されて排気
口18へ向かう酸素(空気)19と反応し、これにより
所望の起電力が取り出される。
This fuel cell has a negative electrode (fuel electrode or hydrogen electrode) 2 and a positive electrode (oxygen electrode) 3 with terminals 8 and 9 facing each other and having catalysts 2a and 3a adhered or dispersed, respectively.
And the proton conductor portion 1 is sandwiched between these two electrodes. In use, on the negative electrode 2 side, hydrogen is supplied from the inlet 12 and discharged from the outlet 13 (which may not be provided). Protons are generated while the fuel (H2) 14 passes through the flow path 15, and the protons move toward the positive electrode 3 together with the protons generated in the proton conductor portion 1, where they are supplied from the inlet 16 to the flow path 17. Reacts with the oxygen (air) 19 directed to the exhaust port 18 to extract a desired electromotive force.

【0068】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。
The fuel cell having such a configuration is characterized in that protons supplied from the negative electrode 2 move toward the positive electrode 3 while the protons are dissociated in the proton conducting portion 1, so that the proton conductivity is high. Therefore, since a humidifying device or the like is not required, the system can be simplified and reduced in weight.

【0069】次に、上記のプロトン伝導体にバインダー
を併用した例を説明する。この例の異なる点は、前記フ
ラーレン誘導体を高分子材料と併用することにあり、他
の構成やプロトン伝導機構の基本的な作用は同じであ
る。
Next, an example in which a binder is used in combination with the above proton conductor will be described. The difference of this example is that the fullerene derivative is used in combination with a polymer material, and other configurations and the basic action of the proton conduction mechanism are the same.

【0070】このプロトン伝導体は、前記フラーレン誘
導体(フラーレンを構成する炭素原子にプロトンを解離
し得る基を導入したもの)と高分子材料とを含有してい
る。
This proton conductor contains the above fullerene derivative (in which a group capable of dissociating a proton is introduced into a carbon atom constituting fullerene) and a polymer material.

【0071】この高分子材料としては、公知の成膜性を
有するポリマーから1種又は2種以上が用いられ、その
配合量は、通常、20重量%以下に抑える。20重量%
を越えると、プロトンの伝導性を低下させる恐れがある
からである。
As the polymer material, one or more known polymers having a film-forming property are used, and the compounding amount is usually suppressed to 20% by weight or less. 20% by weight
This is because, if it exceeds, the proton conductivity may be reduced.

【0072】このような構成のプロトン伝導体も、フラ
ーレン誘導体を含有するので、上記とほぼ同様のプロト
ン伝導性を発揮することができる。
Since the proton conductor having such a structure also contains a fullerene derivative, it can exhibit substantially the same proton conductivity as described above.

【0073】しかも、フラーレン誘導体単独の場合と違
って高分子材料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圧縮成形品に比べ、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300μm以下)として用いること
ができる。
Further, unlike the case of using the fullerene derivative alone, a film-forming property derived from the polymer material is imparted, and the gas permeation preventing ability is higher in strength than the powder compression molded product of the fullerene derivative described above. It can be used as a flexible proton conductive thin film having a thickness of usually 300 μm or less.

【0074】前記高分子材料としては、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、特に限定はしな
い。が、通常は電子伝導性をもたず、良好な安定性を有
するものが用いられる。その具体例を挙げると、ポリフ
ルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルア
ルコールなどがあり、これらは次に述べる理由からも、
この例にとって特に好ましい高分子材料である。
The polymer material is not particularly limited as long as it does not inhibit proton conductivity as much as possible (due to reaction with a fullerene derivative or the like) and has a film-forming property. However, usually those having no electron conductivity and good stability are used. Specific examples thereof include polyfluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and the like.
Particularly preferred polymer materials for this example.

【0075】まず、ポリフルオロエチレンが好ましいの
は、他の高分子材料に比べ、少量の配合量で強度のより
大きな薄膜を容易に成膜できるからである。この場合の
配合量は、3重量%以下、好ましくは0.5〜1.5重
量%と少量ですみ、薄膜の厚みは通常、100μmから
1μmまでと薄くできる。
First, polyfluoroethylene is preferable because a thin film having higher strength can be easily formed with a smaller amount of compounding than other polymer materials. In this case, the compounding amount can be as small as 3% by weight or less, preferably 0.5 to 1.5% by weight, and the thickness of the thin film can be normally reduced to 100 μm to 1 μm.

【0076】また、ポリフッ化ビニリデンやポリビニル
アルコールが好ましいのは、よりすぐれたガス透過防止
能を有する、プロトン伝導性の薄膜が得られるからであ
る。この場合の配合量は5〜15重量%の範囲とするの
がよい。
The reason why polyvinylidene fluoride or polyvinyl alcohol is preferable is that a proton conductive thin film having more excellent gas permeation preventing ability can be obtained. In this case, the amount is preferably in the range of 5 to 15% by weight.

【0077】ポリフルオロエチレンにせよ、ポリフッ化
ビニリデンやポリビニルアルコールにせよ、それらの配
合量が上述したそれぞれの範囲の下限値を下回ると、成
膜に悪影響を及ぼすことがある。
When the amount of polyfluoroethylene, polyvinylidene fluoride or polyvinyl alcohol falls below the lower limit of each of the above ranges, film formation may be adversely affected.

【0078】上記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。
To obtain the above-mentioned proton conductor thin film,
Known film forming means including extrusion molding may be used.

【0079】上記のプロトン伝導体も、上記したプロト
ン伝導体(バインダーなし)と同様の電気化学デバイス
に好ましく適用することができる。
The above-mentioned proton conductor can be preferably applied to the same electrochemical device as the above-mentioned proton conductor (without binder).

【0080】即ち、第1極と第2極との間にバインダー
を含むプロトン伝導体を挟持させることを除いて、他の
構成は図8の電気化学デバイスと共通させてよい。
That is, except for the fact that a proton conductor containing a binder is sandwiched between the first electrode and the second electrode, other configurations may be common to the electrochemical device of FIG.

【0081】本発明は燃料電池以外にも、例えば、図1
4に示す水素−空気電池に適用することも可能である。
即ち、例えばバインダーを含む(以下、同様)薄膜状の
プロトン伝導体20を中にして水素極21と空気極22
とが対向配置され、これらの外側を、テフロン(登録商
標)板24aと、多数の孔25を設けたテフロン板24
bとで挟み込み、全体をボルト26a、26b及びナッ
ト27a、27bにより固定したもので、各極から外部
に水素極リード28a、空気極リード28bが取出され
ている。
The present invention can be applied to, for example, the fuel cell shown in FIG.
It is also possible to apply to the hydrogen-air battery shown in FIG.
That is, for example, a hydrogen electrode 21 and an air electrode 22 are placed with a thin-film-shaped proton conductor 20 containing a binder (hereinafter the same applies) as a center.
And a Teflon (registered trademark) plate 24a and a Teflon plate 24 provided with a number of holes 25 on the outside thereof.
b, and the whole is fixed by bolts 26a, 26b and nuts 27a, 27b, and a hydrogen electrode lead 28a and an air electrode lead 28b are taken out from each electrode to the outside.

【0082】また、図15に示す電気化学デバイスは、
内面に負極活物質層30を設けた負極31と、外面にガ
ス透過支持体32を設けた正極33(ガス電極)との間
に、プロトン伝導体34が挟持された構造を有してい
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32には、例えば多孔性の
カーボンペーパなどが用いられ、正極33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31の外端と正
極33の外端との隙間は、ガスケット35により塞がれ
ている。この電気化学デバイスでは、正極33側に水分
を存在させて、充電を行うことができる。
The electrochemical device shown in FIG.
The structure has a structure in which a proton conductor 34 is sandwiched between a negative electrode 31 provided with a negative electrode active material layer 30 on the inner surface and a positive electrode 33 (gas electrode) provided with a gas permeable support 32 on the outer surface. In addition, as the negative electrode active material, a material in which a hydrogen storage alloy is supported on a carbon material such as a hydrogen storage alloy or fullerene is preferable. For the gas permeable support 32, for example, porous carbon paper or the like is used. Preferably, for example, a material in which platinum is supported on carbon powder is applied and formed in a paste form. The gap between the outer end of the negative electrode 31 and the outer end of the positive electrode 33 is closed by a gasket 35. In this electrochemical device, charging can be performed with moisture present on the positive electrode 33 side.

【0083】また、図16に示す電気化学デバイスは、
内面に負極活物質層37を設けた負極38と、内面に正
極活物質層39を設けた正極40との間に、薄膜状のプ
ロトン伝導体41を挟持させた構造を有し、正極活物質
としては、たと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38
の外端と正極40の外端との隙間は、ガスケット42に
よって塞がれている。
The electrochemical device shown in FIG.
It has a structure in which a thin-film proton conductor 41 is sandwiched 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. For example, those containing nickel hydroxide as a main component are used. This electrochemical device was also used for the negative electrode 38.
Of the positive electrode 40 and the outer end of the positive electrode 40 are closed by a gasket 42.

【0084】上述したいずれの電気化学デバイスも、プ
ロトン伝導体にバインダを用いれば、図8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と共に、プロトン伝導体はフラー
レン誘導体を成膜性の高分子材料と併用するので、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。
In any of the above-mentioned electrochemical devices, if a binder is used as the proton conductor, the proton conduction effect can be exerted by the same mechanism as that of the electrochemical device shown in FIG. Since the derivative is used in combination with a film-forming polymer material, the derivative can be used in the form of a thin film having improved strength and small gas permeability, and can exhibit good proton conductivity.

【0085】以下、上記した各例を具体的に説明する。Hereinafter, each of the above examples will be specifically described.

【0086】<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.;S
oled, S.;Cameron, S.J.Org.Chem.1994,59,3960)を参
考にしておこなった。C70を約15%含むC60/C70
ラーレン混合物の粉末2gを発煙硫酸30ml中に投
じ、窒素雰囲気中で57℃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エチル
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、さらにジエチルエーテルで3回、およびジエチ
ルエーテルとアセトニトリルの:1混合液で2回洗浄し
たあと、40℃にて減圧中で乾燥させた。さらに、この
乾燥物を60mlのイオン交換水中に入れ、85℃で窒
素によるバブリングを行いながら10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、40℃で減圧乾燥した。このようにして得られた茶
色の粉末のFT−IR測定を行ったところ、上記文献に
示されているC60(OH)12のIR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。
<Synthesis of polyhydroxylated fullerene> This synthesis is described in the literature (Chieng, LY; Wang, LY; Swirczewski. JW; S
oled, S .; Cameron, SJOrg. Chem. 1994, 59, 3960). 2 g of a powder of a C 60 / C 70 fullerene mixture containing about 15% of C 70 was poured into 30 ml of fuming sulfuric acid, and stirred for 3 days while maintaining the temperature at 57 ° C. in a nitrogen atmosphere. The obtained reaction product is dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath, the precipitate is separated by centrifugation, further three times with diethyl ether, and a mixture of diethyl ether and acetonitrile in 1: 1. , And dried at 40 ° C. under reduced pressure. Further, the dried product was placed in 60 ml of ion-exchanged water and stirred at 85 ° C. for 10 hours while bubbling with nitrogen. A precipitate was separated from the reaction product by centrifugation, and the precipitate was further washed with pure water several times, and after repeating centrifugation, dried under reduced pressure at 40 ° C. FT-IR measurement of the brown powder obtained in this manner showed an almost identical IR spectrum of C 60 (OH) 12 shown in the above-mentioned literature, and this powder was found to be the target substance polywater. Identified as fullerene oxide.

【0087】<ポリ水酸化フラーレン凝集ペレットの製
造>次に、このポリ水酸化フラーレンの粉末90mgを
とり、直径15mmの円形ペレッ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
/cm2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。そのペレットは厚みが約300ミクロンで、こ
れを例1のペレットとする。
<Production of Aggregated Pellets of Polyhydroxyfullerene> Next, 90 mg of 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 pressing pressure at this time was about 7 tons / cm 2 . As a result, the polyhydroxylated fullerene powder was excellent in moldability despite not containing any binder resin and the like, and could be easily pelletized. The pellet has a thickness of about 300 microns and is referred to as the pellet of Example 1.

【0088】<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
1gを60ml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
冷やした無水ジエ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、さらにジエチルエーテル
で3回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの
2:1混合液で2回洗浄した後、40℃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TF−IR測
定を行ったところ、前記文献中に示されている、すべて
の水酸基が硫酸水素エステル化されたもののIRスペク
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。
<Synthesis 1 of Polyhydroxylated Fullerene Hydrogen Sulfate (Total Esterification)> This was also performed with reference to the above-mentioned literature. 1 g of polyhydroxylated fullerene powder was dropped into 60 ml of fuming sulfuric acid, and stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 3 days. The obtained reaction product is dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath, and the precipitate is separated by centrifugation, further three times with diethyl ether, and a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile. After washing twice with the liquid, it was dried at 40 ° C. under reduced pressure. The powder thus obtained was subjected to TF-IR measurement. The IR spectrum of all the hydroxyl groups converted to hydrogen sulfate was almost the same as that shown in the above-mentioned literature, indicating that the powder was the target substance. Was confirmed.

【0089】<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
凝集ペレットの製造1>このポリ水酸化フラーレン硫酸
水素エステルの粉末70mgをとり、直径15mmの円
形ペレッ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/cm2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300ミクロ
ンで、これを例2のペレットとする。
<Production 1 of Aggregated Pellets of Poly (hydroxylated fullerene hydrogen sulfate)> 70 mg of the powder of poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate) was pressed in one direction so as to form a circular pellet having a diameter of 15 mm. The pressing pressure at this time was about 7 tons / cm 2 . As a result, although this powder did not contain any binder resin or the like, it was excellent in moldability and could be easily pelletized. This pellet has a thickness of about 300 microns and is referred to as the pellet of Example 2.

【0090】<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>C70を約15%含むC60
/C70フラーレン混合物の粉末2gを発煙硫酸30ml
中に投じ、窒素の雰囲気中にて、57℃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
エチルエーテル中に少しずつ投下した。ただし、この場
合のジエ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
エチルエーテルで3回、およびジエチルエーテルとアセ
トニトリルの2:1混合液で2回洗浄した後、40℃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
FT−IR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OSO3H基を含むフラーレン誘
導体のIRスペ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。
[0090] C 60 containing about 15% C 70 <Synthesis 2 of polyhydroxylated fullerene hydrogensulfate ester (partial esterification)>
/ C 70 fullerene mixture powder 2g and fuming sulfuric acid 30ml
While keeping it at 57 ° C in a nitrogen atmosphere.
Stirred for days. The resulting reaction was dropped little by little into diethyl ether cooled in an ice bath. However, in this case, diethyl ether which had not been subjected to dehydration treatment was used. The obtained precipitate was separated by centrifugation, further washed three times with diethyl ether and twice with a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile, and dried at 40 ° C. under reduced pressure. FT-IR measurement of the thus obtained powder showed that the IR spectrum of the fullerene derivative partially containing a hydroxyl group and an OSO 3 H group almost coincided with the IR spectrum shown in the above-mentioned literature. It was confirmed that it was the target substance.

【0091】<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
凝集ペレットの製造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80mgをとり、
直径15mmの円形ペレッ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/cm
2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
300ミクロンで、これを例3のペレットとする。
<Production 2 of Aggregated Pellets of Hydroxylester Fuller Hydroxide Fullerene> 80 mg of the powder of poly (fullerene hydroxide) partially hydrogenated with hydrogen sulfate was taken, and
Pressing was performed in one direction so as to form a circular pellet having a diameter of 15 mm. The press pressure at this time is about 7 tons / cm
Was 2 . As a result, although this powder did not contain any binder resin or the like, it was excellent in moldability and could be easily pelletized. This pellet has a thickness of about 300 microns and is referred to as the pellet of Example 3.

【0092】<フラーレン凝集ペレットの製造>比較の
ため、前記例で合成原料に用いたフラーレンの粉末90
mgをとり、直径16mmの円形ペレット状になるよう
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/cm2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、割合容易にペレット化することができ
た。このペレットは厚みが約300ミクロンで、これを
比較例1のペレットとする。
<Production of Fullerene Aggregated Pellets> For comparison, fullerene powder 90 used as a raw material for synthesis in the above example was used.
mg, and pressed in one direction to form a circular pellet having a diameter of 16 mm. The pressing pressure at this time was about 7 tons / cm 2 . As a result, although this powder did not contain any binder resin or the like, the powder was relatively excellent in moldability and could be easily pelletized. This pellet has a thickness of about 300 microns, and is used as the pellet of Comparative Example 1.

【0093】<各例および比較例で得たペレットのプロ
トン伝導率測定>例1〜3、および比較例1のペレット
の伝導率を測定するために、まず、ペレットと等しい直
径15mmのアルミニウム板でそれぞれのペレットの両
側を挟み、これに7MHzから0.01Hzまでの交流
電圧(振幅0.1V)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。
<Measurement of Proton Conductivity of Pellets Obtained in Each Example and Comparative Example> In order to measure the conductivity of the pellets of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, first, an aluminum plate having a diameter of 15 mm equal to the pellet was used. An alternating voltage (amplitude: 0.1 V) from 7 MHz to 0.01 Hz was applied to both sides of each pellet, and the complex impedance at each frequency was measured. The measurement was performed under a dry atmosphere.

【0094】インピーダンス測定に関し、上記ペレット
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と6’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。
Regarding the impedance measurement, the proton conducting portion 1 of the proton conductor composed of the pellet electrically forms an equivalent circuit as shown in FIG. Capacitors 6 and 6 'are formed between the first pole 2 and the second pole 3 including the proton conducting portion 1 represented by a circuit. Note that the capacitance 5 represents a delay effect when the proton moves (phase delay at a high frequency), and the resistance 4 represents a parameter of the ease of movement of the proton.

【0095】ここで、測定インピーダンスZは、Z=R
e(Z)+i・Im(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。
Here, the measured impedance Z is Z = R
The frequency dependence of the proton conducting portion represented by e (Z) + i · Im (Z) and represented by the above equivalent circuit was examined.

【0096】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。
FIG. 9B is an equivalent circuit when a normal fullerene molecule having no proton dissociation property is used (comparative example described later).

【0097】図10に、例1及び比較例1におけるペレ
ットについてのインピーダンス測定結果を示す。
FIG. 10 shows the impedance measurement results for the pellets in Example 1 and Comparative Example 1.

【0098】これによれば、比較例1においては、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、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、ペレット内部において
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、ペレッ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。
According to this, in Comparative Example 1, the frequency characteristic of the complex impedance is almost the same as the behavior of the capacitor alone, and the conduction behavior of the charged particles (electrons, ions, etc.) of the aggregate of fullerene itself is completely Not observed. In contrast, in the case of Example 1, it is possible to see a single semicircular arc that is flat but very clear in the high frequency portion. This indicates that some charged particle conduction behavior exists inside the pellet. Furthermore, in the low frequency region, a sharp rise in the imaginary part of the impedance is observed. this is,
It indicates that blocking of charged particles has occurred between the aluminum electrode as the voltage gradually approaches the DC voltage,
Of course, the charged particles on the aluminum electrode side are electrons, so the charged particles inside the pellet are not electrons or holes,
It turns out that it is other charged particles, ie, ions. Due to the configuration of the fullerenol used, this charged particle cannot be considered other than protons.

【0099】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1の
ペレットにおいては、おおよそ5ラ10-6S/cmと計
算される。更に、例2および例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。
ただし、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。
The conductivity of the charged particles can be obtained from the X-axis intercept of the circular arc seen on the high frequency side. In the pellet of Example 1, it is calculated to be approximately 5 × 10 −6 S / cm. Furthermore, when the same measurement was performed for the pellets of Examples 2 and 3, the frequency characteristics of the impedance were similar to those of Example 1 for the overall shape.
However, the conductivity obtained from the X-intercept of the arc is shown in Table 1.
As shown in FIG.

【0100】[0100]

【表1】表1 上記のバインダーを併用しない場合のプ
ロトン伝導体ペレットの伝導率(25℃)
Table 1 Table 1 Conductivity of proton conductor pellets when the above binder is not used together (25 ° C)

【0101】このように、水酸基がOSO3H基に置き
換わるとペレッ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OSO3H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、OSO3H基のどちらの場合も、または双方が混在
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。
As described above, when the hydroxyl group is replaced by the OSO 3 H group, the conductivity in the pellet tends to increase. This is because the OSO 3 H groups than hydroxyl groups is due to likely occur ionization of hydrogen. Further, the present inventors have found that this type of fullerene derivative aggregate can conduct protons at room temperature in a dry atmosphere, in both cases of a hydroxyl group and an OSO 3 H group, or in a case where both are mixed. Was completed.

【0102】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160℃から−40℃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。結果をアレニウス型のプロット
として示したのが図11である。このように、160℃
から−40℃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。即ち、上記したプロトン伝導体は、室温を含む広い
温度範囲、特に160℃といった高温や−40℃といっ
た低温においても伝導が可能である。
Next, using the pellet of Example 1, the above-described complex impedance measurement was performed in the temperature range of 160 ° C. to −40 ° C., and the temperature dependence of the conductivity obtained from the high-frequency side arc at that time was examined. . FIG. 11 shows the results as an Arrhenius type plot. Thus, 160 ° C.
It can be seen from FIG. 4 that the conductivity changes sharply and linearly at −40 ° C. That is, the figure shows that a single ion conduction mechanism can proceed in this temperature range. That is, the above-described proton conductor can conduct electricity in a wide temperature range including room temperature, particularly in a high temperature of 160 ° C. and a low temperature of −40 ° C.

【0103】<ポリ水酸化フラーレンペレット製造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70mgをとり、これとポリフッ化ビニリデンの粉
末10mgとを混合し、ジメチルホルムアミド0.5m
lを加えてよく攪拌した。この混合物を直径15mm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15mmのペレットを
得た。このペレットは厚みが約300ミクロンであっ
た。これを例4のペレットAとする。
<Production of polyhydroxylated fullerene pellets A>
Take 70 mg of poly (fullerene hydroxide) powder obtained by the above-mentioned synthesis method, mix this with 10 mg of polyvinylidene fluoride powder, and add 0.5 m of dimethylformamide.
1 was added and stirred well. This mixture was poured into a circular mold having a diameter of 15 mm, and the solvent was evaporated under reduced pressure. Thereafter, pressing was performed to obtain a 15 mm-diameter pellet. The pellet was about 300 microns thick. This is designated as pellet A of Example 4.

【0104】<ポリ水酸化フラーレンペレットの製造B
>同様にポリ水酸化フラーレンの粉末70mgをとり、
これとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粉
末のディスパージョン(PTFE60%含有)とをPT
FEの重量が全体の1%となるように混合し、よく混練
した。この混練体を成形して、直径15mmのペレット
を得た。このペレットは厚みが約300ミクロンであっ
た。これを例4のペレット1Bとする。
<Production of Polyhydroxylated Fullerene Pellets B>
> Similarly, take 70 mg of polyhydroxylated fullerene powder,
This and a dispersion of fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) (containing 60% of PTFE)
The FE was mixed so that the weight of the FE became 1% of the whole, and kneaded well. This kneaded body was molded to obtain a pellet having a diameter of 15 mm. The pellet was about 300 microns thick. This is designated as pellet 1B of Example 4.

【0105】<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1gを60ml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
で冷やした無水ジエ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、さらにジエチルエーテ
ルで3回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの
2:1混合液で2回洗浄した後、40℃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FT−IR測
定を行ったところ、前記文献中に示されている、すべて
の水酸基が硫酸水素エステル化されたもののIRスペク
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。
<Synthesis 1 of Polyhydroxylated Fullerene Hydrogen Sulfate (Total Esterification)> This was also performed with reference to the literature described above. 1 g of polyhydroxylated fullerene powder was dropped into 60 ml of fuming sulfuric acid and stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 3 days. The obtained reaction product was dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath,
The precipitate was separated by centrifugation, further washed three times with diethyl ether and twice with a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile, and dried at 40 ° C. under reduced pressure. The powder thus obtained was subjected to FT-IR measurement and found to be almost identical to the IR spectrum of all the hydroxyl groups converted to hydrogen sulfate esterified, which was shown in the above-mentioned literature. Was confirmed.

【0106】<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
ペレットの製造1A>このポリ水酸化フラーレン硫酸水
素エステルの粉末70mgをとり、これとポリフッ化ビ
ニリデンの粉末10mgとを混合し、ジメチルホルムア
ミド0.5mlを加えてよく攪拌した。この混合物を直
径15mm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15mmの
ペレットを得た。このペレットは厚みが約300ミクロ
ンであった。これを例5のペレット2Aとする。
<Preparation 1A of poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate) pellets> 70 mg of the poly (fullerene hydrogen sulfate) powder was mixed with 10 mg of polyvinylidene fluoride powder, and 0.5 ml of dimethylformamide was added. And stirred well. This mixture was poured into a circular mold having a diameter of 15 mm, and the solvent was evaporated under reduced pressure. Thereafter, pressing was performed to obtain a 15 mm-diameter pellet. The pellet was about 300 microns thick. This is designated as pellet 2A of Example 5.

【0107】<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
ペレットの製造1B>同様に上記ポリ水酸化フラーレン
硫酸水素エステルの粉末70mgをとり、これとポリテ
トラフルオロエチレン(PTFE)の微粉末のディスパ
ージョン(PTFE60%含有)とをPTFEの重量が
全体の1%となるように混合し、よく混練した。この混
練体を成形して、直径15mmのペレットを得た。この
ペレットは厚みが約300ミクロンであった。これを例
5のペレット2Bとする。
<Production 1B of poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate) pellets> Similarly, 70 mg of the above poly (fullerene hydrogen hydrogen sulfate) powder was taken and dispersed with fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) (PTFE 60%). Was mixed so that the weight of PTFE was 1% of the whole and kneaded well. This kneaded body was molded to obtain a pellet having a diameter of 15 mm. The pellet was about 300 microns thick. This is designated as pellet 2B of Example 5.

【0108】<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>C70を約15%含むC60
/C70フラーレン混合物2gを発煙硫酸30ml中に投
じ、窒素の雰囲気中にて、57℃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エチル
エーテル中に少しずつ投下した。ただし、このジエチル
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、さらにジエチルエーテ
ルで3回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの
2:1混合液で2回洗浄した後、40℃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FT−IR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OSO3H基を含むフラーレン誘導体のIRス
ペ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。
<Synthesis 2 of Poly (hydroxylated fullerene hydrogen sulfate) (partial esterification)> C 60 containing about 15% of C 70
2 g of the / C 70 fullerene mixture was poured into 30 ml of fuming sulfuric acid, and the mixture was stirred in a nitrogen atmosphere at 57 ° C. for 3 days. The resulting reaction was dropped little by little into diethyl ether cooled in an ice bath. However, this diethyl ether used was not dehydrated. The obtained precipitate was separated by centrifugation, further washed three times with diethyl ether and twice with a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile, and dried at 40 ° C. under reduced pressure. FT-IR measurement of the thus obtained powder showed that the IR spectrum of the fullerene derivative partially containing a hydroxyl group and an OSO 3 H group almost coincided with the IR spectrum shown in the above-mentioned literature. If it is a target substance,
It could be confirmed.

【0109】<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
ペレットの製造2A>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70mgをとり、こ
れとポリフッ化ビニリデンの粉末10mgとを混合し、
ジメチルホルムアミド0.5mlを加えてよく攪拌し
た。この混合物を直径15mm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15mmのペレットを得た。このペレットは厚
みが約300ミクロンであった。これを例6のペレット
3Aとする。
<Preparation 2A of poly (hydroxy fullerene hydrogen sulfate) pellets> 70 mg of partially hydrosulfated poly (fullerene hydroxide) powder was mixed with 10 mg of polyvinylidene fluoride powder.
0.5 ml of dimethylformamide was added and stirred well. Pour this mixture into a 15 mm diameter circular mold,
The solvent was evaporated under reduced pressure. Thereafter, pressing was performed to obtain a pellet having a diameter of 15 mm. The pellet was about 300 microns thick. This is designated as pellet 3A of Example 6.

【0110】<ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
ペレットの製造2B>同様に、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70mgをとり、
これとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粉
末のディスパージョン(PTFE60%含有)とをPT
FEの重量が全体の1%となるように混合し、よく混練
した。この混練体を成形して、直径15mmのペレット
を得た。このペレットは厚みが約300ミクロンであっ
た。これを例6のペレット3Bとする。
<Production 2B of Poly (hydroxylated fullerene hydrogen sulfate) pellets> Similarly, 70 mg of partially hydrogenated fullerene hydrogenated poly (hydroxy fullerene hydroxide) powder was taken, and
This and a dispersion of fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) (containing 60% of PTFE)
The FE was mixed so that the weight of the FE was 1% of the whole, and kneaded well. This kneaded body was molded to obtain a pellet having a diameter of 15 mm. The pellet was about 300 microns thick. This is designated as pellet 3B of Example 6.

【0111】<フラーレンペレットの製造>比較のた
め、前記例で合成原料として用いたフラーレンの粉末9
0mgをとり、これとポリフッ化ビニリデンの粉末10
mgとを混合し、ジメチルホルムアミド0.5mlを加
えてよく攪拌した。この混合物を直径15mm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15mmのペレットを得た。こ
のペレットは厚みが約300ミクロンであった。これを
比較例2のペレットとする。
<Production of fullerene pellets> For comparison, fullerene powder 9 used as a synthesis raw material in the above example was used.
0 mg, and powder of polyvinylidene fluoride 10
and 0.5 ml of dimethylformamide, and the mixture was stirred well. This mixture was poured into a circular mold having a diameter of 15 mm, and the solvent was evaporated under reduced pressure. Thereafter, pressing was performed to obtain a pellet having a diameter of 15 mm. The pellet was about 300 microns thick. This is a pellet of Comparative Example 2.

【0112】<ポリ水酸化フラーレンペレットの製造B
>同様に比較のため、前記例で合成原料として用いたフ
ラーレンの粉末70mgをとり、これとポリテトラフル
オロエチレン(PTFE)の微粉末のディスパージョン
(PTFE60%含有)とをPTFEの重量が全体の1
%となるように混合し、よく混練した。この混練体を成
形して、直径15mmのペレットを得た。このペレット
は厚みが約300ミクロンであった。これを比較例3の
ペレットとする。
<Production of Polyhydroxylated Fullerene Pellets B>
Similarly, for comparison, 70 mg of the fullerene powder used as a synthesis raw material in the above example was taken, and this was mixed with a fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) (containing 60% PTFE) so that the weight of PTFE was 1
% And kneaded well. This kneaded body was molded to obtain a pellet having a diameter of 15 mm. The pellet was about 300 microns thick. This is a pellet of Comparative Example 3.

【0113】<各例および比較例のペレット中のプロト
ン伝導率測定>例4〜6、および比較例2のペレットの
伝導率を測定するために、まず、ペレットと等しい直径
15mmのアルミニウム板でそれぞれのペレットの両側
を挟み、これに7MHzから0.01Hzまでの交流電
圧(振幅0.1V)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。
<Measurement of Proton Conductivity in Pellets of Each Example and Comparative Example> In order to measure the conductivity of the pellets of Examples 4 to 6 and Comparative Example 2, first, an aluminum plate having a diameter of 15 mm equal to the pellet was used. , And an alternating voltage (amplitude: 0.1 V) from 7 MHz to 0.01 Hz was applied thereto, and the complex impedance at each frequency was measured. The measurement was performed in a dry atmosphere.

【0114】インピーダンス測定に関し、上記ペレット
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=Re(Z)+i・Im(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。
Regarding the impedance measurement, the proton conducting part 1 of the proton conductor composed of the pellet electrically forms an equivalent circuit as shown in FIG. A capacitor 6 is formed between the first pole 2 and the second pole 3 including the conductive portion 1. Note that the capacitance 6 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. Here, the measured impedance Z is
The frequency dependence of the proton conducting portion represented by Z = Re (Z) + i · Im (Z) and represented by the above equivalent circuit was examined.
FIG. 9B is an equivalent circuit in a case where a normal fullerene molecule having no proton dissociation property is used (a comparative example described later).

【0115】図12に、例4及び比較例2におけるペレ
ットについてのインピーダンス測定結果を示す。
FIG. 12 shows the results of impedance measurement of the pellets in Example 4 and Comparative Example 2.

【0116】これによれば、比較例2においては、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4の場合は、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、ペレット内部において
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、ペレッ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、即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。
According to this, in Comparative Example 2, the frequency characteristic of the complex impedance is almost the same as the behavior of the capacitor alone, and the conduction behavior of the charged particles (electrons, ions, etc.) of the aggregate of fullerene itself is completely Not observed. On the other hand, in the case of Example 4, a single semicircular arc which is flat in the high frequency portion but very clear can be seen. This indicates that some charged particle conduction behavior exists inside the pellet. Furthermore, in the low frequency region, a sharp rise in the imaginary part of the impedance is observed. this is,
It indicates that blocking of charged particles has occurred between the aluminum electrode as the voltage gradually approaches the DC voltage,
Of course, the charged particles on the aluminum electrode side are electrons, so the charged particles inside the pellet are not electrons or holes,
It can be seen that they are other charged particles, that is, ions.
Due to the configuration of the fullerenol used, this charged particle cannot be considered other than protons.

【0117】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ラ10-6S/cmと計
算される。更に、例5および例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。ただし、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。
[0117] From the arc of X-axis intercept as seen in the high frequency side, it is possible to determine the conductivity of the charged particles in the pellets Example 4, is calculated to be approximately 1 la 10 -6 S / cm. Further, the same measurement was performed on the pellets of Examples 5 and 6, and in addition, the pellets of Examples 4, 5 and 6, and the frequency characteristics of the impedance were the same as in Example 4 for the entire shape. However, the conductivity obtained from the X-intercept of the circular arc portion had different values as shown in Table 2.

【0118】[0118]

【表2】上記バインダー併用のプロトン伝導体ペレット
の伝導率(25℃)
[Table 2] Conductivity (25 ° C.) of proton conductor pellets used in combination with the above binder

【0119】このように、Aの場合もBの場合も水酸基
がOSO3H基に置き換わるとペレット中の伝導率は大
きくなる傾向を示している。これは、水酸基よりもOS
3H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、OSO3H基のどちらの場合
も、また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。
[0119] Thus, also conductivity in the pellets When the hydroxyl is replaced by OSO 3 H groups in the case of B when A is a tendency to increase. This is more of an OS than a hydroxyl group
This is because the O 3 H group is easier to ionize hydrogen. In both cases of the hydroxyl group and the OSO 3 H group, or in the case where both are mixed, it is found that the aggregate of this kind of fullerene derivative can conduct proton at room temperature in a dry atmosphere. did it.

【0120】次に、例4のペレット1Aを用い、上記の
複素インピーダンス測定を160℃から−40℃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。結果をアレニウス型のプロ
ットとして示したのが図13である。これによると、1
60℃から−40℃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。即ち、バインダー併用の
プロトン伝導体は、室温を含む広い温度範囲、特に16
0℃といった高温や−40℃といった低温においても伝
導が可能である。
Next, using the pellet 1A of Example 4, the above-described complex impedance measurement was performed in a 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 was examined. Was. FIG. 13 shows the results as an Arrhenius type plot. According to this, 1
It turns out that it changes very linearly from 60 ° C to -40 ° C. That is, it is understood that a single ion conduction mechanism can proceed in this temperature range. That is, it indicates that a single ion conduction mechanism can proceed in this temperature range. That is, the proton conductor used in combination with the binder has a wide temperature range including room temperature,
Conduction is possible even at a high temperature such as 0 ° C. or a low temperature such as −40 ° C.

【0121】[0121]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0122】上述した本発明の実施の形態に従って、図
1に示すように燃料電池を作製した。
According to the above-described embodiment of the present invention, a fuel cell was manufactured as shown in FIG.

【0123】具体的には、C60(OSO3H)x(OH)
y(x+y=12)で表される完全又は部分エステルを
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をバインダー
とし、重量比1:1で厚さ50μmの第1プロトン伝導
体1の膜を成膜した。
Specifically, C 60 (OSO 3 H) x (OH)
Using a complete or partial ester represented by y (x + y = 12) with polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder, a film of the first proton conductor 1 having a weight ratio of 1: 1 and a thickness of 50 μm was formed.

【0124】次に、第1プロトン伝導体膜1の片面にC
60(OH)z(z=12)をやはりPTFEと重量比
1:1でDMF(ジメチルホルムアミド)中に分散さ
せ、スピンコートにより塗布し、DMFを蒸発させて厚
さ100nmの第2プロトン伝導体7の膜を形成した。
Next, one side of the first proton conductor membrane 1 has C
60 (OH) z (z = 12) and also PTFE in a weight ratio of 1: 1 with dispersed in DMF (dimethylformamide), was applied by spin coating, the second proton conductor having a thickness of 100nm by evaporation of the DMF The film of No. 7 was formed.

【0125】しかる後に、グラファイト粒子に触媒であ
る白金粒子を重量比1:1で分散させた燃料電極2及び
酸素電極3を、第2プロトン伝導体7の膜を介して対向
配置させて、図1の燃料電池を構成した。なお、前記C
60(OH)zの第2プロトン伝導体7を形成した面に接
する電極を酸素電極3とした。
Thereafter, the fuel electrode 2 and the oxygen electrode 3 in which platinum particles serving as a catalyst are dispersed in graphite particles at a weight ratio of 1: 1 are arranged to face each other with a membrane of the second proton conductor 7 interposed therebetween. One fuel cell was constructed. Note that the C
The electrode in contact with the surface on which the 60 (OH) z second proton conductor 7 was formed was designated as oxygen electrode 3.

【0126】更に、図1の燃料電池において、比較のた
めに、C60(OH)zの第2プロトン伝導体7を形成し
ないで、両電極を配置させた比較例の燃料電池を作製し
た。
Further, in the fuel cell of FIG. 1, for comparison, a fuel cell of a comparative example was prepared in which both electrodes were arranged without forming the second proton conductor 7 of C 60 (OH) z .

【0127】そして、実施例及び比較例の燃料電池につ
いて、電流密度一定(500mW/cm2)で連続運転
した時の出力特性を測定した。その結果得られた出力電
圧の時間変化を図3に示す。これによれば、比較例では
1時間の連続運転で、出力電圧が低下してしまうのに対
して、図1に示した実施例の燃料電池は出力電圧はほと
んど低下しなかった。
The output characteristics of the fuel cells of Examples and Comparative Examples when they were continuously operated at a constant current density (500 mW / cm 2 ) were measured. FIG. 3 shows the time change of the output voltage obtained as a result. According to this, in the comparative example, the output voltage was reduced after one hour of continuous operation, whereas the output voltage of the fuel cell of the example shown in FIG. 1 was hardly reduced.

【0128】即ち、本実施例によれば、プロトン伝導性
の高い完全又は部分エステルからなる第1プロトン伝導
体1と酸素電極3との間に、水酸基を有する第2プロト
ン伝導体7を介在させたことにより、酸素電極3で生成
される水が第2プロトン伝導体7によって遮られて第1
プロトン伝導体1への浸入が防止されるので、所望の高
い起電力が得られることは明らかである。
That is, according to this embodiment, the second proton conductor 7 having a hydroxyl group is interposed between the first proton conductor 1 made of a complete or partial ester having high proton conductivity and the oxygen electrode 3. As a result, water generated at the oxygen electrode 3 is blocked by the second proton conductor 7 and
It is clear that the desired high electromotive force can be obtained because penetration into the proton conductor 1 is prevented.

【0129】上記した実施例は、本発明の技術的思想に
基づいて変形することができる。
The above embodiment can be modified based on the technical idea of the present invention.

【0130】例えば、実施例では両電極2及び3の間
に、第1プロトン伝導体1及び第2プロトン伝導体7か
らなる2層構造のプロトン伝導体を形成したが、これに
限らず、例えば3層構造であってもよい。
For example, in the embodiment, the two-layer proton conductor composed of the first proton conductor 1 and the second proton conductor 7 is formed between the electrodes 2 and 3; however, the present invention is not limited to this. It may have a three-layer structure.

【0131】また、第1プロトン伝導体1のプロトン解
離性の基は、水酸基でなければ、実施例に示した以外の
基を有するプロトン伝導体を用いることもできる。この
ような基としては、−OPO(OH)2が挙げられる。
The proton-dissociating group of the first proton conductor 1 may be a proton conductor having a group other than those shown in the examples as long as it is not a hydroxyl group. Such groups include -OPO (OH) 2 .

【0132】また、プロトン伝導体の母体は、上述した
フラーレン分子のみならず、他の物質(例えば有機系ポ
リマー)であってもよい。
The parent of the proton conductor is not limited to the fullerene molecules described above, but may be another substance (for example, an organic polymer).

【0133】[0133]

【発明の作用効果】上述した如く、本発明は、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
導体とからなる電気化学デバイスにおいて、このプロト
ン伝導体が、プロトン(H+)解離性の水酸基以外の基
を導入してなり、前記第1極側に配された第1プロトン
伝導体と、プロトン(H+)解離性の水酸基を導入して
なり、前記第2極の側に配された第2プロトン伝導体を
有しているので、第1極を燃料電極、第2極を酸素電極
とした場合に、酸素電極と第1プロトン伝導体との間
に、水酸基を有する第2プロトン伝導体が介在するた
め、第2プロトン伝導体によって酸素電極側からの水分
の浸透が遮られ、第1プロトン伝導体への酸素電極から
の生成水の浸入を防いで電気化学デバイスの出力の低下
を抑えることができる。
As described above, the present invention relates to an electrochemical device comprising a first electrode, a second electrode, and a proton conductor sandwiched between these two electrodes. A group other than a (H + ) dissociable hydroxyl group is introduced, and a first proton conductor disposed on the first electrode side and a proton (H + ) dissociable hydroxyl group are introduced. Since it has the second proton conductor disposed on the two electrode side, when the first electrode is a fuel electrode and the second electrode is an oxygen electrode, between the oxygen electrode and the first proton conductor Since the second proton conductor having a hydroxyl group is interposed, the penetration of moisture from the oxygen electrode side is blocked by the second proton conductor, and the intrusion of generated water from the oxygen electrode into the first proton conductor is prevented. A decrease in the output of the electrochemical device can be suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例による燃料電池の構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】同、プロトン伝導体層の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the same proton conductor layer.

【図3】同、燃料電池の電流密度一定(500mA/c
2)で得られた出力電圧の時間変化を示すグラフであ
る。
FIG. 3 shows the same current density (500 mA / c) of the fuel cell.
5 is a graph showing a time change of the output voltage obtained in m 2 ).

【図4】本発明に用いるフラーレン誘導体の一例である
ポリ水酸化フラーレンの構造図である。
FIG. 4 is a structural diagram of a polyhydroxylated fullerene which is an example of a fullerene derivative used in the present invention.

【図5】同、フラーレン誘導体の例を示す模式図であ
る。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a fullerene derivative.

【図6】同、フラーレン分子の構造図である。FIG. 6 is a structural diagram of the same fullerene molecule.

【図7】同、プロトン伝導体の一例を示す模式図であ
る。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a proton conductor.

【図8】同、実施の形態を示す燃料電池の構成図であ
る。
FIG. 8 is a configuration diagram of the fuel cell showing the embodiment.

【図9】同、等価回路を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit.

【図10】同、ペレットの複素インピーダンスの測定結
果を示す図である。
FIG. 10 is a view showing a measurement result of a complex impedance of the pellet.

【図11】同、ペレットのプロトン伝導率の温度依存性
を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing the temperature dependence of the proton conductivity of the pellet.

【図12】同、他のペレットの複素インピーダンスの測
定結果を示す図である。
FIG. 12 is a view showing a measurement result of a complex impedance of another pellet.

【図13】同、ペレットのプロトン伝導率の温度依存性
を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing the temperature dependence of the proton conductivity of the pellet.

【図14】同、他の実施の形態を示す水素−空気電池の
構成図である。
FIG. 14 is a configuration diagram of a hydrogen-air battery according to another embodiment of the present invention.

【図15】同、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。
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of an electrochemical device showing another embodiment of the present invention.

【図16】同、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る。
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of an electrochemical device showing still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…第1プロトン伝導体、プロトン伝導部、2…第1
極、2a…触媒、3…第2極、3a…触媒、7…第2プ
ロトン伝導体、20…プロトン伝導体、21…水素極、
22…空気極、24a…テフロン板、24b…孔を設け
たテフロン板、30…負極活物質、31…負極、32…
ガス透過支持体、33…正極(ガス電極)、34…プロ
トン伝導体、35…ガスケット、37…負極活物質、3
8…負極、39…正極活物質、40…正極、41…プロ
トン伝導体、42ガスケット
1 ... first proton conductor, proton conducting part, 2 ... first
Electrodes, 2a: catalyst, 3: second electrode, 3a: catalyst, 7: second proton conductor, 20: proton conductor, 21: hydrogen electrode,
22: air electrode, 24a: Teflon plate, 24b: Teflon plate provided with holes, 30: negative electrode active material, 31: negative electrode, 32 ...
Gas permeable support, 33: positive electrode (gas electrode), 34: proton conductor, 35: gasket, 37: negative electrode active material, 3
8 negative electrode, 39 positive electrode active material, 40 positive electrode, 41 proton conductor, 42 gasket

Claims (26)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 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り、このプロトン伝
導体が、プロトン(H+)解離性の水酸基以外の基を導
入してなり、前記第1極の側に配された第1プロトン伝
導体と、プロトン(H+)解離性の水酸基を導入してな
り、前記第2極の側に配された第2プロトン伝導体とを
有している、電気化学デバイス。
1. A proton conductor comprising a first electrode, a second electrode, and a proton conductor sandwiched between these two electrodes. The proton conductor introduces a group other than a proton (H + ) -dissociable hydroxyl group. A first proton conductor disposed on the first pole side and a proton (H + ) dissociable hydroxyl group introduced thereinto, and a second proton conductor disposed on the second pole side. An electrochemical device having a body.
【請求項2】 前記第1プロトン伝導体が、前記プロト
ン解離性の基として、XHx(OH)y(Xは任意の原子
もしくは原子団、Hは水素原子であり、Oは酸素原子で
あり、1≦x、0≦yである。)を有する、請求項1に
記載の電気化学デバイス。
2. The method according to claim 1, wherein the first proton conductor has a proton dissociating group of XH x (OH) y (X is an arbitrary atom or atomic group, H is a hydrogen atom, O is an oxygen atom, The electrochemical device according to claim 1, wherein 1 ≦ x and 0 ≦ y.
【請求項3】 前記XHが、−OSO3H、及び−OP
O(OH)2のいずれかより選ばれる基である、請求項
2に記載の電気化学デバイス。
3. The method according to claim 1, wherein said XH is -OSO 3 H, and -OP
The electrochemical device according to claim 2, which is a group selected from any of O (OH) 2 .
【請求項4】 前記xが1〜30、前記yが0〜30で
ある、請求項2に記載の電気化学デバイス。
4. The electrochemical device according to claim 2, wherein x is 1 to 30 and y is 0 to 30.
【請求項5】 前記第2プロトン伝導体が、前記プロト
ン解離性の基として、OHz(Hは水素原子であり、O
は酸素原子であり、1≦zである。)を有する、請求項
1に記載の電気化学デバイス。
5. The method according to claim 5, wherein the second proton conductor has OH z (H is a hydrogen atom, O
Is an oxygen atom, and 1 ≦ z. The electrochemical device according to claim 1, comprising:
【請求項6】 前記zが1〜30である、請求項5に記
載の電気化学デバイス。
6. The electrochemical device according to claim 5, wherein z is 1 to 30.
【請求項7】 前記第1又は第2プロトン伝導体が、少
なくともニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニ
トリル基、ハロゲン化アルキル基又はハロゲン原子を含
む電子吸収基を有する、請求項1に記載の電気化学デバ
イス。
7. The method according to claim 1, wherein the first or second proton conductor has an electron absorbing group containing at least a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group or a halogen atom. Electrochemical device.
【請求項8】 前記第1又は第2プロトン伝導体が、球
状炭素クラスター分子Cm(m=36、60、70、7
8、82、84等)で示されるフラーレン分子を母体と
する、請求項1に記載の電気化学デバイス。
8. The method according to claim 1, wherein the first or second proton conductor is a spherical carbon cluster molecule Cm (m = 36, 60, 70, 7).
8. The electrochemical device according to claim 1, wherein a fullerene molecule represented by 8, 8, 84, or the like) is used as a base.
【請求項9】 前記第1プロトン伝導体の厚さ/前記第
2プロトン伝導体の厚さの比が1〜105である、請求
項1に記載の電気化学デバイス。
9. The electrochemical device according to claim 1, wherein the ratio of the thickness of the first proton conductor / the thickness of the second proton conductor is 1 to 10 5 .
【請求項10】 前記第2プロトン伝導体の厚さが1n
m以上、1μm以下である、請求項9に記載の電気化学
デバイス。
10. The thickness of the second proton conductor is 1n.
The electrochemical device according to claim 9, wherein the diameter is not less than m and not more than 1 μm.
【請求項11】 前記第1極が燃料電極、前記第2極が
酸素電極である燃料電池として構成され、前記第2プロ
トン伝導体が少なくとも前記酸素電極と接している、請
求項1に記載の電気化学デバイス。
11. The fuel cell according to claim 1, wherein the first electrode is a fuel electrode and the second electrode is an oxygen electrode, and the second proton conductor is in contact with at least the oxygen electrode. Electrochemical device.
【請求項12】 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、請求項1に記載の電気化学デ
バイス。
12. The electrochemical device according to claim 1, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is a gas electrode.
【請求項13】 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、請求項1に記載の電気化
学デバイス。
13. The electrochemical device according to claim 1, wherein at least one of the first pole and the second pole is an active material electrode.
【請求項14】 プロトン(H+)解離性の水酸基以外
の基を導入してなる第1プロトン伝導体と、プロトン
(H+)解離性の水酸基を導入してなる第2プロトン伝
導体とを有しているプロトン伝導体。
14. A proton (H +) first proton conductor obtained by introducing a group other than dissociative hydroxyl, a proton (H +) second proton conductor obtained by introducing a dissociable hydroxyl group Proton conductor that has.
【請求項15】 前記第1プロトン伝導体が、前記プロ
トン解離性の基として、XHx(OH)y(Xは任意の原
子もしくは原子団、Hは水素原子であり、Oは酸素原子
であり、1≦x、0≦yである。)を有する、請求項1
4に記載のプロトン伝導体。
15. The method according to claim 15, wherein the first proton conductor contains, as the proton dissociating group, XH x (OH) y (X is an arbitrary atom or atomic group, H is a hydrogen atom, O is an oxygen atom, , 1 ≦ x, 0 ≦ y).
5. The proton conductor according to 4.
【請求項16】 前記XHが、−OSO3H及び−OP
O(OH)2のいずれかより選ばれる基である、請求項
15に記載のプロトン伝導体。
16. The method according to claim 16, wherein XH is -OSO 3 H and -OP.
The proton conductor according to claim 15, which is a group selected from any of O (OH) 2 .
【請求項17】 前記xが1〜30、前記yが0〜30
である、請求項15に記載のプロトン伝導体。
17. The x is 1 to 30, and the y is 0 to 30.
The proton conductor according to claim 15, which is:
【請求項18】 前記第2プロトン伝導体が、前記プロ
トン解離性の基として、OHz(Hは水素原子であり、
Oは酸素原子であり、1≦zである。)を有する、請求
項14に記載のプロトン伝導体。
18. The method according to claim 18, wherein the second proton conductor contains OH z (H is a hydrogen atom,
O is an oxygen atom, and 1 ≦ z. 15. The proton conductor according to claim 14, wherein
【請求項19】 前記zが1〜30である、請求項18
に記載のプロトン伝導体。
19. The method according to claim 18, wherein z is 1 to 30.
3. The proton conductor according to item 1.
【請求項20】 前記第1又は第2プロトン伝導体が、
少なくともニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、
ニトリル基、ハロゲン化アルキル基又はハロゲン原子を
含む電子吸収基を有する、請求項14に記載のプロトン
伝導体。
20. The first or second proton conductor,
At least a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group,
15. The proton conductor according to claim 14, having an electron absorbing group containing a nitrile group, a halogenated alkyl group, or a halogen atom.
【請求項21】 前記第1又は第2プロトン伝導体が、
球状炭素クラスター分子Cm(m=36、60、70、
78、82、84等)で示されるフラーレン分子を母体
とする、請求項14に記載のプロトン伝導体。
21. The first or second proton conductor,
Spherical carbon cluster molecule Cm (m = 36, 60, 70,
15. The proton conductor according to claim 14, wherein a fullerene molecule represented by (78, 82, 84, etc.) is used as a base.
【請求項22】 前記第1プロトン伝導体の厚さ/前記
第2プロトン伝導体の厚さの比が1〜105である、請
求項14に記載のプロトン伝導体。
22. The proton conductor according to claim 14, wherein the ratio of the thickness of the first proton conductor / the thickness of the second proton conductor is 1 to 10 5 .
【請求項23】 前記第2プロトン伝導体の厚さが1n
m以上、1μm以下である、請求項22に記載のプロト
ン伝導体。
23. The thickness of the second proton conductor is 1n.
23. The proton conductor according to claim 22, which is at least m and at most 1 m.
【請求項24】 第1極が燃料電極、第2極が酸素電極
である燃料電池に使用され、前記第2プロトン伝導体が
少なくとも酸素電極と接する、請求項14に記載のプロ
トン伝導体。
24. The proton conductor according to claim 14, wherein the proton conductor is used in a fuel cell in which a first electrode is a fuel electrode and a second electrode is an oxygen electrode, and the second proton conductor is in contact with at least the oxygen electrode.
【請求項25】 少なくとも一方がガス電極である第1
極と第2極との間に挟持される、請求項14に記載のプ
ロトン伝導体。
25. The first of which at least one is a gas electrode
15. The proton conductor according to claim 14, which is sandwiched between a pole and a second pole.
【請求項26】 少なくとも一方が活物質性電極である
第1極と第2極との間に挟持される、請求項14に記載
のプロトン伝導体。
26. The proton conductor according to claim 14, wherein at least one of the proton conductors is sandwiched between a first pole and a second pole which are active material electrodes.
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