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JP2013258129A - Solid fuel cell electrolyte and solid fuel battery cell using the same - Google Patents

Solid fuel cell electrolyte and solid fuel battery cell using the same Download PDF

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JP2013258129A
JP2013258129A JP2013001392A JP2013001392A JP2013258129A JP 2013258129 A JP2013258129 A JP 2013258129A JP 2013001392 A JP2013001392 A JP 2013001392A JP 2013001392 A JP2013001392 A JP 2013001392A JP 2013258129 A JP2013258129 A JP 2013258129A
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JP
Japan
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electrolyte
solid fuel
graphene oxide
fuel cell
group
Prior art date
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Application number
JP2013001392A
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Japanese (ja)
Inventor
Taido Matsumoto
泰道 松本
Shinya Hayamizu
真也 速水
Yusuke Watanabe
裕祐 渡辺
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.)
Mitsubishi Chemical Corp
Kumamoto University NUC
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
Kumamoto University NUC
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Chemical Corp, Kumamoto University NUC filed Critical Mitsubishi Chemical Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell electrolyte that allows fuel cells to be activated under low-humidification conditions and exhibits high proton conductivity and high gas barrier properties.SOLUTION: A solid fuel cell electrolyte 1 contains graphene oxide, where the graphene oxide content is no less than 20 mass%, is preferably no less than 50 mass%, and more preferably no less than 70 mass%, has no upper limit and may be 100 mass%. The solid fuel cell electrolyte 1 further contains a sulfo group, where the sulfo group content is no more than 0.5 mmol/g and is preferably no more than 0.3 mmol/g.

Description

本発明は固体燃料電池用電解質およびそれを用いた固体燃料電池用セルに関する。   The present invention relates to an electrolyte for a solid fuel cell and a cell for a solid fuel cell using the same.

燃料電池は、燃料電極に供給された水素ガスが触媒電極で水素イオンと電子に分かれ、水素イオン(プロトン)が電解質中を移動し、電子が外部回路を通って空気極に移動して酸素と反応して水が生成され、このときに外部回路に移動する電子がエネルギーとして取り出されるものである。燃料電池の出力および安定性向上のために様々な電解質が検討されている。   In a fuel cell, hydrogen gas supplied to the fuel electrode is divided into hydrogen ions and electrons at the catalyst electrode, hydrogen ions (protons) move through the electrolyte, electrons move to the air electrode through an external circuit, and oxygen and Water reacts to produce water, and electrons that move to the external circuit at this time are taken out as energy. Various electrolytes are being studied to improve the output and stability of fuel cells.

例えば、高プロトン伝導性及び安定性を得るためにスルホン酸基を持つフッ素系ポリマーを電解質として用いる技術が知られているが、この場合、プロトン伝導に水分子が必要であるため、電解質の水分量のコントロールが必要であり、さらに燃料電池装置に加湿装置が必要となり、装置が大型となるという問題がある。   For example, in order to obtain high proton conductivity and stability, a technique using a fluorine-based polymer having a sulfonic acid group as an electrolyte is known. In this case, since water molecules are necessary for proton conduction, Control of the amount is necessary, and further, a humidifying device is required for the fuel cell device, and there is a problem that the device becomes large.

また、特許文献1では、製造性・接点低減のためにスルホ基を導入した酸化グラフェン(GO)とスルホ基含有フッ素樹脂を電解質として用いている。しかし、この場合もプロトン伝導に水分子が必要となるため、同様の問題がある。   Moreover, in patent document 1, the graphene oxide (GO) which introduce | transduced the sulfo group and the sulfo group containing fluororesin are used as electrolyte for manufacturability and contact reduction. However, in this case as well, water molecules are necessary for proton conduction, which causes the same problem.

一方、特許文献2、3では、無加湿での駆動を行うために、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバ、フラーレンを電解質として用いている。しかし、CNT等の材料は、その分子構造からガスバリア性に問題がある。   On the other hand, in Patent Documents 2 and 3, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers, and fullerenes are used as electrolytes in order to drive without humidification. However, materials such as CNT have a problem in gas barrier properties due to their molecular structure.

また、非特許文献1では、高プロトン伝導性及び機械的性質向上のため酸化グラフェンとポリエチレンオキサイドを混合したものを電解質として用いている。しかし、この場合、燃料電池の駆動を続けていくと、燃料電池反応から生じた水によりポリエチレンオキサイドが溶解し、電解質の機械的強度が低下するという問題がある。   In Non-Patent Document 1, a mixture of graphene oxide and polyethylene oxide is used as an electrolyte in order to improve high proton conductivity and mechanical properties. However, in this case, if the driving of the fuel cell is continued, there is a problem that the polyethylene oxide is dissolved by water generated from the fuel cell reaction, and the mechanical strength of the electrolyte is lowered.

また、非特許文献2では、高プロトン伝導性を得るために酸化グラフェンとスルホ酸基含有フッ素系ポリマーを用い、加湿条件で駆動している。しかし、この場合も、プロトン伝導に水分子が必要となるため、上記と同様の問題がある。   Further, in Non-Patent Document 2, in order to obtain high proton conductivity, graphene oxide and a sulfonic acid group-containing fluorine-based polymer are used and driven under humidified conditions. However, also in this case, water molecules are required for proton conduction, which causes the same problem as described above.

特開2011−98843号公報JP 2011-98843 A 特開2003−86022号公報JP 2003-86022 A 特開2008−166147号公報JP 2008-166147 A

A poly(ethylene oxide)/graphene oxide electrolyte membrane for low temperature polymer fuel cells(2011). Journal of Power Sources196(2011) 8377-8382A poly (ethylene oxide) / graphene oxide electrolyte membrane for low temperature polymer fuel cells (2011). Journal of Power Sources196 (2011) 8377-8382 A Graphite Oxide Paper polymer Electrolyte for Direct Methanol Fuel Cells (2011) SAGE-Hindawi Access to Research International Journal of Electorochemistry Vol.2011A Graphite Oxide Paper polymer Electrolyte for Direct Methanol Fuel Cells (2011) SAGE-Hindawi Access to Research International Journal of Electorochemistry Vol.2011

本発明は、低加湿での燃料電池の駆動が可能であり、かつ、高プロトン伝導性及び高ガスバリア性を示す燃料電池用電解質を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide a fuel cell electrolyte that can drive a fuel cell with low humidification and that exhibits high proton conductivity and high gas barrier properties.

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、特定量の酸化グラフェンを含み、かつスルホ基量が特定量以下である電解質を用いることで、上記課題を解決することに成功した。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, the inventors have succeeded in solving the above problems by using an electrolyte containing a specific amount of graphene oxide and having a sulfo group amount of a specific amount or less.

すなわち、本発明は以下を提供する。
[1]固体燃料電池用電解質であって、該電解質が酸化グラフェンを20質量%以上含み、かつ、スルホ基量が0.5mmol/g以下である電解質。
[2]前記酸化グラフェンは、カルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基、及びエポキシ基の酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と炭素原子総数(b)の割合a/bが、15%以上であることを特徴とする[1]に記載の固体燃料電池用電解質。
[3]前記酸化グラフェンの面方向の円相当径が3μm以下であることを特徴とする[1]又は[2]に記載の固体燃料電池用電解質。
[4]前記酸化グラフェンは、炭素原子総数(b)のうち、エポキシ基が結合している炭素原子の割合が10%以上であることを特徴とする[1]乃至[3]の何れかに記載の固体燃料電池用電解質。
[5]温度20℃、相対湿度20%の雰囲気下におけるプロトン伝導度が3.0×10-8S/cm以上であることを特徴とする、[1]乃至[4]の何れかに記載の固体燃料電池用電解質。
[6]固体燃料電池セル中に配置し、該固体燃料電池セルを、固体燃料電池セル中の相対湿度20%で動作させた時の短絡電流密度が4mA/cm2以上であることを特徴とする[5]に記載の固体燃料電池用電解質。
[7]上記固体燃料電池セル中に配置し、該固体燃料電池セルを、該固体燃料電池セル中の相対湿度20%で動作させた時の起電力が0.3V以上であることを特徴とする[5]または[6]に記載の固体燃料電池用電解質。
[8][1]乃至[7]のいずれかに記載の固体燃料電池用電解質を積層した固体燃料電池セル。
[9]前記電解質と電極が一体化されていることを特徴とする[8]に記載の固体燃料電池セル。
[10]相対湿度30%以下で動作させる、[9]に記載の固体燃料電池セル。
That is, the present invention provides the following.
[1] An electrolyte for a solid fuel cell, wherein the electrolyte contains 20% by mass or more of graphene oxide and has a sulfo group amount of 0.5 mmol / g or less.
[2] The graphene oxide has a ratio a / b of the total number of carbon atoms (a) to which the oxygen functional groups of carboxyl group, carbonyl group, hydroxyl group, and epoxy group are bonded, and the total number of carbon atoms (b) is 15 It is% or more, The electrolyte for solid fuel cells as described in [1] characterized by the above-mentioned.
[3] The electrolyte for a solid fuel cell according to [1] or [2], wherein the graphene oxide has an equivalent circle diameter in a plane direction of 3 μm or less.
[4] The graphene oxide according to any one of [1] to [3], wherein a ratio of carbon atoms to which an epoxy group is bonded is 10% or more in the total number of carbon atoms (b). The electrolyte for a solid fuel cell as described.
[5] The proton conductivity in an atmosphere of a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 20% is 3.0 × 10 −8 S / cm or more, and any one of [1] to [4] Electrolyte for solid fuel cells.
[6] It is arranged in a solid fuel cell, and the short circuit current density when the solid fuel cell is operated at a relative humidity of 20% in the solid fuel cell is 4 mA / cm 2 or more. The solid fuel cell electrolyte according to [5].
[7] It is disposed in the solid fuel battery cell, and an electromotive force when the solid fuel battery cell is operated at a relative humidity of 20% in the solid fuel battery cell is 0.3 V or more. The solid fuel cell electrolyte according to [5] or [6].
[8] A solid fuel battery cell in which the electrolyte for a solid fuel battery according to any one of [1] to [7] is laminated.
[9] The solid fuel battery cell according to [8], wherein the electrolyte and the electrode are integrated.
[10] The solid fuel battery cell according to [9], which is operated at a relative humidity of 30% or less.

燃料電池セルの断面図の一例を示す図。The figure which shows an example of sectional drawing of a fuel cell. 実施例で示した酸化グラフェンのAFM像(写真)とAFMのタップモードによる酸化グラフェンの膜厚測定結果を示す図。The figure which shows the AFM image (photograph) of the graphene oxide shown in the Example, and the film thickness measurement result of the graphene oxide by the tap mode of AFM. 実施例で用いた燃料電池セルの構成を示す図。The figure which shows the structure of the fuel cell used in the Example. 実施例で測定したガスバリア性試験の構成を示す図。The figure which shows the structure of the gas-barrier property test measured in the Example.

本発明の固体燃料電池用電解質であって、該電解質が酸化グラフェンを20質量%以上含み、かつ、スルホ基量が0.5mmol/g以下である電解質である。
以下、詳細に説明する。
The electrolyte for a solid fuel cell according to the present invention is an electrolyte containing 20% by mass or more of graphene oxide and having a sulfo group amount of 0.5 mmol / g or less.
Details will be described below.

<酸化グラフェンについて>
本発明において、酸化グラフェンとは、グラフェンに、カルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基、及びエポキシ基等の酸素官能基が修飾されたものを指す。
酸化グラフェン中の上述の酸素官能基にプロトンが結合して、それがホッピング機能として働くことで、プロトン伝導性を得ることができる。
<About graphene oxide>
In the present invention, graphene oxide refers to graphene modified with an oxygen functional group such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, and an epoxy group.
Proton conductivity can be obtained by binding a proton to the above-mentioned oxygen functional group in graphene oxide and acting as a hopping function.

本発明に用いる酸化グラフェンは上述の酸素官能基以外の置換基は有さない。特に、スルホ基等は含有しない。これは、スルホ基が親水基であり、電解質として用いた際に、発電によって発生する水を含みやすくなり、電解質の形状安定性が悪くなる場合があり、低湿度化で電解質のプロトンが乖離しにくくなり、プロトン伝導度が低下する場合があるためである。また、スルホ基によって、燃料電池セル内が発電により強酸性雰囲気下になるため、燃料電池セル組立部材に金属を用いる場合に部材の酸化劣化や、反応によって生成する水に溶出し、燃料電池セル外に酸性水が排出される場合があるためである。   The graphene oxide used in the present invention does not have a substituent other than the oxygen functional group described above. In particular, it does not contain a sulfo group or the like. This is because the sulfo group is a hydrophilic group, and when used as an electrolyte, it tends to contain water generated by power generation, and the shape stability of the electrolyte may deteriorate, and the protons of the electrolyte will be separated at low humidity. This is because the proton conductivity may be reduced. In addition, since the inside of the fuel cell is brought into a strongly acidic atmosphere due to power generation due to the sulfo group, when the metal is used for the fuel cell assembly member, it is eluted into the water generated by the reaction due to oxidative deterioration of the member and the fuel cell. This is because acid water may be discharged outside.

本発明に用いる酸化グラフェンについては特に限定されないが、カルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基及びエポキシ基の酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と酸化グラフェン全体の炭素原子数(b)の割合a/b(%)は15%以上であることが好ましく、25%以上であることが更に好ましく、30%以上であることが特に好ましい。上記範囲であることで、酸素官能基が増え、電解質のホッピング機能、つまりプロトン伝導性が向上する場合がある。さらに、上述の酸素官能基が特定量以上結合することでπ共役が切断され、酸化グラフェンの電気絶縁性が高くなる場合があるため好ましい。a/bの上限は特に無く、グラフェンに修飾可能な酸素官能基の量(グラフェンの酸化)が多いほど、プロトン伝導性及び電気絶縁性の向上のために好ましい。なお、上記割合a/b(%)は少なくとも電解質の使用前に満たされていればよい。
また、酸素官能基量を調整する方法として、酸化グラフェンを酸素又はヒドラジン等の雰囲気下において、キセノンランプにより光照射することで光還元する方法やヒドラジン蒸気による還元する方法、熱還元する方法、等が挙げられる。
The graphene oxide used in the present invention is not particularly limited, but the total number of carbon atoms (a) to which the oxygen functional groups of carboxyl group, carbonyl group, hydroxyl group and epoxy group are bonded and the total number of carbon atoms (b) of graphene oxide. The ratio a / b (%) is preferably 15% or more, more preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. By being in the above range, the oxygen functional group may increase, and the electrolyte hopping function, that is, proton conductivity may be improved. Furthermore, it is preferable that the above-described oxygen functional group is bonded to a specific amount or more, so that π conjugation is cut and the electrical insulating property of graphene oxide may be increased. The upper limit of a / b is not particularly limited, and the larger the amount of oxygen functional groups that can be modified into graphene (graphene oxidation), the more preferable for improving proton conductivity and electrical insulation. In addition, the said ratio a / b (%) should just be satisfy | filled at least before use of electrolyte.
In addition, as a method for adjusting the amount of oxygen functional group, graphene oxide is photoreduced by irradiating light with a xenon lamp in an atmosphere of oxygen or hydrazine, a method of reducing with hydrazine vapor, a method of thermal reduction, etc. Is mentioned.

本発明に用いる酸化グラフェンに含まれるカルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基及びエポキシ基の各基の数は特に限定されないが、酸化グラフェン全体の炭素原子総数に対して、エポキシ基が結合している炭素原子総数の割合が10%以上であることが、低湿度での電解質のプロトン伝導性の向上の点から好ましい。なお、エポキシ基が結合している炭素原子総数の割合が10%以上であるという条件は少なくとも電解質の使用前に満たされていればよい。   The number of carboxyl groups, carbonyl groups, hydroxyl groups, and epoxy groups contained in the graphene oxide used in the present invention is not particularly limited, but the carbon to which the epoxy group is bonded with respect to the total number of carbon atoms of the entire graphene oxide. The ratio of the total number of atoms is preferably 10% or more from the viewpoint of improving proton conductivity of the electrolyte at low humidity. The condition that the ratio of the total number of carbon atoms to which the epoxy group is bonded is 10% or more as long as it is satisfied at least before use of the electrolyte.

低湿度での電解質のプロトン伝導性が向上する理由は定かではないが、以下の機構によると推測される。酸化グラフェンは酸素官能基が酸化グラフェンの薄膜状(フレーク)面方向およびエッジに多く存在することで、連続した水素結合相が形成されている。この連続した水素結合相によって、水分子が少ないつまり低湿度環境下においても、水素結合分子がプロトンを渡しやすいように連続的に再編成しながら、水素結合中をプロトンが移動することが可能となり(グロータス機構)、低湿度での電解質のプロトン伝導性が向上すると推測される。   The reason why the proton conductivity of the electrolyte at low humidity is improved is not clear, but is presumed to be due to the following mechanism. In graphene oxide, a large number of oxygen functional groups are present in the thin film (flake) plane direction and edge of the graphene oxide, so that a continuous hydrogen-bonded phase is formed. This continuous hydrogen-bonded phase enables protons to move through the hydrogen bonds while reorganizing continuously so that the hydrogen-bonded molecules can easily pass protons even in a low-humidity environment with few water molecules. (Grotus mechanism), it is estimated that the proton conductivity of the electrolyte at low humidity is improved.

酸化グラフェンは、薄膜状(フレーク)の構造をしている。本発明に用いる酸化グラフェンの各フレークの面方向の円相当径は、3μm以下であることが好ましく、2.5μm以下であることがさらに好ましく、2μm以下であることが特に好ましい。また、0.01μm以上であることが好ましい。
酸化グラフェンの円相当径が適当な範囲にあることで、電解質中の積層した酸化グラフェンの垂直上のプロトン伝導性が向上するため好ましい。また、0.01μm以上とすることにより、酸化グラフェンの垂直上の高いガスバリア性を得ることができる。
本発明において、酸化グラフェンの面方向の円相当径とは、AFM像の10.0×10.0μmの視野範囲で観測される酸化グラフェン片全てにおいて、面方向の面積と同じ面積の円を見積もったときの、この円の直径を意味する。
Graphene oxide has a thin film (flakes) structure. The equivalent-circle diameter in the plane direction of each flake of the graphene oxide used in the present invention is preferably 3 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, and particularly preferably 2 μm or less. Moreover, it is preferable that it is 0.01 micrometer or more.
It is preferable that the equivalent circle diameter of the graphene oxide is in an appropriate range because the vertical proton conductivity of the stacked graphene oxide in the electrolyte is improved. In addition, by setting the thickness to 0.01 μm or more, high vertical gas barrier properties of graphene oxide can be obtained.
In the present invention, the equivalent-circle diameter in the plane direction of graphene oxide refers to a circle having the same area as the area in the plane direction in all graphene oxide pieces observed in the 10.0 × 10.0 μm visual field range of the AFM image. This means the diameter of this circle.

本発明に用いる酸化グラフェンを得る方法は特に限定されず、例えば、Hummers法、ブローディー(Brodie)法、Staudenmaier法などを用いることができる。Hummers法はH2SO4、NaNO3、KMnO4を使用して酸化するものであり(W. S Hummers, Jr. et al., J. Am. Chem. Soc., 1958, 80, 1339.)、Brodie法は、発煙硝酸とKClO3を使用して酸化するものである(B. C. Brodie, Philos. Trans. R. Soc., London, 1859 149, 249. 、 B. C. Brodie, Ann. Chim. Phys., 1860, 59, 466.)。また、Staudenmaier法はH2SO4、HNO3、KClO3を使用して酸化するものである(L. Staudenmaier, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1898, 31, 1481.)。
Hummers法などにより得られた酸化グラファイトに対しては、酸素官能基の付加により層間が拡大するとともに親水性を持つ性質を利用し、水中で超音波を照射したり、あるいは遠心分離と再分散を繰り返したりすることによって水分子を層間に浸透させ、酸化グラファイトの層構造をバラバラとさせることで、酸化グラフェンを得ることができる。
The method for obtaining graphene oxide used in the present invention is not particularly limited, and for example, a Hummers method, a Brodie method, a Staudenmaier method, or the like can be used. The Hummers method oxidizes using H 2 SO 4 , NaNO 3 and KMnO 4 (W. S Hummers, Jr. et al., J. Am. Chem. Soc., 1958, 80, 1339.) The Brodie method oxidizes using fuming nitric acid and KClO 3 (BC Brodie, Philos. Trans. R. Soc., London, 1859 149, 249., BC Brodie, Ann. Chim. Phys., 1860, 59, 466.). The Staudenmaier method oxidizes using H 2 SO 4 , HNO 3 and KClO 3 (L. Staudenmaier, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1898, 31, 1481.).
For graphite oxide obtained by the Hummers method, etc., the interlayer is expanded by adding oxygen functional groups and the property of having hydrophilicity is used, so that ultrasonic waves are irradiated in water, or centrifugation and redispersion are performed. The graphene oxide can be obtained by allowing water molecules to permeate between the layers by repeating the process to separate the layer structure of the graphite oxide.

本発明に用いる酸化グラフェンのフレークの面方向の円相当径を制御する方法は特に限定されないが、例えば、グラファイトの酸化工程の酸化時間を長くすることで円相当径を小さくしたり、酸化工程後のグラファイトの超音波の照射強度を強くすることで円相当径を小さくしたり、超音波の照射時間を長くすることで円相当径を小さくしたりすることができる。   The method of controlling the equivalent circle diameter in the surface direction of the graphene oxide flakes used in the present invention is not particularly limited. For example, the equivalent circle diameter can be reduced by increasing the oxidation time of the graphite oxidation process, or after the oxidation process. The equivalent circle diameter can be reduced by increasing the ultrasonic irradiation intensity of graphite, and the equivalent circle diameter can be reduced by increasing the ultrasonic irradiation time.

<電解質について>
本発明の電解質は、酸化グラフェンを20質量%以上含み、好ましくは50質量%以上、更に好ましくは70質量%以上である。また、上限は無く100%でもよい。
酸化グラフェンが上記範囲にあることで、電解質のプロトン伝導度、電気絶縁性及びガスバリア性が向上する。
<About electrolyte>
The electrolyte of the present invention contains 20% by mass or more of graphene oxide, preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. Moreover, there is no upper limit and 100% may be sufficient.
When the graphene oxide is in the above range, the proton conductivity, electrical insulation, and gas barrier properties of the electrolyte are improved.

本発明において、酸化グラフェン以外に電解質中に含まれてもよい成分としては、本発明の効果を損なわないものであれば特に限定されないが、Fe及びTi等の金属酸化物、Ce(NO3)3等のオキソ酸を有する化合物及び芳香族系化合物等が挙げられる。これらを有することで、電解質中の酸化グラフェン及びその他成分が積層しやすくなり、ガスバリア性及び連続的なプロトン伝導のパスを形成しやすくなるため好ましい場合がある。また、成膜性、耐熱性及び機械的性質等の観点から、プラスチック材料に用いられるポリイミドやポリスチレンなどの芳香族系化合物を用いることも可能である。
酸化グラフェン以外に電解質中に含まれてもよい成分の割合は、本発明の電解質の硬化を損なわないものであれば特に限定されないが、金属酸化物を含む場合は、電解質中に0.5質量%以上含むことが好ましく、1質量%以上含むことが好ましい。また、電解質中に30質量%以下、さらに好ましくは25質量%以下、特に好ましくは20質量%以下含むことが好ましい。金属酸化物を適当な割合で含むことで、燃料電池の発電性能が向上し、さらに成膜性も得られる傾向にある。
In the present invention, components that may be contained in the electrolyte other than graphene oxide are not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, but metal oxides such as Fe and Ti, Ce (NO 3 ) And compounds having an oxo acid such as 3 and aromatic compounds. By having these, graphene oxide and other components in the electrolyte can be easily stacked, and gas barrier properties and a continuous proton conduction path can be easily formed, which may be preferable. In addition, from the viewpoint of film formability, heat resistance, mechanical properties, and the like, it is also possible to use aromatic compounds such as polyimide and polystyrene used for plastic materials.
The proportion of components that may be contained in the electrolyte other than graphene oxide is not particularly limited as long as it does not impair the curing of the electrolyte of the present invention, but when it contains a metal oxide, 0.5 mass in the electrolyte. % Or more, preferably 1% by mass or more. Further, it is preferable that the electrolyte contains 30% by mass or less, more preferably 25% by mass or less, and particularly preferably 20% by mass or less. By including a metal oxide in an appropriate ratio, the power generation performance of the fuel cell is improved, and film formability tends to be obtained.

本発明の電解質に含まれるスルホ基量は、0.5mmol/g以下である。好ましくは、0.3mmol/g以下であり、スルホ基を全く含まない方がさらに好ましい。上記より多くスルホ基を有すると、親水基であるスルホ基が発電によって発生する水を含みやすくなるため、電解質の形状安定性が悪くなる場合があり、さらに、低湿度下で電解質のプロトンが乖離しにくくなり、プロトン伝導度が低下する場合があるためである。また、スルホ基によって、燃料電池セル内が発電により強酸性雰囲気下になるため、燃料電池セル組立部材に金属を用いる場合に部材の酸化劣化や、反応によって生成する水に溶出し、燃料電池セル外に酸性水が排出される場合があるためである。   The amount of sulfo group contained in the electrolyte of the present invention is 0.5 mmol / g or less. Preferably, it is 0.3 mmol / g or less, and it is more preferable that no sulfo group is contained. If there are more sulfo groups than the above, the sulfo group, which is a hydrophilic group, tends to contain water generated by power generation, so the shape stability of the electrolyte may deteriorate, and further, the protons of the electrolyte will be separated at low humidity. This is because the proton conductivity may be reduced. In addition, since the inside of the fuel cell is brought into a strongly acidic atmosphere due to power generation due to the sulfo group, when the metal is used for the fuel cell assembly member, it is eluted into the water generated by the reaction due to oxidative deterioration of the member and the fuel cell. This is because acid water may be discharged outside.

本発明の電解質中において、酸化グラフェンは、上述したような薄膜(フレーク)が積
層し、密な構造となっているため、ガスバリア性に優れる。燃料電池の電解質においては、このガスバリア性が重要な機能のひとつである。
例えば、3次元的立体構造であるフラーレンやカーボンナノチューブなどの同じ炭素系の化合物及び酸化物を膜状の電解質に用いた場合、電解質に空隙が発生し、積層し難くなるため、ガスバリア性に問題が生じる場合がある。
In the electrolyte of the present invention, the graphene oxide has excellent gas barrier properties because the thin films (flakes) as described above are stacked and has a dense structure. In the fuel cell electrolyte, this gas barrier property is one of the important functions.
For example, when the same carbon compounds and oxides such as fullerene and carbon nanotube, which have a three-dimensional structure, are used in a membrane electrolyte, voids are generated in the electrolyte, making it difficult to stack. May occur.

本発明の電解質は、温度20℃、相対湿度20%の雰囲気下におけるプロトン伝導度が3.0×10-8S/cm以上であることが好ましく、1.0×10-7S/cm以上であることがより好ましく、1.0×10-6S/cm以上であることが更に好ましい。上記以上のプロトン伝導性を持つことで、発電効率に優れた電解質及び燃料電池を得ることができる。 The electrolyte of the present invention preferably has a proton conductivity of 3.0 × 10 −8 S / cm or more, and 1.0 × 10 −7 S / cm or more in an atmosphere at a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 20%. It is more preferable that it is 1.0 × 10 −6 S / cm or more. By having proton conductivity higher than the above, an electrolyte and a fuel cell excellent in power generation efficiency can be obtained.

また、燃料電池セル中の相対湿度20%、温度20℃で動作させた時の短絡電流密度が4mA/cm2以上であることが好ましい。さらに、燃料電池セル中の相対湿度20%で動作させた時の起電力が0.3V以上であることが好ましい。また、燃料電池セル中の相対湿度20%、温度20℃で動作させた時の出力密度が0.4Vで0.1mW/cm2以上であることが好ましい。本発明の電解質はこれらの性能を有することで、発電効率に優れた電解質及び燃料電池を得ることができる。 In addition, it is preferable that the short-circuit current density when the fuel cell is operated at a relative humidity of 20% and a temperature of 20 ° C. is 4 mA / cm 2 or more. Furthermore, the electromotive force when operated at a relative humidity of 20% in the fuel cell is preferably 0.3 V or more. Moreover, it is preferable that the output density when operated at a relative humidity of 20% and a temperature of 20 ° C. in the fuel cell is 0.4 V and 0.1 mW / cm 2 or more. Since the electrolyte of the present invention has these performances, an electrolyte and a fuel cell excellent in power generation efficiency can be obtained.

本発明の電解質の製造方法は特に限定されず、ろ過成膜法、スピンコート法、ドロップキャスト法、電解泳動法等、バーコート法など公知の成膜を用いることが可能である。
酸化グラフェンとその他の成分を混合する方法も、本発明の効果を損なわないものであれば特に限定されないが、酸化グラフェンとその他の成分をコンパウンドする方法、酸化グラフェンとその他成分を同時に溶液に溶解又は分散させる方法、酸化グラフェン分散液にその他成分を添加し、必要に応じて再分散処理を行う方法、酸化グラフェン分散液とその他成分分散液を混合する方法等を用いることができる。
酸化グラフェン及び/又はその他成分を溶解又は分散させる溶液も特に限定されないが、酸化グラフェンの溶解・分散容易性から、水、極性溶媒及びアルコールなどを用いることが好ましい。
The method for producing the electrolyte of the present invention is not particularly limited, and it is possible to use a known film formation method such as a filtration film formation method, a spin coating method, a drop casting method, an electrophoretic method, or a bar coating method.
The method of mixing graphene oxide and other components is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, but a method of compounding graphene oxide and other components, or dissolving graphene oxide and other components simultaneously in a solution A method of dispersing, a method of adding other components to the graphene oxide dispersion and performing a redispersion treatment as necessary, a method of mixing the graphene oxide dispersion and the other component dispersion, and the like can be used.
A solution in which graphene oxide and / or other components are dissolved or dispersed is not particularly limited, but water, a polar solvent, alcohol, and the like are preferably used from the viewpoint of ease of dissolution and dispersion of graphene oxide.

<固体燃料電池セルについて>
本発明の固体燃料電池セルは、電解質及び電極を少なくとも有する。また、必要に応じて触媒、セパレーター、電流の取り出し線等を有していてもよい。
<About solid fuel cells>
The solid fuel battery cell of the present invention has at least an electrolyte and an electrode. Moreover, you may have a catalyst, a separator, the extraction line of an electric current, etc. as needed.

本発明の固体燃料電池セルの構成の一例を図1に示し、具体的に説明する。
図1は、固体燃料電池セルを模式的に示す図である。同図に示すように、電解質1、触媒2、電極(燃料極(負極)3、空気極(正極)4)、セパレーター5、5´を備えている。電解質1は、固体燃料電池セルの中心部に位置し、触媒層2は、電解質1に接触するように設けられている。触媒層2は電解質1の両面に備えても、片方のみ備えていても良い。燃料極3、空気極4は、触媒層2に隣接して設けられており、さらにその外側にセパレーター5、5´が配置されている。セパレーター5、5´には、燃料ガス並びに、酸化剤を送り込むための流路が形成されていてもよい。
なお、電解質と、電解質の一方の面に配置された空気極側の触媒と、電解質の他方の面に配置された燃料極側の触媒とで膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下、MEAと称すことがある)と呼ばれる接合体を構成する。
An example of the configuration of the solid fuel battery cell of the present invention is shown in FIG.
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a solid fuel battery cell. As shown in the figure, an electrolyte 1, a catalyst 2, an electrode (a fuel electrode (negative electrode) 3, an air electrode (positive electrode) 4), and separators 5 and 5 'are provided. The electrolyte 1 is located at the center of the solid fuel battery cell, and the catalyst layer 2 is provided so as to contact the electrolyte 1. The catalyst layer 2 may be provided on both surfaces of the electrolyte 1 or only on one side. The fuel electrode 3 and the air electrode 4 are provided adjacent to the catalyst layer 2, and separators 5 and 5 ′ are disposed on the outer sides thereof. The separators 5 and 5 'may be formed with a flow path for feeding the fuel gas and the oxidant.
A membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) is composed of an electrolyte, an air electrode side catalyst disposed on one surface of the electrolyte, and a fuel electrode side catalyst disposed on the other surface of the electrolyte. A joined body called “sometimes called”.

燃料極3側のセパレーター5のガス流路からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極4側のセパレーター5´のガス流路からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。 図
1は固体燃料電池セル構造の固体高分子型燃料電池であるが、セパレーター5及び5´を介して複数のセルを積層して燃料電池とすることもできる。
For example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas from the gas flow path of the separator 5 on the fuel electrode 3 side. On the other hand, for example, a gas containing oxygen is supplied as an oxidant gas from the gas flow path of the separator 5 ′ on the air electrode 4 side. An electromotive force can be generated between the fuel electrode and the air electrode by causing an electrode reaction between hydrogen and oxygen gas of the fuel gas in the presence of the catalyst. FIG. 1 shows a solid polymer fuel cell having a solid fuel cell structure, but a plurality of cells can be stacked via separators 5 and 5 'to form a fuel cell.

また、本発明の固体燃料電池セルでは、電解質表面を還元し、表面のみに電気伝導性を持たせることで電解質と電極を一体とすることもできる(図3)。電解質と電極が一体となることで、セルの薄膜化、ガスバリア性、コスト低下及び燃料電池製造容易等を行うことができる。   Further, in the solid fuel battery cell of the present invention, the electrolyte and the electrode can be integrated by reducing the electrolyte surface and imparting electrical conductivity only to the surface (FIG. 3). By integrating the electrolyte and the electrode, cell thinning, gas barrier properties, cost reduction, and easy manufacture of the fuel cell can be performed.

燃料極の材質としては、固体燃料電池の燃料極の材料として公知のものを使用することができ、例えば、金属触媒と、酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気において安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極4を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極4は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   As the material of the fuel electrode, known materials can be used as the material of the fuel electrode of the solid fuel cell. For example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. . As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, the fuel electrode 4 is preferably formed of a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form or a form of powder modification to nickel. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. The fuel electrode 4 can also be configured using a metal catalyst alone.

空気極の材質としては、固体燃料電池の空気極の材料として公知のものを使用することができ、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3,(La,Sr)MnO3,(La,Sr)CoO3,(La,Sr)(Fe,Co)O3,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)MnO3である。上述した材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。 As the material of the air electrode, known materials can be used as the material of the air electrode of the solid fuel cell. For example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr or Mn having a perovskite structure or the like can be used. Can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) MnO 3 is preferable. The above-mentioned materials can be used alone or in combination of two or more.

また、空気極及び燃料極は、例えばスクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレーコート法、スピンコ−ト法、ディップコート法、泳動電着法、ロールコート法、グラビアロールコート法、ディスペンサーコート法、CVD,EVD,スパッタリング法、転写法等の一般的な印刷法を用いて作製することができる。   The air electrode and the fuel electrode are, for example, screen printing method, doctor blade method, spray coating method, spin coating method, dip coating method, electrophoretic electrodeposition method, roll coating method, gravure roll coating method, dispenser coating method, CVD. , EVD, sputtering, transfer, and other general printing methods.

触媒としては、固体燃料電池の触媒の材料として公知のものを使用することができ、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、または酸化物、複酸化物、炭化物などが使用できる。   As the catalyst, known materials for solid fuel cell catalysts can be used. In addition to the platinum group elements of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, iron, lead, copper, chromium, cobalt, A metal such as nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, or aluminum, or an alloy thereof, an oxide, a double oxide, a carbide, or the like can be used.

セパレーターとしては、固体燃料電池のセパレーターの材料として公知のものを使用することができ、導電性でかつ不透過性の材料であることが好ましい。   As a separator, a well-known thing can be used as a material of the separator of a solid fuel cell, and it is preferable that it is an electroconductive and impermeable material.

本発明の固体燃料電池セルは、相対湿度30%以下で動作させることが好ましく、相対湿度20%以下で動作させることがより好ましく、相対湿度10%以下で動作させることがさらに好ましく、相対湿度0%(無加湿)で動作させることが特に好ましい。この場合、固体燃料電池セルに加湿装置を備える必要がなく、燃料電池モジュール全体の小型化が実現できる。   The solid fuel battery cell of the present invention is preferably operated at a relative humidity of 30% or less, more preferably operated at a relative humidity of 20% or less, further preferably operated at a relative humidity of 10% or less, and a relative humidity of 0. It is particularly preferred to operate at% (no humidification). In this case, it is not necessary to provide a humidifier in the solid fuel battery cell, and the entire fuel cell module can be downsized.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の態様に限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to the following aspects.

[酸化グラフェンの組成分析]
酸化グラフェンの置換基の割合をXPS(シグマプローブ型式 サーモフィッシャーサイエンティフィック 社製) で求めた。
X線源として単色光AlKαを用い、分析面積0.4mm径、取り出し角65°,10-9 mbar, 検出部Ag3dの0.5eV半値幅の条件で行った。また、XPS測定から得られるC1sスペクトルを、炭素の単結合、酸素官能基(ヒドロキシル基、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基及びスルホ基についてそれぞれピーク分離した。ピークの帰属は炭素の単結合285 eV、ヒドロキシル基286.6 eV、エポキシ基287.1 eV、カルボニル基287.9 eV、カルボキシル基289.1 eVで実施した。また、スルホ基については硫黄のS2pスペクトルの169 eVを帰属ピークとした。
[Composition analysis of graphene oxide]
The ratio of the substituents of graphene oxide was determined by XPS (Sigma Probe Model Thermo Fisher Scientific).
Monochromatic light AlKα was used as the X-ray source, and the analysis area was 0.4 mm diameter, the extraction angle was 65 °, 10 −9 mbar, and the detection part Ag3d was 0.5 eV half-width. In addition, the C1s spectrum obtained from XPS measurement was peak-separated for a single bond of carbon and an oxygen functional group (hydroxyl group, epoxy group, carbonyl group, carboxyl group, and sulfo group. The assignment of the peak was a single bond of carbon 285 eV. The hydroxyl group was 286.6 eV, the epoxy group was 287.1 eV, the carbonyl group was 287.9 eV, and the carboxyl group was 289.1 eV, and for the sulfo group, the assigned peak was 169 eV in the S2p spectrum of sulfur.

[酸化グラフェン溶液(A)の作製]
純度98%のグラファイト粉末(和光社製) 2.0 gに硝酸ナトリウム 2.0 gを混合した。氷浴中、濃硫酸92 mLを加え、全体が均一になるように、30分間攪拌した。この溶液に、過マンガン酸カリウム 12 gを5分間に1 gずつの投入速度で攪拌しながら加え、35℃水浴中で60分間攪拌した。その後、92 mLの純水を加え、95℃の油浴に移し、40分間攪拌した。さらに、この溶液に純水 200 mLと30%過酸化水素 2 mLを加え、常温で15分間放置した。溶液の色は茶色から明るい黄色に変化した。酸化処理終了後、5%塩酸 50mLと純水 50 mLでそれぞれ3回洗浄し、70℃、1週間真空乾燥することで、酸化グラファイト(a)を得た。
[Preparation of graphene oxide solution (A)]
2.0 g of sodium nitrate was mixed with 2.0 g of graphite powder having a purity of 98% (manufactured by Wako). In an ice bath, 92 mL of concentrated sulfuric acid was added, and the mixture was stirred for 30 minutes so that the whole became uniform. To this solution, 12 g of potassium permanganate was added with stirring at a charging rate of 1 g every 5 minutes, and the mixture was stirred for 60 minutes in a 35 ° C. water bath. Thereafter, 92 mL of pure water was added, transferred to a 95 ° C. oil bath, and stirred for 40 minutes. Furthermore, 200 mL of pure water and 2 mL of 30% hydrogen peroxide were added to this solution and left at room temperature for 15 minutes. The color of the solution changed from brown to light yellow. After completion of the oxidation treatment, each was washed three times with 50 mL of 5% hydrochloric acid and 50 mL of pure water, and vacuum-dried at 70 ° C. for 1 week to obtain graphite oxide (a).

乾燥した酸化グラファイト(a)を60 mg分取し、純水50 mL中にて2-4時間超音波照射して、酸化グラファイトのカーボン層を剥離した。超音波照射後、10,000 rpmで30分間遠心分離を行い、上澄み液を分取して酸化グラフェン溶液(A)とした。   60 mg of the dried graphite oxide (a) was collected and subjected to ultrasonic irradiation in 50 mL of pure water for 2 to 4 hours to peel off the carbon layer of graphite oxide. After ultrasonic irradiation, centrifugation was performed at 10,000 rpm for 30 minutes, and the supernatant was separated to obtain a graphene oxide solution (A).

マイカ基板に酸化グラフェン溶液(A)を滴下し、真空で5時間以上乾燥させ、AFM像を得た。酸化グラフェン溶液(A)のAFM像を図2に示す。
AFMタップモードによる測定(デジタルインスツルメント社製、ナノスコープ5)から、膜厚は1.27nmであった。また、AFM像の10.0×10.0μmの視野範囲で観測される酸化グラフェン片全ての円相当径を求めた。円相当径は、酸化グラフェン片1つの面方向の面積と同じ面積の円を見積もり、この円の直径とした。観測された酸化グラフェン片の円相当径は全て3μm以下であった。
A graphene oxide solution (A) was dropped onto a mica substrate and dried in a vacuum for 5 hours or longer to obtain an AFM image. An AFM image of the graphene oxide solution (A) is shown in FIG.
The film thickness was 1.27 nm from the measurement by AFM tap mode (Nanoscope 5 manufactured by Digital Instruments). Further, the equivalent circle diameters of all graphene oxide pieces observed in the visual field range of 10.0 × 10.0 μm of the AFM image were obtained. For the equivalent circle diameter, a circle having the same area as the surface direction of one graphene oxide piece was estimated and used as the diameter of this circle. The observed circle equivalent diameters of the graphene oxide pieces were all 3 μm or less.

[実施例1]
上述した酸化グラフェン溶液(A)をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質1を得た。得られた電解質1の寸法は3×3 cmであり、膜厚は電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM、測定モード:二次電子)にて観察したところ、20μmであった。
また、酸化グラフェン溶液(A)に含まれる酸化グラフェンが有する置換基の割合をXPSで求めた。
酸化グラフェン溶液(A)ではそれぞれの酸素官能基に帰属するピークが確認された。また、スルホ基についてのピークも見られなかった。酸化グラファイト全体の炭素原子総数に対する、各酸素官能基が結合している炭素原子総数の割合(%)は、ヒドロキシル基が8.5%、エポキシ基が19.3%、カルボニル基が8.1%、カルボキシル基が7.8%であり、酸素
官能基が結合している炭素原子総数(a)と酸化グラファイト全体の炭素原子数(b)の割合a/b(%)は32.0%であった。
[Example 1]
The graphene oxide solution (A) described above was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled off from the container to obtain an electrolyte 1. The dimension of the obtained electrolyte 1 was 3 × 3 cm, and the film thickness was 20 μm as observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, measurement mode: secondary electron).
Moreover, the ratio of the substituent which the graphene oxide contained in a graphene oxide solution (A) has was calculated | required by XPS.
In the graphene oxide solution (A), peaks attributed to the respective oxygen functional groups were confirmed. Moreover, the peak about a sulfo group was not seen. The ratio (%) of the total number of carbon atoms to which each oxygen functional group is bonded to the total number of carbon atoms of graphite oxide is 8.5% for hydroxyl groups, 19.3% for epoxy groups, 8.1% for carbonyl groups, and 7.8% for carboxyl groups. The ratio a / b (%) of the total number of carbon atoms (a) to which the oxygen functional group is bonded and the total number of carbon atoms (b) of the graphite oxide was 32.0%.

[実施例2]
50 mLの石英ビーカー中に作成した電解質1を仕込み、酸素雰囲気中、10分間500Wのキセノンランプにより光照射することで電解質1を光還元し、電解質2を得た。得られた電解質2の寸法は3×3 cmであった。
電解質2をXPSによって評価した。電解質2の酸化グラフェンの組成は、ヒドロキシル基22.1%、エポキシ基が1.9%、カルボニル基が1.9%、カルボキシル基が11.7%であり、酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と電解質2の炭素原子数(b)の割合a/b(%)は28.1%であった。
[Example 2]
The electrolyte 1 prepared in a 50 mL quartz beaker was charged, and the electrolyte 1 was photoreduced by irradiating light with a 500 W xenon lamp in an oxygen atmosphere for 10 minutes to obtain an electrolyte 2. The dimension of the obtained electrolyte 2 was 3 × 3 cm.
Electrolyte 2 was evaluated by XPS. The composition of the graphene oxide of electrolyte 2 is 22.1% hydroxyl group, 1.9% epoxy group, 1.9% carbonyl group, 11.7% carboxyl group, and the total number of carbon atoms (a) to which the oxygen functional group is bonded and the electrolyte The ratio a / b (%) of the number of carbon atoms (b) of 2 was 28.1%.

[実施例3]
上述の酸化グラフェン溶液(A) 60 mgに対して、1 mMに調整したCe(NO3)3水溶液5 mL(Ce(NO3)3が1.6 mg相当)を添加し、超音波照射を30分実施し、分散液を得た。この分散液をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質3を得た。電解質3の寸法は3×3 cmであった。膜厚はFE-SEMにて観察したところ、23μmであった。
電解質3に用いた酸化グラフェンの各酸素官能基の原子%は電解質1と同様である。
[Example 3]
To 60 mg of the above graphene oxide solution (A), add 5 mL of Ce (NO 3 ) 3 aqueous solution adjusted to 1 mM (Ce (NO 3 ) 3 is equivalent to 1.6 mg) and apply ultrasonic irradiation for 30 minutes. Implemented to obtain a dispersion. This dispersion was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled off from the container to obtain an electrolyte 3. The dimension of the electrolyte 3 was 3 × 3 cm. The film thickness was 23 μm as observed by FE-SEM.
The atomic% of each oxygen functional group of the graphene oxide used for the electrolyte 3 is the same as that of the electrolyte 1.

[実施例4]
上述の酸化グラフェン溶液(A)に対して、固形分で酸化グラフェンの10wt%相当のFe2O3粉末を添加し、超音波照射を30分実施し、分散液を得た。この分散液をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質4を得た。電解質4の寸法は3×3 cmであった。膜厚はFE-SEMにて観察したところ、26μmであった。
電解質4に用いた酸化グラフェンの各酸素官能基の原子%は電解質1と同様である。
[Example 4]
To the above graphene oxide solution (A), Fe 2 O 3 powder corresponding to 10 wt% of graphene oxide as a solid content was added, and ultrasonic irradiation was performed for 30 minutes to obtain a dispersion. This dispersion was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled from the container to obtain an electrolyte 4. The dimension of the electrolyte 4 was 3 × 3 cm. The film thickness was 26 μm as observed by FE-SEM.
The atomic% of each oxygen functional group of the graphene oxide used for the electrolyte 4 is the same as that of the electrolyte 1.

[実施例5]
上述の酸化グラフェン溶液(A)に対して、固形分で酸化グラフェンの10wt%相当のTiO2粉末を添加し、超音波照射を30分実施し、分散液を得た。この分散液をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質5を得た。電解質5の寸法は3×3 cmであった。膜厚はFE-SEMにて観察したところ、23μmであった。電解質5に用いた酸化グラフェンの各酸素官能基の原子%は電解質1と同様である。
[Example 5]
To the graphene oxide solution (A) described above, TiO 2 powder corresponding to 10 wt% of graphene oxide as a solid content was added, and ultrasonic irradiation was performed for 30 minutes to obtain a dispersion. This dispersion was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled off from the container to obtain an electrolyte 5. The dimension of the electrolyte 5 was 3 × 3 cm. The film thickness was 23 μm as observed by FE-SEM. The atomic% of each oxygen functional group of the graphene oxide used for the electrolyte 5 is the same as that of the electrolyte 1.

[実施例6]
上述した酸化グラフェン溶液(A)をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、70℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質6を得た。得られた電解質6の寸法は3×3 cmであった。膜厚はFE-SEMにて観察したところ、20μmであった。電解質6に用いた酸化グラフェンの各酸素官能基の原子%は電解質1と同様である。
[Example 6]
The graphene oxide solution (A) described above was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 70 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled off from the container to obtain an electrolyte 6. The dimension of the obtained electrolyte 6 was 3 × 3 cm. The film thickness was 20 μm as observed by FE-SEM. The atomic% of each oxygen functional group of the graphene oxide used for the electrolyte 6 is the same as that of the electrolyte 1.

[比較例1]
上述の酸化グラフェン溶液(A)に対して、固形分で酸化グラフェンの90wt%相当のポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)粉末を添加し、マグネチックスターラーにて十分に攪拌し、PAANaが溶解したことを確認した後、超音波照射を30分実施し、分散液を得た。この分散液をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質7を得た。電解質7の寸法は3×3 cmであった。膜厚はFE-SEMにて観察したところ、25μmであった。
電解質7に用いた酸化グラフェンの各酸素官能基の原子%は電解質1と同様である。
[Comparative Example 1]
To the above graphene oxide solution (A), sodium polyacrylate (PAANa) powder equivalent to 90 wt% of graphene oxide in solid content was added and stirred sufficiently with a magnetic stirrer to dissolve PAANa. After confirmation, ultrasonic irradiation was performed for 30 minutes to obtain a dispersion. This dispersion was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled off from the container to obtain an electrolyte 7. The dimension of the electrolyte 7 was 3 × 3 cm. The film thickness was 25 μm as observed by FE-SEM.
The atomic% of each oxygen functional group of the graphene oxide used for the electrolyte 7 is the same as that of the electrolyte 1.

[酸化グラフェン溶液(B)の作製]
上述した酸化グラフェン溶液(A)とは異なる円相当径の酸化グラフェンを作製した。作製法は以下の通りである。
純度98%のグラファイト粉末(和光社製) 2.0 gに硝酸ナトリウム 2.0 gを混合した。氷浴中、濃硫酸92 mLを加え、全体が均一になるように、30分間攪拌した。この溶液に、過マンガン酸カリウム 12 gを5分間に1 gずつの投入速度で攪拌しながら加え、35℃水浴中で60分間攪拌した。その後、92 mLの純水を加え、95℃の油浴に移し、40分間攪拌した。さらに、この溶液に純水 200 mLと30%過酸化水素 2 mLを加え、常温で60分間放置した。溶液の色は茶色から明るい黄色に変化した。酸化処理終了後、5%塩酸 50mLと純水 50 mLでそれぞれ3回洗浄し、70℃、1週間真空乾燥することで、酸化グラファイト(b)を得た。
[Preparation of graphene oxide solution (B)]
A graphene oxide having an equivalent circle diameter different from that of the graphene oxide solution (A) described above was produced. The manufacturing method is as follows.
2.0 g of sodium nitrate was mixed with 2.0 g of graphite powder having a purity of 98% (manufactured by Wako). In an ice bath, 92 mL of concentrated sulfuric acid was added, and the mixture was stirred for 30 minutes so that the whole became uniform. To this solution, 12 g of potassium permanganate was added with stirring at a charging rate of 1 g every 5 minutes, and the mixture was stirred for 60 minutes in a 35 ° C. water bath. Thereafter, 92 mL of pure water was added, transferred to a 95 ° C. oil bath, and stirred for 40 minutes. Furthermore, 200 mL of pure water and 2 mL of 30% hydrogen peroxide were added to this solution and left at room temperature for 60 minutes. The color of the solution changed from brown to light yellow. After completion of the oxidation treatment, each was washed 3 times with 50 mL of 5% hydrochloric acid and 50 mL of pure water, and vacuum-dried at 70 ° C. for 1 week to obtain graphite oxide (b).

上記方法で作製した酸化グラファイト(b)を乾燥後、60 mg分取し、純水50 mL中にて2-4時間超音波照射して、酸化グラファイトのカーボン層を剥離した。超音波照射後、超音波照射後、10,000 rpmで30分間遠心分離を行い、上澄み液を分取して酸化グラフェン溶液(B)とした。AFMタップモードによるマイカ基板上で観測された酸化グラフェン片の円相当径は全て1.5μm以下であった。   After drying the graphite oxide (b) produced by the above method, 60 mg was taken and subjected to ultrasonic irradiation in 50 mL of pure water for 2-4 hours to peel off the carbon layer of graphite oxide. After ultrasonic irradiation, after ultrasonic irradiation, centrifugation was performed at 10,000 rpm for 30 minutes, and the supernatant was separated to obtain a graphene oxide solution (B). The circle equivalent diameters of the graphene oxide pieces observed on the mica substrate in the AFM tap mode were all 1.5 μm or less.

[実施例7]
上述した酸化グラフェン溶液(B)をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質8を得た。得られた電解質8の寸法は3×3 cmであり、膜厚はFE-SEMにて観察したところ、20μmであった。酸化グラフェン溶液(B)に含まれる酸化グラフェンが有する置換基の割合をXPSで求めたところ、酸化グラファイト全体の炭素原子総数に対する、各酸素官能基が結合している炭素原子総数の割合(%)は、ヒドロキシル基が3.6%、エポキシ基が33.9%、カルボニル基が4.2%、カルボキシル基が8.9%であり、酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と酸化グラファイト全体の炭素原子数(b)の割合a/b(%)は29.0%であった。スルホ基についてのピークは見られなかった。
[Example 7]
The graphene oxide solution (B) described above was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled from the container to obtain an electrolyte 8. The dimension of the obtained electrolyte 8 was 3 × 3 cm, and the film thickness was 20 μm as observed by FE-SEM. When the ratio of the substituents of the graphene oxide contained in the graphene oxide solution (B) was determined by XPS, the ratio of the total number of carbon atoms to which each oxygen functional group was bonded to the total number of carbon atoms of the entire graphite oxide (%) Is 3.6% of hydroxyl groups, 33.9% of epoxy groups, 4.2% of carbonyl groups, 8.9% of carboxyl groups, the total number of carbon atoms to which oxygen functional groups are bonded (a) and the total number of carbon atoms in graphite oxide The ratio a / b (%) of (b) was 29.0%. There was no peak for the sulfo group.

[酸化グラフェン溶液(C)の作製]
上述した酸化グラフェン溶液(A)とは異なる円相当径の酸化グラフェンを作製した。作製法は以下の通りである。
純度98%のグラファイト粉末(和光社製) 3.0 gに濃硫酸400 mLを加え、全体が均一になるように、30分間攪拌した。この溶液に、過マンガン酸カリウム 30 gを5分間に1 gずつの投入速度で攪拌しながら加え、30℃条件下で一週間攪拌した。その後、400 mLの純水を加え、30%過酸化水素 2 mLを加え、常温で60分間放置した。溶液の色は茶色から明るい黄色に変化した。酸化処理終了後、5%塩酸 50mLと純水 50 mLでそれぞれ3回洗浄し、70℃、1週間真空乾燥することで、酸化グラファイト(c)を得た。
[Preparation of graphene oxide solution (C)]
A graphene oxide having an equivalent circle diameter different from that of the graphene oxide solution (A) described above was produced. The manufacturing method is as follows.
Concentrated sulfuric acid (400 mL) was added to 98 g of graphite powder (manufactured by Wako Co., Ltd.) (3.0 g), and the whole was stirred for 30 minutes so as to be uniform. To this solution, 30 g of potassium permanganate was added with stirring at a charging rate of 1 g every 5 minutes, and stirred at 30 ° C. for one week. Thereafter, 400 mL of pure water was added, 2 mL of 30% hydrogen peroxide was added, and the mixture was left at room temperature for 60 minutes. The color of the solution changed from brown to light yellow. After completion of the oxidation treatment, each was washed 3 times with 50 mL of 5% hydrochloric acid and 50 mL of pure water, and vacuum dried at 70 ° C. for 1 week to obtain graphite oxide (c).

上記方法で作製した酸化グラファイト(c)を乾燥後、60 mg分取し、純水50 mL中にて20時間超音波照射して、酸化グラファイトのカーボン層を剥離した。超音波照射後、10,000 rpmで30分間遠心分離を行い、上澄み液を分取して酸化グラフェン溶液(C)とした。AFMタップモードによるマイカ基板上で観測された酸化グラフェン片の円相当径は全て0.5μm以下であった。   After drying the graphite oxide (c) produced by the above method, 60 mg was taken and subjected to ultrasonic irradiation in 50 mL of pure water for 20 hours to peel off the carbon layer of graphite oxide. After ultrasonic irradiation, centrifugation was performed at 10,000 rpm for 30 minutes, and the supernatant was separated to obtain a graphene oxide solution (C). The circle-equivalent diameters of the graphene oxide pieces observed on the mica substrate in the AFM tap mode were all 0.5 μm or less.

[実施例8]
上述した酸化グラフェン溶液(C)をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質9を得た。得られ
た電解質9の寸法は3×3 cmであり、膜厚はFE-SEMにて観察したところ、20μmであった。酸化グラフェン溶液(C)に含まれる酸化グラフェンが有する置換基の割合をXPSで求めたところ、酸化グラファイト全体の炭素原子総数に対する、各酸素官能基が結合している炭素原子総数の割合(%)は、ヒドロキシル基が3.0%、エポキシ基が28.1%、カルボニル基が5.5%、カルボキシル基が17.5%であり、酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と酸化グラファイト全体の炭素原子数(b)の割合a/b(%)は32.1%であった。スルホ基についてのピークは見られなかった。
[Example 8]
The graphene oxide solution (C) described above was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled off from the container to obtain an electrolyte 9. The dimension of the obtained electrolyte 9 was 3 × 3 cm, and the film thickness was 20 μm as observed by FE-SEM. When the ratio of the substituents of the graphene oxide contained in the graphene oxide solution (C) was determined by XPS, the ratio of the total number of carbon atoms to which each oxygen functional group was bonded to the total number of carbon atoms of the entire graphite oxide (%) Is a hydroxyl group of 3.0%, an epoxy group of 28.1%, a carbonyl group of 5.5%, a carboxyl group of 17.5%, the total number of carbon atoms to which the oxygen functional group is bonded (a) and the total number of carbon atoms in graphite oxide The ratio a / b (%) of (b) was 32.1%. There was no peak for the sulfo group.

[酸化グラフェン溶液(D)の作製]
先行技術文献である非特許文献2と同様の手法にて、酸化グラフェンを作製した。
作製法は以下の通りである。
純度98%のグラファイト粉末(和光社製)0.4 gに氷浴中、濃硫酸92 mLを加え、全体が均一になるように、10分間攪拌した。この溶液に、過マンガン酸カリウム 12 gを5分間に1 gずつの投入速度で攪拌しながら加え、37℃水浴中で30分間攪拌した。その後、12 mLの純水を加え、95℃の油浴に移し、15分間攪拌した。さらに、この溶液に純水 280 mLと30%過酸化水素 20 mLを加え、常温で5分間放置した。溶液の色は茶色から明るい黄色に変化した。酸化処理終了後、5%塩酸 50mLおよび純水 50 mLで洗浄後、ろ過し70℃、1週間真空乾燥することで、酸化グラファイト(d)を得た。
[Preparation of graphene oxide solution (D)]
Graphene oxide was produced in the same manner as in Non-Patent Document 2, which is a prior art document.
The manufacturing method is as follows.
Concentrated sulfuric acid (92 mL) was added to 0.4 g of 98% pure graphite powder (manufactured by Wako) in an ice bath, and the mixture was stirred for 10 minutes so as to be uniform. To this solution, 12 g of potassium permanganate was added with stirring at a rate of 1 g every 5 minutes, and the mixture was stirred in a 37 ° C. water bath for 30 minutes. Thereafter, 12 mL of pure water was added, transferred to a 95 ° C. oil bath, and stirred for 15 minutes. Further, 280 mL of pure water and 20 mL of 30% hydrogen peroxide were added to this solution and left at room temperature for 5 minutes. The color of the solution changed from brown to light yellow. After completion of the oxidation treatment, it was washed with 50 mL of 5% hydrochloric acid and 50 mL of pure water, filtered, and vacuum dried at 70 ° C. for 1 week to obtain graphite oxide (d).

上記方法で作製した酸化グラファイト(d)を乾燥後、60 mg分取し、純水50 mL中にて2-4時間超音波照射して、酸化グラファイトのカーボン層を剥離した。超音波照射後、10,000 rpmで30分間遠心分離を行い、上澄み液を分取して酸化グラフェン溶液(D)とした。AFMタップモードによるマイカ基板上で観測された酸化グラフェン片の円相当径は全て1.5μm以下であった。   After drying the graphite oxide (d) produced by the above method, 60 mg was taken and irradiated with ultrasonic waves in 50 mL of pure water for 2-4 hours to peel off the carbon layer of graphite oxide. After ultrasonic irradiation, centrifugation was performed at 10,000 rpm for 30 minutes, and the supernatant was separated to obtain a graphene oxide solution (D). The circle equivalent diameters of the graphene oxide pieces observed on the mica substrate in the AFM tap mode were all 1.5 μm or less.

[比較例2]
上述した酸化グラフェン溶液(D)をテフロン(登録商標)製容器に注ぎ、50℃で24時間乾燥した。乾燥後、容器の底面にできた膜を容器から剥離し、電解質10を得た。得られた電解質10の寸法は3×3 cmであり、膜厚はFE-SEMにて観察したところ、20μmであった。酸化グラフェン溶液(D)に含まれる酸化グラフェンが有する置換基の割合をXPSで求めたところ、酸化グラファイト全体の炭素原子総数に対する、各酸素官能基が結合している炭素原子総数の割合(%)は、ヒドロキシル基が2.7%、エポキシ基が42.9%、カルボニル基が3.3%、カルボキシル基が10.5%であり、酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と酸化グラファイト全体の炭素原子数(b)の割合a/b(%)は33.5%であった。スルホ基に由来するピークも同時に2.2%観測され、0.7 mmol/g相当のスルホ基の存在を示した。
[Comparative Example 2]
The graphene oxide solution (D) described above was poured into a Teflon (registered trademark) container and dried at 50 ° C. for 24 hours. After drying, the film formed on the bottom surface of the container was peeled from the container to obtain an electrolyte 10. The dimension of the obtained electrolyte 10 was 3 × 3 cm, and the film thickness was 20 μm as observed by FE-SEM. When the ratio of the substituents of the graphene oxide contained in the graphene oxide solution (D) was determined by XPS, the ratio (%) of the total number of carbon atoms to which each oxygen functional group was bonded to the total number of carbon atoms of the entire graphite oxide Is 2.7% hydroxyl group, 42.9% epoxy group, 3.3% carbonyl group, 10.5% carboxyl group, the total number of carbon atoms (a) to which the oxygen functional group is bonded and the total number of carbon atoms in graphite oxide The ratio a / b (%) of (b) was 33.5%. A peak derived from the sulfo group was also observed at 2.2%, indicating the presence of 0.7 mmol / g of the sulfo group.

[電解質のプロトン伝導度の測定]
電解質1のプロトン伝導度を、室温20℃、相対湿度を20−100%まで可変した条件下で、交流四端子法により測定した。酸化グラフェン電解質のプロトン伝導度は湿度上昇と共に向上した。酸化グラフェン電解質のプロトン伝導度は、相対湿度70%以上では1.0×10-4S/cm、40%で1.0×10-6S/cm, 20〜30%の低湿度条件下での1.0×10-7 S/cmであった。
[Measurement of proton conductivity of electrolyte]
The proton conductivity of the electrolyte 1 was measured by the AC four-terminal method under conditions where the room temperature was 20 ° C. and the relative humidity was changed to 20-100%. The proton conductivity of graphene oxide electrolyte improved with increasing humidity. The proton conductivity of graphene oxide electrolyte is 1.0 × 10 −4 S / cm at relative humidity of 70% or higher, 1.0 × 10 −6 S / cm at 40%, and low humidity conditions of 20-30%. 1.0 × 10 −7 S / cm.

[燃料電池試験]
電解質1〜10の両面に、触媒として直径1 cmの円状に白金をスパッタした。スパッタ条件は、エミテック社製、K575XD型装置を用い、電解質3、4、5、6に関しては5 mA、60秒で実施し、電解質1、2、7〜10に関しては5 mAで30秒間で実施した。
白金スパッタされた各電解質の両側に、電流の取り出し線およびセパレーターとして金メッシュを接合させ、ボルトにより固定して燃料電池セルとした(図3)。
白金をスパッタした電解質1〜10を用いた燃料電池セルの片側に通気相対湿度20%、温度16℃の条件で水素を50mL/min、反対側に通気相対湿度20%、温度16℃の条件で酸素を50mL/min供給し、IviumStat/CompactStat(イビウムテクノロジー社製)を用いて金ネットの両端から起電力、短絡電流値、出力密度を測定した。
[Fuel cell test]
Platinum was sputtered on both surfaces of the electrolytes 1 to 10 as a catalyst in a circular shape having a diameter of 1 cm. Sputtering conditions were performed at 5 mA for 60 seconds for electrolytes 3, 4, 5, and 6 using a K575XD type apparatus manufactured by Emitech Co., and for 30 seconds at 5 mA for electrolytes 1, 2, 7 and 10. did.
A gold mesh was joined to both sides of each platinum-sputtered electrolyte as a current take-out line and a separator, and fixed with bolts to form a fuel cell (FIG. 3).
One side of the fuel cell using the platinum-sputtered electrolytes 1 to 10 is 50 mL / min of hydrogen at a relative humidity of 20% and a temperature of 16 ° C. on one side, and a relative humidity of 20% and a temperature of 16 ° C. on the other side. Oxygen was supplied at 50 mL / min, and electromotive force, short-circuit current value, and output density were measured from both ends of the gold net using IviumStat / CompactStat (manufactured by Ibium Technology).

[比較例3]
白金をスパッタした電解質6を用いた燃料電池セルの片側に通気相対湿度70%、温度16℃の条件で水素を50mL/min、反対側に通気相対湿度70%、温度16℃の条件で酸素を50mL/min供給し、上述の装置を用いて金ネットの両端から起電力、短絡電流値、出力密度及び100Hzでの交流抵抗を測定した。
[Comparative Example 3]
One side of the fuel cell using the platinum-sputtered electrolyte 6 is 50 mL / min of hydrogen at a relative humidity of 70% and a temperature of 16 ° C., and oxygen at a relative humidity of 70% and a temperature of 16 ° C. on the other side. 50 mL / min was supplied, and the electromotive force, short-circuit current value, output density, and AC resistance at 100 Hz were measured from both ends of the gold net using the above-described apparatus.

従来、固体高分子形燃料電池に用いられているパーフルオロスルホン酸樹脂(例えば商品名Nafion(R)、DuPont社製)のプロトン伝導度 (1.3×10-8S/cm、T. Okayasu, et al., Polym. Adv. Technol., 2011, 22, 1229.)に比べて、酸化グラフェン(実施例1)は低加湿条件下で1桁高いプロトン伝導度を示すことが確認された。
また、表1の実施例1〜6に示すように、低い相対湿度においても、燃料電池として発電することが確認され、高いプロトン伝導度、電流密度、出力密度が得られた。また、表1の実施例3〜5に示すように、無機系酸化物を添加することでその燃料電池の発電性能が向上することも確認された。一方、酸化グラフェンの含有量が20質量%を下回る電解質を用いた比較例1では、相対湿度20%条件下でも起電力は確認されるものの、その短絡電流密度や出力密度は著しく低かった。
また、相対湿度70%に加湿した比較例3では、電圧0.4V時には電流を取り出すことができなかった。
Conventionally, proton conductivity (1.3 × 10 −8 S / cm, T. Okayasu) of perfluorosulfonic acid resin (for example, trade name Nafion®, manufactured by DuPont) used in polymer electrolyte fuel cells , et al., Polym. Adv. Technol., 2011, 22, 1229.), graphene oxide (Example 1) was confirmed to exhibit proton conductivity one order of magnitude higher under low humidification conditions.
Further, as shown in Examples 1 to 6 in Table 1, it was confirmed that the fuel cell generates power even at a low relative humidity, and high proton conductivity, current density, and output density were obtained. In addition, as shown in Examples 3 to 5 in Table 1, it was also confirmed that the power generation performance of the fuel cell was improved by adding an inorganic oxide. On the other hand, in Comparative Example 1 using an electrolyte in which the content of graphene oxide is less than 20% by mass, although the electromotive force was confirmed even under a relative humidity of 20%, the short-circuit current density and the output density were extremely low.
Further, in Comparative Example 3 humidified to a relative humidity of 70%, no current could be taken out at a voltage of 0.4V.

表2では、実施例1、7、8及び比較例2の酸化グラフェン溶液の作製方法及び酸化グラフェンの円相当径も異なるものについて、比較した。酸化グラフェンの円相当径が小さければ小さいほど、低い相対湿度において高い電流密度、出力密度が得られた。一方で、スルホ基を0.7 mmol/g含有している比較例2(非特許文献2の酸化グラフェン)は、酸化グラフェンの円相当径が同一である実施例7と比較して、起電力、電流密度及び出力密度が小さかった。   Table 2 compares the methods for preparing graphene oxide solutions of Examples 1, 7, 8 and Comparative Example 2 and the graphene oxides having different equivalent circle diameters. The smaller the equivalent circle diameter of graphene oxide, the higher current density and output density were obtained at low relative humidity. On the other hand, in Comparative Example 2 (graphene oxide of Non-Patent Document 2) containing 0.7 mmol / g of sulfo group, compared with Example 7 in which the equivalent circle diameter of graphene oxide is the same, electromotive force and current The density and power density were small.

[ガスバリア性試験]
酸化グラフェン膜のガスバリア性を、ガスクロマトグラフ用セルを使用し、図4のように酸化グラフェン膜を水素がどの程度、透過するかで評価した。評価に使用したガスクロマトグラフィーは、島津製GC-8A(TCD)を用いた。
サンプリング体積は0.1 mL、セル容積は6mL、セル定数は60、水素流量は約20 ml/minの条件で試験した。評価に用いた酸化グラフェン膜は、実施例7と同様の酸化グラフェン分散液から作製した。ドロップキャスト法にて、膜を1〜3層、積層することにより、それぞれ24、42及び67μmの異なる膜厚の酸化グラフェン膜を得た。
[Gas barrier test]
The gas barrier property of the graphene oxide film was evaluated by using a gas chromatograph cell and how much hydrogen permeated the graphene oxide film as shown in FIG. The gas chromatography used for the evaluation was Shimadzu GC-8A (TCD).
The sampling volume was 0.1 mL, the cell volume was 6 mL, the cell constant was 60, and the hydrogen flow rate was about 20 ml / min. The graphene oxide film used for the evaluation was prepared from the same graphene oxide dispersion as in Example 7. By laminating 1 to 3 films by the drop cast method, graphene oxide films having different film thicknesses of 24, 42 and 67 μm were obtained.

酸化グラフェン膜の水素のガスバリア性は24、42及び67μmのすべての膜厚の酸化グラフェン膜において、10時間後も1μmol以下の水素しか検知されず、高いガスバリア性能を示した。一方、酸化グラフェン膜がない場合には、水素ガス流量に相当する200μmolの水素が検知された。   As for the hydrogen gas barrier property of the graphene oxide film, only 1 μmol or less of hydrogen was detected even after 10 hours in the graphene oxide films of all film thicknesses of 24, 42 and 67 μm, indicating high gas barrier performance. On the other hand, in the absence of the graphene oxide film, 200 μmol of hydrogen corresponding to the hydrogen gas flow rate was detected.

1・・・電解質、2・・・触媒、3・・・燃料極、4・・・空気極、5・・・セパレーター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte, 2 ... Catalyst, 3 ... Fuel electrode, 4 ... Air electrode, 5 ... Separator

Claims (10)

固体燃料電池用電解質であって、該電解質が酸化グラフェンを20質量%以上含み、かつ、スルホ基量が0.5mmol/g以下である電解質。 An electrolyte for a solid fuel cell, wherein the electrolyte contains 20% by mass or more of graphene oxide and has a sulfo group amount of 0.5 mmol / g or less. 前記酸化グラフェンは、カルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基、及びエポキシ基の酸素官能基が結合している炭素原子総数(a)と炭素原子総数(b)の割合a/bが、15%以上であることを特徴とする請求項1に記載の固体燃料電池用電解質。 In the graphene oxide, the ratio a / b of the total number of carbon atoms (a) to the total number of carbon atoms (b) to which the oxygen functional groups of carboxyl group, carbonyl group, hydroxyl group, and epoxy group are bonded is 15% or more. The electrolyte for a solid fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte is provided. 前記酸化グラフェンの面方向の円相当径が3μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体燃料電池用電解質。 3. The solid fuel cell electrolyte according to claim 1, wherein the graphene oxide has a circle-equivalent diameter in a plane direction of 3 μm or less. 前記酸化グラフェンは、炭素原子総数(b)のうち、エポキシ基が結合している炭素原子の割合が10%以上であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体燃料電池用電解質。 4. The solid according to claim 1, wherein the graphene oxide has a carbon atom ratio of 10% or more in the total number of carbon atoms (b). Fuel cell electrolyte. 温度20℃、相対湿度20%の雰囲気下におけるプロトン伝導度が3.0×10-8S/cm以上であることを特徴とする、請求項1乃至4の何れか1項に記載の固体燃料電池用電解質。 5. The solid fuel according to claim 1, wherein the proton conductivity in an atmosphere of a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 20% is 3.0 × 10 −8 S / cm or more. Battery electrolyte. 固体燃料電池セル中に配置し、該固体燃料電池セルを、固体燃料電池セル中の相対湿度20%で動作させた時の短絡電流密度が4mA/cm2以上であることを特徴とする請求項5に記載の固体燃料電池用電解質。 The short-circuit current density is 4 mA / cm 2 or more when the solid fuel cell is disposed in a solid fuel cell and operated at a relative humidity of 20% in the solid fuel cell. 5. The electrolyte for a solid fuel cell according to 5. 上記固体燃料電池セル中に配置し、該固体燃料電池セルを、該固体燃料電池セル中の相対湿度20%で動作させた時の起電力が0.3V以上であることを特徴とする請求項5または6に記載の固体燃料電池用電解質。 The electromotive force when the solid fuel cell is disposed in the solid fuel cell and the solid fuel cell is operated at a relative humidity of 20% in the solid fuel cell is 0.3 V or more. 7. The electrolyte for a solid fuel cell according to 5 or 6. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の固体燃料電池用電解質を積層した固体燃料電池セル。 The solid fuel battery cell which laminated | stacked the electrolyte for solid fuel batteries of any one of Claims 1 thru | or 7. 前記電解質と電極が一体化されていることを特徴とする請求項8に記載の固体燃料電池セル。 The solid fuel battery cell according to claim 8, wherein the electrolyte and the electrode are integrated. 相対湿度30%以下で動作させる、請求項9に記載の固体燃料電池セル。 The solid fuel battery cell according to claim 9, which is operated at a relative humidity of 30% or less.
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