DE10296598T5

DE10296598T5 - Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt

Info

Publication number: DE10296598T5
Application number: DE10296598T
Authority: DE
Inventors: Yoichi Wako Asano; Masaaki Wako Nanaumi; Hiroshi Wako Sohma; Nagayuki Wako Kanaoka; Nobuhiro Wako Saito
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2004-04-22
Also published as: JP2002298867A; JP4221164B2; US20040096717A1; WO2002082572A1; CA2442686A1

Abstract

Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt umfassend ein Paar von Elektroden, die beide eine Katalysatorschicht haben, worin Katalysatorpartikel bestehend aus einem Katalysatorträger und einem Katalysator gestützt durch den Katalysatorträger durch ein ionenleitfähiges Polymerbindematerial integriert werden und eine polymere Elektrolytmembran, die zwischen die Elektroden auf den Seiten mit der Katalysatorschicht eingelegt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Elektrolytmembran einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C im Bereich von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹¹Pa hat, und das ionenleitfähige polymere Bindematerial, das die Katalysatorschicht bildet, einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der kleiner ist als der der polymeren Elektrolytmembran, und dass eine zusätzliche Pufferschicht umfassend ein ionenleitfähiges Polymermaterial mit einem dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C, der kleiner ist als der der polymeren Elektrolytmembran, aber größer ist als der des ionenleitfähigen polymeren Bindematerials der Katalysatorschicht, zwischen der polymeren Elektrolytmembran und der Katalysatorschicht von wenigstens einer der Elektroden bereitgestellt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt umfassend eine polymere Elektrolytmembran.
Grundlagen des Standes der Technik
Die Ölquelle wurde aufgebraucht, und zur selben Zeit wurden Umweltprobleme wie zum Beispiel globale Erwärmung aufgrund des Verbrauchs von fossilem Brennstoff zusehends ernst. Daher erregt eine Brennstoffzelle als saubere Energiequelle für Elektromotoren Aufmerksamkeit, die nicht von der Bildung von Kohlendioxid begleitet ist. Die Brennstoffzelle ist weit entwickelt, und einige Brennstoffzellen sind kommerziell einsatzfähig. Wenn die Brennstoffzelle in Fahrzeuge und Entsprechendes eingebaut wird, ist eine Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt bevorzugt, umfassend eine polymere Elektrolytmembran, weil sie leicht eine hohe Spannung und einen großen elektrischen Strom bereitstellt.
Die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt umfasst ein Paar von Elektroden, bestehend aus einer Brennstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode und einer polymeren Elektrolytmembran in der Lage zur Ionenleitung, die zwischen den Elektroden angebracht ist. Sowohl die Brennstoff- als auch die Sauerstoffelektrode hat eine Trägerschicht und eine Katalysatorschicht, und beide Elektroden stehen mit der polymeren Elektrolytmembran über die Katalysatorschicht in Verbindung. Die Katalysatorschicht umfasst Katalysatorpartikel bestehend aus einem Katalysatorträger und einem Katalysator, wie zum Beispiel Pt gestützt durch den Träger, die durch ein ionenleitfähiges polymeres Bindematerial integriert werden.
Wenn reduzierendes Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff oder Methanol in die Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gebracht wird, erreicht das reduzierende Gas die Katalysatorschicht durch die Trägerschicht, und Protonen werden durch die Tätigkeit des Katalysators erzeugt. Die Protonen werden von der Katalysatorschicht in die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode durch die polymere Elektrolytmembran übertragen.
Wenn oxidierendes Gas, wie zum Beispiel Luft oder Sauerstoff, in die Sauerstoffelektrode gebracht wird, während das reduzierende Gas in die Brennstoffelektrode gebracht wird, reagieren die Protonen mit dem oxidierenden Gas durch die Tätigkeit des Katalysators in der Katalysatorschicht auf der Seite der Sauerstoffelektrode, so dass Wasser erzeugt wird. Daher wird durch die Verbindung der Brennstoffelektrode mit der Sauerstoffelektrode mit einem Leiter elektrischer Strom erhalten.
Früher wurde in den Brennstoffzellen mit polymerem Elektrolyt ein Perfluoralkylensulfonsäurepolymer (z.B. Nafion (Produktname), hergestellt von DuPont) für die polymere Elektrolytmembran und das ionenleitfähige polymere Bindematerial in der Katalysatorschicht weit verbreitet verwendet. Das Perfluoralkylensulfonsäurepolymer wird sulfoniert, und folglich hat es eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit. Außerdem hat die Verbindung ebenso eine chemische Widerstandsfähigkeit wie ein Fluorcarbonharz. Jedoch hat die Verbindung das Problem, dass sie extrem teuer ist.
Daher wurde in den letzten Jahren eine polymere Elektrolytmembran mit niedrigem Preis vorgeschlagen, die kein Fluor in ihrer molekularen Struktur enthält oder eine verminderte Menge von Fluor enthält. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5403675 eine polymere Elektrolytmembran umfassend sulfoniertes steif-längliches Polyphenylen. Das sulfonierte steif-längliche Polyphenylen, das in der Beschreibung beschrieben ist, wird durch Reaktion eines Polymers, erhalten durch Polymerisieren einer aromatischen Verbindung, die eine Phenylenkette hat, mit einem Sulfonierungsmittel erhalten, um eine Sulfonsäuregruppe in das Polymer zu bringen.
Jedoch ist das sulfonierte steife Polyphenylen ungünstig, weil es einen größeren dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten als Index für die Härte als die Perfluoralkylensulfonsäurepolymerverbindung hat und weil es deshalb härter ist. Folglich kann ein ausreichendes Haftvermögen kaum zwischen der polymeren Elektrolytmembran und sowohl der Brennstoff- als auch der Sauerstoffelektrode erhalten werden, wenn eine polymere Elektrolytmembran umfassend das sulfonierte steife Polyphenylen als ein ionenleitfähiges polymeres Bindematerial verwendet wird und mit einer Katalysatorschicht umfassend das Perfluoralkylensulfonsäurepolymer laminiert werden soll. Daher werden Protonen, die sich durch die Grenzfläche zwischen der polymeren Elektrolytmembran und der Katalysatorschicht bewegen, inhibiert und erhöhen dadurch die Widerstandsüberspannung.
Offenbarung der Erfindung
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Probleme zu lösen und eine Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt bereitzustellen, die in der Lage ist, ein gutes Haftvermögen zwischen einer polymeren Elektrolytmembran, die einen größeren dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten hat, und Elektroden zu erreichen, die beide eine Katalysatorschicht haben, die aus einem ionenleitfähigen polymeren Bindematerial gemacht ist, das einen kleineren dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten hat. Es ist ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine billige Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt bereitzustellen, die in der Lage ist, den Anstieg der Widerstandsspannung zu unterdrücken.
Um diese Gegenstände zu erhalten, umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt ein Paar von Elektroden, die beide eine Katalysatorschicht umfassen, worin Katalysatorpartikel bestehend aus einem Katalysatorträger und einem Katalysator gestützt durch den Katalysatorträger durch ein ionenleitfähiges Polymerbindematerial integriert werden und eine polymere Elektrolytmembran, die zwischen die Elektroden auf den Seiten mit der Katalysatorschicht eingelegt ist; wobei die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt dadurch gekennzeichnet ist, dass die polymere Elektrolytmembran einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C im Bereich von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹¹ Pa hat, und das ionenleitfähige polymere Bindematerial, das die Katalysatorschicht bildet, einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der kleiner ist als der der polymeren Elektrolytmembran, und dass eine zusätzliche Pufferschicht umfassend ein ionenleitfähiges Polymermaterial mit einem dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C, der kleiner ist als der der polymeren Elektrolytmembran, aber größer ist als der des ionenleitfähigen polymeren Bindematerials der Katalysatorschicht, zwischen der polymeren Elektrolytmembran und der Katalysatorschicht von wenigstens einer der Elektroden bereitgestellt wird.
Da die Pufferschicht einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der zwischen denen der polymeren Elektrolytmembran und der Katalysatorschicht liegt, die aus dem ionenleitfähigen polymeren Bindematerial gemacht ist, kann sie in engem Kontakt mit sowohl der polymeren Elektrolytmembran als auch der Katalysatorschicht sein. Folglich kann die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt die Widerstandsüberspannung reduzieren, die an der Grenzfläche zwischen der polymeren Elektrolytmembran und der Katalysatorschicht gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung ist verwendbar, wenn ein ionenleitfähiges Material, das als polymere Elektrolytmembran verwendet wird, einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der um annähernd zwei Größenordnungen größer ist als ein ionenleitfähiges polymeres Bindematerial, das die Katalysatorschicht zu einem Film formt.
Daher wird in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt ein Perfluoralkylensulfonsäurepolymer als das ionenleitfähige polymere Bindematerial verwendet. Wenn das Perfluoralkylensulfonsäurepolymer in einen Film überführt wird, hat es einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C von annähernd 6,5 × 10⁷ Pa.
Auf der anderen Seite wird ein ionenleitfähiges Material für die polymere Elektrolytmembran verwendet, das einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C im Bereich von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹¹ Pa hat. Ein Beispiel für das ionenleitfähige Material, das für die polymere Elektrolytmembran verwendet wird, schließt ein sulfoniertes Polyarylen ein, das ein Copolymer ist, bestehend aus 30 bis 95 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) repräsentiert wird, und 70 bis 5 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) repräsentiert wird, und das Sulfonsäuregruppen als Seitenketten hat:
wobei Ar eine Arylgruppe repräsentiert und X einen Typ divalenter elektronenanziehender Gruppen repräsentiert, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -CO-, -CONH-, -(CF₂)_p- (wobei p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist), -C(CF₃)-, -COO-, -SO- und -SO₂; und
wobei X dieselbe Bedeutung wie in Formel (1) hat und jedes X identisch oder verschieden sein kann, und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.
Die Sulfonsäuregruppe wird nicht in einen aromatischen Ring gleich neben einer elektronenanziehenden Gruppe gebracht, sondern sie wird nur in einen aromatischen Ring gebracht, der nicht gleich daneben liegt. Folglich wird in das sulfonierte Polyarylen die Sulfonsäuregruppe nur in einen aromatischen Ring gebracht, der durch Ar in der aromatischen Verbindungseinheit repräsentiert wird, die durch Formel (1) repräsentiert wird.
Daher kann die Menge der eingebrachten Sulfonsäuregruppen, d.h. die Ionenaustauschkapazität, durch Veränderung des molaren Verhältnisses zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch Formel (1) repräsentiert wird, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch Formel (2) repräsentiert wird, verändert werden.
Es soll angemerkt werden, dass die Sulfonsäuregruppen nicht notwendigerweise in alle aromatische Ringe der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (1) repräsentiert wird, gebracht werden. Es kann ebenso möglich sein, dass durch Veränderung der Sulfonierungsbedingungen Sulfonsäuregruppen nicht in einige der aromatischen Ringe, die durch Formel (1) repräsentiert werden, gebracht werden.
Wenn die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) repräsentiert wird, weniger als 30 mol-% ist und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (2) repräsentiert wird, 70 mol-% überschreitet, kann eine Ionenaustauschkapazität in dem sulfonierten Polyarylen, die für die polymere Elektrolytmembran notwendig ist, nicht erhalten werden. Wenn im Gegensatz die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) repräsentiert wird, 95 mol-% überschreitet und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (2) repräsentiert wird, weniger als 5 mol-% ist, ist die Menge der eingebrachten Sulfonsäuregruppen übermäßig, und die molekulare Struktur schwächt sich dadurch ab.
Das sulfonierte Polyarylen enthält kein Fluor in seiner molekularen Struktur oder enthält Fluor nur als elektronenanziehende Gruppe, wie oben beschrieben. Folglich hat es einen niedrigen Preis und kann die Kosten der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt reduzieren.
Ein Copolymer, das durch die folgende Formel (3) repräsentiert wird, ist ein Beispiel für das sulfonierte Polyarylen:
Außerdem kann ein sulfoniertes Polyetheretherketonpolymer ebenso anstatt des sulfonierten Polyarylens verwendet werden.
Ein Beispiel des ionenleitfähigen Materials, das die Pufferschicht bildet, schließt ein sulfoniertes Polyarylen ein, das ein Copolymer ist, bestehend aus 50 bis 70 mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (1) repräsentiert wird, und 50 bis 30 mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (2) repräsentiert wird, und das Sulfonsäuregruppen als Seitenketten hat.
Wenn die aromatische Verbindungseinheit, die durch die Formel (1) repräsentiert wird, weniger als 30 mol-% ist und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (2) repräsentiert wird, 70 mol-% überschreitet, kann in dem sulfonierten Polyarylen eine Ionenaustauschkapazität, die für das ionenleitfähige Material benötigt wird, nicht erreicht werden. Wenn im Gegensatz die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) repräsentiert wird, 95 mol-% überschreitet und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (2) repräsentiert wird, kleiner als 5 mol-% ist, dann steigt die Menge der eingebrachten Sulfonsäuregruppen, wie oben beschrieben, und schwächt dadurch die molekulare Struktur.
Ein Copolymer, das durch die folgende Formel (4) repräsentiert wird, kann als ein Beispiel für das sulfonierte Polyarylen verwendet werden:
Beispiele des ionenleitfähigen Materials, das die Pufferschicht bildet, können entweder ein sulfoniertes Polyetheretherketonpolymer, das durch die folgende Formel (5) repräsentiert wird, oder ein Perfluoralkylensulfonsäurepolymer einschließen:
Um ein gutes Haftvermögen der Pufferschicht an die Katalysatorschicht zu erhalten, hat das ionenleitfähige Material, das die Pufferschicht bildet, vorzugsweise einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C innerhalb des Bereiches von 1/2 zu 1/1000 derjenigen der polymeren Elektrolytmembran.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine veranschaulichende Schnittdarstellung der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist eine veranschaulichende Darstellung eines Gerätes zur Messung des Q-Wertes der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt, die in 1 gezeigt ist;
3 ist ein Diagramm, das ein Messbeispiel des Q-Wertes mit dem Gerät aus 2 zeigt; und
4 ist ein Diagramm, dass die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C der polymeren Elektrolytmembran und desjenigen der Pufferschicht und dem Q-Wert zeigt.
Beste Ausführungsform zur Ausführung der Erfindung
Weiterhin wird als nächstes die erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen unten im Detail erklärt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt der vorliegenden Ausführungsform eine polymere Elektrolytmembran 1, die zwischen eine Sauerstoffelektrode 2 und eine Brennstoffelektrode 3 eingelegt ist. Sowohl die Sauerstoffelektrode 2 als auch die Brennstoffelektrode 3 umfasst eine Trägerschicht 4 und eine Katalysatorschicht 5, die auf der Trägerschicht 4 gebildet wird, und sie umfasst weiterhin eine Pufferschicht 6 zwischen der Katalysatorschicht 5 und der polymeren Elektrolytmembran 3.
Jede Trägerschicht 4 umfasst einen Separator 7, der an die Aussenseite davon angeheftet ist. Der Separator 7 der Sauerstoffelektrode 2 umfasst einen Sauerstoffdurchgang 2a auf der Seite der Trägerschicht 4, durch den sauerstoffhaltiges Gas, wie z.B. Luft, strömt. Der Separator 7 der Brennstoffelektrode 3 umfasst einen Brennstoffdurchgang 3a auf der Seite der Trägerschicht 4, durch den Brennstoffgas, wie z.B. Wasserstoff, strömt.
In der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt wird als polymere Elektrolytmembran 1 ein sulfoniertes Polyarylen verwendet, das durch die Reaktion eines Polyarylenpolymers bestehend aus 30 bis 95 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) repräsentiert wird, und 70 bis 5 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) repräsentiert wird, mit konzentrierter Schwefelsäure zur Sulfonierung erhalten wird, so dass eine Sulfonsäuregruppe in eine ihrer Seitenketten gebracht wird. Das sulfonierte Polyarylen hat einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C im Bereich von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹¹ Pa:
wobei Ar eine Arylgruppe repräsentiert und X einen Typ divalenter elektronenanziehender Gruppen repräsentiert, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -CO-, -CONH-, -(CF₂)_p- (wobei p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist), -C(CF₃)-, -COO-, -SO- und -SO₂; und
wobei X dieselbe Bedeutung wie in Formel (1) hat und jedes X identisch oder verschieden sein kann, und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.
Ein Beispiel eines Monomers, das der Formel (1) entspricht, schließt 2,5-Dichlor-4'-phenoxybenzophenon ein. Beispiele eines Monomers, die der Formel (2) entsprechen, schließen 4,4'-Dichlorbenzophenon und 4,4'-Bis(4-chlorbenzoyl)diphenylether ein.
Die polymere Elektrolytmembran 1 ist ein trockener Film mit der gewünschten Dicke, der durch Lösung des sulfonierten Polyarylens in einem Lösungsmittel, wie zum Beispiel N-Methylpyrrolidon und dann durch Ausführung des Gussverfahrens auf das dadurch erhaltene Produkt hergestellt wird.
In der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt besteht die Trägerschicht 4 von sowohl der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3 aus einem Kohlepapier und einer Substratschicht. Die Substratschicht wird zum Beispiel gebildet, indem Karbonschwarz und Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem bestimmten Gewichtsverhältnis gemischt werden, die erhaltene Mischung in einem organischen Lösungsmittel, wie zum Beispiel Ethylenglykol, gleichmäßig dispergiert wird, so dass eine Aufschlämmung erhalten wird, und die Aufschlämmung auf eine Seite des Kohlepapiers gebracht wird, gefolgt von Trocknen.
Außerdem umfasst die Katalysatorschicht 5 Katalysatorpartikel, die zum Beispiel aus einem Katalysator, wie zum Beispiel Platin, gestützt durch einen Katalysatorträger, wie zum Beispiel Karbonschwarz (Ofenschwarz) in einem bestimmten Gewichtsverhältnis bestehen. Die Katalysatorpartikel werden in einem bestimmten Gewichtsverhältnis mit einem ionenleitfähigen polymeren Bindematerial gleichmäßig gemischt, das durch Lösung eines Perfluoralkylensulfonsäurepolymers oder Entsprechendem in einem Lösungsmittel, wie zum Beispiel Isopropanol oder n-Propanol, erhalten wird, um eine Katalysatorpaste herzustellen. Die Katalysatorschicht 5 wird durch Siebdruck der Katalysatorpaste auf eine Substratschicht und dann Trocknen hergestellt, so dass eine bestimmte Platinmenge darauf behalten wird.
Die Trocknung wird ausgeführt, indem zum Beispiel bei 60°C für 10 Minuten getrocknet wird und dann bei 120°C vakuumgetrocknet wird. Das Perfluoralkylensulfonsäurepolymer hat einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffinzienten bei 110°C von annähernd 6,5 × 10⁷ Pa.
Außerdem ist die Pufferschicht 6 aus einem sulfonierten Polyarylen gemacht, welches durch Reaktion eines Polyarylenpolymers bestehend aus 50 bis 70 mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (1) repräsentiert wird und 50 bis 30 mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (2) repräsentiert wird mit konzentrierter Schwefelsäure zur Sulfonierung erhalten wird, so dass eine Sulfonsäuregruppe in eine ihrer Seitenketten gebracht wird. Das sulfonierte Polyarylen hat einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffinzienten bei 110°C im Bereich von annähernd 1,6 × 10¹⁰ bis 1,5 × 10¹⁰ Pa, welcher zwischen denen der polymeren Elektrolytmembran 1 und des ionenleitfähigen polymeren Bindematerials liegt, die in der Katalysatorschicht 5 enthalten ist.
Das sulfonierte Polyarylen wird in einem Lösungsmittel, wie zum Beispiel N-Methylpyrrolidon, gelöst, und das erhaltene Produkt wird dann auf die Katalysatorschicht 5 von sowohl der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3 gegossen, so dass die Pufferschicht 6 mit der gewünschten Dicke des trockenen Films erhalten werden kann.
Danach wird die polymere Elektrolytmembran 1, die zwischen die Pufferschichten 6 eingelegt ist, 6 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3, einer Heißpressung unterworfen, um die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt zu bilden. Die Heißpressung kann zum Beispiel ausgeführt werden, indem eine erste Pressung bei 80°C bei 5 MPa für 2 Minuten und eine zweite Pressung bei 160°C bei 4 MPa für eine Minute durchgeführt wird.
Als nächstes wird die vorliegende Erfindung weiter im Detail in den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben.
Beispiel 1
In dem vorliegenden Beispiel wurde ein sulfoniertes Polyarylen, das durch die folgende Formel (3) repräsentiert wird, zuerst in N-Methylpyrrolidon gelöst, und danach wurde eine polymere Elektrolytmembran 1 mit einer Dicke des trockenen Films von 50 μm und einer Ionenaustauschkapazität von 2,3 meq/g durch das Gussverfahren hergestellt.
Danach wurde Karbonschwarz mit Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Gewichtsverhältnis von Karbonschwarz : PTFE = 4 : 6 gemischt, und die Mischung wurde in Ethylenglycol gleichmäßig dispergiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Als nächstes wurde die erhaltene Aufschlämmung auf eine Seite eines Kohlepapiers gebracht, gefolgt von Trocknen, um eine Substratschicht zu erhalten. Dadurch wurde eine Trägerschicht 4 hergestellt, die aus dem Kohlepapier und der Substratschicht bestand.
Danach wurden die Katalysatorpartikel bestehend aus Platin gestützt durch Ofenschwarz in einem Gewichtsverhältnis von Ofenschwarz : Platin = 1 : 1 gleichmäßig mit einem ionenleitfähigen polymeren Bindematerial in einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikeln : Bindematerial = 8 : 5 gemischt, um eine Katalysatorpaste herzustellen. Das ionenleitfähige polymere Bindematerial wurde erhalten, indem ein Perfluoralkylensulfonsäurepolymer (Nafion (Produktname) von DuPont) in Isopropanol/n-Propanol gelöst wurde. Danach wurde die Katalysatorpaste auf die Substratschicht siebgedruckt, so dass 0,5 mg/cm² Platin darauf behalten wurden. Dann wurde eine Trocknung durchgeführt, um eine Katalysatorschicht 5 zu bilden. Die Trocknung der Katalysatorpaste wurde durchgeführt, indem bei 60°C für 10 Minuten getrocknet wurde und dann bei 120°C vakuumgetrocknet wurde.
Danach wurde ein sulfoniertes Polyetheretherketonpolymer, das durch die folgende Formel (5) repräsentiert wird, in N-Methylpyrrolidon gelöst, und das gelöste Produkt wurde dann auf die Katalysatorschicht 5 von sowohl der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3 gegossen, um eine Pufferschicht 6 mit einer Dicke des trockenen Films von 5 μm und einer Ionenaustauschkapazität von 1,5 meq/g zu bilden.
Danach wurde die polymere Elektrolytmembran 1, die zwischen die Pufferschichten 6 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 eingelegt war, einer Heißpressung unterworfen, um eine Brennstoffzelle mit einem polymeren Elektrolyt, die in 1 gezeigt ist, zu bilden. Die Heißpressung wurde durchgeführt, indem eine erste Pressung bei 80°C bei 5 MPa für 2 Minuten und dann eine zweite Pressung bei 160°C bei 4 MPa für 1 Minute ausgeführt wurde.
Die dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten der polymeren Elektrolytmembran 1 und der Pufferschicht 6 wurden im Zugmodus mit einem Viskoelastizitätsanalysator-RSAII (Produktname; Rheometric Science, Inc) gemessen. Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient wurde definiert als der Wert, der bei 110°C unter den Bedingungen einer Frequenz von 10 Hz (62,8 rad/Sekunde), einer Verzerrung von 0,05% in einem Stickstoffstrom und innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen Raumtemperatur und 350°C gemessen wurde. Als Ergebnis im vorliegenden Beispiel war der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der polymeren Elektrolytmembran 1 4 × 10¹⁰ Pa, und der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 war 1,5 × 10⁹ Pa.
Wie oben beschrieben, hatte das Perfluoralkylensulfonsäurepolymer, das für das ionenleitfähige polymere Bindematerial in der Katalysatorschicht 5 verwendet wurde, einen dynamische Viskoelastizitätskoeffizienten von annähernd 6,5 × 10⁷ Pa.
Darauf wurde das elektrische Potenzial, das durch die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des vorliegenden Beispiels erzeugt wurde, und der Q-Wert als ein Index des Haftvermögens der polymeren Elektrolytmembran 1 an der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 gemessen.
Das elektrische Potenzial wurde wie folgt gemessen: Bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm² wurde das Zellenpotenzial unter den Energiegewinnungsbedingungen eines Druckes von 100 kPa sowohl in der Sauerstoffelektrode 2 als auch in der Brennstoffelektrode 3, einem Verwertungsgrad von 50%, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % und einer Temperatur von 85°C gemessen. Das Zellenpotenzial wurde als ein elektrisches Potenzial definiert. Das elektrische Potenzial, das durch die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des vorliegenden Beispiels erzeugt wurde, war 0,70 V. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Auf der anderen Seite wurde der Q-Wert unter Verwendung des Gerätes gemessen, das in 2 gezeigt ist. Das Gerät aus 2 ist so konfiguriert, dass eine Elektrode 11, die eine identische Struktur mit der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 aus 1 hatte, nur auf einer einzelnen Seite der polymeren Elektrolytmembran 1 bereitgestellt wurde, und dass das daher erhaltene Produkt unten in einen Tank 12 gebracht wurde, um die Polymerelektrolytmembran 1 mit der Elektrode 11 mit einer wässrigen Schwefelsäurelösung 13 mit pH 1 in Kontakt zu bringen, die in den Tank 12 gefüllt war. Das Gerät aus 2 umfasst eine Referenzelektrode 14 und eine Kontrollelektrode 15, die in die wässrige Schwefelsäurelösung 13 getaucht waren. Sowohl die Referenzelektrode 14, die Kontrollelektrode 15 als auch die Trägerschicht 4 der Elektrode 11 wurde mit einem Potentiostaten 16 verbunden. Außerdem umfasst die Elektrode 11 einen Gasdurchgang 11a, der einem Sauerstoffdurchgang 2a der Sauerstoffelektrode 2 oder einem Brennstoffdurchgang 3a der Brennstoffelektrode 3, wie in 1 gezeigt, entspricht. Daher ist die Elektrode 11 so konfiguriert, dass sie frei in Kontakt mit Stickstoffgas kommt, das durch die Gaspassage 11a zugeführt wird.
Wenn in dem Gerät aus 2 durch den Potentiostaten 16 eine Spannung an den Punkt zwischen der Trägerschicht 4 und der wässrigen Schwefelsäurelösung 13 angelegt wird, erreichen Protonen, die in der wässrigen Schwefelsäurelösung 13 vorhanden sind, die Elektrode 11 durch die polymere Elektrolytmembran 1, um von dort Elektronen zu erhalten. Dass heißt, dass Protonen mit der Platinoberfläche in der Katalysatorschicht 5 in Kontakt kommen, so dass Elektronen vom Platin auf die Protonen übertragen werden. Im Gerät aus 2 ist die Platinmenge in der Katalysatorschicht 5 der Elektrode 11 0,5 g/cm².
Wenn im Gegensatz eine Umkehrspannung daran angelegt wird, werden Elektronen von Wasserstoffatomen übertragen, die sie an Platin adsorbieren, und die Elektronen diffundieren als Protonen in die wässrigen Schwefelsäurelösung.
Wenn daher die Spannung von –0,5 V bis 1 V, wie in 3 dargestellt abgerastert wird, kann ein Q-Wert aus der Spitzenregion der Adsorptionsseite von Protonen erhalten werden. Hierbei zeigt der Q-Wert die Ladungsmenge (C/cm²) pro Fläche der Elektrode 11. Da dieser Wert groß ist, zeigt er ein hohes Haftvermögen der Elektrode an der polymeren Elektrolytmembran an.
In der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des vorliegenden Beispiels war der Q-Wert 0,091. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C zwischen der polymeren Elektrolytmembran 1 und der Pufferschicht 6 (Pufferschicht 6/polymere Elektrolytmembran 1; nachstehend als ein dynamisches Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis abgekürzt) und dem Q- Wert sind in 4 gezeigt.
Beispiel 2
Im vorliegenden Beispiel wurde die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt aus 1 vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass ein sulfoniertes Poyarylen, das durch die folgende Formel (4) repräsentiert wird, zur Herstellung einer Pufferschicht 6 verwendet wurde, die eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 meq/g hatte.
Danach wurde der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 und das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 des vorliegenden Beispiels war 1,5 × 10¹⁰ Pa. Außerdem war in dem vorliegenden Beispiel das elektrische Potenzial der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt 0,74 V, und der Q-Wert war 0,1. Darüber hinaus war die polymere Elektrolytmembran 1 des vorliegenden Beispiels identisch zu der aus Beispiel 1, und ihr dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C war 4 × 10¹⁰ Pa.
Die Messergebnisse des erzeugten elektrischen Potenzials sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Beziehung zwischen dem dynamische Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis und dem Q-Wert sind in 4 gezeigt.
Beispiel 3
Im vorliegenden Beispiel wurde die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt aus 1 vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass ein Perfluoralkylensulfonsäurepolymer (Flemion (Produktname) von Asahi Glass Co., Ltd.) verwendet wurde, um die Pufferschicht 6 herzustellen.
Danach wurde der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 und das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 des vorliegenden Beispiels war 7,0 × 10⁷ Pa. Im vorliegenden Beispiel war das elektrische Potenzial 0,70 V, und der Q-Wert war 0,11. Darüber hinaus war die polymere Elektrolytmembran 1 des vorliegenden Beispiels identisch zu der aus Beispiel 1, und ihr dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C war 4 × 10¹⁰ Pa.
Die Messergebnisse des erzeugten elektrischen Potenzials sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Beziehung zwischen dem dynamischen Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis und dem Q-Wert sind in 4 gezeigt.
Beispiel 4
Im vorliegenden Beispiel wurde die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt aus 1 vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass das sulfonierte Polyarylen, das durch die Formel (4) repräsentiert wird, zur Herstellung einer polymeren Elektrolytmembran 1 verwendet wurde, die eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 meq/g hatte.
Danach wurde das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des vorliegenden Beispiels waren 0,76 V bzw. 0,1. Darüber hinaus war die polymere Elektrolytmembran 1 des vorliegenden Beispiels identisch zu der Pufferschicht 6 aus Beispiel 2, und ihr dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C war 1,5 × 10¹⁰ Pa. Weiterhin war die Pufferschicht 6 des vorliegenden Beispiels identisch zu der aus Beispiel 1, und ihr dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C war 1,5 × 10⁹ Pa.
Die Messergebnisse des erzeugten elektrischen Potenzials sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Beziehung zwischen dem dynamischen Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis und dem Q-Wert ist in 4 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 1
Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt aus 1 vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass eine Pufferschicht 6 nicht bereitgestellt wurde.
Danach wurde das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen.
Das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des vorliegenden Vergleichsbeispiels waren 0,62 V bzw. 0,06. Darüber hinaus war die polymere Elektrolytmembran 1 des vorliegenden Vergleichsbeispiels identisch zu der aus Beispiel 1, und ihr dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C war 4 × 10¹⁰ Pa.
Die Messergebnisse des erzeugten elektrischen Potenzials sind in Tabelle 1 gezeigt. Da die Pufferschicht 6 in dem vorliegenden Vergleichsbeispiel nicht bereitgestellt wurde, konnte ihr dynamisches Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis nicht berechnet werden.
Vergleichsbeispiel 2
Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt aus 1 vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass eine Pufferschicht 6 mit einer Ionenaustauschkapazität von 1,5 meq/g unter Verwendung des sulfonierten Polyarylens, das durch die Formel (3) repräsentiert wird, hergestellt wurde.
Danach wurde der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 und das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt vollständig auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 des vorliegenden Vergleichsbeispiels war 6,5 × 10¹⁰ Pa. Das elektrische Potenzial und der Q-Wert der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des vorliegenden Vergleichsbeispiels waren 0,58 V bzw. 0,02. Darüber hinaus war die polymere Elektrolytmembran 1 des vorliegenden Vergleichsbeispiels identisch zu derjenigen aus Beispiel 1, und ihr dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C war 4 × 10¹⁰ Pa. Daher war der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 größer als der der polymeren Elektrolytmembran 1.
Die Messergebnisse des erzeugten elektrischen Potenzials sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Beziehung zwischen dem dynamischen Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis und dem Q-Wert ist in 4 gezeigt. Tabelle 1
In jeder der Brennstoffzellen mit polymerem Elektrolyt der Beispiele 1–4 war der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 kleiner als der der polymeren Elektrolytmembran 1, aber war größer als der des ionenleitfähigen polymeren Bindematerials in der Katalysatorschicht 5. Auf der anderen Seite war in der Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt des Vergleichsbeispiels 2 der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 größer als der der polymeren Elektrolytmembran 1. 4 zeigt deutlich, dass jede der Brennstoffzellen mit polymerem Elektrolyt der Beispiele 1–4 einen Q-Wert hatte, der größer war als der des Vergleichsbeispiels 2, und dass sie ein ausgezeichnetes Haftvermögen der polymeren Elektrolytmembran 1 an die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3 haben.
Außerdem zeigt Tabelle 1 deutlich, dass jede der Brennstoffzellen mit polymerem Elektrolyt der Beispiele 1–4, die ein ausgezeichnetes Haftvermögen der polymeren Elektrolytmembran 1 an die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3, wie oben beschrieben, hatten, ein elektrisches Potenzial erzeugen konnten, das größer war als das des Vergleichsbeispiels 1, das keine Pufferschicht 6 hatte, und als das aus Vergleichsbeispiel 2, in dem der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Pufferschicht 6 größer war als der der polymeren Elektrolytmembran 1.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Pufferschicht 6 sowohl in der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3 bereitgestellt. Jedoch kann sie entweder in der einen oder in der anderen bereitgestellt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann als eine Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt verwendet werden, die in Fahrzeuge und Entsprechendes eingebaut wird.
3
#1 Stromdichte
#2 Elektrisches Potenzial (V)
#3 Ladung
4
#1 Q-Wert (C/cm²)
#2 Dynamisches Viskoelastizitätskoeffizientenverhältnis
#3 Vergleichsbeispiel 2
#4 Beispiel 3
#5 Beispiel 4
#6 Beispiel 2
#7 Beispiel 1
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt bereit, die umfasst: Ein Paar von Elektroden 2 und 3, die beide eine Katalysatorschicht 5 haben, wobei Katalysatorpartikel bestehend aus einem Katalysatorträger und einem Katalysator gestützt durch den Träger durch ein ionenleitfähiges polymeres Bindematerial integriert sind; und eine polymere Elektrolytmembran 1, die zwischen die Elektroden 2 und 3 auf ihren Seiten mit der Katalysatorschicht 5 eingelegt ist. Die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt umfasst: Die polymere Elektrolytmembran 1, die einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C im Bereich von 1 × 10⁹ bis 1 x 10¹¹ Pa hat; und die Katalysatorschicht 5, die aus dem ionenleitfähigen Polymerbindematerial gemacht ist, das einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der kleiner ist als die polymere Elektrolytmembran 1. Die Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt umfasst weiterhin eine Pufferschicht 6, umfassend ein ionenleitfähiges Material, das einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der kleiner ist als die polymere Elektrolytmembran 1, aber größer ist als der des ionenleitfähigen polymeren Bindematerials der Katalysatorschicht 5, und die zwischen der polymeren Elektrolytmembran 1 und der Katalysatorschicht 5 jeder der Elektroden 2 und 3 bereitgestellt wird.

Claims

Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt umfassend ein Paar von Elektroden, die beide eine Katalysatorschicht haben, worin Katalysatorpartikel bestehend aus einem Katalysatorträger und einem Katalysator gestützt durch den Katalysatorträger durch ein ionenleitfähiges Polymerbindematerial integriert werden und eine polymere Elektrolytmembran, die zwischen die Elektroden auf den Seiten mit der Katalysatorschicht eingelegt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Elektrolytmembran einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C im Bereich von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹¹Pa hat, und das ionenleitfähige polymere Bindematerial, das die Katalysatorschicht bildet, einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C hat, der kleiner ist als der der polymeren Elektrolytmembran, und dass eine zusätzliche Pufferschicht umfassend ein ionenleitfähiges Polymermaterial mit einem dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C, der kleiner ist als der der polymeren Elektrolytmembran, aber größer ist als der des ionenleitfähigen polymeren Bindematerials der Katalysatorschicht, zwischen der polymeren Elektrolytmembran und der Katalysatorschicht von wenigstens einer der Elektroden bereitgestellt wird.
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige polymere Bindematerial aus einem Perfluoralkylensulfonsäurepolymer besteht.
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Elektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, bestehend aus 30 bis 95 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) repräsentiert wird, und 70 bis 5 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) repräsentiert wird, und das Sulfonsäureseitenkettengruppen hat:
wobei Ar eine Arylgruppe repräsentiert und X einen Typ divalenter elektronenanziehender Gruppen repräsentiert, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -CO-, -CONH-, -(CF₂)_p- (wobei p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist), -C(CF₃)-, -COO-, -SO- und -SO₂; und
wobei X dieselbe Bedeutung wie in Formel (1) hat und jedes X identisch oder verschieden sein kann, und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Elektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (3) repräsentiert wird:
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige Material, das die Pufferschicht bildet, ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, bestehend aus 50 bis 70 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) repräsentiert wird und 50 bis 30 mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) repräsentiert wird, und das Sulfonsäuregruppen in Seitenketten hat:
wobei Ar eine Arylgruppe repräsentiert und X einen Typ divalenter elektronenanziehender Gruppen repräsentiert, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -CO-, -CONH-, -(CF₂)_p- (wobei p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist), -C(CF₃)-, -COO-, -SO- und -SO₂; und
wobei X dieselbe Bedeutung wie in Formel (1) hat und jedes X identisch oder verschieden sein kann, und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige Material, das die Pufferschicht bildet, ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (4) repräsentiert wird:
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige Material, das die Pufferschicht bildet, ein sulfoniertes Polyetheretherketon umfasst, das durch die folgende Formel (5) repräsentiert wird:
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige Material, das die Pufferschicht bildet, ein Perfluoralkylensulfonsäurepolymer umfasst.
Brennstoffzelle mit polymerem Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige Material, das die Pufferschicht bildet, einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C innerhalb des Bereiches von 1/2 bis 1/1000 desjenigen der polymeren Elektrolytmembran hat.