DE10296599B4 - Polymerelektrolytbrennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereit, welche nicht teuer ist und eine ausgezeichnete Effizienz zur Erzeugung von elektrischer Energie aufweist, in dem ein zu einem Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer alternatives Material verwendet wird. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst ein Elektrodenpaar (2, 3), welches aus einer Sauerstoffelektrode (2) und einer Brennstoffelektrode (3) besteht, welche beide eine Katalysatorschicht (5) aufweisen, die einen Katalysator und ein ionenleitendes Material enthält; und eine Polymerelektrolytmembran (1), die sich zwischen den zwei Katalysatorschichten (5) der beiden Elektroden (2, 3) befindet. Das obige ionenleitende Material, das in der obigen Polymerelektrolytmembran (1) oder in der Katalysatorschicht (5) von mindestens einer der obigen Elektroden (2, 3) enthalten ist, umfasst ein sulfoniertes Polyarylen mit Sulfonsäure-Seitenkettengruppen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, umfassend eine Polymerelektrolytmembran.
  • Stand der Technik
  • Die Ölquellen gehen zur Neige und gleichzeitig sind Umweltprobleme wie eine globale Erwärmung durch den Verbrauch von fossilen Brennstoffen zunehmend ernster geworden. Somit besteht Interesse an einer Brennstoffzelle als saubere Energiequelle für Elektromotoren, welche nicht mit der Bildung von Kohlendioxid einhergeht. Eine solche Brennstoffzelle wurde weitreichend entwickelt und manche Brennstoffzellen wurden kommerziell anwendbar. Wenn die genannte Brennstoffzelle in Fahrzeugen und dgl. eingebaut wird, wird vorzugsweise eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfassend eine Polymerelektrolytmembran verwendet, da sie leicht eine hohe Spannung und einen starken elektrischen Strom liefert.
  • Die obige Brennstoffzelle des Polymertyps umfasst ein Elektrodenpaar, das aus einer Brennstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode besteht und eine Polymerelektrolytmembran, die in der Lage ist, Ionen zu leiten, welche sich zwischen den Elektroden befindet. Jede der obigen Brennstoff- und Sauerstoffelektroden weist eine Trägerschicht und eine Katalysatorschicht auf, und die obige Polymerelektrolytmembran befindet sich zwischen den obigen Katalysatorschichten beider Elektroden. Die obige Katalysatorschicht umfasst Katalysatorpartikel, welche gebildet werden, indem Katalysatoren wie Pt, die durch Katalysatorträger getragen werden, mittels ionenleitende Bindemittel vereinigt werden.
  • Wenn Reduktionsgas wie Wasserstoff oder Methanol in die Brennstoffelektrode der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle eingeführt wird, erreicht das obige Reduktionsgas die obige Katalysatorschicht durch die obige Trägerschicht, und durch die Wirkung des obigen Katalysators werden Protonen erzeugt. Die Protonen werden von der obigen Katalysatorschicht durch die obige Polymerelektrolytmembran zu der Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode transportiert.
  • Wenn Oxidationsgas wie Luft oder Sauerstoff in die obige Sauerstoffelektrode eingeführt wird, während das obige Reduktionsgas in die obige Brennstoffelektrode eingeführt wird, reagieren die obigen Protonen mit dem obigen Oxidationsgas durch die Wirkung des obigen Katalysators in der Katalysatorschicht an der Seite der obigen Sauerstoffelektrode, sodass Wasser gebildet wird. Somit wird ein elektrischer Strom erhalten, indem die Brennstoffelektrode über einen Leiter mit der Sauerstoffelektrode verbunden wird.
  • Bisher wurde in den Polymerelektrolytbrennstoffzellen ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer (z. B. Nation (Produktname), hergestellt von DuPont) weitverbreitet für die obige Polymerelektrolytmembran und das ionenleitende Bindemittel in der obigen Katalysatorschicht verwendet. Das Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer ist sulfoniert und demgemäss weist es eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit auf. Darüber hinaus weist die Verbindung als Fluorkohlenstoffharz auch eine chemische Beständigkeit auf. Jedoch besitzt die Verbindung das Problem, dass sie extrem teuer ist.
  • Somit wurde kürzlich ein billiges Material vorgeschlagen, welches in seiner Molekülstruktur kein Fluor oder eine verringerte Menge an Fluor enthält. Zum Beispiel offenbart die Beschreibung des U.S.-Patentes Nr. 5,403,675 A eine Polymerelektrolytmembran umfassend sulfoniertes hartes Polyphenylen. Das in der obigen Beschreibung beschriebene sulfonierte harte stabförmige Polyphenylen wird erhalten, indem ein Polymer, welches durch Polymerisation einer aromatischen Verbindung mit einer Phenylenkette erhalten wird, mit einem Sulfonierungsmittel umgesetzt wird, um eine Sulfonsäuregruppe in das Polymer einzuführen.
  • Jedoch ist es schwierig, mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die ein billiges Material wie das obige sulfonierte harte Polyphenylen umfasst, die gleiche Energieerzeugungseffizienz zu erhalten, wie es bei Verwendung des obigen Perfluoralkylensulfonsäure-Polymers der Fall ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Probleme zu lösen und eine nicht teure Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit einer ausgezeichneten Energieerzeugungseffizienz bereitzustellen, indem ein zu dem Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer alternatives Material verwendet wird.
  • Um die obige Aufgabe zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Elektrodenpaar, das aus einer Sauerstoffelektrode und einer Brennstoffelektrode besteht, die beide eine Katalysatorschicht aufweisen, die einen Katalysator und ein ionenleitendes Material enthalten, und eine Polymerelektrolytmembran umfasst, welche sich zwischen den Katalysatorschichten beider Elektroden befindet; wobei das obige ionenleitende Material, das in der obigen Polymerelektrolytmembran oder in der Katalysatorschicht von mindestens einer der obigen Elektroden umfasst ist, ein sulfoniertes Polyarylen mit Sulfonsäure-Seitenkettengruppen umfasst.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen enthält in seiner Molekülstruktur kein Fluor oder Fluor nur als Elektronen-abziehende Gruppe, wie oben beschrieben, und demgemäss ist es billig. Somit ermöglicht die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung des obigen sulfonierten Polyarylens eine Kostenverringerung, wobei billige Polymerelektrolytbrennstoffzellen erhalten werden.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen ist ein Copolymer, das aus 30 bis 95 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt:
    Figure DE000010296599B4_0002
    worin Ar eine Arylgruppe darstellt und X eine Art divalente Elektronen-anziehende Gruppe darstellt, die ausgewählt ist 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
    Figure DE000010296599B4_0003
    worin X die gleiche Bedeutung hat wie das in Formel (1), jedes X gleich oder verschieden sein kann und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.
  • Hierin ist die Sulfonsäuregruppe nicht in einen aromatischen Ring neben der Elektronen-abziehenden Gruppe eingeführt, sondern sie ist nur in einen aromatischen Ring eingeführt, welcher daneben liegt. Demgemäss ist in dem oben erwähnten sulfonierten Polyarylen die Sulfonsäuregruppe nur in einen aromatischen Ring eingeführt, dargestellt durch Ar in der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist. Somit kann durch die Veränderung des Molverhältnisses zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch Formel (2) dargestellt ist, die Menge der eingeführten Sulfonsäuregruppe, also die Ionenaustauschkapazität, kontrolliert werden.
  • Wenn in dem obigen sulfonierten Polyarylen die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) dargestellt ist, weniger als 30 Mol-% beträgt und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (2) dargestellt ist, 70 Mol-% übersteigt, kann nicht die notwendige Ionenaustauschkapazität erhalten werden. Wenn hingegen die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) dargestellt ist, 95 Mol-% übersteigt und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (2) dargestellt ist, weniger als 5 Mol-% ist, erhöht sich die Menge der eingeführten Sulfonsäuregruppe und die Molekülstruktur wird dadurch geschwächt.
  • Wenn übrigens das obige sulfonierte Polyarylen als das obige ionenleitende Material verwendet wird, das die obige Polymerelektrolytmembran oder die obige Katalysatorschicht bildet, werden abhängig von dem Zweck verschiedene Aspekte betrachtet.
  • Nun wird im Folgenden der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • Verglichen mit dem obigen Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer weist das obige sulfonierte Polyarylen einen größeren dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten auf, welcher ein Zeichen für die Härte ist. Demgemäss kann, wenn eine Polymerelelektrolytmembran, die das sulfonierte Polyarylen umfasst, an eine Katalysatorschicht geschichtet werden soll, welche das Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer als ionenleitendes Bindemittel umfasst, zwischen der Polymerelektrolytmembran und den Brennstoff- und Sauerstoffelektroden kaum eine ausreichende Haftfähigkeit erhalten werden. Als Folge davon tritt insofern ein Problem auf, dass Protonen, die durch die Grenzfläche zwischen der Polymerelektrolyt-membran und der Katalysatorschicht wandern, behindert werden und dadurch die Widerstandsüberspannung erhöht wird.
  • Somit ist es in dem ersten Aspekt dass Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, welche eine gute Haftfähigkeit zwischen einer Polymerelektrolytmembran und Elektroden erhalten kann, wenn die Polymerelektrolytmembran umfassend das obige sulfonierte Polyarylen verwendet wird, wobei die Erhöhung der Widerstandsspannung unterdrückt wird.
  • Um die obige Aufgabe zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung im ersten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass: die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C in einem Bereich von 1 × 109 bis 1 × 1011 Pa aufweist und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt; und dass die obige Katalysatorschicht Katalysatorpartikel umfasst, die aus Katalysatorträgern und von den obigen Katalysatorträgern getragene Katalysatoren bestehen, die durch ionenleitende Bindemittel integriert sind, wobei der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C davon kleiner ist als der der obigen Polymerelektrolytmembran.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung wird eine Polymerelektrolytmembran verwendet, die einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C in einem Bereich von 1 × 109 bis 1 × 1011 Pa besitzt, und der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels in der obigen Katalysatorschicht wird ferner kleiner eingestellt, als der der obigen Polymerelektrolytmembran. Als Folge davon kann eine gute Haftfähigkeit zwischen der obigen Polymerelektrolytmembran und den Katalysatorschichten der obigen Elektroden erhalten werden. Demgemäss kann die Erhöhung der Widerstandsüberspannung, die zwischen der obigen Polymerelektrolyt-membran und den Elektroden erzeugt wird, unterdrückt werden, wobei eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz erhalten wird.
  • Als Beispiel der obigen Polymerelektrolytmembran kann ein Copolymer verwendet werden, das aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen enthält. Der Grund, wieso das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt wird, ist wie oben beschrieben.
  • Als spezielles Beispiel des sulfonierten Polyarylens, das in der obigen Polymerelektrolytmembran umfasst ist, schließt ein sulfoniertes Polyarylen ein, das durch die folgende Formel (3) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0004
  • Um eine gute Haftfähigkeit zwischen dem obigen ionenleitenden Bindemittel und der obigen Polymerelektrolytmembran zu erhalten, ist der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des obigen ionenleitenden Bindemittels vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1/2 bis 1/1000 desjenigen der obigen Polymerelektrolytmembran. Wenn der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des obigen ionenleitenden Bindemittels größer als 1/2 desjenigen der obigen Polymerelektrolytmembran ist, nimmt die Haftfähigkeit an die obige Polymerelektrolytmembran ab. Dahingegen wird, wenn der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des obigen ionenleitenden Bindemittels kleiner als 1/1000 desjenigen der obigen Polymerelektrolytmembran ist, der Härteunterschied zwischen dem obigen ionenleitenden Bindemittel und der obigen Polymerelektrolytmembran groß, sodass es sein kann, dass keine gute Haftfähigkeit erhalten wird.
  • Ein Beispiel des obigen ionenleitenden Bindemittels schließt ein sulfoniertes Polyarylen ein, das aus 50 bis 70 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 50 bis 30 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (4) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt:
    Figure DE000010296599B4_0005
    worin X die gleiche Bedeutung hat wie in Formel (1), jedes X gleich oder verschieden sein kann und a eine ganze Zahl von 2 oder größer ist.
  • In dem in dem obigen ionenleitenden Bindemittel verwendeten sulfonierten Polyarylen ist die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, die gleiche wie im Fall der obigen Polymerelektrolytmembran, aber die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, unterscheidet sich von der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, darin, dass a in der obigen Formel (4) eine ganze Zahl von 2 oder größer ist. Wenn a eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, weist das obige sulfonierte Polyarylen eine lange Polyetherkette auf und wird weicher als die obige Polymerelektrolytmembran.
  • Wenn in dem obigen sulfonierten Polyarylen die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) dargestellt ist, weniger als 50 Mol-% ist, und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (4) dargestellt ist, 50 Mol-% übersteigt, kann es sein, dass die erforderliche Ionenaustauschkapazität des obigen ionenleitenden Bindemittels nicht erhalten wird. Darüber hinaus nimmt die Menge der eingeführten Sulfonsäuregruppe zu, wenn die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (1) dargestellt ist, 70 Mol-% übersteigt, und die aromatische Verbindungseinheit, die durch Formel (4) dargestellt ist, weniger als 30 Mol-% ist, wobei die Molekülstruktur geschwächt wird.
  • Ein spezielles Beispiel des für das obige ionenleitende Bindemittel verwendeten sulfonierten Polyarylens schließt ein sulfoniertes Polyarylen, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist, oder dgl. ein:
    Figure DE000010296599B4_0006
  • Darüber hinaus kann für das obige ionenleitende Bindemittel anstelle des obigen sulfonierten Polyarylens ein Polyetheretherketon, das durch die folgende Formel (6) oder (7) dargestellt ist, verwendet werden:
  • Figure DE000010296599B4_0007
  • Ferner kann für das obige ionenleitende Bindemittel auch ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer verwendet werden.
  • Als Nächstes wird im Folgenden der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In U.S. Patent Nr. 5,403,675 A wird die Verwendung von sulfoniertem hartem Polyphenylen als Polymerelektrolytmembran offenbart. Jedoch wird vorgeschlagen, ein sulfoniertes Polyarylen wie das obige sulfonierte harte Polyphenylen nicht nur als die obige Polymerelektrolytmembran sondern auch als ionenleitendes Bindemittel in der obigen Katalysatorschicht zu verwenden. Indem das obige sulfonierte Polyarylen als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, wird angenommen, dass die Kosten weiter verringert werden könnten.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Verwendung eines sulfonierten Polyarylens als ionenleitendes Material, das in der Katalysatorschicht enthalten ist, verschiedentlich untersucht. Als Resultat haben sie gefunden, dass ein sulfoniertes Polyarylen wie das sulfonierte harte Polyphenylen, das in dem obigen U.S. Patent Nr. 5,403,675 A beschrieben ist, eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Beschichtung der obigen Katalysatorpartikel besitzt.
  • Wenn das in der obigen Beschreibung offenbarte sulfonierte harte Polyphenylen als ionenleitendes Bindemittel verwendet wird, das die Katalysatorschicht einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle bildet, wird angenommen, dass die Dreiphasengrenzfläche der Brennstoffzelle verstärkt wird und dass dadurch die Menge der erzeugten elektrischen Energie erhöht wird. Es sollte angemerkt werden, dass die obige Dreiphasengrenzfläche eine Grenzfläche zwischen Brennstoff- oder Oxidationsgas, dem obigen Katalysatorpartikel und dem obigen ionenleitenden Bindemittel in der obigen Katalysatorschicht bedeuten soll.
  • Jedoch nimmt nach den Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung die Menge der erzeugten elektrischen Energie nicht wie erwartet zu, obwohl das in der obigen Beschreibung offenbarte sulfonierte harte Polyphenylen als obiges ionenleitendes Bindemittel verwendet wird. Tatsächlich war die Menge an erzeugter elektrischer Energie kleiner als die einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, in welcher das obige Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wurde. Dies kann daran liegen, dass das in der obigen Beschreibung offenbarte sulfonierte harte Polyphenylen eine übermäßige Fähigkeit dafür besitzt, das obige Katalysatorpartikel zu beschichten und die obige Dreiphasengrenzfläche nimmt umgekehrt ab.
  • Somit ist in dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, welche die obige Dreiphasengrenzfläche verstärkt und ausgezeichnete Eigenschaften bei der Erzeugung von elektrischer Energie besitzt, wenn als ionenleitendes Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen verwendet wird.
  • Um das obige Ziel zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass: die obige Katalysatorschicht Katalysatorpartikel umfasst, die aus Katalysatorträgern und Katalysatoren, die durch die Katalysatorträger getragen werden, bestehen, welche durch Vereinigung mittels ionenleitender Bindemittel gebildet werden; und dass das obige ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle dieses Aspekts weist das obige Copolymer eine solche Molekülstruktur auf, dass ein Polymer aus einer Phenylenkette besteht, die erhalten wird, indem nur die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, polymerisiert wird, wobei die Phenylenkette von der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, unterteilt wird. Das obige Copolymer beschichtet die Oberfläche der obigen Katalysatorpartikel mäßig, wobei die obige Dreiphasengrenzfläche in der obigen Katalysatorschicht verstärkt wird. Somit ermöglicht die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt die Erhöhung der Menge an gebildeter elektrischer Energie und zeigt die gleiche Energieerzeugungseffizienz auf wie eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, bei welcher ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer verwendet wird. Bei dem obigen sulfonierten Polyarylen ist der Grund, wieso das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, wie oben beschrieben.
  • Damit es eine Ionenleitfähigkeit zeigt, muss das obige sulfonierte Polyarylen Wasser enthalten. Das obige ionenleitfähige Bindemittel enthält in einer Umgebung mit einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90% vorzugsweise 15 bis 40 Gew.-% Wasser. Wenn das Bindemittel weniger als 15 Gew.-% Wasser enthält, kann es keine Ionenleitfähigkeit erhalten, wenn das jedoch Bindemittel mehr als 40 Gew.-% Wasser enthält, diffundiert Brennstoff- oder Oxidationsgas kaum in die obige Katalysatorschicht.
  • Darüber hinaus weist das obige ionenleitende Bindemittel vorzugsweise eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g auf. Wenn die Ionenaustauschkapazität weniger als 1,9 meq/g ist, kann es sein, dass keine ausreichende Energieerzeugungseffizienz erhalten wird, wenn sie jedoch mehr als 2,4 meq/g beträgt, nimmt die Menge an Sulfonsäuregruppen in dem obigen sulfonierten Polyarylen zu, wobei die Molekülstruktur geschwächt wird.
  • Um ferner die obige Dreiphasengrenzfläche in der obigen Katalysatorschicht zu verstärken, beschichtet das obige ionenleitende Bindemittel vorzugsweise 80 m2/g oder mehr des Oberflächenbereichs eines durch den obigen Katalysatorträger getragenen Katalysators. Wenn der durch das obige ionenleitende Bindemittel beschichtete Oberflächenbereich des obigen Katalysators kleiner als 80 m2/g ist, kann es sein, dass keine ausreichende Energieerzeugungseffizienz erhalten wird.
  • Um ihre Energieerzeugungseffizienz zu verbessern, ist in der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle erwünscht, dass die obigen Elektroden an gegenüber der obigen Polymerelektrolytmembran stark haftfähig sind. Somit ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass die obige Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol.-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol.-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt.
  • Folglich sind sowohl das ionenleitende Bindemittel, das die obige Katalysatorschicht bildet, als auch die obige Polymerelektrolytmembran aus der gleichen Art von Harz zusammengesetzt, sodass zwischen den obigen Elektroden und der obigen Polymerelektrolytmembran eine ausgezeichnete Haftfähigkeit erhalten werden kann. Der Grund, weshalb das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, ist wie oben beschrieben.
  • In dem vorliegenden Aspekt kann insbesondere das durch die obige Formel (3) dargestellte sulfonierte Polyarylen oder dgl. als das obige ionenleitende Bindemittel oder die obige Polymerelektrolytmembran verwendet werden.
  • Da das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, um die obigen Katalysatorpartikel, wie oben beschrieben, zu beschichten, diffundiert Brennstoff- oder Oxidationsgas kaum in die obige Katalysatorschicht, wenn die spezifische Oberfläche eines Katalysatorträgers klein ist. Damit Brennstoff- oder Oxidationsgas leicht in die obige Katalysatorschicht diffundiert, ist der obige Katalysatorträger somit vorzugsweise Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 800 m2/g oder größer.
  • Als Nächstes wird im Folgenden der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • Da das obige sulfonierte Polyarylen eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Beschichtung von Katalysatorpartikeln besitzt, wird, wie oben dargelegt, angenommen, dass die Verwendung des Polymers als ionenleitendes Bindemittel, das die obige Katalysatorschicht bildet, die obige Dreiphasengrenzfläche verstärkt, wobei die Menge an erzeugter elektrischer Energie erhöht wird.
  • Jedoch weist das obige sulfonierte Polyarylen eine lineare Molekülstruktur auf. Wenn solche Polymere in gleicher Länge und Richtung angeordnet sind, bildet sich kaum ein Zwischenraum zwischen benachbarten Molekülen. Wenn das obige Katalysatorpartikel durch das sulfonierte Polyarylen beschichtet wird, ist es demgemäss wahrscheinlich, dass die Poren eines Katalysatorträgers, welcher in poröser Form vorliegt, blockiert werden. Wenn die Poren des obigen Katalysatorträgers blockiert werden, nimmt die Diffusionsfähigkeit des obigen Brennstoff- oder Oxidationsgases ab und es kann sein, dass keine ausreichende Energieerzeugungseffizienz erhalten wird, obwohl die obige Dreiphasengrenzfläche verstärkt wird.
  • Somit ist es in dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, bei welcher die Poren des obigen Katalysatorträgers nicht leicht blockiert werden, wenn ein sulfoniertes Polyarylen als ionenleitendes Bindemittel verwendet wird, und welche eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz zeigt.
  • Um das obige Ziel zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass: die obige Katalysatorschicht Katalysatorpartikel umfasst, die aus Katalysatorträgern und durch die Katalysatorträger getragene Katalysatoren besteht, welche durch Vereinigen mittels ionenleitende Bindemittel gebildet werden; und dass das obige ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol.-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen aufweist, wobei der obige Katalysatorträger in poröser Form vorliegt, welche aus Poren besteht, die einen Durchmesser von 100 nm oder kleiner aufweisen, mit einem Porenvolumen von 1,0 bis 1,5 ml/g.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen weist eine lange Polyetherkette auf, da in der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, a eine ganze Zahl von 2 oder größer ist. In einer Etherbindung ist ein Brandungswinkel mit Sauerstoff in der Mitte kleiner als 180°. Demgemäss weist das Molekül, wenn eine Polyetherkette lang wird und die Anzahl der Etherbindungen zunimmt, eine Zick-Zack-Struktur auf. Als Folge davon wird, obwohl das obige sulfonierte Polyarylen in gleicher Länge und Richtung angeordnet ist, ein Zwischenraum zwischen benachbarten Molekülen gebildet. Demgemäss werden die Poren eines Katalysatorträgers, welcher in einer porösen Form vorliegt, kaum blockiert, wenn das obige Katalysatorpartikel mit dem sulfonierten Polyarylen beschichtet wird.
  • Da der obige Katalysatorträger in einer porösen Form vorliegt, welche aus Poren mit einem Durchmesser von 100 nm oder kleiner aufgebaut ist, mit einem Porenvolumen von 1,0 bis 1,5 ml/g, wie oben beschrieben, und da das sulfonierte Polyarylen eine Zick-Zack-Molekülstruktur und eine lange Polyetherkette besitzt, werden die obigen Poren hierin kaum blockiert und es kann eine gute Gasdiffusionsfähigkeit erhalten werden.
  • Wenn das Porenvolumen der obigen porösen Form in dem obigen Katalysatorträger kleiner als 1,0 ml/g ist, nehmen die durch das obige sulfonierte Polyarylen blockierte Poren zu und es kann keine ausreichende Gasdiffusionsfähigkeit erhalten werden. Wenn das Porenvolumen der obigen porösen Form 1,5 ml/g übersteigt, kann keine ausreichende Dreiphasengrenzfläche zwischen dem obigen Brennstoff- oder Oxidationsgas, dem obigen Katalysatorpartikel und dem obigen ionenleitenden Bindemittel beibehalten werden.
  • Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung mit der oben beschriebenen Anordnung ermöglicht die Verstärkung der obigen Dreiphasengrenzfläche und eine ausreichende Gasdiffusionsfähigkeit in der Katalysatorschicht, wobei sie eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz zeigt.
  • In dem obigen sulfonierten Polyarylen wird die obige Sulfonsäuregruppe nur in den aromatischen Ring, der in der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, durch Ar dargestellt, eingeführt. Somit kann die Menge der eingeführten Sulfonsäuregruppe, d. h. die Ionenaustauschkapazität durch Verändern des Molverhältnisses zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, kontrolliert werden.
  • Wenn in dem obigen sulfonierten Polyarylen die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, weniger als 30 Mol-% ist und die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, 70 Mol-% übersteigt, kann keine solche Ionenaustauschkapazität erhalten werden, die für ein ionenleitendes Bindemittel erforderlich ist. Wenn die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, hingegen 95 Mol-% übersteigt und die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, weniger als 5 Mol-% ist, nimmt die Menge an eingeführter Sulfonsäuregruppe zu und die Molekülstruktur wird dabei geschwächt.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen mit der oben beschriebenen Anordnung weist vorzugsweise eine Ionenaustauschkapazität von 1,7 bis 2,2 meq/g auf. Das durch die obige Formel (5) dargestellte sulfonierte Polyarylen oder dgl. kann als spezielles Beispiel des obigen ionenleitenden Bindemittels verwendet werden.
  • Gleichzeitig ist es in der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle zur Verbesserung ihrer Energieerzeugungseffizienz erwünscht, dass die obigen Elektroden gegenüber der obigen Polymerelektrolytmembran stark haftfähig sind. Somit ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass die obige Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol.-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt.
  • Folglich sind sowohl das ionenleitende Bindemittel, das die obige Katalysatorschicht bildet als auch die obige Polymerelektrolytmembran aus der gleichen Art von Harz zusammengesetzt, sodass zwischen den obigen Elektroden und der obigen Polymerelektrolytmembran eine ausgezeichnete Haftfähigkeit erhalten werden kann. Der Grund, weshalb das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, ist wie oben beschrieben.
  • Das sulfonierte Polyarylen, das durch die obige Formel (3) dargestellt ist, kann als Beispiel der obigen Polymerelelektrolytmembran verwendet werden.
  • Als Nächstes wird im Folgenden der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, in welcher das obige sulfonierte Polyarylen als ionenleitendes Bindemittel für ein Elektrodenpaar verwendet wird, welches aus der obigen Brennstoffelektrode und Sauerstoffelektrode besteht, kann die Energieerzeugungseffizienz beträchtlich abnehmen, wenn die Stromdichte zunimmt.
  • Somit ist es in dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, die selbst in dem Bereich einer hohen Stromdichte eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz zeigt.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eingehende Untersuchungen durchgeführt, um den Grund herauszufinden, wieso bei der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, bei der das obige sulfonierte Polyarylen als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, die Energieerzeugungseffizienz beträchtlich abnimmt, wenn die Stromdichte zunimmt. Als Ergebnis haben sie die folgenden Erkenntnisse erlangt:
    Das obige sulfonierte Polyarylen muss eine bestimmte Menge Wasser enthalten, um eine gute Ionenleitfähigkeit zu zeigen. Das obige sulfonierte Polyarylen selbst weist eine ausgezeichnete Wasserabweisung auf.
  • Gleichzeitig wird in der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wie oben beschrieben, ein Proton (H+), das aus dem Reduktionsgas wie Wasserstoff oder Methanol erzeugt wird, welches der obigen Brennstoffelektrode zugeführt wird, zur obigen Sauerstoffelektrodenseite transportiert, sodass es mit Oxidationsgas wie Luft oder Sauerstoff reagiert, um Wasser zu bilden, wobei elektrische Energie erzeugt wird. Während dieses Prozess wird das obige Proton von der obigen Brennstoffelektrode nicht als einzelnes H+ sondern als hydratisiertes Ion wie H3O+ zu der obigen Sauerstoffelektrode transportiert.
  • Da das obige Proton Wasser von der obigen Brennstoffzelle weg trägt, nimmt als Folge davon das Wasser in der Brennstoffelektrodenseite ab. Da das obige Proton nicht nur mit Oxidationsgas zur Bildung von Wasser reagiert, sondern auch als hydratisiertes Ion Wasser trägt, ist es wahrscheinlich, dass die Sauerstoffelektrode reich an Wasser ist. Jedoch weist das obige sulfonierte Polyarylen, wie oben beschrieben, eine ausgezeichnete Wasserabweisung auf, das obige Wasser verbleibt in der Sauerstoffelektrode und fließt kaum ab.
  • Dieses Phänomen wird verstärkt, wenn die Stromdichte zunimmt. Somit wird angenommen, dass die Diffusion von Gas in die Katalysatorschicht in dem Bereich einer starken Stromdichte verhindert wird, da Wasser durch das obige sulfonierte Polyarylen in der obigen Sauerstoffelektrode zurückgehalten wird, und dass die Energieerzeugungseffizienz dabei abnimmt.
  • Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung wird basierend auf den obigen Erkenntnissen durchgeführt. Um das obige Ziel zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass: die obige Katalysatorschicht Katalysatorpartikel umfasst, die aus Katalysatorträgern und durch die Katalysatorträger getragene Katalysatoren bestehen, welche durch Vereinigen mittels ionenleitende Bindemittel gebildet werden; ein ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode bildet, ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer umfasst; und ein ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist das Ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, das obige sulfonierte Polyarylen und das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode bildet, ist ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer. Hierin muss das obige Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer nicht viel Wasser enthalten, um eine Ionenleitfähigkeit zu zeigen, und es besitzt eine geringere Wasserabweisung als das obige sulfonierte Polyarylen.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist das ionenleitende Bindemittel in der obigen Sauerstoffelektrodenseite also ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer mit einer geringen Wasserabweisung. Obwohl das in der obigen Brennstoffelektrode erzeugte Proton Wasser von der Brennstoffelektrodenseite zu der obigen Sauerstoffelektrodenseite in den Bereich einer hohen Stromdichte trägt, fließt das obige Wasser demgemäss leicht ab und es kann eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz erhalten werden, ohne dass die Gasdiffusionsfähigkeit in die obige Katalysatorschicht verhindert wird.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen weist eine solche Molekülstruktur auf, dass ein Polymer aus einer Phenylenkette besteht, die erhalten wird, indem nur die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, polymerisiert wird, wobei die Phenylenkette durch die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, unterteilt wird. Demgemäss beschichtet sie mäßig die Oberfläche des obigen Katalysatorpartikels, wobei die obige Dreiphasengrenzfläche in der obigen Katalysatorschicht verstärkt wird, und ferner die Menge an erzeugter elektrischer Energie erhöht wird. Bei dem obigen sulfonierten Polyarylen ist der Grund, wieso das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, wie es oben beschrieben ist.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt weist das sulfonierte Polyarylen, das als das obige ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, vorzugsweise eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g auf. Wenn die Ionenaustauschkapazität weniger als 1,9 meq/g ist, kann es sein, dass das obige ionenleitende Bindemittel nicht die notwendige Ionenleitfähigkeit aufweist. Wenn sie 2,4 meq/g übersteigt, nimmt die Menge an Sulfonsäuregruppen, wie oben beschrieben, zu, und die mechanische Festigkeit nimmt dabei ab.
  • Darüber hinaus weist das Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt, das als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, das die Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode bildet, vorzugsweise eine Ionenaustauschkapazität von 0,8 bis 1,0 meq/g auf. Wenn die Ionenaustauschkapazität weniger als 0,8 meq/g ist, kann es sein, dass das obige ionenleitende Bindemittel nicht die erforderliche Ionenleitfähigkeit besitzt. Wenn sie 1,0 meq/g übersteigt, wie im Fall des obigen sulfonierten Polyarylens, nimmt die Menge an Sulfonsäuregruppen zu und die mechanische Festigkeit nimmt dabei ab.
  • Ferner umfasst die obige Polymerelektrolytmembran in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt vorzugsweise ein sulfoniertes Polyarylen, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen aufweist, um die Kosten weiter zu verringern. Der Grund, wieso das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, ist, wie es oben beschrieben wird.
  • In dem vorliegenden Aspekt kann insbesondere das sulfonierte Polyarylen, das durch die obige Formel (5) dargestellt wird, oder dgl. als ein ionenleitendes Bindemittel verwendet werden, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode oder die obige Polymerelektrolytmembran bildet.
  • Als Nächstes wird im Folgenden der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • Bei der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, bei welcher das obige sulfonierte Polyarylen als ionenleitendes Bindemittel für ein Elektrodenpaar verwendet wird, das aus der obigen Brennstoffelektrode und Sauerstoffelektrode besteht, kann die Energieerzeugungseffizienz mit der Zeit beträchtlich abnehmen, wenn sie in einer Umgebung mit einer vergleichsweise niedrigen relativen Feuchtigkeit von 35 bis 65% verwendet wird.
  • Somit ist es in dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, welche eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz selbst in einer Umgebung zeigt, in welcher die relative Feuchtigkeit vergleichsweise niedrig ist.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Untersuchungen vorgenommen, um den Grund herauszufinden, warum bei der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, bei welcher das obige sulfonierte Polyarylen als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, die Energieerzeugungseffizienz in einer Umgebung beträchtlich abnimmt, in welcher die relative Feuchtigkeit vergleichsweise niedrig ist. Dabei haben sie die folgenden Erkenntnisse erlangt:
    Das obige sulfonierte Polyarylen muss eine bestimmte Menge an Wasser enthalten, um eine gute Ionenleitfähigkeit zu zeigen. Die Ionenleitfähigkeit ist Feuchtigkeits-abhängig.
  • Gleichzeitig wird in der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wie oben beschrieben, ein Proton (H+), das aus Reduktionsgas wie Wasserstoff oder Methanol, welches der obigen Brennstoffelektrode zugeführt wird, erzeugt wird, zu der obigen Sauerstoffelektrodenseite transportiert, um mit Oxidationsgas wie Luft oder Sauerstoff zu reagieren, um Wasser zu bilden, wobei elektrische Energie erzeugt wird. Während dieses Prozesses wird das obige Proton nicht als einzelnes H+ sondern als hydratisiertes Ion wie als H3O+ von der obigen Brennstoffelektrode zu der obigen Sauerstoffelektrode transportiert.
  • Daraus folgt, dass es wahrscheinlich ist, dass bei der obigen Sauerstoffelektrode, da das obige Proton nicht nur mit Oxidationsgas reagiert, um Wasser zu bilden, sondern als hydratisiertes Ion auch Wasser einbringt, die Elektrode vergleichsweise reich an Wasser ist. Bei der obigen Brennstoffelektrodenseite ist es hingegen wahrscheinlich, dass das Wasser abnimmt, da das obige Proton Wasser davon wegträgt. Somit wird angenommen, dass es wahrscheinlich ist, dass die Ionenleitfähigkeit des obigen sulfonierten Polyarylens in einer Umgebung, in welcher die relative Feuchtigkeit vergleichsweise niedrig ist, in der obigen Brennstoffelektrodenseite abnimmt, wobei die Energieerzeugungseffizienz abnimmt.
  • Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde basierend auf den obigen Erkenntnissen durchgeführt. Um das obige Ziel zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle des fünften Aspekts der vorliegenden Erfindung, dadurch gekennzeichnet, dass: die obige Katalysatorschicht Katalysatorpartikel umfasst, die aus Katalysatorträgern und durch die Katalysatorträger getragene Katalysatoren besteht, welche durch Vereinigen mittels ionenleitender Bindemittel gebildet werden; ein ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode bildet, ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt; und ein ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer umfasst.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt ist das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode bildet, das obige sulfonierte Polyarylen, und das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, ist ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer. Hierin muss das obige Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer nicht viel Wasser enthalten, um eine Ionenleitfähigkeit zu zeigen, und seine Ionenleitfähigkeit ist weniger Feuchtigkeits-abhängig als die des obigen sulfonierten Polyarylens.
  • Demgemäss nimmt in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt, obwohl das in der obigen Brennstoffelektrode erzeugte Proton Wasser von der Brennstoffelektrodenseite zu der obigen Sauerstoffelektrodenseite in einem Zustand, bei welchem die relative Feuchtigkeit vergleichsweise niedrig ist, trägt, die Ionenleitfähigkeit des ionenleitenden Bindemittels in der Brennstoffelektrodenseite kaum ab, und es kann eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz erhalten werden.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen weist eine solche Molekülstruktur auf, dass ein Polymer aus einer Phenylenkette besteht, die erhalten wird, indem nur die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, polymerisiert wird, wobei die Phenylenkette durch die aromatische Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, unterteilt wird. Demgemäss beschichtet es mäßig die Oberfläche des obigen Katalysatorpartikels, wobei die obige Dreiphasengrenzfläche verstärkt wird und die Menge an erzeugter elektrischer Energie weiter erhöht wird. Der Grund, weshalb das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, ist wie es oben beschrieben ist.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt weist das sulfonierte Polyarylen, das als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, das die Katalysatorschicht der obigen Sauerstoffelektrode bildet, vorzugsweise eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g auf. Wenn die Ionenaustauschkapazität weniger als 1,9 meq/g ist, kann es sein, dass das obige ionenleitende Bindemittel nicht die erforderliche Ionenleitfähigkeit besitzt. Wenn sie 2,4 meq/g übersteigt, wie oben beschrieben, nimmt die Menge an Sulfonsäuregruppen zu und die mechanische Festigkeit nimmt dabei ab.
  • Darüber hinaus weist das Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt, welches als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet wird, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, vorzugsweise eine Ionenaustauschkapazität von 0,8 bis 1,0 meq/g auf. Wenn die Ionenaustauschkapazität weniger als 0,8 meq/g ist, kann es sein, dass das obige ionenleitende Bindemittel nicht die erforderliche Ionenleitfähigkeit besitzt. Wenn sie 1,0 meq/g übersteigt, wie im Fall des obigen sulfonierten Polyarylens, nimmt die Menge an Sulfonsäuregruppen zu und die mechanische Festigkeit nimmt dabei ab.
  • Ferner umfasst die obige Polymerelektrolytmembran in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt vorzugsweise ein sulfoniertes Polyarylen, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt, um die Kosten weiter zu verringern. Der Grund, weshalb das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt ist, ist, wie es oben beschrieben wird.
  • In dem vorliegenden Aspekt kann insbesondere das sulfonierte Polyarylen, das durch die obige Formel (5) dargestellt ist oder dgl. als das obige ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, oder die obige Polymerelektrolytmembran verwendet werden.
  • Als Nächstes wird im Folgenden der sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitzustellen, in welcher Katalysatoren eine Katalysatorschicht mit einer großen Wirkfläche pro Gewichtseinheit bilden, wobei sie eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz zeigt.
  • Um das obige Ziel zu erreichen, ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die obige Katalysatorschicht umfasst: ein ionenleitendes Material, das ein sulfoniertes Polyarylen mit Sulfonsäure-Seitenkettengruppen umfasst; und ein Katalysator, der gebildet wird, indem das Wasserstoffion der obigen Sulfonsäuregruppe des obigen sulfonierten Polyarylen-Copolymers einem Ionenaustausch mit einem Katalysatorion unterzogen wird und dann das obige Katalysatorion reduziert wird, und der durch das obige ionenleitende Material getragen wird.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt, kann, da der Katalysator durch Reduktion des Ions, wie oben beschrieben, erzeugt wird, dieser viel kleiner gemacht werden, als im Fall der Herstellung eines Trägerpartikels, um einen pulverförmigen Katalysator zu tragen, und der Wirkoberflächenbereich pro Gewichtseinheit des Katalysators wird dadurch beträchtlich groß. Somit kommt in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung Brennstoff- oder Oxidationsgas leicht mit dem obigen Katalysator in der obigen Katalysatorschicht in Kontakt und die Energieerzeugungseffizienz kann dadurch verbessert werden. Darüber hinaus können, da die Menge an Katalysator verringert werden kann, die Produktionskosten weiter verringert werden.
  • Der oben beschriebene Ionenaustausch kann z. B. so durchgeführt werden, dass das obige ionenleitende Material in eine Lösung getaucht wird, die einen Edelmetallkomplex, welcher als Katalysator verwendet wird, und mindestens eine Sorte Additiv umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem wässrigen organischen Lösungsmittel, einem nichtionischen oberflächenaktiven Mittel und einer nicht-metallischen Base.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt umfasst das obige ionenleitende Material z. B. ein sulfoniertes Polyarylen, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol.-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt. Der Grund, weshalb das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt wird, ist, wie es oben beschrieben wird.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vorliegenden Aspekt ist es darüber hinaus erwünscht, dass die obigen Elektroden gegenüber der obigen Polymerelektrolytmembran stark haftfähig sind, um die Energieerzeugungseffizienz weiter zu verbessern. Somit ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die obige Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt.
  • Daraus folgt, dass sowohl das ionenleitende Bindemittel, das die obige Katalysatorschicht bildet, als auch die obige Polymerelektrolytmembran aus der gleichen Art von Harz zusammengesetzt sind, sodass zwischen den obigen Elektroden und der obigen Polymerelektrolytmembran eine ausgezeichnete Haftfähigkeit erhalten werden kann. Der Grund, weshalb das Molverhältnis zwischen der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, innerhalb des obigen Bereichs eingestellt wird, ist, wie es oben beschrieben wird.
  • In dem vorliegenden Aspekt kann insbesondere das sulfonierte Polyarylen, das durch die obige Formel (5) dargestellt ist, oder dgl. als das obige ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der obigen Brennstoffelektrode bildet, oder die obige Polymerelektrolytmembran verwendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine veranschaulichende Querschnittsansicht der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die Struktur einer Vorrichtung zur Messung des Q-Wertes der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die in 1 gezeigt ist, angibt;
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Messbeispiel des Q-Wertes der Vorrichtung von 2 zeigt;
  • 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C einer Polymerelektrolytmembran und desjenigen eines ionenleitenden Polymerbindemittels und dem erzeugten elektrischen Potential in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 6 ist ein Diagramm, das die Porenverteilung von Katalysatorträgern in der Katalysatorschicht einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz der Elektrodeneinheit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 8 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 9 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 10 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in einem Vergleichsbeispiel in Bezug auf den fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 12 ist ein Diagramm, das die Energieerzeugungseffizienz einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle in dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beste Weise, die Erfindung auszuführen
  • Als Nächstes wird im Folgenden die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform eine Polymerelektrolytmembran 1 und ein Elektrodenpaar, das aus einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektrode 3 besteht. Jede der Sauerstoffelektrode 2 und Brennstoffelektrode 3 umfasst eine Trägerschicht 4 und eine Katalysatorschicht 5, die auf der Trägerschicht 4 gebildet ist. Die Polymerelektrolytmembran 1 befindet sich zwischen den Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3.
  • Jede Trägerschicht 4 umfasst einen Separator 6, welcher an eine äußere Seite davon angebracht ist. In der Sauerstoffelektrode 2 umfasst der Separator 6 einen Sauerstoffdurchfluss 2a an der Trägerschichtseite 4, durch welchen Sauerstoff-enthaltendes Gas wie Luft fließt. In der Brennstoffelektrode 3 umfasst der Separator 6 einen Brennstoffdurchfluss 3a an der Trägerschichtseite 4, durch welchen Brennstoffgas wie Wasserstoff fließt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird als Polymerelektrolytmembran 1 der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle ein sulfoniertes Polyarylen verwendet, das erhalten wird, indem ein Polyarylen-Polymer, das aus 30 bis 95 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) dargestellt ist, besteht, zur Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird, sodass in eine Seitenkette davon eine Sulfonsäuregruppe eingeführt wird. Das obige sulfonierte Polyarylen weist einen dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C in einem Bereich von 1 × 109 bis 1 × 1011 Pa auf:
    Figure DE000010296599B4_0008
    worin Ar eine Arylgruppe darstellt und X eine Art zweiwertige Elektronen-anziehende Gruppe darstellt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus -CO.-, -CONH-, -(CF2)p- (wobei p eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist), -C(CF3)-, -COO-, -SO- und -SO2-; und
    Figure DE000010296599B4_0009
    worin X die gleiche Bedeutung hat wie in Formel (1), jedes X gleich oder verschieden sein kann und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.
  • Ein Beispiel eines Monomers, das der obigen Formel (1) entspricht, schließt 2,5-Dichlor-4'-phenoxybenzophenon ein. Beispiele eines Monomers, das der obigen Formel (2) entspricht, schließt 4,4'-Dichlorbenzophen und 4,4'-Bis(4-chlorbenzoyl)diphenylether ein.
  • Die Polymerelektrolytmembran 1 ist ein trockener Film, der eine gewünschte Dicke aufweist, welche erzeugt wird, indem das obige sulfonierte Polyarylen in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon gelöst wird und dann an dem so erhaltenen Produkt das Gießverfahren angewandt wird.
  • In der obigen Polymerelektrolytbrennstoffzelle besteht die Trägerschicht 4 von jeder der Sauerstoffelektrode 2 und Brennstoffelektrode 3 aus einem Kohlepapier und einer Primärschicht. Die Trägerschicht 4 wird gebildet, indem z. B. Ruß und Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem bestimmten Gewichtsverhältnis gemischt werden, die erhaltene Mischung gleichmäßig in ein organisches Lösungsmittel wie Ethylenglykol dispergiert wird, um eine Aufschlämmung zu erhalten, und die Aufschlämmung auf die eine Seite des obigen Kohlepapiers aufgebracht wird, gefolgt von Trocknen, um die obige Primärschicht zu erhalten.
  • Die Katalysatorschicht 5 wird gebildet, indem Katalysatorpartikel und ein Ionenleitendes Bindemittel in einem bestimmten Gewichtsverhältnis gleichmäßig gemischt werden, um eine Katalysatorpaste zu erhalten, und indem die Paste einem Siebdruck unterzogen wird, um eine bestimmte Menge Platin an einer Primärschicht 7 zu erhalten, gefolgt von Trocknen. Das obige Katalysatorpartikel besteht z. B. aus durch Ruß getragenem Platin (Ofenruß) in einem bestimmten Gewichtsverhältnis. Das obige Trocknen wird z. B. durchgeführt, indem bei 60°C für 10 Minuten getrocknet wird und dann bei 120°C vakuumgetrocknet wird.
  • Ein Beispiel des obigen ionenleitenden Bindemittels schließt ein sulfoniertes Polyarylen ein, das erhalten wird, indem ein Polyarylen-Polymer, das aus 50 bis 70 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 50 bis 30 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (4) dargestellt ist, besteht, zur Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird, sodass Sulfonsäure-Seitenkettengruppen eingeführt werden, gefolgt von Lösen in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon:
    Figure DE000010296599B4_0010
    worin X die gleiche Bedeutung hat wie in Formel (1), jedes X gleich oder verschieden sein kann und a eine ganze Zahl von 2 oder größer ist.
  • Andererseits kann auch ein Produkt, das durch Lösen eines Perfluoralkylensulfonsäure-Polymers (z. B. Nafion (Produktname) von DuPont) in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon erhalten wird, als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet werden.
  • Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des obigen ionenleitenden Bindemittels liegt innerhalb eines Bereichs von 1/2 bis 1/1000 der obigen Polymerelektrolytmembran.
  • Die obige Polymerelektrolytbrennstoffzelle wird durch Warmpressen der Polymerelektrolytmembran 1 gebildet, welche zwischen den Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 liegt. Das Warmpressen kann z. B. durchgeführt werden, indem das erste Pressen bei 80°C bei 5 MPa für 2 Minuten und dann das zweite Pressen bei 160°C bei 4 MPa für 1 Minute durchgeführt werden.
  • Als Nächstes wird im Folgenden die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht 5 bildet, ein sulfoniertes Polyarylen, das erhalten wird, indem ein Polyarylen-Polymer, das aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht, zur Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird, sodass in eine Seitenkette davon eine Sulfonsäuregruppe eingeführt wird. Das obige sulfonierte Polyarylen wird als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet, indem es in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon gelöst wird.
  • Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform von Ruß (Ofenruß) getragenes Platin mit einer spezifischen Oberfläche von 800 m2/g oder größer in einem bestimmten Gewichtsverhältnis als Katalysatorpartikel verwendet, welche die Katalysatorschicht 5 bilden.
  • Die Anordnungen der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform sind im Gegensatz zu der Anordnung der obigen Katalysatorschicht 5 völlig identisch mit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der ersten Ausführungsform. Demgemäss kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet werden.
  • Das sulfonierte Polyarylen, welches das obige ionenleitende Bindemittel bildet, weist einen Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g auf und enthält in einer Umgebung mit 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90 % 15 bis 40 Gew.-% Wasser.
  • Das obige ionenleitende Bindemittel kann 80 m2/g oder mehr des Oberflächenbereichs des obigen durch Ruß getragenen Platins beschichten.
  • Als Nächstes wird im Folgenden die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindungsform, wie in 1 gezeigt, ist das die Katalysatorschicht 5 bildende ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (4) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen aufweist. Das obige sulfonierte Polyarylen wird als das obige ionenleitende Bindemittel verwendet, indem es in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon gelöst wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist das obige Katalysatorpartikel durch Ruß (Ofenruß) getragenes Platin in einem bestimmten Gewichtsverhältnis, und der Ruß weist Poren auf, welche eine spezifische Oberfläche von 800 m2/g oder größer und einen Durchmesser 100 nm oder kürzer aufweisen, mit einem Porenvolumen von 1,0 bis 1,5 ml/g.
  • Die Anordnungen der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform sind im Gegensatz zu der Anordnung der obigen Katalysatorschicht 5 völlig identisch zu der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der ersten Ausführungsform. Demgemäss kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet werden.
  • Das sulfonierte Polyarylen, welches das obige ionenleitende Bindemittel bildet, weist eine Ionenaustauschkapazität von 1,7 bis 2,2 meq/g auf. Darüber hinaus wird in dem obigen sulfonierten Polyarylen, da a in der obigen Formel (4) eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, die Polyetherkette lang und das Molekül weist eine Zick-Zack-Struktur auf.
  • Demgemäss kann das obige ionenleitende Bindemittel 80 m2/g oder mehr des Oberflächenbereichs des durch den obigen Ruß getragenen Platins beschichten. Darüber hinaus blockiert das obige ionenleitende Bindemittel kaum die Poren des obigen Rußes, wobei eine ausreichende Gasdiffusionsfähigkeit erhalten wird.
  • Als Nächstes wird im Folgenden die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht 5 der Sauerstoffelektrode 2 bildet, ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer oder dgl. welches in einem Lösungsmittel wie Isopropanol oder n-Propanol gelöst wird. Andererseits ist das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht 5 der Brennstoffelektrode 3 bildet, ein sulfoniertes Polyarylen, welches in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon gelöst wird.
  • Die Anordnungen der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist im Gegensatz zu der Anordnung hinsichtlich der Katalysatorschichten 5, 5 der obigen Sauerstoffelektrode 2 und Brennstoffelektrode 3 völlig identisch mit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der ersten Ausführungsform. Demgemäss kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet werden.
  • Das sulfonierte Polyarylen, das das ionenleitende Bindemittel bildet, welches die Katalysatorschicht 5 der Brennstoffelektrode 3 bildet, wird erhalten, indem ein Polyarylen-Polymer, das aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht, zur Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird, sodass Sulfonsäure-Seitenkettengruppen eingeführt werden. Darüber hinaus sind die Monomere, die den obigen Formeln (1) und (2) entsprechen, gleich wie im Fall der Polymerelektrolytmembran 1 in der ersten Ausführungsform.
  • Als Nächstes wird im Folgenden die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht 5 der Sauerstoffelektrode 2 bildet, ein sulfoniertes Polyarylen, welches in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon gelöst wird. Andererseits ist das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht 5 der Brennstoffelektrode 3 bildet, ein Perfuoralkylensulfonsäure-Polymer oder dgl., welches in einem Lösungsmittel wie Isopropanol oder n-Propanol gelöst wird.
  • Die Anordnungen der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform sind, im Gegensatz zu der Anordnung hinsichtlich der Katalysatorschichten 5, 5 der obigen Sauerstoffelektrode 2 und Brennstoffelektrode 3 völlig identisch mit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der ersten Ausführungsform. Demgemäss kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet werden.
  • Das sulfonierte Polyarylen, welches das ionenleitende Bindemittel bildet, das die Katalysatorschicht 5 der Sauerstoffelektrode 2 bildet, wird erhalten, indem ein Polyarylen-Polymer, das aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht, zur Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird, um Sulfonsäure-Seitenkettengruppen einzuführen. Darüber hinaus sind Monomere, die den obigen Formeln (1) und (2) entsprechen, gleich wie im Fall der Polymerelektrolytmembran 1 in der ersten Ausführungsform.
  • Als Nächstes wird im Folgenden die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, wird die Katalysatorschicht 5 wie folgt gebildet:
    Zunächst wird Ruß (Ofenruß) in einem bestimmten Gewichtsverhältnis mit einer Lösung gleichmäßig gemischt, die erhalten wird, indem ein ionenleitendes Material, umfassend ein sulfoniertes Polyarylen, in einem Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon gelöst wird, um eine Paste herzustellen. Dann wird die Paste auf die Primärschicht der Trägerschicht 5 siebgedruckt, gefolgt von Trocknen, sodass eine Schicht eines ionenleitenden Materials, enthaltend den obigen Ruß, gebildet wird.
  • Danach werden sowohl die obige Schicht aus ionenleitendem Material als auch die Trägerschicht 4, die aus einem Kohlepapier und der Primärschicht besteht, in eine wässrige Lösung getaucht, die einen Edelmetallkomplex als Katalysator und mindestens eine Sorte von Additiv enthält, welches ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem wässrigen organischen Lösungsmittel, einem nichtionischen oberflächenaktiven Mittel und einer nicht-metallischen Base. Danach wird das obige Edelmetallion gegen das Wasserstoffion der Sulfonsäuregruppe des sulfonierten Polyarylens ausgetauscht, welches die obige Schicht des ionenleitenden Materials bildet.
  • Anschließend wird das obige Edelmetallion reduziert, sodass ein Katalysator erzeugt wird, der nur aus dem Edelmetall besteht und der Katalysator bildet dann die Katalysatorschicht 5, gestützt durch die obige Schicht des ionenleitenden Materials.
  • Die Anordnungen der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform sind im Gegensatz zu der Anordnung hinsichtlich der Katalysatorschicht völlig identisch mit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle der ersten Ausführungsform. Demgemäss kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet werden.
  • Das sulfonierte Polyarylen, welches das obige ionenleitende Bindemittel bildet, wird erhalten, indem ein Polyarylen-Polymer, das aus 30 bis 95 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% der aromatischen Verbindungseinheit, die durch die obige Formel (2) dargestellt ist, besteht, zur Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird, sodass Sulfonsäure-Seitenkettengruppen eingeführt werden. Darüber hinaus sind Monomere, die den obigen Formeln (1) und (2) entsprechen, gleich wie im Fall der Polymerelektrolytmembran 1 der ersten Ausführungsform.
  • Ein Beispiel des Komplexes des obigen Edelmetalls ist ein Komplexsalz enthaltend Pt[NH3]4 2+. Beispiele des obigen wässrigen organischen Lösungsmittel, das für das obige Additiv verwendet wird, schließen Methanol, Ethanol und Ethylenglykol ein. Beispiele des obigen nichtionischen oberflächenaktiven Mittels schließen Polyoxyethylendodecylether und Polyoxyethylenoctylphenylether ein. Ferner schließt ein Beispiel der obigen nicht-metallischen Base eine Ammoniumbase ein.
  • Die Reduktion des obigen Edelmetallions kann z. B. durchgeführt werden, indem eine reduzierende wässrige Lösung, die Natriumborhydrid und Natriumcarbonat enthält, verwendet wird.
  • Der obige in der Katalysatorschicht 5 verwendete Ruß fungiert darin als leitfähiges Partikel.
  • Als Nächstes wird die vorliegende Erfindung in den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen detaillierter beschrieben werden.
  • Beispiel 1
  • Im vorliegenden Beispiel wurde zuerst ein sulfoniertes Polyarylen, welches durch die folgende Formel (3) dargestellt ist, in N-Methylpyrrolidon gelöst und danach wurde ein Polymerelektrolytmembran 1 mit einer Trockenfilmdicke von 50 μm und einer Ionenaustauschkapazität von 2,3 meq/g durch das Gießverfahren hergestellt.
  • Figure DE000010296599B4_0011
  • Danach wurde Ruß mit Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Gewichtsverhältnis von Ruß:PTFE = 2:3 gemischt und das Gemisch wurde gleichmäßig in Ethylenglykol dispergiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde auf eine Seite eines Kohlepapiers aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung, um so eine Primärschicht zu erhalten. Auf diese Weise wurde ein Trägerschicht 4 bestehend aus dem Kohlepapier und der Primärschicht hergestellt. Zwei der gleichen obigen Trägerschichten 4 wurden jeweils für eine Seite einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektrode 3 hergestellt.
  • Danach wurde ein Katalysatorpartikel, bestehend aus von Ruß getragenem Platin, gleichmäßig mit einem ionenleitenden Bindemittel gemischt, um eine Katalysatorpaste herzustellen. Im obigen Katalysatorpartikel betrug das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Platin 1:1. Das obige ionenleitende Bindemittel wurde erhalten durch Lösen eines Perfluoralkylensulfonsäure-Polymers (Nafion (Produktname) von DuPont) in N-Methylpyrrolidon. In der obigen Katalysatorpaste war das obige Katalysatorpartikel mit dem ionenleitenden Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikel:Bindemittel = 8:5 gleichmäßig vermischt.
  • Danach wurde die obige Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf die obige Primärschicht aufgetragen, so dass 0,5 mg/cm2 Platin darauf gehalten wurde. Dann wurde eine Trocknung durchgeführt, um eine Katalysatorschicht 5 zu bilden. Die obige Trocknung wurde durchgeführt durch Trocknen bei 60°C für 10 min und dann durch Vakuumtrocknung bei 120°C.
  • Danach wurde die Polymerelektrolytmembran 1, welche zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 eingeschoben war, einem Warmpressen unterzogen, um so eine wie in 1 gezeigte Polymerelektrolytbrennstoffzelle zu bilden. Das Warmpressen wurde durchgeführt mittels Durchführen der ersten Pressung bei 80°C bei 5 MPa für 2 min und dann der zweiten Pressung bei 160°C bei 4 MPa für 1 min.
  • Die dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten der Polymerelektrolytmembran 1 und den ionenleitenden Bindemittels wurden im Zugmodus gemessen mittels eines Viskoelastizitäts-Analysegeräts RSAII (Produktname; Rheometric Science, Inc.). Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient wurde definiert als ein Wert, der bei 110°C unter den Bedingungen einer Frequenz von 10 Hz (62,8 rad/sek), einer Verzerrung von 0,05% in einem Stickstoffstrom, und innerhalb eines Temperaturbereichs zwischen Raumtemperatur und 350°C gemessen wurde. Als ein Ergebnis betrug im vorliegenden Beispiel der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Polymerelektrolytmembran 1 4 × 1010 Pa und der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 100°C des ionenleitenden Bindemittels betrug 6,7 × 107 Pa. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Anschließend wurde unter Verwendung der in 2 gezeigten Vorrichtung der Q-Wert gemessen, welcher ein Index des Adhäsionsvermögens der Polymerelektrolytmembran 1 an die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3 in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel war.
  • Die Vorrichtung von 2 ist so konfiguriert, dass eine Elektrode 11 mit einer Struktur, die identisch ist mit der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 von 1, nur auf einer einzelnen Seite der Polymerelektrolytmembran 1 etabliert wurde und dass das so gebildete Produkt auf dem Boden eines Tanks 12 platziert wurde, so dass die Polymerelektrolytmembran 1 mit der Elektrode 11 in Kontakt kam mit einer wässrigen Schwefelsäurelösung 13 mit pH 1, welche in den Tank 12 eingefüllt war. Die Vorrichtung von 2 umfasst eine Referenzelektrode 14 und eine Kontrollelektrode 15, welche in die wässrige Schwefelsäurelösung 13 eingetaucht waren. Die Referenzelektrode 14, die Kontrollelektrode 15 und die Trägerschicht 4 der Elektrode 11 wurde alle mit einem Potentiostat 16 verbunden. Zudem umfasst die Elektrode 11 einen Gasdurchgang 11a, welcher einem Sauerstoffdurchgang 2a der Sauerstoffelektrode 2 oder einem Brennstoffdurchgang 3a der Brennstoffelektrode 3 entspricht, wie es in 1 gezeigt ist. Folglich ist die Elektrode 11 so konfiguriert, dass sie frei mit Stickstoffgas in Kontakt kommt, welches durch den Gasdurchgang 11a zugeführt wird.
  • Wenn eine Spannung an den Punkt zwischen der Trägerschicht 4 und der wässrigen Schwefelsäurelösung 13 durch den Potentiostat 16 angelegt wird, erreichen in der Vorrichtung von 2 Protonen, die in der wässrigen Schwefelsäurelösung 13 vorhanden sind, die Elektrode 11 durch die Polymerelektrolytmembran 1, und sie erhalten Elektronen. Das heißt, dass Protonen mit der Oberfläche des Platins in der Katalysatorschicht 5 in Kontakt kommen, so dass Elektronen von Platin zu den Protonen übertragen werden. In der Vorrichtung von 2 beträgt die Menge an Platin in der Katalysatorschicht 5 der Elektrode 11 0,5 g/cm2.
  • Wenn im Gegensatz dazu eine Umpolspannung daran angelegt wird, werden Elektronen von Wasserstoffatomen, welche diese aufnehmen, auf das Platin übertragen, und die Elektronen diffundieren als Protonen in die wässrige Schwefelsäurelösung.
  • Wenn die Spannung von –0,5 V bis 1 V abgetastet wird, wie es in 3 gezeigt ist, kann folglich ein Q-Wert erhalten werden aus der Peakfläche der Adsorptionsseite von Protonen. Hierin zeigt der Q-Wert die Ladungsmenge (C/cm2) pro Fläche der Elektrode 11. Wenn dieser Wert groß ist, zeigt dies ein großes Adhäsionsvermögen der Elektrode zu der Polymerelektrolytmembran an.
  • In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel betrug der obige Q-Wert 0,15 C/cm2. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
  • Danach wurden das erzeugte elektrische Potential der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel und die Ionenleitfähigkeit des obigen Ionenleitenden Bindemittels gemessen.
  • Luft wurde der Sauerstoffelektrode 2 zugeführt und reiner Wasserstoff wurde der Brennstoffelektrode 3 zugeführt. Wenn die Stromdichte 0,2 A/cm2 betrug, wurde das Zellpotential unter den Energieerzeugungsbedingungen eines Drucks von 100 kPa sowohl in der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3, einem Nutzungsgrad von 50%, einer relativen Feuchtigkeit von 50% und einer Temperatur von 85°C gemessen. Das Zellpotential wurde definiert als ein elektrisches Potential. Im vorliegenden Beispiel besaß die Polymerelektrolytbrennstoffzelle ein elektrisches Potential von 0,81 V. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Im Hinblick auf die Ionenleitfähigkeit wurde das ionenleitende Bindemittel in einen Filmzustand umgewandelt, und die Ionenleitfähigkeit wurde erhalten in der Oberflächenrichtung aus dem Widerstand und der Filmdicke, die erhalten wurde unter den Bedingungen einer angelegten Spannung von 1 V und einer Frequenz von 10 kHz, welche gemessen wurden durch das wechselnde Zweipolverfahren. Die Messung des obigen Widerstands wurde durchgeführt in einer Umgebung mit 25°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Nach der Messung des obigen Widerstands wurde die Probe, die durch Umwandeln des ionenleitenden Bindemittels in einen Filmzustand erhalten wurde, für 12 h oder länger in der Umgebung von 25°C und einer relativen Feuchtigkeit von 50% belassen. Danach wurde die obige Filmdicke gemessen. Im vorliegenden Beispiel besaß die Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Ionenleitfähigkeit von 0,12 S/cm. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
  • 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C der Polymerelektrolytmembran und desjenigen des ionenleitenden Polymerbindemittels und dem erzeugten elektrischen Potential.
  • Beispiel 2
  • Im vorliegenden Beispiel wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 vollständig in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, dass als ionenleitendes Bindemittel ein sulfoniertes Polyetheretherketon, dargestellt durch die folgende Formel (6) (die Ionenaustauschkapazität betrug 1,5 meq/g) verwendet wurde.
  • Figure DE000010296599B4_0012
  • Danach wurden der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels und der Q-Wert, das elektrische Potential und die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gemessen.
  • Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels betrug im vorliegenden Beispiel 1,5 × 109 Pa. Im vorliegenden Beispiel betrug außerdem der Q-Wert der Polymerelektrolytbrennstoffzelle 0,135 C/cm2, das elektrische Potential betrug 0,73 V und die Ionenleitfähigkeit betrug 0,14. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Ferner ist die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 100°C der Polymerelektrolytmembran und desjenigen eines ionenleitenden Polymerbindemittels und dem erzeugten elektrischen Potential in 4 gezeigt.
  • Beispiel 3
  • Im vorliegenden Beispiel wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle der 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, dass ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (5) (die Ionenaustauschkapazität betrug 1,75 meq/g) als ionenleitendes Bindemittel verwendet wurde.
  • Figure DE000010296599B4_0013
  • Danach wurde der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels, und der Q-Wert, das elektrische Potential und die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gemessen.
  • Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient des ionenleitenden Bindemittels betrug im vorliegenden Beispiel 1,5 × 1010 Pa. Außerdem betrug im vorliegenden Beispiel der Q-Wert der Polymerelektrolytbrennstoffzelle 0,09 C/cm2, das elektrische Potential betrug 0,69 V und die Ionenleitfähigkeit betrug 0,14. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Ferner wird die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C der Polymerelektrolytmembran und desjenigen des ionenleitenden Polymerbindemittels und dem erzeugten elektrischen Potential in 4 gezeigt.
  • Beispiel 4
  • Im vorliegenden Beispiel wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, dass ein sulfoniertes Polyetherketon, dargestellt durch die folgende Formel (7) (die Ionenaustauschkapazität betrug 2,0 meq/g) als ein ionenleitendes Bindemittel verwendet wurde.
  • Figure DE000010296599B4_0014
  • Danach wurde der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels, und der Q-Wert, das elektrische Potential und die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gemessen.
  • Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels betrug im vorliegenden Beispiel 1,8 × 1010 Pa. Außerdem betrug im vorliegenden Beispiel der Q-Wert der Polymerelektrolytbrennstoffzelle 0,09 C/cm2, das elektrische Potential betrug 0,69 V und die Ionenleitfähigkeit betrug 0,08. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Ferner wird die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C der Polymerelektrolytmembran und desjenigen des ionenleitenden Polymerbindemittels und dem erzeugten elektrischen Potential in 4 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, dass ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (8) (die Ionenaustauschkapazität betrug 2,4 meq/g) als ein ionenleitendes Bindemittel verwendet wurde.
  • Figure DE000010296599B4_0015
  • Danach wurde der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels, und der Q-Wert, das elektrische Potential und die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gemessen.
  • Der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels betrug im vorliegenden Vergleichsbeispiel 6,7 × 1010 Pa. Dieser Wert war größer als der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C der Polymerelektrolytmembran 1. Außerdem betrug der Q-Wert der Polymerelektrolytbrennstoffzelle 0,05 C/cm2, das elektrische Potential betrug 0,61 V und die Ionenleitfähigkeit betrug im vorliegenden Vergleichsbeispiel 0,07. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Ferner ist die Beziehung zwischen dem Verhältnis des dynamischen Viskoelastizitätskoeffizienten bei 110°C der Polymerelektrolytmembran und desjenigen des ionenleitenden Polymerbindemittels und dem erzeugten elektrischen Potential in 4 gezeigt. Tabelle 1
    Dynamischer Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C Q-Wert (C/cm2) Elektrisches Potential (V) Ionenleitfähigkeit (S/cm)
    Elektrolytmembran Bindemittel
    Beispiel 1 4 × 1010 6,5 × 107 0,15 0,81 0,12
    Beispiel 2 4 × 1010 1,5 × 109 0,135 0,73 0,14
    Beispiel 3 4 × 1010 1,5 × 1010 0,09 0,69 0,14
    Beispiel 4 4 × 1010 1,8 × 1010 0,09 0,69 0,08
    Vergleichsbeispiel 1 4 × 1010 6,7 × 1010 0,05 0,61 0,07
  • In den Beispielen 1–4 ist der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels kleiner als derjenige der Polymerelektrolytmembran. Im Vergleichsbeispiel 1 ist der dynamische Viskoelastizitätskoeffizient bei 110°C des ionenleitenden Bindemittels größer als derjenige der Polymerelektrolytmembran. Aus Tabelle 1 und 4 wird klar, dass der Q-Wert in jedem der Beispiele 1–4 größer ist als der des Vergleichsbeispiels 1, und dass entsprechnd das elektrische Potential in jedem der Beispiel 1–4 ebenso höher ist als dasjenige des Vergleichsbeispiels 1.
  • Beispiel 5
  • Im vorliegenden Beispiel wurde zuerst ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (3) in N-Methylpyrrolidon gelöst und danach wurde ein Polymerelektrolytmembran 1 mit einer Trockenfilmdicke von 50 μm durch das Gießverfahren hergestellt.
  • Figure DE000010296599B4_0016
  • Danach wurde Ruß mit Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Gewichtsverhältnis von Ruß:PTFE = 2:3 gemischt und das erhaltene Gemisch wurde gleichmäßig in Ethylenglykol dispergiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde auf eine Seite eines Kohlepapiers aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung, um eine Primärschicht zu erhalten. Auf diese Weise wurde ein Trägerschicht 4 hergestellt, welche aus dem Kohlepapier und der Primärschicht bestand. Zwei der gleichen obigen Trägerschichten 4 wurden jeweils für eine Seite einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektrode 3 hergestellt.
  • Danach wurde ein Katalysatorpartikel, bestehend aus von Ofenruß getragenem Platin, mit einer spezifischen Oberfläche von 800 m2/g oder größer gleichmäßig mit einem ionenleitenden Bindemittel gemischt, um eine Katalysatorpaste herzustellen. Im obigen Katalysatorpartikel betrug das Gewichtsverhältnis von Ofenruß zu Platin 1:1. Das obige ionenleitende Bindemittel war eine N-Methylpyrrolidonlösung, welche das sulfonierte Polyarylen enthielt, das durch die obige Formel (3) dargestellt ist. In der obigen Katalysatorpaste wurde das obige Katalysatorpartikel mit dem ionenleitenden Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikel:Bindemittel = 1:1,25 gleichmäßig gemischt.
  • Danach wurde die obige Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf die obige Primärschicht aufgetragen, so dass 0,5 mg/cm2 Platin darauf gehalten wurde. Dann wurde eine Trocknung durchgeführt, um eine Katalysatorschicht 5 zu bilden. Die obige Trocknung wurde durchgeführt durch Trocknen bei 60°C für 10 min und dann durch Vakuumtrocknung bei 120°C.
  • Das sulfonierte Polyarylen, dargestellt durch die obige Formel (3) besaß eine Ionenaustauschkapazität von 2,3 meq/g und enthielt 27 Gew.-% Wasser in einer Umgebung von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90°C. Außerdem beschichtete das ionenleitende Bindemittel, welches das sulfonierte Polyarylen umfasst, das durch die obige Formel (3) dargestellt wird, 84 m2/g der Oberfläche des durch den obigen Ofenruß getragenen Platins.
  • Danach wurde die Polymerelektrolytmembran 1, die zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet war, einem Warmpressen bei 160°C bei 4 MPa für 1 min unterzogen, um so eine wie in 1 gezeigte Polymerelektrolytbrennstoffzelle zu bilden.
  • Nachfolgend wurde vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in dem oben beschriebenen Beispiel 1 der Q-Wert gemessen, der ein Index des Adhäsionsvermögens der Polymerelektrolytmembran 1 an die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3 in der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel darstellt. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel betrug der Q-Wert 0,155 C/cm2.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel zu untersuchen, wurde die Veränderung der Spannung (V) zur Stromdichte (A/cm2) in einer Umgebung mit 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90% gemessen. Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle aus 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, dass die Polymerelektrolytmembran 1, welche ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer (Nafion (Produktname) von DuPont) umfasst, verwendet wurde und dass eine Katalysatorpaste hergestellt wurde unter Verwendung des obigen Perfluoralkylensulfonsäure-Polymers als ein ionenleitendes Bindemittel. Die obige Katalysatorpaste wurden erhalten durch gleichmäßiges Mischen der obigen Katalysatorpartikel in einer Isopropanol/n-Propanollösung, welche das obige ionenleitende Bindemittel enthielt.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Vergleichsbeispiel zu untersuchen, wurde danach die Veränderung der Spannung (V) zur Stromdichte (A/cm2) in der Umgebung mit 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90% gemessen. Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt.
  • Aus 5 wird klar, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 5 eine Energieerzeugungseffizienz besitzen kann, die äquivalent ist mit derjenigen der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 5, in dem das obige Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer als die Polymerelektrolytmembran 1 und das ionenleitende Bindemittel verwendet wurde.
  • Beispiel 6
  • Im vorliegenden Beispiel wurde zuerst ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (3) in N-Methylpyrrolidon gelöst und danach wurde eine Polymerelektrolytmembran 1 mit einer Trockenfilmdicke von 50 μm durch das Gießverfahren hergestellt. Das sulfonierte Polyarylenpolymer besaß eine Ionenaustauschkapazität von 2,3 meq/g.
  • Figure DE000010296599B4_0017
  • Danach wurde Ruß mit Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Gewichtsverhältnis von Ruß:PTFE = 2:3 gemischt und das erhaltene Gemisch wurde gleichmäßig in Ethylenglykol dispergiert, um so eine Aufschlämmung herzustellen. Die erhaltene Aufschlämmung wurde dann auf eine Seite eines Kohlepapiers aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung, um eine Primärschicht zu erhalten. Auf diese Weise wurde ein Trägerschicht 4 hergestellt, welche aus dem Kohlepapier und der Primärschicht bestand. Zwei der gleichen obigen Trägerschichten 4 wurden jeweils für eine Seite einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektrode 3 hergestellt.
  • Danach wurde ein Katalysatorpartikel, welcher aus Platin besteht, welches von Ofenruß getragen ist, der hergestellt ist aus Poren mit 800 m2/g der spezifischen Oberfläche und die im Durchmesser 100 nm oder kleiner sind, mit einem Porenvolumen von 10–20 ml/g, gleichmäßig mit einem ionenleitenden Bindemittel gemischt, um eine Katalysatorpaste herzustellen. Im obigen Katalysatorpartikel betrug das Gewichtsverhältnis von Ofenruß zu Platin 1:1. Das obige ionenleitende Bindemittel war eine N-Methylpyrrolidonlösung, welche ein sulfoniertes Polyarylen enthielt, das durch die folgende Formel (5) dargestellt wird. In der obigen Katalysatorpaste wurde das obige Katalysatorpartikel gleichmäßig mit dem ionenleitenden Bindemittel mit einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikel:Bindemittel = 1:1,25 gemischt. Das sulfonierte Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (5) besaß eine Ionenaustauschkapazität von 2,0 meq/g.
  • Figure DE000010296599B4_0018
  • Danach wurde die obige Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf die obige Primärschicht aufgetragen, so dass 0,5 mg/cm2 Platin darauf gehalten wurde. Dann wurde eine Trocknung durchgeführt, um eine Katalysatorschicht 5 zu bilden. Die obige Trocknung wurde durchgeführt durch Trocknen bei 60°C für 10 min und dann durch Vakuumtrocknung bei 120°C.
  • Das ionenleitende Bindemittel, umfassend das sulfonierte Polyarylen, welches durch die obige Formel (5) dargestellt wird, bedeckte 50 m2/g der Oberfläche des Platins, das durch den obigen Ofenruß getragen wurde.
  • Danach wurde die Polymerelektrolytmembran 1, die zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet war, einem Warmpressen bei 160°C bei 4 MPa für 1 min unterzogen, um so eine wie in 1 gezeigte Polymerelektrolytbrennstoffzelle zu bilden.
  • Nachfolgend wurde die Porenverteilung des obigen Ofenruß in der Katalysatorschicht 5 der Polymerelektrolytbrennstoffzelle im vorliegenden Beispiel gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels betrug das Porenvolumen des Ofenruß, welcher aus Poren mit einem Durchmesser von 100 nm oder kleiner gebildet war, 1,2 ml/g.
  • Danach wurde unter Verwendung der Vorrichtung von 2 der Sauerstoffgewinn gemessen als ein Index der Gasdiffusionsfähigkeit in der Katalysatorschicht 5 der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels.
  • Wenn anstelle vom Stickstoffgas in der ersten Ausführungsform Sauerstoffgas oder Luft durch den Gasdurchgang 11a zugeführt wird, erreichen in der Vorrichtung nach 2 Protonen, die in der wässrigen Schwefelsäurelösung 13 vorhanden sind, die Elektrode 11 durch die Polymerelektrolytmembran 1, und sie reagieren mit dem obigen Sauerstoffgas oder der Luft, unter Erzeugung einer elektrischen Leistung. Folglich wird die Differenz des elektrischen Potentials zwischen dem Zustand, wenn das Sauerstoffgas durch den Gasdurchgang 11a zugeführt wird und dem Zustand, wenn die Luft dadurch zugeführt wird, als Sauerstoffgewinn definiert.
  • Die Luft enthält ungefähr 1/5 des Sauerstoffs von reinem Sauerstoff. Wenn die Gasdiffusionsfähigkeit der Elektrode 11 (Katalysatorschicht 5) gering ist, kann entsprechend der in der Luft enthaltene Sauerstoff nicht hinreichend genutzt werden. Das elektrische Potential, das erhalten wird, wenn die Luft durch den Gasdurchgang 11a zugeführt wird, ist wesentlich geringer als das elektrische Potential, das erhalten wird, wenn der Sauerstoff dadurch zugeführt wird, und der obige Sauerstoffgewinn steigt dadurch an.
  • Wenn das Gasdiffusionsvermögen der Elektrode 11 (Katalysatorschicht 5) gut ist, kann im Gegensatz dazu der in der Luft enthaltene Sauerstoff hinreichend genutzt werden. Sogar wenn die Luft durch den Gasdurchgang 11a zugeführt wird, kann entsprechend das gleiche elektrische Potential erzeugt werden, wie wenn Sauerstoffgas dadurch zugeführt wird, und der obige Sauerstoffgewinn sinkt dadurch. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels betrug der obige Sauerstoffgewinn 27 mV.
  • Zur gleichen Zeit wie die Messung des Sauerstoffgewinns wurde die Veränderung der Spannung (V) zur Stromdichte (A/cm2) gemessen, um die Energieerzeugungseffizienz bei Zufuhr der Luft zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels zu untersuchen, wurde danach die Veränderung der Spannung (V) zur Stromdichte (A/cm2) in der Umgebung mit 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90% gemessen. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 6 gebildet, mit der Ausnahme, dass das sulfonierte Polyarylen, dargestellt durch die obige Formel (3) verwendet wurde, um die Polymerelektrolytmembran 1 und das ionenleitende Bindemittel zu bilden.
  • Danach wurde die Porenverteilung des obigen Ofenruß in der Katalysatorschicht 5 der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels betrug das Porenvolumen des Ofenruß, welcher aus Poren mit einem Durchmesser von 100 nm oder kleiner gebildet war, 0,01 ml/g.
  • Danach wurde auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 6 der Sauerstoffgewinn als ein Index des Gasdiffusionsvermögens in der Katalysatorschicht 5 der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels gemessen. In der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels betrug der obige Sauerstoffgewinn 260 mV.
  • Zum gleichen Zeitpunkt wie die Messung des Sauerstoffgewinns wurde die Veränderung der Spannung (V) zur Stromdichte (A/cm2) gemessen, um die Energieerzeugungseffizienz bei Zufuhr von Luft zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels zu untersuchen, wurde danach die Veränderung der Spannung (V) zur Stromdichte (A/cm2) in einer Umgebung bei 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90% gemessen. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
  • Aus 6 und den Messergebnissen des obigen Porenvolumens wird klar, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 6 eine Blockierungsrate der Poren des Ofenruß besitzt, welche wesentlich niedriger ist als die der Polymerelektrolytbrennstoffzelle aus Vergleichsbeispiel 3.
  • Außerdem zeigen die Messergebnisse des obigen Sauerstoffgewinns klar, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 6 ein wesentlich besseres Gasdiffusionsvermögen besitzt als die Polymerelektrolytbrennstoffzelle aus Vergleichsbeispiel 3.
  • Als ein Ergebnis, wie es in den 7 und 8 gezeigt ist, ist klar, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 6 eine wesentlich bessere Energieerzeugungseffizienz besaß als die Polymerelektrolytbrennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 3.
  • Beispiel 7
  • Im vorliegenden Beispiel wurde zuerst ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (5) in N-Methylpyrrolidon gelöst, und danach wurde eine Polymerelektrolytmembran 1 mit einer Trockenfilmdicke von 50 μm und einer Ionenaustauschkapazität von 2,0 meq/g durch das Gießverfahren hergestellt.
  • Figure DE000010296599B4_0019
  • Danach wurde Ruß mit Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Gewichtsverhältnis von Ruß:PTFE = 2:3 gemischt und das erhaltene Gemisch wurde gleichmäßig in Ethylenglykol dispergiert, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die erhaltene Aufschlämmung wurde auf eine Seite eines Kohlepapiers aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung, um so eine Primärschicht zu erhalten. Auf diese Weise wurde eine Trägerschicht 4 hergestellt, welche aus dem Kohlepapier und der Primärschicht besteht. Zwei der gleichen obigen Trägerschichten 4 wurden jeweils für eine Seite einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektrode 3 hergestellt.
  • Danach wurde ein Katalysatorpartikel bestehend aus Platin, getragen von Ofenruß mit einer spezifischen Oberfläche von 800 m2/g oder größer gleichmäßig mit einem ionenleitenden Bindemittel vermischt, um eine Katalysatorpaste herzustellen. In dem obigen Katalysatorpartikel betrug das Gewichtsverhältnis von Ofenruß:Platin 1:1.
  • Im vorliegenden Beispiel wurde als das obige ionenleitende Bindemittel eine Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode hergestellt durch Lösen eines Perfluoralkylensulfonsäure-Polymers (Nafion (Produktname) von DuPont) in Isopropanol/n-Propanol. In der obigen Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode wurde das obige Katalysatorpartikel mit dem ionenleitenden Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikel:Bindemittel = 1:1,25 gleichmäßig gemischt. Danach wurde die obige Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf die Primärschicht der obigen Trägerschicht 4 aufgetragen, so dass 0,5 mg/cm2 Platin darauf gehalten wurde. Dann wurde eine Trocknung durchgeführt, um die Sauerstoffelektrode 2 zu bilden, welche eine Katalysatorschicht 5 auf der Trägerschicht 4 umfasst. Die obige Trocknung wurde durchgeführt durch Trocknen bei 60°C für 10 min und dann durch Vakuumtrocknung bei 120°C.
  • Das als das ionenleitende Bindemittel der obigen Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode verwendete Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer besaß einen Wassergehalt von 5,5% bei einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 30%, und einen Wassergehalt von 7,5% bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Folglich besaß es eine geringere Wasserretention. Außerdem besaß das obige Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer eine Ionenleitfähigkeit von 0,04 S/cm bei einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 30%, und eine Ionenleitfähigkeit von 0,12 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%.
  • Danach wurde die Brennstoffelektrode 3, umfassend die Katalysatorschicht 5 auf der Trägerschicht 4 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie im Fall der Sauerstoffelektrode 2 gebildet, mit der Ausnahme, dass eine Katalysatorpaste für die Brennstoffelektrode hergestellt wurde unter Verwendung eines ionenleitenden Bindemittels, das durch Lösen des sulfonierten Polyarylens, dargestellt durch die obige Formel (3) in N-Methylpyrrolidon erhalten wurde.
  • Das obige als das ionenleitende Bindemittel der obigen Katalysatorpaste für die Brennstoffelektrode verwendete obige sulfonierte Polyarylen besaß einen Wassergehalt von 19% bei einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 30%, und einen Wassergehalt von 28% bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Somit besitzt es eine hohe Wasserretention. Außerdem besaß das obige sulfonierte Polyarylen eine Ionenleitfähigkeit von 0,02 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 30% und eine Ionenleitfähigkeit von 0,22 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Folglich steigt die Ionenleitfähigkeit, wenn die relative Feuchtigkeit hoch ist.
  • Danach wurde die Polymerelektrolytmembran 1, welche zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet war, einem Warmpressen unterzogen, um so eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle zu bilden, wie sie wie in 1 gezeigt ist. Das Warmpressen wurde durchgeführt bei 160°C bei 4 MPa für 1 min.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels zu untersuchen, wurde die Spannung zur Stromdichte gemessen bei einer Temperatur von 80°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 4
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde eine Katalysatorpaste für jede der Sauerstoff- und Brennstoffelektroden hergestellt unter Verwendung eines ionenleitenden Bindemittels, das durch Lösen des sulfonierten Polyarylens, dargestellt durch die obige Formel (5) in N-Methylpyrrolidon erhalten wurde. Dann wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 7 gebildet mit der Ausnahme, dass die Katalysatorschichten 5, 5 von beiden Elektroden unter Verwendung der obigen Katalysatorpaste gebildet wurden.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels zu untersuchen, wurde die Spannung zur Stromdichte gemessen unter den gleichen Bedingungen wie im obigen Beispiel 7. Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt.
  • 9 zeigt deutlich, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 7, welche ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer als ein ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschicht 5 der Sauerstoffelektrode 2 bildet und ein sulfoniertes Polyarylen als ein Ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode 3 bildet, verwendet, eine ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz in der Hochstromdichteregion von 0,5 A/cm2 oder höher ausübt, wenn sie mit der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 4 verglichen wird, welche ein sulfoniertes Polyarylen als ein ionenleitendes Bindemittel, das die Katalysatorschichten 5, 5 sowohl der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3 verwendete.
  • Beispiel 8
  • Im vorliegenden Beispiel wurde zuerst ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (5) in N-Methylpyrrolidon gelöst und danach eine Polymerelektrolytmembran 1 mit einer Trockenfilmdicke von 50 μm und einer Ionenaustauschkapazität von 0,2 meq/g durch das Gießverfahren hergestellt.
  • Figure DE000010296599B4_0020
  • Danach wurde Ruß mit Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Gewichtsverhältnis von Ruß:PTFE = 2:3 gemischt und das erhaltene Gemisch wurde gleichmäßig in Ethylenglykol dispergiert, um so eine Aufschlämmung zu erhalten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde auf eine Seite eines Kohlepapiers aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung, um so eine Primärschicht zu erhalten. Auf diese Weise wurde eine Trägerschicht 4 hergestellt, welche aus dem Kohlepapier und der Primärschicht bestand. Zwei der gleichen obigen Trägerschichten 4 wurden jeweis für eine Seite einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektroden 3 hergestellt.
  • Danach wurde ein Katalysatorpartikel bestehend aus Platin, getragen von Ofenruß mit einer spezifischen Oberfläche von 800 m2/g oder größer gleichmäßig gemischt mit einem ionenleitenden Bindemittel, um eine Katalysatorpaste herzustellen. In dem obigen Katalysatorpartikel beträgt das Gewichtsverhältnis von Ofenruß:Platin 1:1.
  • Im vorliegenden Beispiel wurde als das obige ionenleitende Bindemittel eine Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode hergestellt unter Verwendung eines Produkts, das erhalten wurde durch Lösen des sulfonierten Polyarylens, dargestellt durch die obige Formel (5) in N-Methylpyrrolidon. In der obigen Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode wurde das obige Katalysatorpartikel mit dem ionenleitenden Bindemittel bei einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikel:Binder = 1:1,25 gleichmäßig gemischt. Danach wurde die obige Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf die Primärschicht der obigen Trägerschicht 4 aufgetragen, so dass 0,5 mg/cm2 Platin darauf gehalten wurde. Dann wurde die Trocknung durchgeführt, um eine Katalysatorschicht 5 zu erhalten, so dass die Sauerstoffelektrode 2 gebildet wurde, welche die Katalysatorschicht 5 auf der Trägerschicht 4 umfasst. Die obige Trocknung wurde durchgeführt durch Trocknen bei 60°C für 10 min und dann durch Vakuumtrocknung bei 120°C.
  • Das obige sulfonierte Polyarylen, das als das ionenleitende Bindemittel der obigen Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode verwendet wurde, besaß einen Wassergehalt von 19% bei einer relativen Feuchtigkeit von 30% und einen Wassergehalt von 28% bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Außerdem besaß das obige sulfonierte Polyarylen eine Ionenleitfähigkeit von 0,02 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 30% und eine Ionenleitfähigkeit von 0,22 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Folglich ist seine Ionenleitfähigkeit stark von der Feuchtigkeit abhängig.
  • Danach wurde die Brennstoffelektrode 3, umfassend die Katalysatorschicht 5 auf der Trägerschicht 4 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie im Fall der Sauerstoffelektrode 2 gebildet mit der Ausnahme, dass eine Katalysatorpaste für die Brennstoffelektrode hergestellt wurde unter Verwendung eines ionenleitenden Bindemittels, das durch Lösen eines Perfluoralkylensulfonsäure-Polymers (Nafion (Produktname) von DuPont) in Isopropanol/n-Propanol erhalten wurde.
  • Das obige Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer, das als das ionenleitende Bindemittel der obigen Katalysatorpaste für die Brennstoffelektrode verwendet wurde, besaß einen Wassergehalt von 5,5% bei einer relativen Feuchtigkeit von 30% und einen Wassergehalt von 7,5% bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Außerdem besaß es eine Ionenleitfähigkeit von 0,04 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 30% und eine Ionenleitfähigkeit von 0,12 S/cm bei einer relativen Feuchtigkeit von 90%. Folglich ist seine Ionenleitfähigkeit weniger feuchtigkeitsabhängig als die des obigen sulfonierten Polyarylens.
  • Danach wurde die Polymerelektrolytmembran 1, welche zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet war, einer Warmpressung unterzogen, um so eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle zu bilden, wie sie wie in 1 gezeigt wird. Das Warmpressen wurde durchgeführt bei 160°C bei 4 MPa für 1 min.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels zu untersuchen, wurde die Spannung zur Stromdichte gemessen sowohl im Fall einer relativen Feuchtigkeit von 35%/65% als auch im Fall von 50%/80%. Die Ergebnisse sind in 10 gezeigt.
  • Vergleichsbeispiel 5
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurden sowohl eine Katalysatorpaste für die Sauerstoffelektrode als auch eine Katalysatorpaste für die Brennstoffelektrode hergestellt unter Verwendung eines ionenleitenden Bindemittels, das erhalten wurde durch Lösen des sulfonierten Polyarylens, dargestellt durch die obige Formel (5) in N-Methylpyrrolidon. Dann wurde die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 vollständig auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel 8 gebildet mit der Ausnahme, dass die Katalysatorschichten 5, 5 von beiden Elektroden unter Verwendung der obigen Katalysatorpaste gebildet wurden.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels zu untersuchen, wurde danach die Spannung zur Stromdichte gemessen sowohl im Fall einer relativen Feuchtigkeit von 35%/65% als auch im Fall von 50%/80%. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt.
  • 10 zeigt deutlich, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 5, welche ein sulfoniertes Polyarylen als ein ionenleitendes Bindemittel verwendet, welches die Katalysatorschicht 5 der Sauerstoffelektrode 2 bildet, und ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer als ein ionenleitendes Bindemittel, welches die Katalysatorschicht 5 der Brennstoffelektrode 3 bildet, die gleiche Energieerzeugungseffizienz ausübt sowohl im Fall einer relativen Feuchtigkeit von 35%/65% als auch im Fall von 50%/80%. Im Gegensatz dazu zeigt 11 deutlich, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 8, welche ein sulfoniertes Polyarylen als ein ionenleitendes Bindemittel verwendet, das die Katalysatorschichten 5, 5 sowohl der Sauerstoffelektrode 2 als auch der Brennstoffelektrode 3 bildet, eine wesentlich verringerte Energieerzeugungseffizienz im Fall einer relativen Feuchtigkeit von 35%/65% verglichen mit dem Fall von 50%/80% zeigt.
  • Beispiel 9
  • Im vorliegenden Beispiel wurde zuerst ein sulfoniertes Polyarylen, dargestellt durch die folgende Formel (5) (die Ionenaustauschkapazität betrug 2,0 meq/g) in N-Methylpyrrolidon gelöst und danach wurde eine Polymerelektrolytmembran 1 mit einer Trockenfilmdicke von 50 μm durch das Gießverfahren hergestellt.
  • Figure DE000010296599B4_0021
  • Danach wurde Ruß mit Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Gewichtsverhältnis von Ruß:PTFE = 2:3 gemischt und das erhaltene Gemisch wurde gleichmäßig in Ethylenglykol dispergiert, um so eine Aufschlämmung zu erhalten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde auf eine Seite eines Kohlepapiers aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung, um so eine Primärschicht zu erhalten. Auf diese Art wurde eine Trägerschicht 4 bestehend aus dem Kohlepapier und der Primärschicht hergestellt. Zwei der gleichen obigen Trägerschichten 4 wurden für jede Seite einer Sauerstoffelektrode 2 und einer Brennstoffelektroden 3 hergestellt.
  • Danach wurde Ofenruß gleichmäßig in einer N-Methylpyrrolidon-Lösung, die das sulfonierte Polyarylen, dargestellt durch die obige Formel (5), in einem Gewichtsverhältnis von Ofenruß:sulfoniertes Polyarylen = 1:1 enthielt, gemischt, um so eine Paste herzustellen. Danach wurde die obige Paste mittels Siebdruck auf die Primärschicht aufgetragen und dann getrocknet, um so die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3 zu bilden, wobei beide eine ionenleitende Materialschicht mit einer Filmdicke von 12 μm auf der Trägerschicht 4 umfassen. Die obige Trocknung wurde durchgeführt durch Trocknen bei 60°C für 10 min und dann durch Vakuumtrocknung bei 120°C.
  • Danach wurden 250 ml 25% Ammoniumwasser zu 2000 ml einer Lösung, welche 0,05 mM/l Pt[NH3]42+ enthielt, zugegeben, um eine Ionenaustauschlösung herzustellen. Die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3, die beide die obige ionenleitende Materialschicht umfassen, wurden in die Ionenaustauschlösung getaucht. Die obige Ionenaustauschlösung wurde auf eine Temperatur von 60°C erhitzt und dann unter der obigen Temperatur für 12 h gerührt, um so ein Pt-Ion gegen das Wasserstoffion der Sulfonsäuregruppe des obigen sulfonierten Polyarylens auszutauschen.
  • Danach wurde die obige ionenleitende Materialschicht mit reinem Wasser gewaschen, um nicht umgesetztes Pt[NH3]4 2+ und das Ammoniumwasser zu eliminieren.
  • Danach wurden die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3, welche beide die obige ionenleitende Materialschicht umfassen, in reines Wasser getaucht, und das reine Wasser wurde dann auf 50°C erhitzt. Dann wurde eine reduzierende wässrige Lösung, welche Natriumborhydrid und Natriumcarbonat enthielt, bei der obigen Temperatur in das reine Wasser über 30 min zugetropft. Danach wurde die Lösung für ungefähr 1,5 h belassen, so dass das Pt-Ion in der obigen ionenleitenden Materialschicht reduziert wurde, um einen Pt-Katalysator zu erzeugen. Die Reduktion wurde beendet, wenn kein Wasserstoff aus der Lösung erzeugt wurde, in welche die obige reduzierende wässrige Lösung eingetropft wurde.
  • Anschließend wurde die obige ionenleitende Materialschicht mit reinem Wasser gewaschen, um Natrium zu eliminieren, das aus der obigen reduzierenden wässrigen Lösung stammt. Dann wurde die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3, wobei beide die obige ionenleitende Materialschicht umfassen, bei 60°C für 4 h getrocknet, um so die Sauerstoffelektrode 2 und die Brennstoffelektrode 3 zu bilden, die beide eine Katalysatorschicht 5 umfassen. Die Katalysatorschicht 5 enthielt 0,07 mg/cm2 Pt.
  • Danach wurde Polymerelektrolytmembran 1, die zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet war, einer Warmpressung unterzogen, um so eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle zu bilden, wie sie in 1 gezeigt wird. Das Warmpressen wurde durchgeführt bei 160°C bei 4 MPa für 1 min.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Beispiels zu untersuchen, wurde danach die Veränderung der Spannung zur Stromdichte gemessen. Die Ergebnisse sind in 12 gezeigt.
  • Es sollte angemerkt werden, dass im vorliegenden Beispiel die obige ionenleitende Materialschicht auf der Primärschicht der Trägerschicht 4 gebildet wurde, aber sie kann auch auf der Polymerelektrolytmembran 1 gebildet werden, und die Katalysatorschicht 5 kann gebildet werden durch Durchführen des obigen Ionenaustauschs und der Reduktionsbehandlung. In diesem Fall kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 gebildet werden durch Warmpressen unter den gleichen obigen Bedingungen, wobei die Polymerelektrolytmembran 1 die Katalysatorschichten 5, 5 an ihren beiden Seiten umfasst, welche zwischen die Primärschichten der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet ist.
  • Anderenfalls kann die obige ionenleitende Materialschicht auf einer Platte gebildet werden, welche hergestellt ist aus einem fluorierten Ethylenpropylencopolymer (FEP) anstelle der obigen Trägerschicht 4, und dann kann der obige Ionenaustausch und die Reduktionsbehandlung durchgeführt werden, um die Katalysatorschicht 5 zu bilden. Die obige Platte wird verwendet für ein Elektrodenprinting. In diesem Fall kann die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von 1 gebildet werden durch Warmpressen der Polymerelektrolytmembran 1, welche zwischen die Katalysatorschichten 5, 5 der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 geschichtet ist, und dann durch Abziehen der Platte.
  • Vergleichsbeispiel 6
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde ein Katalysatorpartikel bestehend aus Platin, getragen von Ofenruß mit einem Gewichtsverhältnis von Ofenruß:Pt = 1:1 gleichmäßig gemischt mit einer Isopropanol/n-Propanollösung, welche ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer (Nafion (Produktname) von DuPont) mit einem Gewichtsverhältnis von Katalysatorpartikel:Nafion = 8:5 enthielt, um so eine Katalysatorpaste herzustellen. Auf diese Art wurde eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 9 gebildet mit der Ausnahme, dass die obige Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf die Primärschicht der obigen Trägerschicht 4 aufgetragen wurde, so dass 0,5 mg/cm2 Platin darauf gehalten wurde, und dass eine Trocknung bei 60°C für 10 min durchgeführt wurde, und dann eine Vakuumtrocknung bei 120°C durchgeführt wurde, um so eine Katalysatorschicht 5 zu bilden.
  • Um die Energieerzeugungseffizienz der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des vorliegenden Vergleichsbeispiels zu untersuchen, wurde danach die Veränderung der Spannung zur Stromdichte gemessen. Die Ergebnisse sind in 12 gezeigt.
  • 12 zeigt deutlich, dass die Polymerelektrolytbrennstoffzelle von Beispiel 9 die gleiche Energieerzeugungseffizienz besaß wie diejenige der Polymerelektrolytbrennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 6, obwohl eine geringere Menge an Platin verwendet wurde, als beim Vergleichsbeispiel 6.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung kann als eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle verwendet werden, welche in Fahrzeugen und dgl. verwendet wird.

Claims (33)

  1. Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die ein Elektrodenpaar, welches aus einer Sauerstoffelektrode und einer Brennstoffelektrode besteht, die beide eine Katalysatorschicht, welche einen Katalysator und ein ionenleitfähiges Material enthält, aufweisen, und eine Polymerelektrolytmembran umfasst, die sich zwischen den Katalysatorschichten der beiden Elektroden befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht Katalysatorpartikel umfasst, die aus einem Katalysatorträger und einem durch den Katalysatorträger getragenen Katalysator bestehen, die mittels eines ionenleitenden Bindemittels integriert sind, und dass die Polymerelektrolytmembran oder das ionenleitende Bindemittel, das in der Katalysatorschicht mindestens einer der Elektroden enthalten ist, ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 30 bis 95 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist, und 70 bis 5 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (2) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt:
    Figure DE000010296599B4_0022
    worin Ar eine Arylgruppe darstellt und X eine zweiwertige Elektronen-anziehende Gruppe darstellt, die ausgewählt ist 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
    Figure DE000010296599B4_0023
    worin X die gleiche Bedeutung hat wie in Formel (1), jedes X gleich oder verschieden sein kann und a eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist, wobei die Sulfonsäuregruppen nur in einen aromatischen Ring eingeführt sind, der nicht neben einer Elektronen-anziehenden Gruppe liegt.
    Figure DE000010296599B4_0024
  2. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das ein Copolymer ist, welches aus 50 bis 70 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (1) dargestellt ist, und 50 bis 30 Mol-% einer aromatischen Verbindungseinheit, die durch die folgende Formel (4) dargestellt ist, besteht und Sulfonsäure-Seitenkettengruppen besitzt:
    Figure DE000010296599B4_0025
    worin Ar eine Arylgruppe darstellt und X eine zweiwertige Elektronen-anziehende Gruppe darstellt, die ausgewählt ist 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
    Figure DE000010296599B4_0026
    worin X die gleiche Bedeutung hat wie in Formel (1), jedes X gleich oder verschieden sein kann und a eine ganze Zahl von 2 oder größer ist.
  3. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0027
  4. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyetheretherketon umfasst, das durch die folgende Formel (6) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0028
  5. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyetheretherketon umfasst, das durch die folgende Formel (7) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0029
  6. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer umfasst.
  7. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel das sulfonierte Polyarylen (i) umfasst.
  8. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel in einer Umgebung mit einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 90% 15 bis 40 Gew.-% Wasser umfasst.
  9. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g besitzt.
  10. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel 80 m2/g oder mehr des Oberflächenbereichs des durch den Katalysatorträger getragenen Katalysators beschichtet.
  11. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (3) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0030
  12. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst.
  13. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (3) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0031
  14. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 800 m2/g oder mehr ist.
  15. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger ein poröser Körper ist, der Poren mit einem Durchmesser von 100 nm oder kleiner aufweist, mit einem Porenvolumen von 1,0 bis 1,5 ml/g.
  16. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel eine Ionenaustauschkapazität von 1,7 bis 2,2 meq/g besitzt.
  17. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode bildet, ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer umfasst; und das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode bildet, ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst.
  18. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode bildet, eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g besitzt.
  19. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode bildet, ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0032
  20. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode bildet, eine Ionenaustauschkapazität von 0,8 bis 1,0 meq/g besitzt.
  21. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst.
  22. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0033
  23. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode bildet, ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst, und das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode bildet, ein Perfluoralkylensulfonsäure-Polymer umfasst.
  24. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode bildet, eine Ionenaustauschkapazität von 1,9 bis 2,4 meq/g besitzt.
  25. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode bildet, ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0034
  26. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Bindemittel, das die Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode bildet, eine Ionenaustauschkapazität von 0,8 bis 1,0 meq/g besitzt.
  27. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 25–28, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst.
  28. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0035
  29. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht ein ionenleitendes Material, das ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst, und einen Katalysator umfasst, der gebildet wird, indem die Wasserstoffionen der Sulfonsäuregruppen des sulfonierten Polyarylens einem Ionenaustausch mit Katalysatorionen unterzogen werden und die Katalysatorionen dann reduziert werden, und welcher durch das ionenleitende Material getragen wird.
  30. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustausch durchgeführt wird, indem das ionenleitende Material in eine Lösung getaucht wird, die einen Edelmetallkomplex als Katalysator und mindestens ein Additiv umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem wässrigen organischen Lösungsmittel, einem nichtionischen oberflächenaktiven Mittel und einer nicht-metallischen Base.
  31. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Material ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0036
  32. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen (i) umfasst.
  33. Polymerelektrolytbrennstoffzelle nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran ein sulfoniertes Polyarylen umfasst, das durch die folgende Formel (5) dargestellt ist:
    Figure DE000010296599B4_0037
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