DE112005001534T5 - Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran, Festpolymerelektrolytmembran und Brennstoffzelle, die eine Festpolymerelektrolytmembran enthält - Google Patents

Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran, Festpolymerelektrolytmembran und Brennstoffzelle, die eine Festpolymerelektrolytmembran enthält Download PDF

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Abstract

Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran mit physikalischen Eigenschaften, denen Aeolotropie vermittelt worden ist, gekennzeichnet durch Umfassen der Schritte:
Erweichen, Schmelzen oder Auflösen einer Festpolymerelektrolytmembran (21) eines ersten Zustandes, die ein Polymer mit einer Ionenaustauschgruppe enthält, um auf diese Weise eine Festpolymerelektrolytmembran (21) (S110) eines zweiten Zustandes zu erzeugen; und
Anwenden eines starken Magnetfeldes bei der Festpolymerelektrolytmembran (21) des zweiten Zustandes in einer bestimmten Richtung (S120), unter Härten oder Verfestigen der Festpolymerelektrolytmembran (21) (S130) des zweiten Zustandes.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Festpolymerelektrolytmembran mit Ionenleitfähigkeit, ein Herstellungsverfahren für die Festpolymerelektrolytmembran, und eine Brennstoffzelle, die die Eestpolymerelektrolytmembran enthält.
  • In jüngster Zeit findet eine Brennstoffzelle Beachtung, die elektrische Energie durch Verwenden einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, als Beschaffungsquelle für saubere elektrische Energie. Insbesondere werden große Erwartungen an eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bzw. „polymer electrolyte fuel cell" (PEFC) gestellt, die ein festes Polymer als Elektrolyt verwendet, weil die PEFC eine große Menge elektrischer Energie erzeugen kann und bei einer geringen Temperatur arbeiten kann.
  • Als für eine Brennstoffzelle verwendete Elektrolytmembran wird im Allgemeinen eine fluorierte Elektrolytmembran verwendet, typischerweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die fluorierte Elektrolytmembran hat eine C-F-Bindung und hat eine beträchtlich hohe chemische Stabilität. Demgemäß ist die fluorierte Elektrolytmembran für eine Verwendung unter drastischen Bedingungen geeignet. Bekannte Beispiele einer derartigen Elektrolytmembran schließen ein eine Nafion-Membran (eingetragenes Warenzeichen von DuPont), eine Dow-Membran (Dow Chemical), eine Aciplex-Membran (eingetragenes Warenzeichen von Asahi Kasei Corporation), und eine Flemion-Membran (eingetragenes Warenzeichen von Asahi Glass Co. Ltd).
  • Allerdings ist eine fluorierte Elektrolytmembran schwierig herzustellen, und beträchtlich teuer. Demgemäß wurden in jüngster Zeit billige Kohlenwasserstoffq-Elektrolytmembranen vorgeschlagen. Eine derartige Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran wird erhalten durch Sulfonieren eines technischen, festen Polymers. Beispiele eines derartigen technischen, festen Polymers schließen Polyetheretherketon, Polyethersulfon, Polyetherimid und Polyphenylenether ein.
  • Beispiele eines Verfahrens für das Erzeugen einer derartigen Elektrolytmembran schließen ein ein Gießverfahren, offenbart in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. JP(A)11-116679 , und ein Materialschmelze-Extrusionsverfahren, offenbart in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. JP(A)2003-197220 . Im Gießverfahren wird eine Elektrolytpolymerlösung auf eine flache Platte aufgebracht, und danach wird die Elektrolytpolymerlösung erwärmt, so dass ein Lösungsmittel verflüchtigt wird, wodurch ein Membranelektrolyt erhalten wird.
  • Beim konventionellen Typ einer Elektrolytmembran, erzeugt durch das Gießverfahren oder das Materialschmelze-Extrusionsverfahren, sind die festen Polymere im Elektrolyten in zufällige Richtungen orientiert. Wenn demgemäß die Elektrolytmembran befeuchtendes Wasser und Wasser, das während der Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle erzeugt wurde, absorbiert, schwillt die Elektrolytmembran isotropisch bzw. isotrop an. Die Elektrolytmembran besitzt auch eine isotropische Ionenleitfähigkeit. Die Ionenleitfähigkeit ist isotropisch nicht nur in der Richtung einer Membrandicke, sondern auch in der Richtung einer Membranoberfläche. Allerdings wird nicht immer erwünscht, dass die Elektrolytmembran physikalische Eigenschaften des isotropischen Anschwellens besitzt, und eine isotropische Ionenleitfähigkeit hat. Dennoch wurde eine nähere Untersuchung bezüglich dieser Einzelheit noch nicht durchgeführt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Leistung einer Elektrolytmembran zu verbessern durch Vermitteln von Aeolotropie bei den physikalischen Eigenschaften der Elektrolytmembran.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein erstes Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran, das enthält die Schritte des Erweichens, des Schmelzens oder Auflösens einer Polymerelektrolytmembran eines ersten Zustandes, die ein Polymer mit einer Ionenaustauschgruppe enthält, um auf diese Weise eine Festpolymerelektrolytmembran eines zweiten Zustandes zu erzeugen; und Anwenden eines starken Magnetfeldes bei der Festpolymerelektrolytmembran des zweiten Zustandes in einer bestimmten Richtung, während des Härtens oder Verfestigens der Festpolymerelektrolytmembran des zweiten Zustandes. Durch dieses Herstellungsverfahren ist es möglich, in einfacher Weise die Festpolymerelektrolytmembran herzustellen, in der die Polymere in einer bestimmten Richtung orientiert und fixiert sind.
  • Im oben erwähnten Aspekt kann die Festpolymerelektrolytmembran unter Abkühlung gehärtet oder verfestigt werden.
  • Im oben erwähnten Aspekt kann in der Festpolymerelektrolytmembran des ersten Zustandes mindestens eines, gewählt von einer Substitution von Fluor oder einem Salz für die Ionenaustauschgruppe, einem Endkappenverfahren für die Ionenaustauschgruppe, und einem Hinzufügen eines Weichmachers durchgeführt werden. Demgemäß wird die Schmelzviskosität herabgesetzt, und daher wird es für das Polymer einfacher, sich zu bewegen. Als Ergebnis kann die Orientierung des Polymers verbessert werden. Ein derartiger Aspekt ist insbesondere wirkungsvoll, wenn eine Festpolymerelektrolytmembran verwendet wird, die nur durch Erwärmen schwierig zu erweichen oder zu schmelzen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zweites Herstellungsverfahren bereitgestellt, das die Schritte des Dispergierens eines Polymers mit einer Ionenaustauschgruppe in einem Lösungsmittel enthält, um auf diese Weise ein Elektrolytpolymer herzustellen; Formen des Elektrolytpolymers zu einem Membrankörper; und Anwenden eines starken Magnetfeldes bei dem Membrankörper in einer bestimmten Richtung, während des Verdampfens des Lösungsmittels, das im Membrankörper vorhanden ist. Durch dieses Herstellungsverfahren ist es möglich, die Festpolymerelektrolytmembran in einfacher Weise herzustellen, in der Polymere in einer bestimmten Richtung orientiert und fixiert sind. Zusätzlich wird die Fließfähigkeit des Polymers durch das Lösungsmittel verbessert. Es ist daher möglich, die Orientierung des Polymers zu verbessern.
  • Im oben erwähnten Aspekt kann das Lösungsmittel, das im Membrankörper vorhanden ist, durch Erwärmen verdampft werden.
  • Da in der Festpolymerelektrolytmembran, die durch jedes des ersten Herstellungsverfahrens und des zweiten Herstellungsverfahrens hergestellt wird, die Polymere infolge des Anlegens des starken Magnetfeldes in der bestimmten Richtung orientiert und fixiert sind, werden einer anschwellenden Eigenschaft und einer Ionenleitfähigkeit Aeolotropie verliehen. Das heißt, bei jedem des ersten Herstellungsverfahrens und des zweiten Herstellungsverfahrens ist es möglich, eine Festpolymerelektrolytmembran mit physikalischen Eigenschaften herzustellen, denen Aeolotropie verliehen worden ist, durch Steuern der Richtung, in der das starke Magnetfeld angelegt wird.
  • In jedem des ersten Herstellungsverfahrens und des zweiten Herstellungsverfahrens kann bei dem Polymer mit der Ionenaustauschgruppe jedes Molekül eine Molekülstruktur mit einer Magnetfeld-Aeolotropie, und eine Molekülstruktur mit Ionenleitfähigkeit besitzen. Somit wird die Molekülstruktur mit Magnetfeld-Aeolotropie durch das starke Magnetfeld orientiert, wodurch die Molekülstruktur mit Ionenleitfähigkeit auch orientiert werden kann. Es ist daher möglich, die Ionenleitfähigkeit in einer bestimmten Richtung zu verbessern.
  • Beispielsweise kann das Polymer eine lineare Hauptkette haben, und Seitenketten, die von der Hauptkette abzweigen, wobei jede von diesen die Ionenaustauschgruppe an deren Ende besitzt. In einem solchen Polymer ist die Hauptkette in der Richtung orientiert, die senkrecht zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird, und die Seitenketten, von denen jede die Ionenaustauschgruppe besitzt, werden in der Richtung orientiert, die parallel zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird. Es ist daher möglich, eine Festpolymerelektrolytmembran herzustellen mit verbesserter Ionenleitfähigkeit in der Richtung, in der das Magnetfeld angelegt wird.
  • Wenn beispielsweise ein Polymer verwendet wird, das eine Sulfonsäuregruppe als Ionenaustauschgruppe enthält, kann die Orientierung weiter verbessert werden. Wenn ein Polymer mit Benzolringen zwischen der Hauptkette und den Ionenaustauschgruppen verwendet wird, ist es möglich, eine Elektrolytmembran mit weiter verbesserter Ionenleitfähigkeit herzustellen, da der Benzolring eine relativ starke Tendenz hat, in der Richtung, die parallel zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird, orientiert zu werden.
  • In jedem des ersten Herstellungsverfahrens und des zweiten Herstellungsverfahrens kann das Polymer mit der Ionenaustauschgruppe eine Verbindung eines Polymers sein, das eine Magnetfeld-Aeolotropie besitzt, und eines Polymers mit Ionenleitfähigkeit. Da das Molekül mit Magnetfeld-Aeolotropie durch das starke Magnetfeld orientiert wird, ist es möglich, die Festigkeit der Membran in einer bestimmten Richtung zu verbessern. Ein Beispiel des Moleküls mit Magnetfeld-Aeolotropie ist ein Molekül mit Benzolringen. Andere Beispiele für das Molekül mit Magnetfeld-Aeolotropie schließen ein ein Molekül mit einer Imid- oder Amid-Bindung, und ein Flüssigkristallpolymer mit starker Magnetfeld-Aeolotropie.
  • In jedem des ersten Herstellungsverfahrens und des zweiten Herstellungsverfahrens kann die Molekülstruktur mit der Magnetfeld-Aeolotropie, oder das Molekül mit der Magnetfeld-Aeolotropie Benzolringe besitzen. Die Festpolymerelektrolytmembran, hergestellt durch ein solches Herstellungsverfahren, schwillt kaum in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird, an, und hat eine hohe Ionenleitfähigkeit in der Richtung, in der das Magnetfeld angelegt wird. Ein Beispiel einer solchen Festpolymerelektrolytmembran ist eine Festpolymerelektrolytmembran, in der ein Polymer mit Benzolringen in der Hauptkette, und ein Polymer, das keine Benzolringe in der Hauptkette besitzt, im Elektrolyten vermischt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt eine Festpolymerelektrolytmembran, hergestellt durch eines der oben erwähnten Herstellungsverfahren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt eine Brennstoffzelle, die eine Festpolymerelektrolytmembran enthält, die hergestellt wird durch eines der oben erwähnten Herstellungsverfahren; eine Anode, die bereitgestellt wird über einer der beiden Oberflächen der festen Polymerelektrolytmembran; und eine Kathode, die bereitgestellt wird über der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran.
  • Bei einer solchen Brennstoffzelle ist es möglich, die elektrische Energieerzeugungseffizienz zu verbessern durch Anwenden eines starken Magnetfeldes bei dem Polymer, das in der Festpolymerelektrolytmembran enthalten ist, so dass die Ionenleitfähigkeit relativ hoch in der Richtung der Membrandicke wird. Ebenso ist es möglich, die Verschlechterung der Elektrolytmembran zu unterdrücken durch Anwenden eines starken Magnetfeldes bei dem Polymer, so dass das Anschwellen in der Richtung der Membranoberfläche unterdrückt wird.
  • Die oben erwähnte Ausführungsform und andere Ausführungsformen, Aufgaben, Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutsamkeit dieser Erfindung werden besser verstanden durch Lesen der folgenden, ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, unter Berücksichtigung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, worin:
  • 1 eine Querschnittansicht ist, die eine Zelle zeigt, die eine Elektrolytmembran gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält, und die eine strukturelle Einheit einer Brennstoffzelle ist;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das ein erstes Herstellungsverfahren für eine Elektrolytmembran zeigt;
  • 3 ein Flussdiagramm ist, das ein zweites Herstellungsverfahren für eine Elektrolytmembran zeigt;
  • 4 zeigt eine begriffliche Ansicht einer fluorierten Elektrolytmembran vor dem Anlegen eines Magnetfeldes, und eine begriffliche Ansicht der fluorierten Elektrolytmembran nach dem Anlegen des Magnetfeldes; und
  • 5 zeigt eine begriffliche Ansicht einer Elektrolytmembran eines aromatischen Kohlenwasserstoffes vor dem Anlegen eines Magnetfeldes, und eine begriffliche Ansicht der Elektrolytmembran des aromatischen Kohlenwasserstoffes nach dem Anlegen des Magnetfeldes.
  • In der folgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung ausführlich anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben.
  • Eine Struktur einer Brennstoffzelle wird schematisch beschrieben. Gemäß der Erfindung werden Polymere, die in einer Festpolymerelektrolytmembran (nachstehend einfach bezeichnet als „Elektrolytmembran") enthalten sind, in einer bestimmten Richtung durch starke Magnetfelder orientiert. Zuerst wird eine Struktur einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die diese Elektrolytmembran enthält, kurz beschrieben.
  • 1 ist eine Querschnittansicht, die eine Zelle 20 zeigt, die eine Elektrolytmembran 21 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält, und die eine strukturelle Einheit einer Brennstoffzelle ist. Wie in 1 gezeigt, enthält die Zelle 20 die Elektrolytmembran 21; eine Anode 22 und eine Kathode 23, die ein Paar bilden, und die die Elektrolytmembran 21 sandwichförmig einschieben, so dass eine Sandwich-Struktur erzeugt wird; und Separatoren 30a und 30b, die die Sandwich-Struktur sandwichförmig einschieben. Brennstoff-Durchgänge 24, durch welche Wasserstoff, der als Brennstoff dient, fließt, werden erzeugt zwischen der Anode 22 und dem Separator 30a. Durchgänge 25 für oxidierendes Gas, durch welche Luft, das als oxidierendes Gas dient, fließt, werden zwischen der Kathode 23 und dem Separator 30b erzeugt.
  • Die Elektrolytmembran 21 besitzt Ionenleitfähigkeit, und erlaubt selektiv, dass ein Proton (H+) als Kation von der Seite der Anode 22 zur Seite der Kathode 23 hindurchdringt. Die Elektrolytmembran 21 enthält ein fluoriertes Polymer, das eine Sulfonsäuregruppe als eine Ionenaustauschgruppe, oder ein Kohlenwasserstoffpolymer enthält. Das Proton dringt hindurch über eine hydrophile Cluster-Region, die erzeugt ist aus einem Cluster von Sulfonsäuregruppen, um sich dadurch in der Richtung der Membrandicke der Elektrolytmembran 21 zu bewegen. Ein Herstellungsverfahren für die Elektrolytmembran 21, und Merkmale der Elektrolytmembran 21 werden später ausführlich beschrieben. Oberflächen der Elektrolytmembran 21 sind beschichtet mit einer katalytischen Paste, die Platin oder eine Legierung aus Platin und einem weiteren Metall als Katalysator enthält.
  • Jede der Anode 22 und der Kathode 23, die als Gasdiffusionselektrode dienen, werden aus einem Material mit ausreichendem Gasdiffusionsvermögen und Leitfähigkeit hergestellt. Beispiele eines solchen Materials schließen ein Kohlenstoffgewebe, Kohlepapier und Kohlefilz, die gewebt sind aus einem aus Kohlefasern hergestellten Faden.
  • Jeder der Separatoren 30a und 30b ist hergestellt aus einem leitfähigen Material, das nicht gaspermeabel ist. Beispiele eines solchen Materials schließen ein einen nicht gaspermeablen und verdichteten Kohlenstoff, der erhalten wird durch Komprimieren von Kohlenstoff, und ein Metallelement. Jeder der Separatoren 30a und 30b hat einen gerippten Teil mit einer bestimmten Gestalt in dessen Oberfläche. Wie obenstehend beschrieben, werden die Brennstoff-Durchgänge 24 erzeugt zwischen dem Separator 30a und der Anode 22, und die Durchgänge 25 für oxidierendes Gas werden erzeugt zwischen dem Separator 30b und der Kathode 23.
  • Sobald in der Zelle 20, die in der oben erwähnten Weise erzeugt worden ist, Brennstoff, der Wasserstoff enthält, über die Brennstoff-Durchgänge 24 zugeführt wird, und Luft, die Sauerstoff enthält, über die Durchgänge 25 für oxidierendes Gas zugeführt wird, laufen elektrochemische Reaktionen auf den Katalysatoren ab, die auf den Oberflächen der Elektrolytmembran 21 bereitgestellt sind. Die elektrochemischen Reaktionen werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt. H2 → 2H+ + 2e- Gleichung(1) 2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O Gleichung(2) H2 + (1/2)O2 → H2O Gleichung(3)
  • Die Gleichung (1) stellt die Reaktion dar, die auf der Seite der Anode 22 abläuft. Die Gleichung (2) stellt die Reaktion dar, die auf der Seite der Kathode 23 abläuft. Die Gleichung (3) stellt die Reaktion dar, die in der gesamten Brennstoffzelle abläuft. Wie durch die Gleichung (1) ausgedrückt, bewegt sich das Elektron (e-), erzeugt durch die Reaktion auf der Seite der Anode 22, zur Seite der Kathode 23 über eine äußere Leitung 40, und wird für die Reaktion verwendet, die ausgedrückt wird durch die Gleichung (2). Das Proton (H+), das durch die durch Gleichung (1) ausgedrückte Reaktion erzeugt wird, bewegt sich zur Seite der Kathode 23 über die Elektrolytmembran 21, und wird für die durch Gleichung (2) ausgedrückte Reaktion verwendet. Gemäß diesen Gleichungen wird auf der Seite der Kathode 23 durch die chemische Reaktion, die in der gesamten Brennstoffzelle durchgeführt wird, Wasser erzeugt. Ein Teil des so erzeugten Wassers wird von der Elektrolytmembran 21 absorbiert, und der andere Teil des Wassers wird zur Außenseite der Brennstoffzelle abgeführt.
  • Als nächstes wird ein erstes Herstellungsverfahren für die Elektrolytmembran 21, gezeigt in 1, beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm, das das erste Herstellungsverfahren für die Elektrolytmembran 21 zeigt. Als erstes wird eine bereits erhältliche Elektrolytmembran vorbereitet im Schritt S100. Beispielsweise wird eine fluorierte Elektrolytmembran wie eine Perfluorsulfonsäuremembran oder eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran vorbereitet. Als Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran kann beispielsweise eine Membran, erhalten durch Sulfonieren eines technischen Polymers verwendet werden. Beispiele des technischen Polymers schließen ein Polyetheretherketon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyphenylenether, Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyacetalharz, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Polysulfon, Polycarbonat, Polyamid, Polyamid-Imid, Polyimid, Polybenzimidazol, Polybutylenterephthalat, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyacrylnitril und Polyvinylalkohol. Selbstverständlich kann eine Elektrolytmembran, die durch Materialschmelze-Extrusionsverfahren oder Lösungs-Gießverfahren neu erzeugt worden ist, vorbereitet werden, anstelle einer solchen, bereits erhältlichen Elektrolytmembran.
  • Als nächstes wird im Schritt S110 die in Schritt S100 vorbereitete Elektrolytmembran erwärmt, während des Durchführens einer Stickstoff-Spülung bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur, bei der das in der Elektrolytmembran enthaltene Polymer zersetzt wird (beispielsweise 180°C bis 200°C), so dass die Elektrolytmembran erweicht oder geschmolzen wird. Somit wird die Fließfähigkeit des in der Elektrolytmembran enthaltenen Polymers verbessert.
  • Als nächstes wird ein starkes Magnetfeld bei der erweichten oder geschmolzenen Elektrolytmembran in der Richtung der Membrandicke im Schritt S120 angewendet. Als Vorrichtung für das Anwenden eines starken Magnetfeldes bei der Elektrolytmembran kann beispielsweise eine ein starkes Magnetfeld anlegende Vorrichtung „HF10-150VT", hergestellt von Sumitomo Heavy Industries Ltd., verwendet werden. In einer solchen, ein starkes Magnetfeld anlegenden Vorrichtung wird ein elektrischer Strom bei einer supraleitenden Spule bzw. Wicklung angewandt, die so erzeugt ist, dass sie eine hohle, zylindrische Gestalt hat, wodurch starke Magnetfelder in der axialen Richtung im Zylinder erzeugt werden. Wenn demnach die Elektrolytmembran in diesem Zylinder angeordnet wird, können die Polymere, die im Elektrolyten enthalten sind, in einer bestimmten Richtung orientiert werden. Die Stärke des Magnetfeldes, das beim Elektrolyten angewandt wird, ist etwa 10 Tesla.
  • In Schritt S130 wird die Elektrolytmembran mehrere Stunden lang gekühlt, so dass die Temperatur abnimmt, beispielsweise bei 20°C für 60 Minuten gemäß einem bestimmten Profil, während ein starkes Magnetfeld angelegt wird. Auf diese Weise wird die Elektrolytmembran verfestigt oder gehärtet. Das Durchführen der oben erwähnten Schritte ermöglicht eine relativ einfache Herstellung der Elektrolytmembran, in der die Polymere in einer bestimmten Richtung orientiert und fixiert sind, gemäß der Richtung, in der das starke Magnetfeld angelegt wird.
  • Die Elektrolytmembran, in der die Polymere in einer bestimmten Richtung orientiert sind, kann anstelle des ersten Herstellungsverfahrens durch ein zweites Herstellungsverfahren hergestellt werden. Das zweite Herstellungsverfahren wird nachstehend ausführlich beschrieben.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das das zweite Herstellungsverfahren für eine Elektrolytmembran zeigt. Als erstes wird eine Elektrolytpolymerlösung vorbereitet in Schritt S200. Die Elektrolytpolymerlösung kann erhalten werden durch Dispergieren eines fluorierten oder eines Kohlenwasserstoff-Elektrolytpolymers mit Ionenleitfähigkeit in einem Lösungsmittel, z.B. einem Alkohol.
  • Als nächstes wird in Schritt S210 die Elektrolytpolymerlösung aufgebracht auf einen erwärmenden Träger bzw. Heizträger, auf den Teflon (eingetragenes Warenzeichen) aufgebracht worden ist, so dass die Elektrolytpolymerlösung die Gestalt eines Films annimmt. Danach wird die Lösung durch Verwenden des Heizträgers erwärmt, während ein starkes Magnetfeld von etwa 10 Tesla angewandt wird bei der Lösung in der Richtung der Membrandicke in Schritt S220. Somit wird das Lösungsmittel im Schritt S230 verdampft. Die gleiche Vorrichtung für das Anlegen eines starken Magnetfeldes wie diejenige, verwendet im ersten Herstellungsverfahren, kann auch im zweiten Herstellungsverfahren verwendet werden.
  • Das Durchführen der oben erwähnten Schritte ermöglicht auch ein einfaches Herstellen der Elektrolytmembran, in der die Polymere in einer bestimmten Richtung orientiert sind, gemäß der Richtung, in der das starke Magnetfeld angelegt wird. Auch mittels des zweiten Herstellungsverfahrens kann die Fließfähigkeit des Polymers durch das Lösungsmittel verbessert werden. Es ist daher möglich, die Orientierung des Polymers weiter zu verbessern.
  • In jedem des ersten Herstellungsverfahrens und des zweiten Herstellungsverfahrens wird ein Elektrolyt, in dem die im Polymer enthaltene Ionenaustauschgruppe durch Fluor oder ein Salz substituiert ist, oder ein Elektrolyt, in dem ein Endkappenverfahren durchgeführt wurde, verwendet werden. Ebenfalls kann ein Elektrolyt, zu dem ein Weichmacher hinzugefügt worden ist, verwendet werden. Wenn ein solches Verfahren durchgeführt wird, wird die Schmelzviskosität des Elektrolyten herabgesetzt. Demgemäß ist ein solches Verfahren besonders wirkungsvoll, wenn ein Elektrolyt verwendet wird, der allein durch Erwärmen schwierig zu erweichen oder zu schmelzen ist.
  • Als nächstes werden die Eigenschaften der Elektrolytmembran, hergestellt durch das erste oder das zweite Herstellungsverfahren, beschrieben.
  • 4 zeigt eine begriffliche Ansicht der fluorierten Elektrolytmembran vor Anlegen eines Magnetfeldes, und eine begriffliche Ansicht der fluorierten Elektrolytmembran nach dem Anlegen des Magnetfeldes. Wie in der Ansicht auf der linken Seite in 4 gezeigt, hat vor dem Anlegen des Magnetfeldes das fluorierte Polymer eine Struktur, in der eine lineare Hauptkette im Zentrum angeordnet ist, und Seitenketten, von denen jede an ihrem Ende eine Sulfonsäuregruppe (SO3H) hat, sind isotropisch 360° um die Hauptkette angeordnet. In 4 erstreckt sich die Hauptkette in einer Richtung, die senkrecht zum Papier ist, auf dem 4 gezeigt ist. Allerdings, nachdem das Magnetfeld durch das oben erwähnte Herstellungsverfahren angelegt worden ist, wie in der Ansicht auf der rechten Seite in 4 gezeigt, wird die Hauptkette in der Richtung orientiert, die senkrecht zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird, und die Seitenketten werden in der Richtung orientiert, die parallel zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird. Mit einer solchen Struktur der Elektrolytmembran wird eine hohe Anzahl von Sulfonsäuregruppen als Ionenaustauschgruppen kontinuierlich in der Richtung der Membrandicke bereitgestellt. Daher erstreckt sich die hydrophile Cluster-Region in der Richtung der Membrandicke, und die Ionenleitfähigkeit wird in der Richtung der Membrandicke verbessert. Wenn eine solche Elektrolytmembran verwendet wird, kann die Effizienz der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle, gezeigt in 1, verbessert werden.
  • Als fluoriertes Polymer kann ein Perfluorsulfonsäurepolymer verwendet werden. Stattdessen kann ein Polymer mit Benzolringen zwischen der Hauptkette und den Seitenketten verwendet werden. Der Benzolring hat eine relativ starke Tendenz, in der Richtung parallel zu der Richtung, in der das Magnetfeld angelegt wird, orientiert zu werden. Es ist daher möglich, eine Elektrolytmembran mit weiter verbesserter Ionenleitfähigkeit herzustellen. Beispiele des Polymers mit Benzolringen zwischen der Hauptkette und den Sulfonsäuregruppen schließen ein sulfoniertes Poly(4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylen) (S-PPBP), 3-6-sulfonieres Polybenzimidazol, sulfoniertes Polyethersulfon, sulfoniertes Poly(arylethersulfon), und sulfoniertes Fullerenol.
  • 5 zeigt eine begriffliche Ansicht der Elektrolytmembran des aromatischen Kohlenwasserstoffes vor Anlegen eines Magnetfeldes, und eine begriffliche Ansicht der Elektrolytmembran des aromatischen Kohlenwasserstoffes nach Anlegen des Magnetfeldes. Wie in der Ansicht auf der linken Seite in 5 gezeigt, sind die aromatischen Kohlenwasserstoffpolymere, wobei jedes von diesen Benzolringe in der linearen Hauptkette hat, vor dem Anlegen des Magnetfeldes in zufällige Richtungen orientiert. Nachdem allerdings das starke Magnetfeld durch das oben erwähnte Herstellungsverfahren angelegt worden ist, sind die Hauptketten orientiert in der Richtung, die parallel zu der Richtung ist, in der das Magnetfeld angelegt wird. Wenn eine solche Elektrolytmembran für die Brennstoffzelle verwendet wird, selbst wenn die Elektrolytmembran durch Absorbieren von Wasser anschwillt, neigt die Elektrolytmembran dazu, eher in der Richtung der Membrandicke anzuschwellen, als in der Richtung der Membranoberfläche. Demgemäß wird eine überhöhte Belastung nicht bei den Teilen angewandt, bei denen die Elektrolytmembran und die anderen Elemente (beispielsweise die Anode 22 und die Kathode 23) miteinander verbunden sind, und daher kann eine Verschlechterung der Elektrolytmembran unterdrückt werden.
  • Das aromatische Kohlenwasserstoffpolymer mit Benzolringen der linearen Hauptkette wird erhalten durch Sulfonieren des aromatischen, technischen Kunststoffes. Beispiele des aromatischen, technischen Kunststoffes schließen ein Polyetheretherketon, Polyaryletherketon, Polyetherketon, Polyketon, Polyethersulfon, Polysulfon, Polyphenylensulfid und Polyphenylenether.
  • Jede der Elektrolytmembranen, hergestellt im Schritt S100 im ersten Herstellungsverfahren, und des Elektrolytpolymers, hergestellt im Schritt S200 im zweiten Herstellungsverfahren, kann einen einzelnen Typ von Polymer enthalten. Allerdings kann jede der Elektrolytmembran, hergestellt im Schritt S100 im ersten Herstellungsverfahren, und des Elektrolytpolymers, hergestellt im Schritt S200 im zweiten Herstellungsverfahren, eine Verbindung sein, die zwei Typen von Polymeren enthält, von denen beispielsweise eines das oben erwähnte aromatische Kohlenwasserstoffpolymer ist, und das andere das Polymer ist, das Ionenleitfähigkeit hat und keine Benzolringe in der Hauptkette hat. Wenn ein starkes Magnetfeld bei einem solchen Elektrolyten in der Richtung der Membrandicke angelegt wird, schwillt der Elektrolyt schwierig in der Richtung der Membranoberfläche an, weil die zwei Typen von Polymeren verschiedene Orientierungen besitzen. Es ist daher möglich, die Elektrolytmembran mit einer hohen Ionenleitfähigkeit in der Richtung der Membrandicke herzustellen.
  • Beispiele des Polymers, das Ionenleitfähigkeit hat, und das keine Benzolringe in der Hauptkette hat, sind Perfluorsulfonsäurepolymer und ein aliphatisches Polymer. Beispiele eines Polymers, das eine aliphatische Hauptkette hat, und das Ionenleitfähigkeit hat, schließen ein Polyvinylsulfonsäure, Polystyrolsulfonsäure, quartäres Polyvinylpyridin, sulfoniertes Styrol-Butadien-Copolymer, und ein Blockcopolymer aus sulfoniertem Styrol/Ethylen-Butadien. Im Allgemeinen kann ein Polymer vom AB-Typ, das ein sulfoniertes Polymer als „A" und Ethylen oder Butadien als „B" hat, verwendet werden.
  • Anstelle des Herstellens des Elektrolyten, in dem zwei Typen von Polymeren in der oben erwähnten Art und Weise verwendet werden, kann ein Polymer verwendet werden mit einer Struktur, in der Benzolringe in einer linearen Hauptkette enthalten sind, und jede Seitenkette erzeugt ist durch lineares Verbinden von Kohlenstoffatomen, oder ein Polymer mit einer Struktur, in der eine Hauptkette erzeugt ist durch lineares Verbinden von Kohlenstoffatomen, und Benzolringe in jeder Seitenkette enthalten sind. Ein Beispiel einer solchen Elektrode ist butylsulfoniertes Polybenzimidazol. Wenn ein starkes Magnetfeld bei einem solchen Elektrolyten angelegt wird, werden die Hauptkette und die Seitenketten in unterschiedliche Richtungen orientiert. Es ist daher möglich, eine Elektrolytmembran herzustellen, in der die Richtung, in der die Membran anschwillt, und die Richtung, in der das Ion geführt wird, in geeigneter Weise gesteuert werden.
  • Gemäß der soweit beschriebenen Ausführungsform ermöglicht das Anlegen eines starken Magnetfeldes während eines Verfahrens des Verfestigens der Elektrolytmembran das Herstellen einer ausgezeichneten Elektrolytmembran mit physikalischen Eigenschaften, denen Aeolotropie vermittelt worden ist, beispielsweise eine Elektrolytmembran, in der das Anschwellen der Membran in der Richtung der Membranoberfläche unterdrückt werden kann, und eine Elektrolytmembran mit einer hohen Ionenleitfähigkeit in der Richtung der Membrandicke.
  • Während die Erfindung ausführlich mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben erwähnte Ausführungsform eingeschränkt, und die Erfindung kann anhand von verschiedenen weiteren Ausführungsformen innerhalb des Umfanges der Erfindung realisiert werden.
  • Beispielsweise wird im ersten Herstellungsverfahren die Elektrolytmembran, vorbereitet in Schritt S100, erweicht oder geschmolzen, um die Fließfähigkeit des in der Elektrolytmembran enthaltenen Polymers zu verbessern. Allerdings ist das Verfahren des Verbesserns der Fließfähigkeit des Polymers nicht darauf eingeschränkt. Beispielsweise kann die Elektrolytmembran in einem Lösungsmittel aufgelöst werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Leistung einer Elektrolytmembran (21) wird verbessert, indem man den physikalischen Eigenschaften der Elektrolytmembran (21) Aeolotropie verleiht. Eine Festpolymerelektrolytmembran (21) eines ersten Zustandes, die ein Polymer mit einer Ionenaustauschgruppe enthält, wird erweicht, geschmolzen oder aufgelöst, wodurch eine Festpolymerelektrolytmembran (21) eines zweiten Zustandes erzeugt wird. Danach wird die Festpolymerelektrolytmembran (21) des zweiten Zustandes abgekühlt, während ein starkes Magnetfeld bei der Festpolymerelektrolytmembran (21) des zweiten Zustandes in einer bestimmten Richtung angewandt wird, wodurch die Festpolymerelektrolytmembran (21) des zweiten Zustandes gehärtet oder verfestigt wird. Als Ergebnis kann die Ionenleitfähigkeit in einer Richtung der Membrandicke in einer fluorierten Elektrolytmembran verbessert werden, und das Anschwellen in der Richtung der Membranoberfläche kann unterdrückt werden in einer Elektrolytmembran eines aromatischen Kohlenwasserstoffes.

Claims (10)

  1. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran mit physikalischen Eigenschaften, denen Aeolotropie vermittelt worden ist, gekennzeichnet durch Umfassen der Schritte: Erweichen, Schmelzen oder Auflösen einer Festpolymerelektrolytmembran (21) eines ersten Zustandes, die ein Polymer mit einer Ionenaustauschgruppe enthält, um auf diese Weise eine Festpolymerelektrolytmembran (21) (S110) eines zweiten Zustandes zu erzeugen; und Anwenden eines starken Magnetfeldes bei der Festpolymerelektrolytmembran (21) des zweiten Zustandes in einer bestimmten Richtung (S120), unter Härten oder Verfestigen der Festpolymerelektrolytmembran (21) (S130) des zweiten Zustandes.
  2. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei die Festpolymerelektrolytmembran (21) durch Abkühlen gehärtet oder verfestigt wird.
  3. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei in der Festpolymerelektrolytmembran (21) des ersten Zustandes mindestens eines, gewählt von einer Substitution von Fluor oder einem Salz für die Ionenaustauschgruppe, einem Endkappenverfahren für die Ionenaustauschgruppe, und einem Hinzufügen eines Weichmachers durchgeführt wird.
  4. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran mit physikalischen Eigenschaften, denen Aeolotropie vermittelt worden ist, gekennzeichnet durch Umfassen der Schritte: Dispergieren eines Polymers mit einer Ionenaustauschgruppe in einem Lösungsmittel, um auf diese Weise ein Elektrolytpolymer (S200) herzustellen; Formen des Elektrolytpolymers in der Gestalt eines Films (S210); und Anwenden eines starken Magnetfeldes bei dem Elektrolytpolymer, das in der Gestalt eines Films geformt wurde, in einer bestimmten Richtung (S220), während des Verdampfens des Lösungsmittels, das im Elektrolytpolymer (S230) vorhanden ist.
  5. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran nach Anspruch 4, wobei das Lösungsmittel, das vorhanden ist in dem Elektrolytpolymer, das in der Gestalt eines Films geformt wurde, durch Erwärmen verdampft wird.
  6. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei dem Polymer mit der Ionenaustauschgruppe jedes Molekül eine Molekülstruktur mit Magnetfeld-Aeolotropie und eine Molekülstruktur mit Ionenleitfähigkeit hat.
  7. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Polymer mit der Ionenaustauschgruppe eine Verbindung eines Polymers mit Magnetfeld-Aeolotropie und eines Polymers mit Ionenleitfähigkeit ist.
  8. Herstellungsverfahren für eine Festpolymerelektrolytmembran nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Molekülstruktur mit der Magnetfeld-Aeolotropie oder das Molekül mit der Magnetfeld-Aeolotropie Benzolringe hat.
  9. Festpolymerelektrolytmembran, erhältlich durch das Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch Umfassen: einer Festpolymerelektrolytmembran (21), die hergestellt wird durch das Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8; einer Anode (22), die bereitgestellt wird über einer der beiden Oberflächen der Festpolymerelektrolytmembran (21); und einer Kathode (23), die bereitgestellt wird über der anderen Oberfläche der Festpolymerelektrolytmembran (21).
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100786480B1 (ko) 2006-11-30 2007-12-17 삼성에스디아이 주식회사 모듈형 연료전지 시스템
KR100811982B1 (ko) 2007-01-17 2008-03-10 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
US7794893B2 (en) * 2007-04-27 2010-09-14 Canon Kabushiki Kaisha Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and fuel cell
IT1402230B1 (it) 2010-08-06 2013-08-28 Breton Spa Biossido di titanio drogato con fluoro e suo processo di produzione.
IT1401383B1 (it) 2010-08-06 2013-07-18 Uni Degli Studi Di Padova Dip Di Scienze Chimiche Membrane ibride contenenti biossido di titanio drogato con fluoro.
US11251455B2 (en) 2012-04-11 2022-02-15 Ionic Materials, Inc. Solid ionically conducting polymer material
US12074274B2 (en) 2012-04-11 2024-08-27 Ionic Materials, Inc. Solid state bipolar battery
US11152657B2 (en) 2012-04-11 2021-10-19 Ionic Materials, Inc. Alkaline metal-air battery cathode
US11319411B2 (en) 2012-04-11 2022-05-03 Ionic Materials, Inc. Solid ionically conducting polymer material
US11145857B2 (en) 2012-04-11 2021-10-12 Ionic Materials, Inc. High capacity polymer cathode and high energy density rechargeable cell comprising the cathode
US11749833B2 (en) 2012-04-11 2023-09-05 Ionic Materials, Inc. Solid state bipolar battery
US10559827B2 (en) 2013-12-03 2020-02-11 Ionic Materials, Inc. Electrochemical cell having solid ionically conducting polymer material
US9819053B1 (en) 2012-04-11 2017-11-14 Ionic Materials, Inc. Solid electrolyte high energy battery
US20140065457A1 (en) * 2012-08-28 2014-03-06 Apple Inc. Multiple electrode substrate thicknesses in battery cells for portable electronic devices
KR102353151B1 (ko) 2013-12-03 2022-01-18 아이오닉 머터리얼스, 인코퍼레이션 이온 전도성 고체 폴리머 물질 및 응용
US11114655B2 (en) 2015-04-01 2021-09-07 Ionic Materials, Inc. Alkaline battery cathode with solid polymer electrolyte
EP3295503A4 (de) * 2015-05-08 2019-01-09 Ionic Materials, Inc. Festes, ionisch leitendes polymermaterial
KR102640010B1 (ko) 2015-06-04 2024-02-22 아이오닉 머터리얼스, 인코퍼레이션 고체 중합체 전해질을 갖는 리튬 금속 배터리
US11342559B2 (en) 2015-06-08 2022-05-24 Ionic Materials, Inc. Battery with polyvalent metal anode
US11605819B2 (en) 2015-06-08 2023-03-14 Ionic Materials, Inc. Battery having aluminum anode and solid polymer electrolyte

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08165360A (ja) * 1994-12-16 1996-06-25 Hitachi Ltd 導電性高分子配向膜の製造方法および導電性高分子配向膜
US7288603B2 (en) * 2000-11-13 2007-10-30 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Polybenzazole compound having sulfonic acid group and/or phosphonic acid group, resin composition containing the same, resin molding, solid polymer electrolyte membrane, solid polymer electrolyte membrane/electrode assembly and method of preparing assembly
JP4161092B2 (ja) * 2001-05-18 2008-10-08 日本化学工業株式会社 ポリマー化可能な基を有するスルホン酸型液晶材料、その製造方法、プロトン輸送材料および液晶状態による分子配列を利用したプロトン輸送方法
JP3651799B2 (ja) * 2002-08-21 2005-05-25 株式会社東芝 燃料電池用触媒材料、燃料電池用触媒材料の製造方法及び燃料電池
EP1403953A3 (de) * 2002-09-26 2009-07-29 FUJIFILM Corporation Organisch-inorganisches Hybrid-Material, Hybrid-proton-leitendes-Material und Brennstoffzelle
JP2005129290A (ja) * 2003-10-22 2005-05-19 Fuji Photo Film Co Ltd イオン交換体の製造方法、イオン交換体、電極膜複合体、および燃料電池
JP4664626B2 (ja) * 2004-07-05 2011-04-06 ポリマテック株式会社 イオン伝導性高分子電解質膜及びその製造方法

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Publication number Publication date
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