DE60129187T2

DE60129187T2 - Kompositelektrolyt mit Schutzmembran, Herstellungsverfahren dafür und Brennstoffzelle mit einem solchen Elektrolyt

Info

Publication number: DE60129187T2
Application number: DE60129187T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Wako-shi Akita
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: EP1160903B1; US20020004165A1; EP1160903A3; DE60129187D1; EP1160903A2; JP2001338657A

Description

Hintergrund der Erfindung
Feld der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kompositelektrolyt mit Schutzmembran, der bevorzugt für eine elektrochemische Zelle verwendet werden soll, besonders für eine Brennstoffzelle, wobei der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran einen Kompositelektrolyt umfasst, der eine Matrix beinhaltet, die mit einem flüssigen Elektrolyt imprägniert ist, und wobei eine Oberfläche des Kompositelektrolyts mit einer Polymermembran beschichtet ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran und auf eine Brennstoffzelle, die mit dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran ausgestattet ist.
Beschreibung verwandter Fachgebiete:
Eine schematische vollständige Anordnung einer Zelleinheit einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle wird in 5 gezeigt. Die Zelleinheit 1 ist ausgestattet mit einer Elektrolyt-Elektrode gebundenen Einheit 5, die so aufgebaut ist, dass eine Anodenelektrode 2, eine Kathodenelektrode 3 und ein Kompositelektrolyt 4, der zwischen den beiden Elektroden 2, 3 angeordnet ist, miteinander verbunden sind.
Der Kompositelektrolyt 4 beinhaltet im Allgemeinen ein poröses Teil aus Siliciumcarbid mit feinen Poren, die mit nicht dargestellter konzentrierter Phosphorsäure (flüssiger Elektrolyt) imprägniert sind. Jedoch ist auch ein anderer Typ bekannt, bei dem ein Polymerfilm, der aus einem basischen Polymer, wie zum Beispiel Polybenzimidazol, zusammengesetzt ist, mit Phosphorsäure oder Schwefelsäure imprägniert ist (siehe United States Patent Nr. 5,525,436 ).
Andererseits umfasst die Anodenelektrode 2 und die Kathodenelektrode 3, wie in 6 gezeigt, jeweils eine Gasdiffusionsschicht 6, die aus Kohlenstoffpapier und einer Elektrodenkatalysatorschicht 7 zusammengesetzt ist, die Kohlenstoff umfasst, auf dessen Oberfläche Platin geträgert ist, wobei der Kohlenstoff gleichmäßig auf eine Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 6 laminiert ist.
Die Elektrolytelektrode gebundene Einheit 5, wie sie oben beschrieben ist, wird zwischen einem Paar von Separatoren 8a, 8b, angeordnet.
Sammelelektroden 9a, 9b sind an der Außenseite des Separatorenpaares 8a bzw. 8b angeordnet. Ferner sind Endplatten 10a, 10b an der Außenseite der Sammelelektroden 9a bzw. 9b angeordnet (siehe 5). Die Endplatten 10a, 10b sind miteinander mittels nicht dargestellten Bolzen verbunden. Die Elektrolytelektroden gebundene Einheit 5, die Separatoren 8a, 8b und die Sammelelektroden 9a, 9b sind also zwischen den Endplatten 10a, 10b angeordnet und werden durch diese zusammengehalten. Gasdurchflusspassagen 11a, 11b, die verwendet werden, um die Anodenelektrode 2 oder die Kathodenelektrode 3 mit Brennstoffgas oder dem sauerstoffhaltigen Gas, wie später beschrieben, zu versorgen, sind an den Separatoren 8a bzw. 8b gebildet.
Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle ist so konstruiert, dass ein Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt), der gebildet wird, indem eine vorbestimmte Zahl der Zelleinheiten 1 mit der oben beschriebenen Struktur nebeneinander gestapelt werden, und indem die Zelleinheiten 1 in Serie verbunden werden, in einem Behälter untergebracht werden.
Wenn die Phosphorsäure-Brennstoffzelle, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, betrieben wird, wird zuerst die Anodenelektrode 2 jeder Zelleinheit 1 mit dem Brennstoffgas, z.B. dem Wasserstoff-haltigen Gas, über die Gasflusspassage 11a des Separators 8a versorgt. Auf der anderen Seite wird die Kathodenelektrode 3 mit dem Sauerstoff-haltigen Gas, wie zum Beispiel der Luft, über die Gasflusspassage 11b des Separators 8b versorgt. Das Brennstoffgas und das Sauerstoff-haltige Gas durchströmen die Gasdiffusionsschichten 6, die die beiden Elektroden 2, 3 darstellen, und gelangen dann zu den Elektrodenkatalysatorschichten 7. Der Wasserstoff in dem Brennstoffgas verursacht die Reaktion, die durch die folgende Reaktionsformel (a) dargestellt ist, in der Elektrodenkatalysatorschicht 7 der Anodenelektrode 2.
Entsprechend werden das Wasserstoffion und das Elektron erzeugt. H₂ → 2H⁺ + 2e (a)
Das erzeugte Wasserstoffion bewegt sich zu der Kathodenelektrode 3 über den Kompositelektrolyt 4. Während dieses Prozesses wird das Elektron zu einem externen Kreis, der elektrisch mit der Anodenelektrode 2 und der Kathodenelektrode 3 verbunden ist, abgegeben und wird als elektrische Energie in Form von Gleichstrom benutzt, um den externen Kreis mit Energie zu versorgen. Danach gelangt das Elektron an die Kathodenelektrode 3.
Das Wasserstoffion, das sich zu der Kathodenelektrode 3 bewegt hat und das Elektron, das zu der Kathodenelektrode 3 über den externen Kreislauf gelangt ist, reagieren, wie durch folgende Reaktionsformel (b) dargestellt ist, mit dem Sauerstoff aus dem Sauerstoff-haltigen Gas, das die Kathodenelektrode 3 versorgt. 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O (b)
Das Brennstoffgas, das nicht reagiert hat, wird aus dem Phosphorsäure-Brennstoffzellen-Behälter nach außen über die Gasflusspassage 11a des Separators 8a abgegeben. Entsprechend werden das nicht abreagierte Sauerstoff-haltige Gas und das entstandene H₂O aus dem Phosphorsäure-Brennstoffzellen-Behälter nach außen über die Gasflusspassage 11b des Separators 8b abgegeben.
Der Zustand von H₂O in der Reaktionsformel (b) hängt von der Betriebstemperatur der Phosphorsäure-Brennstoffzelle ab. Für gewöhnlich wird die Phosphorsäure-Brennstoffzelle unter Bedingungen betrieben, bei denen jede Zelleinheit 1 bei einer Temperatur von etwa 140 bis 190 °C gehalten wird. In diesem Fall wird H₂O als ein Gas, d.h. als so genannter Dampf erhalten.
Auf der anderen Seite ist das Verhältnis von H₂O, das als Flüssigkeit (Wasser) erhalten wird, erhöht, wenn der Betrieb unter Bedingungen durchgeführt wird, bei denen jede Zelleinheit 1 bei einer Temperatur von weniger als 100 °C gehalten wird. Das Wasser verbleibt innerhalb des Phosphorsäure-Brennstoffzellen-Behälters. Aus diesem Grund wird die Phosphorsäure in dem Kompositelektrolyt 4 in das Wasser eluiert. Das Wasser wird schließlich aus dem Behälter nach außen über die Gasflusspassagen 11a, 11b abgegeben. Allerdings wird auch die eluierte Phosphorsäure während dieses Prozesses abgegeben. Deshalb verringert sich die Phosphorsäurekonzentration in dem Kompositelektrolyt 4. Als Ergebnis taucht der Nachteil auf, dass sich die Zelleigenschaft der Phosphorsäure-Brennstoffzelle verschlechtert.
Besonders wenn der Kompositelektrolyt, der den Polymerfilm umfasst, der aus dem basischem Polymer, wie zum Beispiel Polybenzimidazol, zusammengesetzt ist und mit der Phosphorsäure oder ähnlichem imprägniert ist, verwendet wird, wie in dem United States Patent Nr. 5,525,436 beschrieben, auf das oben Bezug genommen wurde, schrumpft der Polymerfilm in einigen Fällen aufgrund der Elution von Phosphorsäure. Falls eine solche Situation auftritt, taucht der folgende Nachteil auf. Das heißt, der Polymerfilm wird beschädigt, das Brennstoffgas entweicht zu der Kathodenelektrode 3 oder das sauerstoffhaltige Gas entweicht zu der Anodenelektrode 2.
Entsprechend wird festgestellt, dass die Elution von Phosphorsäure vermieden wird, indem die Oberfläche des Kompositelektrolyts 4 mit einer Schutzmembran beschichtet wird.
Allerdings ist es in diesem Fall und aus folgendem Grund unmöglich, das physikalische Gasabscheidungsverfahren (PVD) und das chemische Gasabscheidungsverfahren (CVD), die repräsentative Verfahren zur Bildung der Membran sind, anzuwenden. Das heißt, wenn das PVD-Verfahren durchgeführt wird, muss eine Kammer unter Hochvakuum gesetzt werden, nachdem ein Ziel zur Bildung für die Membran in der Kammer eines PVD-Apparats angeordnet ist. Wenn allerdings das Ziel zur Bildung der Membran der Kompositelektrolyt 4 ist, in dem das poröse Teil aus Siliciumcarbid oder der Polymerfilm mit dem flüssigen Elektrolyt, wie zum Beispiel Phosphorsäure und Schwefelsäure, imprägniert ist, ist es extrem schwierig, das Innere der Kammer unter Hochvakuum zu stellen. Um das CVD-Verfahren durchzuführen, ist es notwendig, den Kompositelektrolyt 4 so aufzuheizen, dass der Kompositelektrolyt 4 eine hohe Temperatur hat. Allerdings verdampft und verflüchtigt sich der flüssige Elektolyt während des Verfahrens.
Ferner ist es auch aus folgendem Grund unmöglich, das Abscheidungsverfahren, wie zum Beispiel Elektroabscheidung und stromloses Abscheiden, anzuwenden. Wenn nämlich der Kompositelektrolyt 4 in ein Abscheide-Bad getaucht wird, eluiert der flüssige Elektrolyt in das Abscheide-Bad.
Wie oben beschrieben, ist es extrem schwierig, die Schutzmembran auf der Oberfläche des porösen Teils aus Siliciumcarbid oder des Polymerfilms, die mit dem flüssigen Elektrolyt imprägniert sind, zu bilden, was bisher noch nicht erreicht worden ist. Auf der anderen Seite ist es auch vorstellbar, dass das poröse Teil aus Siliciumcarbid oder der Polymerfilm mit dem flüssigen Elektrolyt imprägniert werden kann, nachdem sie mit einer Schutzmembran beschichtet worden sind. Allerdings ist es extrem schwierig, dass der flüssige Elektrolyt in das poröse Teil aus Siliciumcarbid oder in den Polymerfilm über die Schutzmembran permeiert. Deshalb wird, wenn die Phosphorsäure-Brennstoffzelle betrieben wird, die Kontrolle gemacht, dass die Zelleinheit 1 innerhalb des Bereichs, wie er oben beschrieben ist, durch Heizen der Zelleinheit 1 mit einer Heizung oder dergleichen beibehalten wird. Allerdings liegt der Nachteil, wenn die Heizung oder dergleichen eingebaut wird, um eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle aufzubauen, darin, dass es schwierig ist, die Phosphorsäure-Brennstoffzelle zu miniaturisieren. Ferner ist es nötig, wenn die Phosphorsäure-Brennstoffzelle betrieben wird, die elektrische Energie für die Heizung oder dergleichen aufzuwenden. Daher liegt der Nachteil darin, dass die Betriebskosten hoch sind. Augenmerk ist auch auf WO 00/44816 und EP-A-1020489 (beide sind nur relevant gemäß Artikel 54(3) im Hinblick auf ihre Veröffentlichung nach dem beanspruchten Prioritätsdatum) und auf US-Patente Nr. 6,042,968 und 5,409,785 gerichtet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die verschiedenen Probleme, wie sie oben beschrieben sind, zu lösen, ein Gegenstand davon ist einen Kompositelektrolyt mit Schutzmembran bereitzustellen, der es möglich macht, eine Elution eines flüssigen Elektrolyts in Wasser zu vermeiden, auch wenn sich Wasser in einem Behälter einer elektrochemischen Zelle befindet, ein Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran und eine Brennstoffzelle ausgestattet mit dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran.
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, beruht die vorliegende Erfindung auf einen Kompositelektrolyt mit Schutzmembran für den Transport von Ionen von einer ersten Elektrode zu einer zweiten Elektrode eines Elektrodenpaares, das für eine elektrochemische Zelle bereitgestellt wird, wobei ein Kompositelektrolyt, der eine Matrix umfasst, die mit einem flüssigen Elektrolyt imprägniert ist, eine Oberfläche hat, die mit einer Membran beschichtet ist, die aus vernetztem Polymer zusammengesetzt ist.
Das Auslaufen des flüssigen Elektrolyts aus der Polymermembran wird drastisch unterdrückt, weil die Oberfläche mit der Polymermembran beschichtet ist. Entsprechend ist es möglich, den flüssigen Elektrolyt davor zu bewahren in Wasser zu eluieren. Das heißt, die Membran, die aus dem vernetzten Polymer zusammengesetzt ist, wirkt als eine Schutzmembran.
Ferner ist das vernetzte Polymer außerordentlich hitzebeständig. Daher ist es möglich, auch wenn die elektrochemische Zelle einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, die Verringerung der Schutzfähigkeit für den Kompositelektrolyt zu unterdrücken.
Wenn die Matrix aus einem Polymer zusammengesetzt ist, kann die Membran durch Vernetzen des Polymers erhalten werden. Das heißt, die Membran, die aus einem vernetzten Polymer zusammengesetzt ist, kann durch Vernetzen der Matrix selbst gebildet werden.
Wenn der flüssige Elektrolyt irgendeiner von Phosphorsäure, Schwefelsäure und Methansulfonsäure ist, ist das aufbauende Material für die Membran aus folgendem Grund bevorzugt ein basisches Polymer mit einer Struktureinheit, die von einem Monomer mit einem sekundären Amin stammt. Das heißt, auch wenn die Matrix aus irgendeinem porösen Teil aus Siliciumcarbid zusammengesetzt ist und einem Polymer, dann wird das basische Polymer angezogen durch den sauren flüssigen Elektrolyt und legt sich effizient an die Oberfläche des Kompositelektrolyts an. Ferner kann die Membran günstig und einfach erhalten werden durch Vernetzung des basischen Polymers.
Das Vernetzungsreagenz für das basische Polymer mit der Struktureinheit, die von einem Monomer mit sekundärem Amin stammt, wird bevorzugt anhand einer Substanz veranschaulicht, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält.
In einem anderen Aspekt liegt die vorliegende Erfindung in einer Brennstoffzelle mit einer Zelleinheit, die eine Elektrolytelektrode gebundene Einheit umfasst, die den oben beschriebenen Kompositelektrolyt mit Schutzmembran umfasst, der zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode angeordnet ist, wobei beide eine Gasdiffusionsschicht und eine Elektrodenkatalysatorschicht, die auf die Gasdiffusionsschicht aufgebracht ist, aufweisen. In dieser Anordnung spielt der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran, der zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordnet ist, eine Rolle für den Transport von Wasserstoffionen von der Anodenelektrode zur Kathodenelektrode. Auch wenn irgendwie Wasser in dem Behälter der Brennstoffzelle steht, ist es möglich, die Elution des flüssigen Elektrolyts in Wasser zu unterdrücken, weil die Polymermembran auf der Oberfläche des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran gebildet ist. Entsprechend ist es möglich, irgendeine Verschlechterung der Zelleigenschaft der Brennstoffzelle zu vermeiden.
Weiterhin ist es möglich, aufgrund der oben beschriebenen Anordnung, die Brennstoffzelle bei einer relativ geringen Temperatur zu betreiben. Daher ist es möglich eine Heizung oder dergleichen zum Heizen der Zelleinheit zu miniaturisieren und es ist möglich, die Menge an elektrischer Energie für die Heizung oder dergleichen zu reduzieren. Als Ergebnis ist es möglich, eine Brennstoffzelle in geringer Größe zu realisieren und es ist möglich, die Betriebskosten für die Brennstoffzelle zu reduzieren.
Auch wenn die Brennstoffzelle bei einer hohen Temperatur betrieben wird, wird die Verringerung der Schutzfähigkeit der Membran für den Kompositelektrolyt unterdrückt, weil die Membran, die aus vernetztem Polymer zusammengesetzt ist, außerordentlich hitzebeständig ist.
In einem weiteren Aspekt liegt die vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines Kompositelektrolyts mit Schutzmembran, umfassend die Schritte, Verbinden einer Matrix und eines flüssigen Elektrolyts durch Imprägnieren der Matrix mit dem flüssigen Elektrolyt, um einen Kompositelektrolyt herzustellen; Aufbringen eines versetzbaren Polymers auf eine Oberfläche des Kompositelektrolyts zusammen mit einem Vernetzungsreagenz; und Bilden einer Membran, die aus vernetztem Polymer zusammengesetzt ist, durch Reaktion des vernetzbaren Polymers und des Vernetzungsreagenzes miteinander.
Das Herstellungsverfahren kann in jedem Fall angewendet werden, in dem die Matrix aus einem porösen Teil aus Siliciumcarbid oder einem Polymer zusammengesetzt ist.
In einem weiteren Aspekt liegt die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines Kompositelektrolyts mit Schutzmembran, umfassend die Schritte, Verbinden einer Matrix und eines flüssigen Elektrolyts durch Imprägnieren der Matrix, die aus einem Polymer zusammengesetzt ist, mit dem flüssigen Elektrolyt, um einen Kompositelektrolyt herzustellen; und Bilden einer Membran, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Polymer, auf einer Oberfläche der Matrix durch Vernetzen des Polymers zum Aufbau der Matrix mit einem Vernetzungsreagenz.
Das heißt, in diesem Fall ist das Polymer zum Aufbau der Matrix, selbst vernetzt.
Zusammenfassend kann die Membran (Schutzmembran), die zusammengesetzt ist aus dem vernetzten Polymer, leicht und günstig gebildet werden, ohne die Temperatur des Kompositelektrolyts auf eine derart hohe Temperatur zu erhöhen, dass der flüssige Elektrolyt verdampft und sich verflüchtigt, indem das Polymer, das auf die Oberfläche des Kompositelektrolyts oder des Polymers aufgebracht wird, vernetzt wird, zum Aufbau der Matrix selbst.
Wenn irgendeine von Phosphorsäure, Schwefelsäure und Methansulfonsäure als der flüssige Elektrolyt verwendet wird, ist es aus folgendem Grund bevorzugt, ein basisches Polymer mit einer Struktureinheit, die von einem Monomer mit einem sekundären Amin stammt, als ein aufbauendes Material für die Membran zu verwenden. Wie oben beschrieben, wird nämlich bei jedem Fall, bei dem die Matrix aus einem porösen Teil aus Siliciumcarbid oder einem Polymer zusammengesetzt ist, das basische Polymer durch den sauren flüssigen Elektrolyt angezogen und legt sich effizient an die Oberfläche des Kompositelektrolyts an. Ferner kann die Membran günstig und leicht durch Vernetzen des basischen Polymers erhalten werden.
Bevorzugte Beispiele für das Vernetzungsreagenz zur Vernetzung des basischen Polymers, das die Struktureinheit, die von einem Monomer mit einem sekundären Amin stammt, hat, umfasst eine Substanz, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen, wie oben beschrieben, enthält.
Die oben genannten und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung klarer, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gesehen werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines illustrativen Beispiels gezeigt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische vollständige Anordnung einer Zelleinheit einer Brennstoffzelle ausgestattet mit einem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt, der den Kompositelektrolyt mit Schutzmembran gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
5 zeigt eine schematische vollständige Anordnung einer Zelleinheit einer Brennstoffzelle augestattet mit einem Kompositelektrolyt nach herkömmlicher Technik; und
6 zeigt eine vergrößerte Perspektivenansicht der Zelleinheit, die in 5 gezeigt ist, die einen Kompositelektrolyt und eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, zwischen denen der Kompositelektrolyt angeordnet ist, darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten im Detail unter Bezugnahme zu den begleitenden Zeichnungen erklärt am Beispiel von bevorzugten Ausführungsformen bezüglich einer Brennstoffzelle mit einem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran. Die aufbauenden Komponenten entsprechend den aufbauenden Komponenten, die in den 5 und 6 gezeigt sind, sind mit den gleichen Nummern gekennzeichnet, deren detaillierte Erklärung ausgelassen wird.
1 zeigt eine Zelleinheit 20 einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Zelleinheit 20 ist ein Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 zwischen einer Anodenelektroden 2 und einer Kathodenelektrode 3 angeordnet. Eine Elektrolytelektroden gebundene Einheit 24 wird durch Verbinden dieser Komponenten miteinander aufgebaut.
Die Elektrolytelektroden gebundene Einheit 24 ist zwischen einem Separatorenpaar 8a, 8b angeordnet. Sammelelektroden 9a, 9b sind an der Außenseite des Separatorenpaars 8a bzw. 8b angeordnet. Ferner sind Endplatten 10a, 10b an der Außenseite der Sammelelektroden 9a bzw. 9b angeordnet. Die Endplatten 10a, 10b sind mit Hilfe von nicht dargestellten Bolzen miteinander verbunden.
2 zeigt einen schematischen vertikalen Querschnitt, der den Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 darstellt. Wie in 2 gezeigt, ist der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran so aufgebaut, dass die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28, umfassend eine Matrix 26, die mit einem nicht dargestellten flüssigen Elektrolyt imprägniert ist, mit einer Schutzmembran 30 beschichtet ist, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, umfassend ein vernetztes Polymer (im Folgenden als „vernetztes Produkt" bezeichnet).
Die Matrix 26 zum Aufbau des Kompositelektrolyts 28 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die Matrix 26 den flüssigen Elektrolyt in seinem Inneren halten kann, während sie imprägniert wird. Die Matrix 26 kann zum Beispiel ein poröses Teil aus Siliciumcarbid sein. Allerdings ist es aus folgendem Grund bevorzugt, dass die Matrix 26 ein Polymerfilm ist, der zusammengesetzt ist aus einem basischen Polymer.
In dieser Anordnung kann nämlich die Schutzschicht 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, leicht durch Vernetzung der Oberfläche der Matrix 26 gebildet werden, wie später beschrieben wird. Das basische Polymer, das den flüssigen Elektrolyt halten kann, während dieser damit imprägniert wird, und der leicht vernetzt werden kann, können beispielhaft zum Beispiel solche genannt werden, die eine Struktureinheit eines Monomers eines sekundären Amins haben, wie sie durch die folgenden chemischen Formeln (1) bis (4) dargestellt werden.
Der flüssige Elektrolyt, mit dem die Matrix 26 imprägniert ist, ist nicht besonders eingeschränkt unter der Voraussetzung, dass es eine ionenleitfähige Flüssigkeit ist. In diesem Fall ist die Zelleinheit 20 allerdings eine stromerzeugende Zelle für die Brennstoffzelle. Daher ist es bevorzugt, Phosphorsäure, Schwefelsäure oder Methansulfonsäure als einen flüssigen Elektrolyt zu verwenden, der eine Wasserstoff-Ionenleitfähigkeit aufweist.
Die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, wird durch Vernetzen des Polymers, das auf die Matrix 26 aufgebracht ist, gebildet oder es wird durch Vernetzen eines Teils einer Oberfläche des Polymers gebildet, um die Matrix 26 aufzubauen. Das heißt, der Kompositelektrolyt 28 ist in einer Form, in der er mit der Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, beschichtet werden soll. Wie später beschrieben, wird die Elution des flüssigen Elektrolyts aus der Matrix 26 durch die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, unterdrückt. Es muss nicht gesagt werden, dass als Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, eine ausgewählt wird, die die Bewegung eines Wasserstoffions von der Anodenelektrode 2 zu der Kathodenelektrode 3 nicht stört.
Wenn die Matrix 26 aus dem basischen Polymer zusammengesetzt ist, das die Struktureinheit des Monomers eines sekundären Amins, wie es durch die chemischen Formeln (1) bis (4) dargestellt wird, hat, umfassen diese, die als das Vernetzungsreagenz zum Vernetzen des basischen Polymers geeignet sind, solche, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen (-NCO) in dem Molekül enthalten. Die allgemeinen Formeln sind in den folgenden chemischen Formeln (5) und (6) gezeigt.
X, Y in den chemischen Formeln (5) und (6) bedeuten voneinander unabhängig irgendeine funktionelle Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Alkylgruppe, Alkoxygruppe, Arylgruppe, Halogengruppe und Isocyanatgruppe. In der chemischen Formel (5) kann die Position von X irgendeine der 2-Position, 4-Position und 5-Position in Bezug auf die Isocyanatgruppen (-NCO), die an der 1-Position und an der 3-Position positioniert sind, sein.
Speziellere Beispiele des Vernetzungsreagenz beinhalten zum Beispiel Toluidendiisocyanat, dargestellt durch die folgende chemische Formel (7) und Hexamethylendiisocyanat, dargestellt durch die chemische Formel (8).
Zum Beispiel findet die Reaktion, wenn Polybenzimidazol, dargestellt durch die chemische Formel (1), mit Hexamethylenisocyanat, dargestellt durch die chemische Formel (8), vernetzt wird, statt wie durch die folgende Reaktionsformel (c) dargestellt.
Wie oben beschrieben, wird die Bewegung von einem Wesserstoffion durch die Schutzmembran 30, die aus dem vernetzten Produkt zusammengesetzt ist, nicht behindert. Daher wird die Zelleigenschaft der Zelleinheit 20 durch die Anordnung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran 22 zwischen der Anodenelektrode 2 und der Kathodenelektrode 3 nicht verschlechtert. Ferner ist das oben beschriebene vernetzte Produkt unlöslich in Wasser. Daher wird die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus dem vernetzten Produkt, auch wenn irgendwie Wasser in dem Phosphorsäure-Brennstoffzellen-Behälter steht, nicht gelöst.
Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle wird durch Stapeln der Zelleneinheiten 20, die jeweils mit dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 ausgestattet sind, und durch elektrisches Verbinden der Zelleinheiten 20 in Serie, aufgebaut, um einen Stapel herzustellen, der in den Behälter angeordnet wird.
Wenn die Phosphorsäure-Brennstoffzelle bei einer Temperatur von weniger als 100 °C betrieben wird, dann wird Wasser an der Kathodenelektrode 3 gemäß der Reaktionsformel (b), wie oben beschrieben, erzeugt und das Wasser steht in dem Behälter. Das Wasser kommt in Kontakt mit der Oberfläche des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran 22. Allerdings, wie oben beschrieben, ist der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 so konstruiert, dass er die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, an seiner Oberfläche hat. Dadurch wird verhindert, dass die Matrix 26 und der flüssige Elektrolyt irgendwie mit dem Wasser direkt in Kontakt kommen. Ferner wird die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, wie oben beschrieben, in dem Wasser nicht gelöst. Entsprechend wird die Elution des flüssigen Elektrolyts, mit dem die Matrix 26 imprägniert ist, in das Wasser deutlich unterdrückt.
Wie oben beschrieben, wird die Konzentrationsabnahme des flüssigen Elektrolyts in dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22, der die Schutzmembran 30, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist, an der Oberfläche aufweist, auch wenn das Wasser in dem Behälter der Phosphorsäure-Brennstoffzelle steht, unterdrückt. Entsprechend ist es möglich, die Verschlechterung der Zelleigenschaft der Phosphorsäure-Brennstoffzelle entsprechend zu vermeiden. Ferner behindert, wie oben beschrieben, die Schutzmembran 30, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist, nicht die Passage des Wasserstoffions.
Daher wird die Verschlechterung der Zelleigenschaft der Zelleinheit 20 nicht verursacht, auch wenn die Schutzmembran, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist, gebildet wird.
Ferner kann die Phosphorsäure-Brennstoffzelle aus folgenden Gründen bei einer relativ geringen Temperatur betrieben werden, wenn die Zelleinheit 20 so aufgebaut ist, dass sie den Kompositelektrolyt mit der Schutzmembran 22 besitzt. Die Elution des flüssigen Elektrolyts wird nämlich, wie oben beschrieben, in dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 unterdrückt. Daher ist es möglich, eine Heizung oder dergleichen zum Heizen der Zelleinheit 20 weiterhin zu miniaturisieren. In Übereinstimmung damit ist es möglich, die Verbrauchsmenge an elektrischer Energie für die Heizung oder dergleichen zu reduzieren. Als ein Ergebnis ist es möglich, eine kleine Brennstoffzelle zu realisieren und es ist möglich, die Betriebskosten für die Brennstoffzelle zu reduzieren.
Als nächstes werden Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran 22 unter Bezugnahme eines jeweiligen Flussdiagramms, das in 3 oder 4 gezeigt ist, erklärt.
Wie in 3 gezeigt, umfasst das Herstellungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform (im Weiteren als „erstes Herstellungsverfahren" bezeichnet) einen Schritt SA1, dem Imprägnieren einer Matrix 26 mit einem flüssigen Elektrolyt, um einen Kompositelektrolyt 28 herzustellen, einen Schritt SA2, dem Aufbringen eines vernetzbaren Polymers auf eine Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 zusammen mit einem Vernetzungsreagenz und einen Schritt SA3, dem Bilden einer Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt durch Reaktion des Polymers und dem Vernetzungsreagenz miteinander. Das erste Herstellungsverfahren kann angewendet werden, wenn die Matrix 26 entweder ein poröses Teil aus Siliciumcarbid oder Polymer ist.
Als erstes wird im Schritt SA1 die Matrix 26 mit dem flüssigen Elektrolyt imprägniert, um den Kompositelektrolyt 28 herzustellen. Insbesondere wird die Matrix 26 in Phosphorsäure, Schwefelsäure oder Methansulfonsäure getaucht. Wenn die Matrix 26 aus dem oben beschriebenen basischen Polymerfilm zusammengesetzt ist, kann man die Matrix 26, die Phosphorsäure, Schwefelsäure oder Methansulfonsäure enthält, stehen lassen bis die Konzentration des flüssigen Elektrolyts in dem basischen Polymer einen Gleichgewichtszustand erreicht hat.
Der Kompositelektrolyt 28, der – wie oben beschrieben – erhalten wird, kann zu so einem Ausmaß getrocknet werden, dass der flüssige Elektrolyt nicht verdampft und sich nicht verflüchtigt.
Anschließend wird im Schritt SA2 ein vernetzbares Polymer auf die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 zusammen mit einem Vernetzungsreagenz aufgebracht. Das heißt, der Kompositelektrolyt 28 wird in ein hydrophobes Lösungsmittel, in dem das vernetzbare Polymer und das Vernetzungsreagenz gelöst sind, getaucht.
Die als vernetzbare Polymere verwendbar sind, können solche sein, die das Wasserstoffion dadurch permeieren lassen und die unlöslich in Wasser sind. Insbesondere ist es möglich, das Polymer, das die Struktureinheit eines Monomers eines sekundären Amins hat, wie es durch oben beschriebene chemische Formeln (1) bis (4) dargestellt wird, zu veranschaulichen. Ein solches Polymer wird an die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 angezogen, weil der flüssige Elektrolyt, mit dem die Matrix 26 imprägniert ist, sauer ist. Deshalb wird die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 effizient mit dem Polymer beschichtet. In diesem Fall ist es möglich, als das Vernetzungsreagenz die Substanz, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält und dargestellt ist durch die allgemeinen Formeln in den chemischen Formeln (5) und (6), beispielhaft zu zeigen.
Der Grund, warum das hydrophobe Lösungsmittel als Lösungsmittel verwendet wird, um das vernetzbare Polymer und das Vernetzungsreagenz zu lösen, ist der, weil der flüssige Elektrolyt aus dem Kompositelektrolyt 28 eluiert wird, wenn ein hydrophiles Lösungsmittel verwendet wird. Bevorzugte Beispiele für das hydrophobe Lösungsmittel, zum lösen des Polymers, das eine Struktureinheit eines Monomers eines sekundären Amins hat, und der Substanz, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält, umfassen flüssige Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel n-Hexan, Ether, wie zum Beispiel Dimethylether und Diethylether, chlorierte Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Dichlormethan (CH₂Cl₂) und Chloroform (CHCl₃), Tetrachlormethan, Tetrahydrofuran und Benzol.
Es ist ausreichend, wenn die Eintauchzeit in dem Schritt SA2 bis zu einem solchen Grad dauert, dass das vernetzbare Polymer gleichmäßig auf die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 aufgebracht wird.
Anschließend wird in Schritt SA3 das Polymer, das sich an die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 angelegt hat, vernetzt. Das heißt, der Kompositelektrolyt 28 wird auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der das Polymer und das Vernetzungsreagenz miteinander reagieren können. Wenn das aufgebrachte Polymer Polybenzimidazol ist, beginnt die gegenseitige Reaktion, in dem man die Temperatur auf 20 bis 200 °C einstellt. Die Bildung der Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus dem vernetzten Produkt, umfassend vernetztes Polybenzimidazol, ist nach etwa 30 Minuten bis 12 Stunden abgeschlossen. Die Temperatur und die Zeit, die benötigt werden, um die gegenseitige Reaktion zu verursachen, werden so eingestellt, dass sich der flüssige Elektrolyt, mit dem die Matrix 26 imprägniert ist, nicht verdampft und sich nicht verflüchtigt.
Wie oben beschrieben, kann die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, günstig und leicht durch Reaktion des Polymers mit dem Vernetzungsreagenz gebildet werden, nachdem das vernetzbare Polymer auf die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 zusammen mit dem Vernetzungsreagenz aufgebracht worden ist. Als ein Ergebnis wird der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 erhalten, bei dem die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 mit der Schutzmembran 30 beschichtet ist, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist.
Als nächstes wird das zweite Herstellungsverfahren unter Bezugnahme dessen Flussdiagramms, das in 4 gezeigt ist, erklärt.
Das zweite Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt SB1, dem Herstellen eines Kompositelektrolyts 28 durch Imprägnieren einer Matrix 26, die zusammengesetzt ist aus einem Polymer mit einem flüssigen Elektrolyt und einen Schritt SB2, dem Herstellen eines vernetzten Produkts durch Vernetzen eines Teils der Oberfläche des Polymers zum Aufbau der Matrix 26, um eine Schutzmembran 30 zu bilden, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt. Wie anhand des oben Genannten klar verstanden wird, kann das zweite Herstellungsverfahren angewendet werden, wenn die Matrix 26 aus dem Polymer zusammengesetzt ist.
Als erstes wird in Schritt SB1 die Matrix 26, die zusammengesetzt ist aus dem Polymer, mit dem flüssigen Elektrolyt imprägniert, um den Kompositelektrolyt 28 gemäß dem oben beschriebenen Schritt SA1 herzustellen. Der Kompositelektrolyt 28, der wie oben beschrieben erhalten wird, kann zu so einem Ausmaß getrocknet werden, dass der flüssige Elektrolyt nicht verdampft und sich nicht verflüchtigt, auf die gleiche Weise wie im ersten Herstellungsverfahren.
Anschließend wird in Schritt SB2 die Oberfläche des Polymers zum Aufbau der Matrix 26 mit dem Vernetzungsreagenz vernetzt. Das heißt, der Kompositelektrolyt 28 wird in ein hydrophobes Lösungsmittel getaucht, in dem das Vernetzungsreagenz gelöst ist. Wenn zum Beispiel das Polymer für den Aufbau der Matrix 26 das basische Polymer mit der Struktureinheit des Monomers eines sekundären Amins, wie durch die oben genannten chemischen Formeln (1) bis (4) dargestellt ist, ist, kann der Kompositelektrolyt 28 in das hydrophobe Lösungsmittel, das wie oben beschrieben gelöst ist mit der Substanz, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält und dargestellt ist durch die allgemeinen Formeln der chemischen Formeln (5) und (6), getaucht werden. Der Grund, warum hydrophobes Lösungsmittel verwendet wird, ist der gleiche wie der, der in der Beschreibung für das erste Herstellungsverfahren erklärt wird.
Das Polymer für den Aufbau der Matrix 26 und das Vernetzungsreagenz reagieren miteinander gemäß dem oben beschriebenen Schritt SA3. Das heißt, der Kompositelektrolyt 28 wird auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der das Polymer und das Vernetzungsreagenz miteinander reagieren können. Natürlich sind auch in diesem Fall die Temperatur und die Zeit, die benötigt werden, um die gegenseitige Reaktion zu verursachen, so eingestellt, dass der flüssige Elektrolyt, mit dem die Matrix 26 imprägniert ist, nicht verdampft und sich nicht verflüchtigt.
Wie oben beschrieben, kann die Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt, günstig und leicht gebildet werden, indem die Matrix 26 selbst mit dem Vernetzungsreagenz reagiert, wenn die Matrix 26 aus dem Polymer zusammengesetzt ist. Als ein Ergebnis wird der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 erhalten, indem die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 mit der Schutzmembran 30, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist, beschichtet ist.
Das erste Herstellungsverfahren ist anhand des Falls veranschaulicht worden, in dem Polybenzimidazol vernetzt wird, indem als Vernetzungsreagenz die Substanz, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält, verwendet wurde. Allerdings ist es nicht erwähnenswert, dass die Art des Vernetzungsreagenz in Übereinstimmung mit der Art des Polymers, das vernetzt werden soll, ausgewählt wird.
In dieser Ausführungsform wird die elektrochemische Zelle mit dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 anhand einer energieliefernden Zelle (Zelleinheit 20) der Phosphorsäure-Brennstoffzelle veranschaulicht. Allerdings gibt es keine spezielle Einschränkung darauf. Eine andere elektrochemische Zelle mag erhältlich sein. Die Art des Ions, das sich in dem Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 bewegt, kann ausgetauscht werden, indem die Art des flüssigen Elektrolyts ausgetauscht wird.
Beispiel 1: Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran 22
Eine Matrix 26, die aus einem Polybenzimidazol mit einer Breite von 50 mm × einer Länge von 50 mm × einer Dicke von 30 μm zusammengesetzt war, wurde mindestens 24 Stunden in Phosphorsäure mit einer Konzentration von 85 % getaucht, nachdem deren Gewicht gemessen wurde. Die Phosphorsäure-Konzentration in der Matrix 26 ließ man zum Gleichgewicht gelangen, um einen Kompositelektrolyt 28 herzustellen, der die Matrix 26 umfasst, die imprägniert ist mit Phosphorsäure. Der Kompositelektrolyt 28 wurde unter Vakuum bei 80 °C getrocknet und anschließend wurde dessen Gewicht wieder gemessen. Das erhaltene Gewicht wurde mit dem Gewicht des Polybenzimidazolfilms vor dem Tauchverfahren verglichen, um die Anzahl an Molen Phosphorsäure in dem Kompositelektrolyt 28 zu berechnen. Die Anzahl an Molekular Phosphorsäure pro struktureller Einheit des Polybenzimidazolfilms wurde aus der erhaltenen Anzahl an Molen zu 10,2 berechnet.
Auf der anderen Seite wurden 2 g Hexamethylendiisocyanat (Vernetzungsreagenz) in 50 ml n-Hexan gelöst. Anschließend wurde der Kompositelektrolyt 28 in diese Lösung für 5 Minuten bei einer Umgebung von 25 °C getaucht. Damit wurde Hexamethylendiisocyanat auf die Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 aufgebracht.
Anschließend wurde der Kompositelektrolyt 28 einer Hitzebehandlung bei 80 °C für 2 Stunden bei Normaldruck unterworfen. Entsprechend wurde n-Hexan von der Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 entfernt. Ferner wurde Polybenzimidazol zum Aufbau der Matrix 26 mit Hexamethylendiisocyanat vernetzt, um einen Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 zu erhalten. Dieses Produkt wurde als Arbeitsbeispiel 1 bezeichnet.
Auf der anderen Seite wurde ein Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 auf gleiche Weise erhalten wie in Beispiel 1, außer dass 2 g Toluidendicyanat (Vernetzungsreagenz) in 50 ml n-Hexan gelöst wurden. Dieses Produkt wurde als Arbeitsbeispiel 2 bezeichnet.
Beispiel 2: Schutzfähigkeit des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran 22
Die Kompositelektrolyte mit Schutzmembran 22 des Arbeitsbeispiels 1 und 2, die – wie oben beschrieben – hergestellt werden, bzw. ein Kompositelektrolyt 4 (Vergleichsbeispiel), der auf gleiche Weise wie die Kompositelektrolyte mit Schutzmembran 22 hergestellt wird, außer dass die Schutzmembran 30, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist, nicht an der Oberfläche bereitgestellt wurde, wurden 1 Minute in 100 ml deionisiertes Wasser, das bei 20 °C gehalten wurde, eingetaucht. Danach wurden die jeweiligen Proben aus dem deionisiertem Wasser herausgenommen und bei 80 °C 120 Minuten getrocknet, um das deionisierte Wasser zu entfernen. Es ist nicht erwähnenswert, dass dieser Test unter Bedingungen durchgeführt worden war, die drastischer waren als die Bedingung, unter der der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran 22 während des tatsächlichen Betriebs der Phosphorsäure-Brennstoffzelle ausgesetzt sein würde.
Die Mengen an Phosphorsäure (die Anzahl an Molekülen Phosphorsäure pro Struktureinheit eines Polybenzimidazolfilms), die in den Kompositelektrolyten mit Schutzmembran 22 und in dem Kompositelektrolyt 4 zurückbleiben, wurden aus der Gewichtsänderung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran 22 und des Kompositelektrolyts 4, wie in dem oben beschriebenen Test, berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Typ des Elektrolyts Verbleibende Menge an Phosphorsäure, nachdem deionisiertes Wasser getaucht wurde

Arbeitsbeispiel 1 2,8

Arbeitsbeispiel 2 1,8

Vergleichsbeispiel 1,0
Gemäß Tabelle 1 ist es klar, dass die Fähigkeit, Phosphorsäure zu halten, für jeden der Kompositelektrolyte mit Schutzmembran 22 herausragend ist gegenüber der des Kompositelektrolyts 4, der keine Schutzmembran 30, die aus vernetztem Produkt zusammengesetzt ist, hat. Diese Tatsache bedeutet, dass die Elution von Phosphorsäure aus der Matrix 26 unterdrückt wird durch Beschichtung der Oberfläche des Kompositelektrolyts 28 mit der Schutzmembran 30, die zusammengesetzt ist aus vernetztem Produkt.
Wie oben beschrieben, wird das Auslaugen des flüssigen Elektrolyts an die Außenseite der Polymermembran durch Beschichten der Oberfläche des Kompositelektrolyts, der die Matrix, die mit dem flüssigen Elektrolyt imprägniert ist, umfasst, mit der vernetzten Polymermembran deutlich unterdrückt (Schutzmembran, zusammengesetzt aus vernetztem Produkt). Deshalb ist es möglich, die Leistungsabnahme der elektrochemischen Zelle, wie zum Beispiel der Brennstoffzelle, zu unterdrücken.
Ferner zeigt die Polymermembran eine herausragende Hitzebeständigkeit. Deshalb ist es möglich, auch wenn die elektrochemische Zelle einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, die Abnahme der Schutzfähigkeit für den Kompositelektrolyt zu vermeiden.

Claims

Kompositelektrolyt mit Schutzmembran (22) zum Transportieren von Ionen von einer ersten Elektrode (2) zu einer zweiten Elektrode (3) eines Elektrodenpaares (2, 3), vorgesehen für eine elektrochemische Zelle, wobei ein Kompositelektrolyt (28), der eine Matrix (26), die mit einem flüssigen Elektrolyt imprägniert ist, umfasst, eine Oberfläche hat, die mit einer Membran (30), die aus vernetztem Polymer zusammengesetzt ist, beschichtet ist.
Kompositelektrolyt mit Schutzmembran (22) nach Anspruch 1, wobei die Matrix (26) aus einem Polymer zusammengesetzt ist und die Membran (30) durch Vernetzen des Polymers gebildet wird, um die Matrix (26) aufzubauen.
Kompositelektrolyt mit Schutzmembran (22) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der flüssige Elektrolyt irgendeiner von Phosphorsäure, Schwefelsäure und Methansulfonsäure ist und die Membran (30) aus einem basischem Polymer mit einer Struktureinheit, die von einem Monomer mit sekundärem Amin stammt, zusammengesetzt ist.
Kompositelektrolyt mit Schutzmembran (22) nach Anspruch 3, wobei das basische Polymer mittels eines Vernetzungsreagenz, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält, vernetzt wird.
Brennstoffzelle, ausgestattet mit einer Zelleneinheit (20), umfassend eine Elektrolytelektroden-gebundene Einheit (24) umfassend einen Kompositelektrolyt mit Schutzmembran (22), der aus einer Matrix (26) zusammengesetzt ist, die mit einem flüssigen Elektrolyt imprägniert ist und die eine Oberfläche hat, die mit einer vernetzten Polymermembran (30) beschichtet ist, wobei der Kompositelektrolyt mit Schutzmembran (22) zwischen einer Anodenelektrode (2) und einer Kathodenelektrode (3) angeordnet ist, die jeweils eine Gasdiffusionsschicht (6) und eine Elektrodenkatalysatorschicht (7), die auf die Gasdiffusionsschicht (6) gestapelt ist, aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Matrix (26) zum Aufbau 3des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22) aus einem Polymer zusammengesetzt ist und die Membran (30) durch Vernetzen des Polymers gebildet wird, um die Matrix (26) aufzubauen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5 oder 6, wobei der flüssige Elektrolyt zum Aufbau des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22) irgendeiner von Phosphorsäure, Schwefelsäure und Methansulfonsäure ist, und die Membran (30) aus einem basischem Polymer mit einer Struktureinheit, die von einem Monomer mit sekundärem Amin stammt, zusammengesetzt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die Membran (30) zum Aufbau des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22) durch Vernetzen des basischen Polymers mit einem Vernetzungsreagenz gebildet wird, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22), umfassend die Schritte: Verbinden einer Matrix (26) und eines flüssigen Elektrolyts durch Imprägnieren der Matrix (26) mit dem flüssigen Elektrolyt, um einen Kompositelektrolyt (28) herzustellen; Aufbringen eines vernetzbaren Polymers auf eine Oberfläche des Kompositelektrolyts (28) zusammen mit einem Vernetzungsreagenz; und Bilden einer Membran (30), die aus einem vernetzten Polymer zusammengesetzt ist, durch Reaktion des vernetzbaren Polymers und des Vernetzungsreagenz miteinander.
Verfahren zur Herstellung eines Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22), umfassend die Schritte: Verbinden einer Matrix (26) und eines flüssigen Elektrolyts durch Imprägnieren der Matrix (26), die aus einem Polymer zusammengesetzt ist, mit dem flüssigen Elektrolyt, um einen Kompositelektrolyt (28) herzustellen; und Bilden einer Membran (30), die aus vernetztem Polymer zusammengesetzt ist, auf einer Oberfläche der Matrix (26) durch Vernetzen des Polymers zum Aufbau der Matrix (26) mit einem Vernetzungsreagenz.
Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22) nach Anspruch 9 oder 10, wobei irgendeiner von Phosphorsäure, Schwefelsäure, Methansulfonsäure als flüssiger Elektrolyt verwendet wird und ein basisches Polymer mit einer Struktureinheit, die von einem Monomer mit sekundärem Amin stammt, als ein wesentliches Material für die Membran (30) verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung des Kompositelektrolyts mit Schutzmembran (22) nach Anspruch 11, wobei eine Substanz, die zwei oder mehr Isocyanatgruppen enthält, als Vernetzungsreagenz verwendet wird.