JP2005197209A - 高分子ナノ複合膜とその製造方法ならびにそれを用いた膜−電極接合体および燃料電池 - Google Patents
高分子ナノ複合膜とその製造方法ならびにそれを用いた膜−電極接合体および燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005197209A JP2005197209A JP2004258793A JP2004258793A JP2005197209A JP 2005197209 A JP2005197209 A JP 2005197209A JP 2004258793 A JP2004258793 A JP 2004258793A JP 2004258793 A JP2004258793 A JP 2004258793A JP 2005197209 A JP2005197209 A JP 2005197209A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polymer nanocomposite
- membrane
- exchange resin
- polymer
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
- C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
- C08J5/2206—Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
- C08J5/2275—Heterogeneous membranes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
- C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
- C08J5/2206—Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
- C08J5/2218—Synthetic macromolecular compounds
- C08J5/2231—Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions involving unsaturated carbon-to-carbon bonds
- C08J5/2237—Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions involving unsaturated carbon-to-carbon bonds containing fluorine
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
- C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
- C08J5/2206—Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
- C08J5/2218—Synthetic macromolecular compounds
- C08J5/2256—Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions other than those involving carbon-to-carbon bonds, e.g. obtained by polycondensation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
- H01M8/1048—Ion-conducting additives, e.g. ion-conducting particles, heteropolyacids, metal phosphate or polybenzimidazole with phosphoric acid
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
- H01M8/1051—Non-ion-conducting additives, e.g. stabilisers, SiO2 or ZrO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1053—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends consisting of layers of polymers with at least one layer being ionically conductive
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
- H01M8/1081—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes starting from solutions, dispersions or slurries exclusively of polymers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2327/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
- C08J2327/02—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
- C08J2327/12—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
- C08J2327/18—Homopolymers or copolymers of tetrafluoroethylene
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
【課題】高分子ナノ複合膜とその製造方法ならびにそれを用いた膜−電極接合体およびそれを含む高分子電解質燃料電池を提供する。
【解決手段】有機溶媒に一定の濃度に溶解した陽イオン交換樹脂と疎水性多孔形成体(porogen)を極超音波の加振下で混合して高分子膜を形成した後、溶媒で前記多孔形成体を抽出して除去することによって、陽イオン交換樹脂の疎水性領域に均一なナノサイズの気孔を形成し、前記気孔に特異性あるように選択された固体水素イオン導電体を充填することによって、陽イオン交換樹脂の親水性および疎水性領域全体の高温保湿性を強化させて高温伝導性、機械的物性、寸法安定性および燃料分離能が改善された高分子ナノ複合膜とその製造方法および高分子ナノ複合膜で製造された膜−電極接合体とそれを含む高分子電解質燃料電池に関する。
【選択図】図4
【解決手段】有機溶媒に一定の濃度に溶解した陽イオン交換樹脂と疎水性多孔形成体(porogen)を極超音波の加振下で混合して高分子膜を形成した後、溶媒で前記多孔形成体を抽出して除去することによって、陽イオン交換樹脂の疎水性領域に均一なナノサイズの気孔を形成し、前記気孔に特異性あるように選択された固体水素イオン導電体を充填することによって、陽イオン交換樹脂の親水性および疎水性領域全体の高温保湿性を強化させて高温伝導性、機械的物性、寸法安定性および燃料分離能が改善された高分子ナノ複合膜とその製造方法および高分子ナノ複合膜で製造された膜−電極接合体とそれを含む高分子電解質燃料電池に関する。
【選択図】図4
Description
本発明は、高温伝導性高分子ナノ複合膜とその製造方法、ならびに高分子ナノ複合膜を用いた膜−電極接合体、および高分子ナノ複合膜を含む高分子電解質燃料電池に関し、より詳しくは、陽イオン交換樹脂の親水性および疎水性領域全体の高温保湿性を強化させて高温伝導性、機械的物性、寸法安定性および燃料分離能が改善された高分子ナノ複合膜とその製造方法および高分子ナノ複合膜で製造された膜−電極接合体とそれを含む高分子電解質燃料電池に関する。
燃料電池は、燃料極(負極)と酸化極(正極)との間に陽性子伝導性高分子膜が介されている構造を有しており、添付の図1に基づいて詳細に説明すると、まず、陽性子伝導性高分子膜11は、厚さ20〜200μmの固体高分子からなっており、負極と正極はそれぞれ反応ガスの供給のための支持層14,15と反応ガスの酸化/還元反応が起こる触媒層12,13から構成されたガス拡散電極(以下、負極と正極を通称して「ガス拡散電極」という)からなっている。図1において参考番号16は反応ガス注入用溝を有する正極板を示し、これは集電体の機能も果たす。
このような燃料電池において電気を発生させる原理としては、下記の反応式1のように、燃料ガスである水素が燃料極である負極(anode)に供給されて負極の白金触媒に吸着された後酸化反応によって水素イオンおよび電子が発生し、この際に発生した電子は外部回路に沿って酸化極である正極(cathode)に至り、水素イオンは高分子電解質膜を通過して正極に伝達される原理と、正極から反応式2のように酸素分子が正極に伝達された電子を受けて酸素イオンに還元され、前記還元された酸素と水素イオンが反応して水を生成する原理によって電気を発生させる。
(反応式1) 2H2 → 4H+ + 4e−
(反応式2) O2 + 4e− → 2O2−
2O2− + 4H+ → 2H2O
(反応式2) O2 + 4e− → 2O2−
2O2− + 4H+ → 2H2O
この際、燃料電池用電解質膜は負極および正極を電気的に分離する絶縁体であるが、電池の作動中に負極から正極に水素イオンを伝達する媒介体として作用し、反応ガスまたは液体を分離する役割を同時に行う。したがって、燃料電池用電解質膜は、広い温度範囲で水素イオン伝導性を保持し、電気化学的安定性に優れる必要があり、また、高電流密度で抵抗ロス(ohmic loss)が少なく、電池の作動中に反応物の分離能に優れるだけでなく、スタック構成のためには一定水準の機械的物性と寸法安定性が求められる。
このような燃料電池用電解質膜として最も広範囲に使用されている商品名ナフィオン(Nafion(登録商標))の過フッ化スルホン酸樹脂は、ポリ(テトラフルオロエチレン)(PTFE)を主鎖とし、側鎖にスルホン基含有官能基を有する陽イオン交換樹脂で、高分子重量の20重量%以上が水和した状態で側鎖の−SO3Hが解離して高い水素イオン伝導度を示し(〜0.1S/cm at 25℃)、機械的物性、耐化学性および電気化学的安定性が高いという長所があるため、単一高分子樹脂としては最も安定した電池性能を示している。しかし、抵抗(areal resistance)を最小化できる薄膜状態では寸法安定性、機械的物性と反応物の分離能が同時に低下し、電池性能の減少を誘発する。
また、燃料電池を高温で運転する場合、反応速度を向上させてシステムの効率を高めることができ、燃料中に含まれている一酸化炭素の白金触媒への吸着を抑制できるので、家庭用と電気自動車用などの中・大型高分子電解質燃料電池の開発のためには高温運転方式が非常に好ましいが、100℃以上で水分蒸発によるNafion(登録商標)の急激な膜抵抗の増加は水素イオン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEMFC)の運転を水の沸点以内に制限している。したがって、高分子特有の基礎物性を保持した状態で、高温伝導性に優れるとともに、加湿条件が緩和した次世代電解質膜の開発が、燃料電池の実用化のための核心技術として注目されており、このため、様々な電解質マトリックスと有、無機添加物が研究されている。
新しい形態の電解質膜として、特許文献1、特許文献2および特許文献3には延伸された多孔性ポリテトラフルオロエチレン(特許文献4および特許文献5)に液体状態の陽イオン交換樹脂を含浸させて強化複合膜(商品名:Gore−Select(登録商標))を製造する方法を開示している。前記方法によって製造された燃料電池用電解質膜は、Nafion(登録商標)に比べて伝導度(Ω−1cm−1)は低いが、多孔性高分子支持体によって機械的強度と寸法安定性が保持され、約25μmに薄膜化できるので、前記方法によって製造された燃料電池の複合電解質膜の伝導度(Ω−1cm−2)は相対的にNafion(登録商標)よりも優れていると知られている。
しかし、前記方法で製造された複合高分子電解質膜はイオン伝導度を向上させるために膜の厚さを25μm内外に減少させることによって、相対的に剪断強度(tear strength)が低い。一方、空隙率が約80%程度である高値の多孔性ポリテトラフルオロエチレン支持体(support)を完全にNafion(登録商標)樹脂で含浸させなければならないので、原価負担が非常に大きい。また、濡れ性(wettability)の低いポリテトラフルオロエチレンフィルム上に陽イオン交換樹脂を繰り返し含浸させなければならないので、製造工程が遅く、不連続的であるという短所がある。
なお、特許文献6は、ポリベンズイミダゾール溶液から溶媒を蒸発させて製膜し、硫酸などの強酸でドープした後、乾燥して製造した電解質膜を開示しており、また、特許文献7、特許文献8および特許文献9などには、ポリイミドをポリベンズイミダゾールにコーティングし、圧縮モールディングによって複合フィルムを製造した後、ジクロロメタンなどの溶媒でポリイミドを抽出して多孔性ポリベンズイミダゾールフィルムを製造し、強酸でドープして電解質膜を製造するか、強酸でドープされたポリベンズイミダゾール溶液を非溶媒または非溶媒と溶媒との混合液体浴(bath)で凝固させて電解質膜を製造する方法が開示されている。以外にも、ポリホスホゲン(特許文献10)、ポリエーテルスルホン(特許文献11および特許文献12)、ポリエーテル−エーテルケトンおよびポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)のような高分子をスルホン化した後有機または無機イオン導電体を添加した電解質膜が研究されている。
高温で電解質膜の伝導性を保持するための有力な方案としては、水分との結合力に優れた有、無機親水性添加剤の使用が試みられてきた。ホスホタングステン酸(Phosphotungstic acid:PTA)のようなヘテロポリ酸化合物のイオンまたは双極子は水素イオンと強く結合し、高温における水分の蒸発を抑制する(非特許文献3)。
しかし、前記PTAは水溶性物質で、電池の作動中に発生する水分の物質伝達(mass transport)によって電池外に漏れるという問題がある。
しかし、前記PTAは水溶性物質で、電池の作動中に発生する水分の物質伝達(mass transport)によって電池外に漏れるという問題がある。
次に、揮発性の低い有機溶媒を用いて電解質膜内の電子アクセプター(proton acceptor)として水分を代替するための方案が講じられた。水分はブレンステッド塩基(Bronsted base)として、誘電常数が大きいため、−SO3Hを容易に解離できる特徴があり、燃料電池反応の副産物が水分であるので、陽イオン交換膜を使用するためには水分が必須的であると認識されているが、現在、リン酸、イミダゾール、ブチルメチルイミダゾリウムトリフレート(butyl methyl imidazolium triflate)、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどを含む電解質膜に対する研究が進行中である(非特許文献1;非特許文献2)。
以外にも、水分の存在なしに水素イオンの伝達が可能な非水溶性固体水素イオン導電体を添加剤として使用する方法が試みられている。現在、米国と日本を中心に陽イオン交換樹脂に硫酸水素セシウム(CsHSO4)、リン酸水素ジルコニウム(Zr(HPO4)2)などを添加した複合電解質膜に対する研究が盛んに行われている(非特許文献4)。
これに対する研究努力の一環として、Nafion(登録商標)溶液にCsHSO4またはZr(HPO4)2を分散した後溶媒を乾燥する場合には、高密度の巨大無機添加物がNafion(登録商標)膜に非均一に分散され、高分子マトリックスとの接着性が低いため、膜の脆性を高めるという短所があるが、特許文献13にはNafion(登録商標)膜をZrOCl3水溶液で膨潤させた後リン酸水溶液で処理してNafion(登録商標)膜内に微細粉末形態のZr(HPO4)2を形成する複合電解質膜技術が開示されている。
しかし、前記の場合、解離したZr4+イオンは水和したNafion(登録商標)膜の親水性領域または表面領域に主に存在し、Zr(HPO4)2の添加量が20重量%以内に制限されるので、無機添加物の物理的接触によるイオン導電機構の形成は制限的であるという問題があった。
そこで、本発明の発明者らは、前記のような従来技術の問題を解決するために鋭意研究した結果、薄膜状態の複合電解質膜の高温伝導性、機械的物性、寸法安定性および燃料分離能が、固体水素イオン導電体の大きさをナノ相に保持することによって改善され、高分子樹脂とこれに添加される物質の接合性および分散性を強化した状態で固体水素イオン導電体の添加量を30重量%以上に増やすことができ、無機物間の物理的接触による高温イオン導電機構の形成が可能であることを見出し、本発明を完成した。
したがって、本発明は、多孔形成体の使用によって高分子膜にナノ相の微細な大きさを有する固体水素イオン導電体を均一かつ多量分散させた高分子ナノ複合膜を製造することにその目的がある。また、本発明は、高温における水素イオン伝導性に優れた高分子ナノ複合膜を製造することにその目的がある。さらに、本発明は、電気化学的安定性が高く、高電流密度における抵抗損失の少ない高分子ナノ複合膜を製造することにその目的がある。
本発明は、電池の作動中に反応物の分離能に優れた高分子ナノ複合膜とこれを適用した膜−電極接合体および燃料電池を提供することにその目的がある。
本発明は、電池の作動中に反応物の分離能に優れた高分子ナノ複合膜とこれを適用した膜−電極接合体および燃料電池を提供することにその目的がある。
本発明の一実施態様によって、本発明では、側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂30〜95重量%からなるマトリックス中に固体水素イオン導電体5〜70重量%が微細粉末の形態で均一に分散されている高分子ナノ複合膜が提供される。
また、本発明では、a)側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂を有機溶媒に溶解して0.5〜30重量%濃度のイオン交換樹脂溶液を製造する段階;b)前記イオン交換樹脂溶液に多孔形成体(Porogen)を極超音波の加振下で混合した後、高分子膜を形成させる段階;c)前記高分子膜から前記多孔形成体を抽出するナノ気孔形成段階;および、d)前記ナノ気孔に固体水素イオン導電体を充填するが、前記イオン交換樹脂30〜95重量%に固体水素イオン導電体5〜70重量%が分散されるように固体水素イオン導電体を充填する段階;を含む高分子ナノ複合膜の製造方法が提供される。
さらに、本発明は、前記の高分子ナノ複合膜を適用した膜−電極接合体とこれを適用した燃料電池とを含む。
また、本発明では、a)側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂を有機溶媒に溶解して0.5〜30重量%濃度のイオン交換樹脂溶液を製造する段階;b)前記イオン交換樹脂溶液に多孔形成体(Porogen)を極超音波の加振下で混合した後、高分子膜を形成させる段階;c)前記高分子膜から前記多孔形成体を抽出するナノ気孔形成段階;および、d)前記ナノ気孔に固体水素イオン導電体を充填するが、前記イオン交換樹脂30〜95重量%に固体水素イオン導電体5〜70重量%が分散されるように固体水素イオン導電体を充填する段階;を含む高分子ナノ複合膜の製造方法が提供される。
さらに、本発明は、前記の高分子ナノ複合膜を適用した膜−電極接合体とこれを適用した燃料電池とを含む。
本発明に係る高分子ナノ複合膜は、広い温度範囲において優れた水素イオン伝導性を保持でき、電気化学的安定性に優れ、高電流密度における抵抗損失が少なく、薄膜の状態で従来の電解質膜よりも薄い厚さを有しても寸法安定性と機械的物性に優れる効果がある。
このような本発明の高分子ナノ複合膜を燃料電池に適用する場合には、燃料電池の高温運転時にも反応速度が低下せず、燃料中に含まれている一酸化炭素が触媒に吸着する現象を抑制し、燃料電池の性能を向上できる効果がある。
このような本発明の高分子ナノ複合膜を燃料電池に適用する場合には、燃料電池の高温運転時にも反応速度が低下せず、燃料中に含まれている一酸化炭素が触媒に吸着する現象を抑制し、燃料電池の性能を向上できる効果がある。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、有機溶媒に一定の濃度に溶解した陽イオン交換樹脂と疎水性多孔形成体(porogen)を極超音波の加振下で混合して陽イオン交換樹脂と疎水性多孔形成体からなる高分子膜を形成させた後、溶媒で前記多孔形成体を抽出して除去することによって陽イオン交換樹脂の疎水性領域に均一なナノサイズの気孔を形成し、前記気孔に特異性よく選択された固体水素イオン導電体を充填することによって、陽イオン交換樹脂の親水性あるように疎水性領域全体の高温保湿性が強化され、高温伝導性、機械的物性、寸法安定性および燃料分離能が改善された高分子ナノ複合膜とその製造方法および前記高分子ナノ複合膜で製造された膜−電極接合体とそれを含む高分子電解質燃料電池に関する。
本発明は、有機溶媒に一定の濃度に溶解した陽イオン交換樹脂と疎水性多孔形成体(porogen)を極超音波の加振下で混合して陽イオン交換樹脂と疎水性多孔形成体からなる高分子膜を形成させた後、溶媒で前記多孔形成体を抽出して除去することによって陽イオン交換樹脂の疎水性領域に均一なナノサイズの気孔を形成し、前記気孔に特異性よく選択された固体水素イオン導電体を充填することによって、陽イオン交換樹脂の親水性あるように疎水性領域全体の高温保湿性が強化され、高温伝導性、機械的物性、寸法安定性および燃料分離能が改善された高分子ナノ複合膜とその製造方法および前記高分子ナノ複合膜で製造された膜−電極接合体とそれを含む高分子電解質燃料電池に関する。
次に、本発明の高分子ナノ複合膜を構成する成分と製造方法に基づいて本発明を具体的に説明する。
本発明の高分子ナノ複合膜には、側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂60〜95重量%からなるマトリックス中に固体水素イオン導電体5〜40重量%が微細かつ均一に分散されている。
本発明の高分子ナノ複合膜には、側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂60〜95重量%からなるマトリックス中に固体水素イオン導電体5〜40重量%が微細かつ均一に分散されている。
まず、本発明に用いられる陽イオン交換樹脂は、側鎖に陽イオン交換基を有するものであって、前記陽イオン交換基はスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基またはこれらの誘導体から選ばれたものを使用する。
前記陽イオン交換樹脂としては、イオン交換比が3〜33のものを使用することが好ましい。前記「イオン交換比」は高分子主鎖(backbone)の炭素および陽イオン交換基の数によって定義されるが、これは約700〜2,000の当量重量(equivalent weight:EW)に該当し、前記当量重量(equivalent weight)によって陽イオン交換樹脂の伝導度を調節できる。この際、前記当量重量値は1当量の塩基(NaOH)を中和させるために要求される酸性高分子の重量として定義される。この際、使用する陽イオン交換樹脂のイオン交換比が3未満であると機械的性質が低下し、33を超える場合は電気抵抗がそれだけ増加するという問題が生じるので、適切な範囲に調節することが好ましい。
前記陽イオン交換樹脂としては、イオン交換比が3〜33のものを使用することが好ましい。前記「イオン交換比」は高分子主鎖(backbone)の炭素および陽イオン交換基の数によって定義されるが、これは約700〜2,000の当量重量(equivalent weight:EW)に該当し、前記当量重量(equivalent weight)によって陽イオン交換樹脂の伝導度を調節できる。この際、前記当量重量値は1当量の塩基(NaOH)を中和させるために要求される酸性高分子の重量として定義される。この際、使用する陽イオン交換樹脂のイオン交換比が3未満であると機械的性質が低下し、33を超える場合は電気抵抗がそれだけ増加するという問題が生じるので、適切な範囲に調節することが好ましい。
市販の陽イオン交換樹脂としては、代表的にイー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール社(E. I. Dupont De Nemours)の商品名Nafion(登録商標)、旭硝子株式会社(Asahi Glass KK)のFlemion(登録商標)、旭化学工業株式会社(Asahi Chemical Industry)のAciplex(登録商標)などがある(特許文献14、特許文献15、特許文献16、特許文献17、特許文献18、特許文献19、特許文献20、および特許文献21)。
それ以外にも、インペリアル・ケミカル・インダストリーズ社(Imperial Chemical Industries PLC)の特許(特許文献22)。およびダウケミカル社(Dow Chemical Co.)の(特許文献23)に開示されたイオン交換樹脂を使用することができる。
一般的に最も広く使用されるNafion(登録商標)は概ね(CF)18−28SO3Hとして、次のような構造式に示す。
ここで、XはH、Li、Na、KまたはNR1R2R3R4であり、R1、R2、R3およびR4は独立してH、CH3またはC2H5であり、mは1以上の整数、nは2、xは5〜13.5範囲の実数、そしてyは1,000以上の整数である。前記のようなNafion(登録商標)は鎖末端のスルホン酸基が水和される場合、ミセル形態の構造を有するが、これは水素イオンの移動のための通路を提供し、典型的な水溶液酸のような挙動を呈する。
本発明の高分子ナノ複合膜において、前記陽イオン交換樹脂は単一物または混合物の形態で使用可能であり、30〜95重量%、好ましくは40〜90重量%、そして最も好ましくは50〜85重量%を使用する。この際、前記陽イオン交換樹脂の使用量が30重量%未満であると機械的物性が低下し、95重量%を超えると高温伝導性が相対的に低下するという問題がある。
次に、固体水素イオン導電体は微細粉末形態の親水性無機物であり、本発明の高分子ナノ複合膜が100℃以上の温度で作動する場合、水分が蒸発して陽イオン交換樹脂の水素イオン伝導性が低下する現象を防止するために添加される成分であって、高分子ナノ複合膜の保湿効果を極大化する成分である。
この際、固体水素イオン導電体はドーピング反応後約10〜500nmの直径を有する粉末状で、前記陽イオン交換樹脂中に分散されることによって、水素イオンの移動部位(site)および/または保湿部位を増大させる。
この際、固体水素イオン導電体はドーピング反応後約10〜500nmの直径を有する粉末状で、前記陽イオン交換樹脂中に分散されることによって、水素イオンの移動部位(site)および/または保湿部位を増大させる。
具体的に、前記固体水素イオン導電体は、リン酸水素ジルコニウム(ziriconium hydrogen phosphate)、Zr(O3PC2H5)1.15Y0.85、Zr(O3PCH2OH)1.27Y0.73・nH2O、(P2O5)4(ZrO2)3ガラス、P2O5−ZrO2−SiO2ガラス、CsDSO4、β−Cs3(HSO4)2(HN(P,S)O4)、α−Cs3(HSO4)2(H2PO4)、CsHSO4、Ba2YSnO5.5、SnO2・2H2O、Sb2O5・5.4H2O、H2Ti4O9・1.2H2O、HUO2AsO4・4H2O、HUO2PO4・4H2O、H3Sb3P2O14・10H2O、HSbP2O8・nH2O、H2Sb4O11・3H2OおよびHSbO3・2H2Oなどから選ばれた1種またはそれ以上の混合物を使用でき、好ましくは水溶性の低いリン酸ジルコニウムと硫酸セシウム混合物などを使用する。
このような固体水素イオン導電体は5〜70重量%使用し、好ましくは10〜60重量%、最も好ましくは15〜50重量%を使用し、使用目的に応じて、前記範囲内で適切に調節してもよい。
この際、前記固体水素イオン導電体の含量が5重量%未満の場合は100℃以上の高温で高分子ナノ複合膜のイオン伝導性が著しく減少し、70重量%を超える場合は高分子ナノ複合膜の脆性(brittleness)を誘発して機械的強度が低下する。
一方、前記固体水素イオン導電体は、シリカ、クレー、アルミナ、マイカおよびゼオライトなどの支持体に担持して使用してもよく、担持方法は当業界で公知の様々な方法を適用してもよい。
一方、前記固体水素イオン導電体は、シリカ、クレー、アルミナ、マイカおよびゼオライトなどの支持体に担持して使用してもよく、担持方法は当業界で公知の様々な方法を適用してもよい。
支持体は約5〜50重量%程度の量で使用してもよく、支持体の使用によって追加的な機械的物性の向上を期待できる。市販の支持体としては、シリカ(fumed silica、商品名:Aerosil(登録商標)、Cab−o−silなど)、クレー(montmorillonite、 saponite、 hectorite、 laponite、 tetrasilicic mica)、アルミナ、マイカまたはゼオライト(zeolite、商品名:SAPO−5、XSM−5、AIPO−5、VPI−5およびMCM−41など)などがある。
また、固体水素イオン導電体を前記支持体上に担持した形態で陽イオン交換樹脂に分散する場合、その使用量は支持体に基づいて約5〜100重量%とすることが好ましい。
このような本発明の高分子ナノ複合膜はその厚さが10〜250μmの範囲であって、従来の燃料電池用に適用された電解質膜よりも厚さは薄いが、優れた性能を発現する。
このような本発明の高分子ナノ複合膜はその厚さが10〜250μmの範囲であって、従来の燃料電池用に適用された電解質膜よりも厚さは薄いが、優れた性能を発現する。
前記のような本発明の高分子ナノ複合膜を製造する方法をその段階別に具体的に説明する。最初に、側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂を有機溶媒に溶解して0.5〜30重量%濃度のイオン交換樹脂溶液を製造する段階である。通常、市販の陽イオン交換樹脂は、蒸留水およびアルコール、たとえば、蒸留水/2−プロパノールに溶解している状態であるので、蒸留水およびアルコールを蒸発させた後、有機溶媒に再度溶解してイオン交換樹脂溶液を製造するが、イオン交換樹脂の濃度が前記範囲を外れると、粘度が高く、加工の際、問題が生じる。
この際、使用可能な有機溶媒としては、2−プロパノール(IPA)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、テトラメチルウレア、リン酸トリメチル(trimethy phosphate)、ブチロラクトン(butyrolactone)、イソホロン(isophorone)、酢酸カルビトール(carbitol acetate)、メチルイソブチルケトン(methyl isobutyl ketone)、酢酸N−ブチル(N−butyl acetate)、シクロヘキサノン(cyclohexanone)、ジアセトンアルコール(diacetone alcohol)、ジイソブチルケトン(diisobutyl ketone)、アセト酢酸エチル(ethyl acetoacetate)、グリコールエーテル(glycol ether)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)およびジメチルカーボネート(dimethylcarbonate)およびジエチルカーボネート(diethylcarbonate)などから選ばれた1種またはそれ以上の混合物を挙げることができる。
2番目は、前記イオン交換樹脂溶液に多孔形成体(Porogen)を極超音波の加振下で混合した後高分子膜を形成させる段階である。
前記多孔形成体は、陽イオンイオン交換樹脂中に均一に分散した後、低温焼成、溶媒抽出などによって完全に除去できる疎水性物質であって、低分子量のオリゴマー、高分子ビーズ、有機液体などの使用が可能である。
前記多孔形成体は、陽イオンイオン交換樹脂中に均一に分散した後、低温焼成、溶媒抽出などによって完全に除去できる疎水性物質であって、低分子量のオリゴマー、高分子ビーズ、有機液体などの使用が可能である。
前記の多孔形成体は、具体的にポリカプロラクトン(polycaprolactone)、ポリスチレン(polystyrene)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)、ジメチルカーボネート(dimethylcarbonate)、ジエチルカーボネート(diethylcarbonate)、フタル酸ジブチル(dibutyl phthalate)、フタル酸ジオクチル(dioctyl phthalate)、フタル酸ジイソオクチル(diisooctyl phthalate)、フタル酸ジヘプチルノニル(diheptylnonyl phthalate)、リン酸トリトリル(tritolyl phospate)およびアジピン酸ジオクチル(dioctyl adipate)などから選ばれた1種またはそれ以上の混合物を使用してもよく、市販の製品としては、イーストマン社製のフタル酸ジブチルなどを使用することが最も好ましい。
このような多孔形成体は、高分子ナノ複合膜の重量に基づいて約5〜150重量%、好ましくは10〜120重量%、そして最も好ましくは15〜100重量%を使用するが、その使用目的に応じて適切に調節する。この際、多孔形成体の使用量が5重量%未満であると固体水素イオン導電体の充填のための物理的部位が減少するので添加剤の含量が低下する反面、150重量%を超えると、製造された高分子ナノ複合膜の機械的物性が低下する問題がある。
前記のような種類と含量の多孔形成体は高周波の極超音波の加振下で前記イオン交換樹脂溶液と混合した後、ガラス板(glass plate)にコーティングして80〜100℃のオーブンで乾燥して高分子膜を形成する。前記極超音波は、5〜20kHzの波長を使用でき、前記範囲を外れると高分子鎖が切れる(degradation)という問題がある。
3番目は、前記高分子膜から前記多孔形成体を抽出するナノ気孔形成段階である。前記乾燥した高分子膜中の多孔形成体を除去するために、高分子膜をアセトン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルおよびジエチルエーテルから選ばれた1種またはそれ以上の混合溶媒中で24時間以上攪拌した後、乾燥し、蒸留水で洗浄してナノ気孔を形成させる。
最後に、前記で形成されたナノ気孔に固体水素イオン導電体を充填するが、前記イオン交換樹脂30〜95重量%に固体水素イオン導電体5〜70重量%が分散されるように固体水素イオン導電体を充填する段階である。固体水素イオン導電体は前記で具体的に例示したものを使用してもよいが、そのうち、リン酸ジルコニウムを例にして説明する。
まず、前記段階でナノ気孔が形成された高分子膜を80℃の塩化ジルコニル(ZrOCl2)水溶液で12時間以上処理してナノ気孔にZr4+陽イオンをドープした後、80℃のリン酸水溶液を12時間以上処理してリン酸ジルコニウムを生成させる。このようにして生成されたリン酸ジルコニウムは、陽イオン交換樹脂の親水性クラスター領域だけでなく、多孔形成体によって形成された疎水性領域にも均一に分布する。
選択的に、前記固体水素イオン導電体のドープ段階後、高分子ナノ複合膜の表面に、市販の陽イオン交換樹脂溶液または陽イオン交換樹脂と反応ガスの分離能が高いポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリイミドおよびポリ塩化ビニルから選ばれた汎用高分子樹脂のブレンド溶液をさらにコーティングした後、乾燥してガスおよび液体燃料に対する分離能を調節できる。
前記のように製造された本発明の高分子ナノ複合膜は高分子電解質燃料電池用に適する。より具体的に、前記複合電解質膜は従来のNafion(登録商標)膜に比べてより薄い厚さにおいても優れた機械的物性を示すとともに、イオン交換樹脂の使用量を減少させることによって燃料電池の製造コストを著しく減らすことができ、高温運転性が強化されるので、燃料中の一酸化炭素による触媒被毒を緩和し、電気化学反応の速度を増加させてシステムの効率を高め、触媒使用量を節減することによって費用を節減できる。
前記燃料電池の構成は既に当業界では広く知られている。前記高分子ナノ複合膜を用いた燃料電池は単一形態だけでなく、複数個の膜−電極接合体が積層された形態で構成されることも好ましい。
たとえば、集電体(current collector)/負極/複合高分子電解質膜/正極/集電体/負極/複合高分子電解質膜/正極/集電体の順でなる積層体の形態で構成されてもよく、前記負極および正極に燃料および酸化剤を供給するために連結された端子および前記積層体を包んでシールする電池ケースを含む。
たとえば、集電体(current collector)/負極/複合高分子電解質膜/正極/集電体/負極/複合高分子電解質膜/正極/集電体の順でなる積層体の形態で構成されてもよく、前記負極および正極に燃料および酸化剤を供給するために連結された端子および前記積層体を包んでシールする電池ケースを含む。
以下、本発明を下記実施例によってさらに詳細に説明する。ただし、これらは本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲を制限しない。
(高分子ナノ複合膜の製造)
5重量%の商業用Nafion(登録商標)/H2O/2−propanol(Solution Technology Inc., EW= 1,100)溶液100gを常温で48時間攪拌しながら溶媒を蒸発させて約5gのNafion(登録商標)ゲルを製造した後、ジメチルアセトアミド(DMA)95gを加えて約5重量%のNafion(登録商標)/DMA溶液を製造した。
5重量%の商業用Nafion(登録商標)/H2O/2−propanol(Solution Technology Inc., EW= 1,100)溶液100gを常温で48時間攪拌しながら溶媒を蒸発させて約5gのNafion(登録商標)ゲルを製造した後、ジメチルアセトアミド(DMA)95gを加えて約5重量%のNafion(登録商標)/DMA溶液を製造した。
前記溶液を60℃の水の重湯によって24時間予熱して残存する水分を蒸発させた後、フタル酸ジブチル(DBP)2gを前記Nafion(登録商標)/DMA溶液100gに添加して超音波(5〜20kHz)の加振下で混合した。前記のように製造された混合液をガラス板に塗布し、約100℃に保たれたオーブン内で12時間加熱して約50μmの厚さを有する高分子膜を製造した。
前記高分子膜をメタノール/ジエチルエーテル(1:1vol%)の共溶媒中で24時間以上浸漬して溶媒を置換し、攪拌してDBP成分を除去することによってナノサイズの気孔を形成した後、メタノールと蒸留水で洗浄した。
前記Nafion(登録商標)膜を80℃の1M塩化ジルコニル水溶液で12時間以上処理してZr4+イオンを高分子膜に流入し、80℃の1Mリン酸水溶液で再処理してNafion(登録商標)膜内にナノサイズのリン酸ジルコニウムを充填した高分子ナノ複合膜を製造した。
図2は、多孔形成体の抽出後に生成したナノ気孔(a)と固体水素イオン導電体(リン酸ジルコニウム)の充填によって前記のナノ気孔が閉塞されている様子を電子顕微鏡で観察した結果を示す。
(比較例1)
市販のNafion(登録商標)117(Dupont社製、EW=1100、厚さ=〜180μm)を100℃の過酸化水素水で3時間処理してNafion(登録商標)117表面の汚染物質を除去した後、100℃の1M硫酸水溶液で2時間処理し、脱イオン水に保管した。製造されたNafion(登録商標)117の物性および電池性能を実験例1と同様な方法によって評価した。
市販のNafion(登録商標)117(Dupont社製、EW=1100、厚さ=〜180μm)を100℃の過酸化水素水で3時間処理してNafion(登録商標)117表面の汚染物質を除去した後、100℃の1M硫酸水溶液で2時間処理し、脱イオン水に保管した。製造されたNafion(登録商標)117の物性および電池性能を実験例1と同様な方法によって評価した。
(比較例2)
前記比較例1と同様な方法で処理されたNafion(登録商標)117を実施例1と同様に塩化ジルコニウムとリン酸で処理してリン酸ジルコニウムを陽イオン交換樹脂中に充填した。製造された複合電解質膜の物性および電池性能を前記実験例1と同様な方法によって評価した。
前記比較例1と同様な方法で処理されたNafion(登録商標)117を実施例1と同様に塩化ジルコニウムとリン酸で処理してリン酸ジルコニウムを陽イオン交換樹脂中に充填した。製造された複合電解質膜の物性および電池性能を前記実験例1と同様な方法によって評価した。
(実験例1)
前記実施例1および比較例1と2で製造した高分子ナノ複合膜および複合電解質膜の水素イオン伝導度(proton conductivity)を電流遮断法(current interruption)によって測定した。
すなわち、サイズが1×5cm2であり、厚さが30〜50μmの膜の試験片を温度および湿度が調節されたチャンバー(chamber)内で一定の交流電流を試験片の両端に印加しながら試験片の中央から発生する交流電位差を測定して試験片の水素イオン伝導度を得た。
前記実施例1および比較例1と2で製造した高分子ナノ複合膜および複合電解質膜の水素イオン伝導度(proton conductivity)を電流遮断法(current interruption)によって測定した。
すなわち、サイズが1×5cm2であり、厚さが30〜50μmの膜の試験片を温度および湿度が調節されたチャンバー(chamber)内で一定の交流電流を試験片の両端に印加しながら試験片の中央から発生する交流電位差を測定して試験片の水素イオン伝導度を得た。
また、製造された複合高分子電解質膜の機械的性質をASTM−638またはASTM−882に従って評価した。この際、機械的パラメーター(machine parameter)は次の通りである:
cross head speed : 25cm/min
grip distance : 6.35cm
temperature : 25℃
humidity : 50%
cross head speed : 25cm/min
grip distance : 6.35cm
temperature : 25℃
humidity : 50%
添付の図3に、前記実施例1と比較例1で製造した膜に充填された固体水素イオン導電体の含量を示したが、実施例の場合、充填量が2倍以上増加したことが分かる。
添付の図4に、前記実施例1と比較例1および2で製造した膜の温度によるイオン伝導度を示したが、実施例1の場合、温度に関わらずイオン伝導度が高いことが分かる。Nafion(登録商標)117の場合、80℃以上では伝導度が急激に減少するが、製造した複合膜は80℃以上で若干減少し、固体水素イオン導電体の含量が増加するにつれて減少する程度が減らすことが分かる。
添付の図5に、前記実施例1と比較例1および2で製造した膜が適用された燃料電池の温度による電流対電圧の曲線を示したが、セルの作動温度が70℃の場合、同じ電流密度で電圧が増加したことが分かり、セルの作動温度が110℃の場合、比較例2の最大電流密度が600mA/cm2であるのに対し、実施例1の場合、900mA/cm2以上と増加したことが分かる。
添付の図6および7に、前記実施例1で製造した膜が適用された燃料電池の温度と一酸化炭素の濃度による電流対電圧曲線を示したが、図6から分かるように、セルの作動温度が80℃の場合、一酸化炭素の含量によって電池の最大電流密度が1200mA/cm2から600mA/cm2に50%程度性能が減少することが分かり、セルの作動温度が110℃の場合、一酸化炭素の含量によって電池の最大電流密度の変化が図6に比べてほとんど減少しないことが分かる。
(膜−電極接合体および燃料電池の製造)
前記実施例1および比較例1と2で製造された高分子ナノ複合膜と複合電解質膜の両面に市販の触媒電極層をホットプレス(hot−pressing)法でコーティングして膜−電極接合体(Membrane−electrode assembly:MEA)を製造した。
前記実施例1および比較例1と2で製造された高分子ナノ複合膜と複合電解質膜の両面に市販の触媒電極層をホットプレス(hot−pressing)法でコーティングして膜−電極接合体(Membrane−electrode assembly:MEA)を製造した。
前記のホットプレスに先立って、電極との接合を円滑にするために前記高分子ナノ複合膜の両面に1重量%Nafion(登録商標)/2−propanol溶液を噴射した後、常温で乾燥して約2μmのNafion(登録商標)層を形成した。
MEAの製作のために用いられた電極はE−TEK Inc.から入手可能な単一面のELAT(登録商標)であって、支持体(support)は約0.36mm厚さの平織炭素布(plain weave carbon cloth)であり、触媒層が形成された最終の厚さは約0.45mmであり、触媒金属の含量は約0.4mg/cm2であった。
この際、負極にはPt−Ru/C合金触媒を用い、正極にはPt/C触媒を用いた。ELAT(登録商標)電極は電解質と触媒界面における水素イオンの伝導を円滑にするために、ホットプレスの前に、市販の5重量%Nafion(登録商標)/H2O/2−propanol溶液をブラッシングした後、70℃で10分間乾燥を繰り返して約0.7mg/cm2のイオン交換樹脂を含浸させた。
ホットプレス条件は140℃で5分間約80kg/cm2の圧力を印加することによって固定した。
ホットプレス条件は140℃で5分間約80kg/cm2の圧力を印加することによって固定した。
MEAはエレクトリックロード(electric load: Scribner Series 890b Electronic Load)に連結された25cm2の単位電池(unit cell)に取り付けた。前記単位電池は8対のボルトとナットにそれぞれ30b−inを印加して圧着した。電池の組み立て時、膜の両面に非圧縮性のシリコンがコーティングされたガラス繊維(0.3mmの公称厚さ)ガスケット(gasket)を位置させて圧着シールした。高純度の水素(H2)および酸素(O2)を加湿器(humidifier)に通して水で飽和させた後、それぞれ燃料および酸化剤として使用した。
(実験例2)燃料電池の性能を測定
前記実施例2で製造した燃料電池の性能を、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれに対して、加湿温度が80℃に保たれるとき70〜130℃の範囲で測定した。ガスフラックスの化学量論比は、水素および酸素供給圧が30/30psigの下で、負極において2.0、正極において3.0と固定された。
前記実施例2で製造した燃料電池の性能を、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれに対して、加湿温度が80℃に保たれるとき70〜130℃の範囲で測定した。ガスフラックスの化学量論比は、水素および酸素供給圧が30/30psigの下で、負極において2.0、正極において3.0と固定された。
11,21 水素イオン交換膜
12,22 負極触媒層
13,23 正極触媒層
14,24 負極支持層
15,25 正極支持層
16,26 カーボンプレート
12,22 負極触媒層
13,23 正極触媒層
14,24 負極支持層
15,25 正極支持層
16,26 カーボンプレート
Claims (15)
- 側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂30〜95重量%からなるマトリックス中に固体水素イオン導電体5〜70重量%が微細粉末の形態で均一に分散されていることを特徴とする高分子ナノ複合膜。
- 前記陽イオン交換基が、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基またはこれらの誘導体から選ばれたものであることを特徴とする請求項1記載の高分子ナノ複合膜。
- 前記イオン交換樹脂はイオン交換比が3〜33の範囲であることを特徴とする請求項1記載の高分子ナノ複合膜。
- 前記固体水素イオン導電体は直径が10〜500nmの範囲であることを特徴とする請求項1記載の高分子ナノ複合膜。
- 前記固体水素イオン導電体は、リン酸水素ジルコニウム(zirconium hydrogen phosphate)、Zr(O3PC2H5)1.15Y0.85、Zr(O3PCH2OH)1.27Y0.73・nH2O、(P2O5)4(ZrO2)3ガラス、P2O5−ZrO2−SiO2ガラス、CsDSO4、β−Cs3(HSO4)2(HN(P,S)O4)、α−Cs3(HSO4)2(H2PO4)、CsHSO4、Ba2YSnO5.5、SnO2・2H2O、Sb2O5・5.4H2O、H2Ti4O9・1.2H2O、HUO2AsO4・4H2O、HUO2PO4・4H2O、H3Sb3P2O14・10H2O、HSbP2O8・nH2O、H2Sb4O11・3H2OおよびHSbO3・2H2Oから選ばれた1種またはそれ以上の混合物であることを特徴とする請求項1記載の高分子ナノ複合膜。
- 前記高分子ナノ複合膜の厚さが10〜250μmの範囲であることを特徴とする請求項1記載の高分子ナノ複合膜。
- a)側鎖に陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂を有機溶媒に溶解して0.5〜30重量%濃度のイオン交換樹脂溶液を製造する段階; b)前記イオン交換樹脂溶液に多孔形成体(Porogen)を高周波超音波の加振下で混合した後、高分子膜を形成させる段階; c)前記高分子膜から前記多孔形成体を抽出するナノ気孔形成段階;および d)前記ナノ気孔に固体水素イオン導電体を充填するが、前記イオン交換樹脂30〜95重量%に固体水素イオン導電体5〜70重量%が分散されるように固体水素イオン導電体を充填する段階; を含むことを特徴とする高分子ナノ複合膜の製造方法。
- 前記d)段階において、固体水素イオン導電体がシリカ、クレー、アルミナ、マイカおよびゼオライトから選ばれた支持体5〜50重量%と選択的に混合して用いることを特徴とする、請求項7記載の高分子ナノ複合膜の製造方法。
- 前記d)段階後、高分子ナノ複合膜に陽イオン交換樹脂またはポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリイミドおよびポリ塩化ビニルから選ばれた汎用樹脂の混合溶液でさらにコーティングする段階を含むことを特徴とする、請求項7記載の高分子ナノ複合膜の製造方法。
- 前記有機溶媒が、2−プロパノール、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン、テトラメチルウレア、リン酸トリメチル、ブチロラクトン、イソホロン、カルビトールアセテート、メチルイソブチルケトン、N−ブチルアセテート、シクロヘキサノン、ジアセトンアルコール、ジイソブチルケトン、エチルアセトアセテート、グリコールエーテル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネートおよびジエチルカーボネートから選ばれた1種またはそれ以上の混合物であることを特徴とする、請求項7記載の高分子ナノ複合膜の製造方法。
- 前記多孔形成体が、ポリカプロラクトン、ポリスチレン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソオクチル、フタル酸ジヘプチルノニル、リン酸トリトリルおよびアジピン酸ジオクチルから選ばれた1種またはそれ以上の混合物であることを特徴とする、請求項7記載の高分子ナノ複合膜の製造方法。
- 前記c)段階の多孔形成体の抽出が、アセトン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルおよびジエチルエーテルから選ばれた1種またはそれ以上の混合物を用いることを特徴とする、請求項7記載の高分子ナノ複合膜の製造方法。
- 前記請求項1から6のいずれか一項に記載の高分子ナノ複合膜が適用されたものであることを特徴とする膜−電極接合体。
- 前記請求項11に記載の膜−電極接合体が適用されたものであることを特徴とする燃料電池。
- 前記燃料電池は、集電体/負極/高分子ナノ複合膜/正極/集電体/負極/高分子ナノ複合膜/正極/集電体の順でなる積層体;前記負極および正極に燃料および酸化剤を供給するために連結された端子;および前記積層体を包んでシールする電池ケースを含むことを特徴とする請求項14記載の燃料電池。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020030100130A KR100590967B1 (ko) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | 고온전도성 고분자 나노복합막과 이의 제조방법 및 이를이용한 막-전극 접합체 및 이를 포함하는고분자전해질연료전지 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005197209A true JP2005197209A (ja) | 2005-07-21 |
Family
ID=34805976
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004258793A Pending JP2005197209A (ja) | 2003-12-30 | 2004-09-06 | 高分子ナノ複合膜とその製造方法ならびにそれを用いた膜−電極接合体および燃料電池 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7074510B2 (ja) |
JP (1) | JP2005197209A (ja) |
KR (1) | KR100590967B1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007029346A1 (ja) * | 2005-08-19 | 2007-03-15 | The University Of Tokyo | プロトン伝導性ハイブリッド材料及びそれを用いた燃料電池用触媒層 |
JP2010199061A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-09-09 | Dainippon Printing Co Ltd | 燃料電池用電解質膜、燃料電池用膜・電極接合体及び燃料電池 |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100722834B1 (ko) | 2005-09-16 | 2007-05-30 | 한국화학연구원 | 고체 고분자 전해질 복합재료의 제조방법 및 그로 제조된 고체 고분자 전해질 복합재료를 구비한 리튬 고분자 전지 |
KR100739643B1 (ko) * | 2005-10-28 | 2007-07-13 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
KR100766896B1 (ko) * | 2005-11-29 | 2007-10-15 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 |
KR100896339B1 (ko) * | 2005-12-02 | 2009-05-07 | 고려대학교 산학협력단 | 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막, 그 제조방법 및 그고분자막을 채용한 연료전지 |
KR100790426B1 (ko) | 2007-01-30 | 2008-01-03 | 제일모직주식회사 | 양이온 전도성 고분자 복합막 제조용 코팅액 및 이를이용한 양이온 전도성 고분자 복합막의 제조방법,막-전극접합체 및 연료전지 |
WO2010096704A2 (en) * | 2009-02-19 | 2010-08-26 | Alex Garfield Bonner | Porous interpenetrating polymer network |
CN107317009B (zh) * | 2017-06-26 | 2020-06-16 | 上海空间电源研究所 | 一种含硫正极制造方法及包含该正极的固态锂电池的制造方法 |
KR20210073537A (ko) * | 2018-10-24 | 2021-06-18 | 후지필름 일렉트로닉 머티리얼스 유.에스.에이., 아이엔씨. | 화학 액체 제조 장치 및 화학 액체의 제조 방법 |
CN110556558B (zh) * | 2019-09-12 | 2020-06-05 | 四川东为氢源科技有限公司 | 多层复合质子交换膜及其制备方法 |
WO2022206039A1 (zh) * | 2021-03-29 | 2022-10-06 | 浙江汉丞新能源有限公司 | 特种高增强型含氟质子或离子交换膜的复合膜、复合膜电极、特种高增强型含氟氯碱电池膜、特种离型膜及其制备方法 |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE392582B (sv) | 1970-05-21 | 1977-04-04 | Gore & Ass | Forfarande vid framstellning av ett porost material, genom expandering och streckning av en tetrafluoretenpolymer framstelld i ett pastabildande strengsprutningsforfarande |
US3962153A (en) | 1970-05-21 | 1976-06-08 | W. L. Gore & Associates, Inc. | Very highly stretched polytetrafluoroethylene and process therefor |
US5091087A (en) | 1990-06-25 | 1992-02-25 | Hoechst Celanese Corp. | Fabrication of microporous PBI membranes with narrow pore size distribution |
US5525436A (en) | 1994-11-01 | 1996-06-11 | Case Western Reserve University | Proton conducting polymers used as membranes |
US5599614A (en) | 1995-03-15 | 1997-02-04 | W. L. Gore & Associates, Inc. | Integral composite membrane |
US5547551A (en) | 1995-03-15 | 1996-08-20 | W. L. Gore & Associates, Inc. | Ultra-thin integral composite membrane |
US5919583A (en) * | 1995-03-20 | 1999-07-06 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
US5531899A (en) * | 1995-06-06 | 1996-07-02 | Millipore Investment Holdings Limited | Ion exchange polyethylene membrane and process |
US5599639A (en) | 1995-08-31 | 1997-02-04 | Hoechst Celanese Corporation | Acid-modified polybenzimidazole fuel cell elements |
ATE215107T1 (de) | 1996-10-01 | 2002-04-15 | Celanese Ventures Gmbh | Verfahren zur herstellung von polymerfolien für verwendung in brennstoffzellen |
JP4051736B2 (ja) | 1997-10-16 | 2008-02-27 | 住友化学株式会社 | 高分子電解質、高分子電解質膜、及び燃料電池 |
WO2000077874A1 (en) | 1999-06-11 | 2000-12-21 | The Penn State Research Foundation | Proton conducting polymer membranes |
US6749749B2 (en) * | 2002-06-26 | 2004-06-15 | Isco, Inc. | Separation system, components of a separation system and methods of making and using them |
US7407721B2 (en) * | 2003-04-15 | 2008-08-05 | Mti Microfuel Cells, Inc. | Direct oxidation fuel cell operating with direct feed of concentrated fuel under passive water management |
-
2003
- 2003-12-30 KR KR1020030100130A patent/KR100590967B1/ko not_active IP Right Cessation
-
2004
- 2004-09-06 JP JP2004258793A patent/JP2005197209A/ja active Pending
- 2004-12-29 US US11/027,328 patent/US7074510B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007029346A1 (ja) * | 2005-08-19 | 2007-03-15 | The University Of Tokyo | プロトン伝導性ハイブリッド材料及びそれを用いた燃料電池用触媒層 |
US8632701B2 (en) | 2005-08-19 | 2014-01-21 | The University Of Tokyo | Proton conductive hybrid material, and catalyst layer for fuel cell using the same |
JP2010199061A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-09-09 | Dainippon Printing Co Ltd | 燃料電池用電解質膜、燃料電池用膜・電極接合体及び燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20050070511A (ko) | 2005-07-07 |
US7074510B2 (en) | 2006-07-11 |
KR100590967B1 (ko) | 2006-06-19 |
US20050170229A1 (en) | 2005-08-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100403754B1 (ko) | 연료전지용 복합 고분자 전해질 막, 이의 제조방법 및이를 포함하는 연료전지 | |
JP4728208B2 (ja) | 燃料電池用高分子電解質膜及びこれを含む燃料電池システム | |
JP5498643B2 (ja) | 燃料電池用高分子電解質膜、その製造方法及びそれを含む燃料電池システム | |
KR100437267B1 (ko) | 연료전지용 고분자 전해질 막 및 이의 제조방법 | |
JP2006114502A (ja) | 直接酸化型燃料電池用高分子電解質膜、その製造方法及びこれを含む直接酸化型燃料電池システム | |
JP2012069536A (ja) | 直接酸化型燃料電池用高分子電解質膜、その製造方法及びこれを含む直接酸化型燃料電池システム | |
JP4538867B2 (ja) | 高分子電解質複合膜 | |
KR100590967B1 (ko) | 고온전도성 고분자 나노복합막과 이의 제조방법 및 이를이용한 막-전극 접합체 및 이를 포함하는고분자전해질연료전지 | |
KR102296050B1 (ko) | 연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법 | |
KR20130040022A (ko) | 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 연료 전지 | |
KR101070015B1 (ko) | 고분자 전해질 복합막 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 고분자 전해질 복합막을 포함하는 고분자 전해질 연료전지 | |
JP5614891B2 (ja) | 膜電極複合体、及び固体高分子電解質型燃料電池 | |
KR20040047420A (ko) | 양성자 전도성 고분자 막, 이의 제조방법, 이를 이용한막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 | |
KR100600150B1 (ko) | 나노 크기의 덴드리머가 함침된 복합 전해질막 및 이의 제조방법 | |
JP2002516472A (ja) | 燃料電池用膜電極ユニット | |
JP3467476B2 (ja) | 固体高分子電解質膜型電極構造体及びその製造方法並びにそれを用いた燃料電池 | |
KR101019581B1 (ko) | 고분자 전해질 연료전지용 수용성 모노머에 의해 가교된 고분자 전해질 복합막 및 그 제조방법 | |
KR20210007561A (ko) | 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 pemfc용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 pemfc용 막-전극 접합체 | |
KR102300433B1 (ko) | 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 pemfc용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 pemfc용 막-전극 접합체 | |
KR102300431B1 (ko) | 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 pemfc용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 pemfc용 막-전극 접합체 | |
KR102300432B1 (ko) | 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 pemfc용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 pemfc용 막-전극 접합체 | |
KR102300430B1 (ko) | 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 pemfc용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 pemfc용 막-전극 접합체 | |
JP2002313365A (ja) | 高分子イオン交換薄膜とその製造方法 | |
Daud et al. | Fabrication, Properties, and Performance of Polymer Nanocomposite Ion Exchange Membranes for Fuel Cell Applications: A Review | |
WO2015076641A1 (ko) | 이온 교환막 및 그 제조방법 |