JP2006512746A - Manufacturing method supported on substrate of microfibrous fuel cell - Google Patents

Manufacturing method supported on substrate of microfibrous fuel cell Download PDF

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エシュラギ,レイ,アール.
ケタラー,マーティン,イー.
シ,ヨンチャオ
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マイクロセル コーポレーション
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Abstract

本発明は、微小繊維状燃料電池および他の電気化学装置の、連続式かつ自動化された、基板に支持された製造方法に関する。具体的には、脱着可能な基板層(92)が内部集電装置(82)の回りに形成され、続けて、かかる脱着可能な基板層(92)の上に順番に多数の構造体層、例えば内部触媒層(102)、膜分離体(112)、および外部触媒層(122)を被覆し、その後、内部集電装置(82)の回りにルーメン(91)を形成し、それを通って流体の通過が可能になるように、かかる脱着可能な層(92)を取り除く。脱着可能な基板層(92)は、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、またはポリエチレングリコール(PEG)などの水溶性高分子を含んでなることが好ましい。The present invention relates to a continuous, automated, substrate-supported manufacturing method for microfibrous fuel cells and other electrochemical devices. Specifically, a removable substrate layer (92) is formed around the internal current collector (82), followed by a number of structure layers in turn on the removable substrate layer (92), For example, coating the inner catalyst layer (102), the membrane separator (112), and the outer catalyst layer (122), then forming a lumen (91) around the inner current collector (82) and passing therethrough Such a removable layer (92) is removed so that fluid can pass through. The removable substrate layer (92) preferably comprises a water-soluble polymer such as polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), or polyethylene glycol (PEG).

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、基板材料への付加的な被覆用支持体として脱着可能な基板材料を使用することによって、微小繊維状電気化学電池、特に燃料電池を製造する方法に関し、かかる脱着可能な基板材料は、その後取り除かれて、流体の通過を可能にするルーメンが微小繊維状燃料電池に生成される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a microfibrous electrochemical cell, particularly a fuel cell, by using a removable substrate material as an additional coating support to the substrate material. The removable substrate material is then removed to create a lumen in the microfibrous fuel cell that allows the passage of fluid.

関連技術の説明
ミクロ電池技術は、全てレイR.エシュラギー(Ray R.Eshraghi)に付与された米国特許第5,916,514号明細書、米国特許第5,928,808号明細書、米国特許第5,989,300号明細書、米国特許第6,004,691号明細書、米国特許第6,338,913号明細書、米国特許第6,399,232号明細書、米国特許第6,403,248号明細書、米国特許第6,403,517号明細書、米国特許第6,444,339号明細書、および米国特許第6,495,281号明細書に記載されている。これらの特許に記載されている微小繊維状電池構造は中空繊維構造体を含み、電気化学電池の構成要素がそれと結合される。
2. Description of Related Technology U.S. Pat. No. 5,916,514, U.S. Pat. No. 5,928,808, U.S. Pat. No. 5,989,300, U.S. Pat. Nos. 5,916,514 to Ray R. Eshraghi US Pat. No. 6,004,691, US Pat. No. 6,338,913, US Pat. No. 6,399,232, US Pat. No. 6,403,248, US Pat. 403,517, US Pat. No. 6,444,339, and US Pat. No. 6,495,281. The microfibrous battery structures described in these patents include a hollow fiber structure with which electrochemical cell components are coupled.

上述したエシュラギー特許は、特に微小繊維状燃料電池を記載しており、それは、内部集電装置、電解質媒体を含む中空繊維状の膜分離体、外部集電装置、並びに、膜分離体の内部および外部表面上の内部および外部電極触媒層を有する。   The aforementioned eschergy patent specifically describes a microfibrous fuel cell, which includes an internal current collector, a hollow fiber membrane separator containing an electrolyte medium, an external current collector, and the interior of the membrane separator and It has internal and external electrocatalyst layers on the external surface.

かかる微小繊維状燃料電池は、中空繊維状膜分離体内に細長いルーメンをさらに含み、このルーメンは、燃料(たとえば、水素またはメタノール)あるいは酸化体(たとえば、酸素)いずれかの通過を可能にする流体通路を提供する。かかる流体通路の存在および間隙は、微小繊維状燃料電池がそのエネルギー発生の適切な機能を適切に実行するのに必須である。   Such microfibrous fuel cells further include an elongated lumen within the hollow fibrous membrane separator that is a fluid that allows passage of either fuel (eg, hydrogen or methanol) or oxidant (eg, oxygen). Provide a passage. The presence and gaps of such fluid passages are essential for the microfibrous fuel cell to properly perform its proper function of energy generation.

必要とされる流体通路を有するかかる微小繊維状燃料電池を製造する従来の方法は、膜形成高分子を、内部集電装置の挿入前に、または、内部集電装置の回りに同時に、「紡糸口金」と呼ばれる押出成形押型のオリフィスを通じて押出し成形することによって、中空繊維状膜分離体を形成することを伴う。このようにして形成される繊維状膜分離体内にルーメンが形成されるように、液体またはガスが、押出成形オリフィスの中央に配置される孔成形管を通じて吹き込まれる。中空繊維状膜分離体の内径は、内部集電装置の外径に比べてわずかに大きく、したがって、そこを通る流体燃料の通過用の流体通路が残される。かかる従来の方法のより詳しいことは、米国特許第5,916,514号明細書、米国特許第5,928,808号明細書、米国特許第5,989,300号明細書および米国特許第6,004,691号明細書を参照されたい。   Conventional methods of manufacturing such microfibrous fuel cells with the required fluid passages are described by “spinning” the film-forming polymer prior to insertion of the internal current collector or simultaneously around the internal current collector. It involves forming a hollow fiber membrane separator by extrusion through an orifice of an extrusion mold called a “die”. Liquid or gas is blown through a perforated tube located in the center of the extrusion orifice so that a lumen is formed in the fibrous membrane separator thus formed. The inner diameter of the hollow fibrous membrane separator is slightly larger than the outer diameter of the internal current collector, thus leaving a fluid passage for the passage of fluid fuel therethrough. More details of such conventional methods are described in US Pat. No. 5,916,514, US Pat. No. 5,928,808, US Pat. No. 5,989,300 and US Pat. No. 004,691.

しかし、そのような従来方法は、ルーメン成形剤として、流体である液体またはガスを使用することに依存し、製造プロセス中に外力によって引き起こされる変形に対して十分な支持体を提供できない。したがって、かかる方法によって形成される中空繊維状膜分離体は、膜分離体壁が完全に固化する前に、膜分離体にかかる有害な外力に起因して、膜分離体の特定の区間内のルーメンまたは流体通路の閉塞を指すフラットスポット(flat spots)を欠点として持つおそれがある。   However, such conventional methods rely on the use of fluids, liquids or gases, as lumen shaping agents and do not provide sufficient support for deformations caused by external forces during the manufacturing process. Therefore, the hollow fibrous membrane separator formed by such a method is not suitable for a specific section of the membrane separator due to harmful external forces applied to the membrane separator before the membrane separator wall is completely solidified. There may be disadvantages of flat spots pointing to the blockage of the lumens or fluid passages.

したがって、当技術分野では、必要とされる流体通路内に閉塞がほとんどないまたは全くない微小繊維状燃料電池を製造するためのより容易でかつより迅速な方法が提供されることが引き続き要望されている。   Accordingly, there continues to be a need in the art to provide an easier and faster method for producing microfibrous fuel cells with little or no blockage in the required fluid passages. Yes.

さらに、微小繊維状燃料電池を製造する従来方法では、共押出による中空繊維状膜分離体と同時に、または、中空繊維状膜分離体がすでに形成された後のいずれかに、内部電極触媒層が形成される。共押出プロセスは非常に複雑であり、かかる共押出プロセスは、新たに形成される内部電極触媒および中空繊維状膜層の完全な凝固前には、それらに対してほとんどまたは全く支持体を提供しないという事情から、内部電極触媒およびかかるプロセスによって形成される中空繊維状膜層もまたかなりの変形を受ける。中空繊維状膜分離体の以降の触媒化は、複雑であるばかりか、触媒化ステップの間、かかる中空繊維状膜分離体内の必要とされる流体通路を塞ぐ危険も増加させる。   Further, in the conventional method for producing a microfibrous fuel cell, the internal electrode catalyst layer is formed either at the same time as the hollow fiber membrane separator by coextrusion or after the hollow fiber membrane separator has already been formed. It is formed. Coextrusion processes are very complex and such coextrusion processes provide little or no support for the newly formed internal electrocatalyst and hollow fiber membrane layer prior to complete solidification. For this reason, the internal electrode catalyst and the hollow fiber membrane layer formed by such a process are also subject to considerable deformation. Subsequent catalysis of hollow fiber membrane separators is not only complex, but also increases the risk of plugging the required fluid pathways within such hollow fiber membrane separators during the catalyzing step.

したがって、微小繊維状燃料電池の基板に支持された製造方法を提供することが本発明の目的であり、ここでは、まず、内部電極触媒層を脱着可能な基板の上に形成することができ、膜形成材料層がかかる内部電極触媒層の上に形成されかつこれにより支持され、この場合、その後脱着可能な基板を取り除いて、膜形成材料層内に必要とされる流体通路を形成することができる。かかる基板に支持された製造方法では、内部電極触媒層および膜形成材料層の両方に、それらの完全な凝固前の構造上の支持体が提供される。それは、全体としての製造プロセスが簡単になるだけでなく、こうして形成された微小繊維状燃料電池の品質もまた著しく改良される。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a production method supported on a substrate of a microfibrous fuel cell, in which an internal electrode catalyst layer can first be formed on a removable substrate, A film-forming material layer is formed on and supported by such an internal electrocatalyst layer, in which case the removable substrate can then be removed to form the required fluid passages in the film-forming material layer. it can. In such a production method supported on a substrate, both the internal electrode catalyst layer and the film-forming material layer are provided with a structural support before their complete solidification. It not only simplifies the overall manufacturing process, but also significantly improves the quality of the microfibrous fuel cells thus formed.

本発明のその他の目的および利点は、後に続く開示および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるだろう。   Other objects and advantages of the invention will become more fully apparent from the ensuing disclosure and appended claims.

発明の概要
一態様の本発明は、微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法に関し、少なくとも次のステップを含んでなる:
(a)少なくとも1種の脱着可能な固相の基板材料を含んでなる繊維状基板構造体を提供するステップと、
(b)繊維状基板構造体の上に膜形成材料の層を被覆するステップと、
(c)その後、孔(bore)側および胴(shell)側を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、かかる脱着可能な基板材料を取り除くステップ。
この場合、微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部集電装置と、
(2)外部集電装置と、
(3)中空繊維状膜分離体であって、かかる中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含んでなり、かつその孔側で内部集電装置と、その胴側で外部集電装置と電気的に接触しており、かつ、中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含んでなる中空繊維状膜分離体と、
(4)中空繊維状膜分離体のその孔側に被覆する内部電極触媒層と、
(5)中空繊維状膜分離体のその胴側に被覆する外部電極触媒層と、
を含んでなる。
SUMMARY OF THE INVENTION One aspect of the invention relates to a method of manufacturing a microfibrous fuel cell structure, comprising at least the following steps:
(A) providing a fibrous substrate structure comprising at least one detachable solid phase substrate material;
(B) coating a layer of film-forming material on the fibrous substrate structure;
(C) then removing such removable substrate material so as to form a hollow fibrous membrane separator having a bore side and a shell side.
In this case, the microfibrous fuel cell structure is
(1) an internal current collector;
(2) an external current collector,
(3) A hollow fibrous membrane separator, the hollow fibrous membrane separator comprising an electrolyte medium and having an internal current collector on the hole side and an external current collector on the body side The hollow fibrous membrane separator further comprising a lumen through which the fluid is allowed to pass,
(4) an internal electrode catalyst layer covering the pore side of the hollow fiber membrane separator;
(5) an external electrode catalyst layer covering the body side of the hollow fiber membrane separator;
Comprising.

本発明の脱着可能な固相の基板材料は、そこに被覆される膜形成材料層にとって機械的強度が十分な固相基板を提供するので、かかる膜形成材料層は、膜壁がまだ固化してないとき、製造プロセス中の外力に耐えることができる。かかる脱着可能な固相の基板材料は、その後取り除かれて、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンが形成される。脱着可能な固相の基板材料は、膜壁の凝固の後になって初めて取り除かれるので、かかるルーメンは、製造プロセス中の変形に対して十分に保護される。したがって、本発明の方法によって形成される中空繊維状膜分離体には、フラットスポットがほとんどまたは全くない正味の流体通路が含まれる。   Since the detachable solid phase substrate material of the present invention provides a solid phase substrate having sufficient mechanical strength for the film forming material layer coated thereon, the film forming material layer is still solidified on the film wall. When it is not, it can withstand external forces during the manufacturing process. Such removable solid phase substrate material is then removed to form a lumen through which fluid can pass. Since the detachable solid phase substrate material is removed only after the membrane walls have solidified, such lumens are well protected against deformation during the manufacturing process. Thus, the hollow fibrous membrane separator formed by the method of the present invention includes a net fluid passage with little or no flat spots.

用語「固相」は、本明細書で使用されるとき、室温および大気圧下で非液体または非ガス状の材料である、使用する材料の状態を指す。   The term “solid phase” as used herein refers to the state of a material used that is a non-liquid or non-gaseous material at room temperature and atmospheric pressure.

本出願の他の態様は、微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法に関し、次のステップを含んでなる:
(a)微小繊維状形態の内部集電装置を提供するステップと、
(b)内部集電装置の上に脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(c)かかる脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層の上に内部電極触媒層を形成するステップと、
(d)内部電極触媒層の上に膜形成材料層を形成するステップと、
(e)膜形成材料層の上に外部電極触媒層を形成するステップと、
(f)かかる脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を取り除くステップと、
(g)微小繊維状燃料電池構造体を形成するように、外部集電装置を外部電極触媒層の外部表面に取り付けるステップ。
この微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部および外部集電装置と、
(2)内部および外部電極触媒層と、
(3)膜形成材料層によって形成される中空繊維状膜分離体と、
を含んでなり、この場合、中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含んでなり、かつ孔側および胴側を有し、孔側に内部集電装置および内部電極触媒層、胴側に外部集電装置および外部電極触媒層を有し、かつ、かかる中空繊維状膜分離体の孔側は、脱着可能な基板材料の除去によって形成され、それを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含んでなる。
Another aspect of the present application relates to a method of manufacturing a microfibrous fuel cell structure comprising the following steps:
(A) providing an internal current collector in a microfibrous form;
(B) forming at least one layer of removable substrate material on the internal current collector;
(C) forming an internal electrocatalyst layer on at least one layer of such removable substrate material;
(D) forming a film-forming material layer on the internal electrode catalyst layer;
(E) forming an external electrode catalyst layer on the film-forming material layer;
(F) removing at least one layer of such removable substrate material;
(G) A step of attaching an external current collector to the external surface of the external electrode catalyst layer so as to form a microfibrous fuel cell structure.
This microfibrous fuel cell structure is
(1) internal and external current collectors;
(2) internal and external electrode catalyst layers;
(3) a hollow fibrous membrane separator formed by a membrane-forming material layer;
In this case, the hollow fibrous membrane separator has an electrolyte medium and has a hole side and a body side, an internal current collector and an internal electrode catalyst layer on the hole side, and an external side on the body side The hollow fiber membrane separator having a current collector and an external electrode catalyst layer is formed by removing the removable substrate material and has a lumen through which fluid can pass. Further comprising.

上記の方法により、微小繊維状燃料電池の製造プロセスが著しく簡略化され、それにより、かかる微小繊維状燃料電池の連続式かつ自動化されたスケールアップ製造が可能になる。   The above method significantly simplifies the manufacturing process of the microfibrous fuel cell, thereby enabling continuous and automated scale-up manufacturing of such a microfibrous fuel cell.

かかる方法は、微小繊維状燃料電池の製造に限定されない。その代わりに、かかる基板に支持される製造方法は、ルーメンがそこを通る流体の通過に必要となるどんな微小繊維状電気化学電池の製造にも広く使用することができる。かかる微小繊維状電気化学電池には、これらに限定されないが、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリセルなどが含まれる。   Such a method is not limited to the production of microfibrous fuel cells. Instead, such a substrate-supported manufacturing method can be widely used in the manufacture of any microfibrous electrochemical cell in which the lumen is required for the passage of fluid therethrough. Such microfibrous electrochemical cells include, but are not limited to, fuel cells, water electrolyzers, chloroalkali cells, and the like.

したがって、なおさらに別の本発明の態様は、微小繊維状電気化学電池構造体を製造する方法に関し、少なくとも次のステップを含んでなる:
(a)少なくとも1種の脱着可能な固相の基板材料を含んでなる繊維状基板構造体を提供するステップと、
(b)繊維状基板構造体の上に膜形成材料の層を被覆するステップと、
(c)その後、孔側および胴側を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、かかる脱着可能な基板材料を取り除くステップ。
この場合、微小繊維状電気化学電池構造体は、
(1)内部電極と、
(2)外部電極と、
(3)中空繊維状膜分離体と、
を含んでなり、この場合、かかる中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含んでなり、かつその孔側で内部電極と、その胴側で外部電極と電気的に接触しており、かつ、中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含んでなる。
Thus, yet another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a microfibrous electrochemical cell structure, comprising at least the following steps:
(A) providing a fibrous substrate structure comprising at least one detachable solid phase substrate material;
(B) coating a layer of film-forming material on the fibrous substrate structure;
(C) then removing such removable substrate material so as to form a hollow fibrous membrane separator having a hole side and a body side.
In this case, the microfibrous electrochemical cell structure is
(1) an internal electrode;
(2) an external electrode;
(3) a hollow fibrous membrane separator;
In this case, the hollow fibrous membrane separator comprises an electrolyte medium, and is in electrical contact with the internal electrode on the hole side and the external electrode on the body side, and The pore side of the hollow fibrous membrane separator further comprises a lumen through which fluid can pass.

本発明のさらに別の態様は、微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法に関し、少なくとも次のステップを含んでなる:
(a)固体材料を含んでなるコア繊維を提供するステップと、
(b)コア繊維の上に膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(c)膨潤可能な高分子膜形成材料のかかる少なくとも1つの層を膨潤剤と接触させ、その結果、膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層が膨張し、コア繊維から剥離するステップと、
(d)その後、孔側および胴側を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、剥離されたコア繊維を取り除くステップ。
この場合、微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部集電装置と、
(2)外部集電装置と、
(3)中空繊維状膜分離体であって、かかる中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含んでなり、かつその孔側で内部集電装置と、その胴側で外部集電装置と電気的に接触しており、かつ、中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含んでなる中空繊維状膜分離体と、
(4)中空繊維状膜分離体のその孔側に被覆する内部電極触媒層と、
(5)中空繊維状膜分離体のその胴側に被覆する外部電極触媒層と、
を含んでなる。
Yet another aspect of the invention relates to a method of manufacturing a microfibrous fuel cell structure comprising at least the following steps:
(A) providing a core fiber comprising a solid material;
(B) forming at least one layer of a swellable polymer film-forming material on the core fiber;
(C) contacting at least one layer of the swellable polymer film-forming material with a swelling agent so that at least one layer of the swellable polymer film-forming material swells and peels from the core fiber When,
(D) Thereafter, the step of removing the peeled core fibers so as to form a hollow fiber membrane separator having a hole side and a body side.
In this case, the microfibrous fuel cell structure is
(1) an internal current collector;
(2) an external current collector,
(3) A hollow fibrous membrane separator, the hollow fibrous membrane separator comprising an electrolyte medium and having an internal current collector on the hole side and an external current collector on the body side The hollow fibrous membrane separator further comprising a lumen through which the fluid is allowed to pass,
(4) an internal electrode catalyst layer covering the pore side of the hollow fiber membrane separator;
(5) an external electrode catalyst layer covering the body side of the hollow fiber membrane separator;
Comprising.

用語「膨潤可能な高分子膜形成材料」は、本明細書で使用されるとき、膨潤剤と接触させたとき体積膨張を起こす適宜の高分子膜形成材料を指す。   The term “swellable polymer film-forming material” as used herein refers to any polymer film-forming material that undergoes volume expansion when contacted with a swelling agent.

用語「膨潤剤」は、本明細書で使用されるとき、高分子膜形成材料と相互作用し、かかる材料が体積膨張を起こすのを引き起こす適宜の液体またはガスを指す。かかる膨潤剤は、水または有機溶剤などの液体溶剤が好ましい。   The term “swelling agent” as used herein refers to any liquid or gas that interacts with the polymeric film-forming material and causes such material to undergo volume expansion. Such a swelling agent is preferably water or a liquid solvent such as an organic solvent.

なおさらに別の本発明の態様は、微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法に関し、少なくとも次のステップを含んでなる:
(a)固体材料を含んでなるコア繊維を提供するステップと、
(b)かかるコア繊維の上に内部電極触媒層を形成するステップと、
(c)内部電極触媒層の上に膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(d)かかる膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層の上に外部電極触媒層を形成するステップと、
(e)膨潤可能な高分子膜形成材料層を膨潤剤と接触させて、その膨張を実現し、かかる膨潤可能な高分子膜形成材料層から、並びに内部および外部電極触媒層からのコア繊維の剥離を生じさせるステップと、
(f)その後、孔側および胴側を有し、その孔側に内部電極触媒層、その胴側に外部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、剥離されたコア繊維を取り除くステップ。
この場合、微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部集電装置と、
(2)外部集電装置と、
(3)中空繊維状膜分離体であって、かかる中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含んでなり、かつその孔側で内部集電装置と、その胴側で外部集電装置と電気的に接触しており、かつ、中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含んでなる中空繊維状膜分離体と、
(4)内部電極触媒層と、
(5)外部電極触媒層と、
を含んでなる。
Yet another aspect of the invention relates to a method of manufacturing a microfibrous fuel cell structure, comprising at least the following steps:
(A) providing a core fiber comprising a solid material;
(B) forming an internal electrode catalyst layer on the core fiber;
(C) forming at least one layer of a swellable polymer film-forming material on the internal electrode catalyst layer;
(D) forming an external electrocatalyst layer on at least one layer of such swellable polymeric film-forming material;
(E) contacting the swellable polymer film-forming material layer with a swelling agent to achieve its expansion, from the swellable polymer film-forming material layer and from the inner and outer electrode catalyst layers A step of causing peeling;
(F) The core fiber thus peeled so as to form a hollow fibrous membrane separator having a hole side and a body side, an internal electrode catalyst layer on the hole side, and an external electrode catalyst layer on the body side Step to get rid of.
In this case, the microfibrous fuel cell structure is
(1) an internal current collector;
(2) an external current collector,
(3) A hollow fibrous membrane separator, the hollow fibrous membrane separator comprising an electrolyte medium and having an internal current collector on the hole side and an external current collector on the body side The hollow fibrous membrane separator further comprising a lumen through which the fluid is allowed to pass,
(4) an internal electrode catalyst layer;
(5) an external electrode catalyst layer;
Comprising.

本発明のその他の態様、特徴、および利点は、次の開示および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるであろう。   Other aspects, features, and advantages of the invention will become more fully apparent from the ensuing disclosure and appended claims.

発明の詳細な説明およびその好ましい実施形態
エシュラギーの開示内容、すなわち、米国特許第5,916,514号明細書、米国特許第5,928,808号明細書、米国特許第5,989,300号明細書、米国特許第6,004,691号明細書、米国特許第6,338,913号明細書、米国特許第6,399,232号明細書、米国特許第6,403,248号明細書、米国特許第6,403,517号明細書、米国特許第6,444,339号明細書、米国特許第6,495,281号明細書、米国特許出願第10/188,471号明細書、および米国特許出願第10/253,371号明細書は、それらのそれぞれ全体が引用によりあらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。
Detailed Description of the Invention and Preferred Embodiments The disclosure of eschergy, namely US Pat. No. 5,916,514, US Pat. No. 5,928,808, US Pat. No. 5,989,300 Specification, US Pat. No. 6,004,691, US Pat. No. 6,338,913, US Pat. No. 6,399,232, US Pat. No. 6,403,248 U.S. Patent No. 6,403,517, U.S. Patent No. 6,444,339, U.S. Patent No. 6,495,281, U.S. Patent Application No. 10 / 188,471, And US patent application Ser. No. 10 / 253,371, each of which is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes.

本明細書で使用されるとき、用語「微小繊維状」は、約10ミクロン〜約10ミリメートル、好ましくは約10ミクロン〜約5ミリメートル、より好ましくは約10ミクロン〜約1ミリメートルの範囲の断面積外径を有する繊維状の構造を指す。   As used herein, the term “microfibrous” refers to a cross-sectional area ranging from about 10 microns to about 10 millimeters, preferably from about 10 microns to about 5 millimeters, more preferably from about 10 microns to about 1 millimeter. A fibrous structure having an outer diameter.

本発明は、微小繊維状燃料電池用の中空繊維状膜分離体内にルーメンを形成するために、脱着可能な固相の基板材料を利用する。   The present invention utilizes a detachable solid phase substrate material to form a lumen within a hollow fibrous membrane separator for a microfibrous fuel cell.

図10は、微小繊維状燃料電池構造体の基本の構成要素を示し、それには、内部集電装置82、内部電極触媒層102、電解質媒体(図示せず)、外部電極触媒層122、および外部集電装置132を含んでなる中空繊維状膜分離体112が含まれる。中空繊維状膜分離体は、孔側および胴側を有し、この場合、孔側は、内部集電装置82を含み、そこに被覆される内部電極触媒層102を有し、かつ、胴側は、外部集電装置132と接触しており、そこに被覆される外部電極触媒層122を有する。   FIG. 10 shows the basic components of a microfibrous fuel cell structure, which includes an internal current collector 82, an internal electrode catalyst layer 102, an electrolyte medium (not shown), an external electrode catalyst layer 122, and an external A hollow fiber membrane separator 112 comprising a current collector 132 is included. The hollow fibrous membrane separator has a hole side and a body side, in which case the hole side includes an internal current collector 82, has an internal electrode catalyst layer 102 coated thereon, and the body side. Is in contact with the external current collector 132 and has an external electrode catalyst layer 122 coated thereon.

中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含んでなり、それは、液体の電解質媒体または固体の電解質媒体のいずれでもよい。かかる電解質媒体は、イオン交換セラミック材料またはイオン交換高分子材料のような固体材料であることが好ましい。かかる電解質媒体は、ペルフルオロカーボン−スルホン酸系高分子、ポリスルホン系高分子、ペルフルオロカルボン酸系高分子、スチレン−ビニル−ベンゼン−スルホン酸系高分子およびスチレン−ブタジエン系高分子からなる群から選択される固体のイオン交換高分子(すなわち、カチオン交換高分子またはアニオン交換高分子)であることがより好ましい。中空繊維状膜分離体は、かかる膜分離体のミクロ細孔に含浸される液体または固体の電解質媒体を有する微小孔性とすることができる。中空繊維状膜分離体は、それ自体で固体のイオン交換膜であることがより好ましく、それは、固体のイオン交換セラミックまたは固体のイオン交換高分子のいずれかから実質的になり、構造上の支持体を提供する膜マトリックスおよび電気化学反応を行う電解質媒体としての両方の機能を果たす。かかるイオン交換高分子膜の例には、デュポン(DuPont)(ノースカロライナ州フェイエットヴィル(Fayetteville))により製造されるナフィオン(Nafion)(登録商標)膜、旭硝子社(日本、東京)により製造されるフレミオン(Flemion)(登録商標)膜、旭化成社(日本、大阪)により製造されるアシプレックス(Aciplex)(登録商標)膜、および、ダウ・ケミカル(Dow Chemical)(ミシガン州ミッドランド(Midland))により製造されるダウXUS膜が含まれる。   The hollow fibrous membrane separator comprises an electrolyte medium, which can be either a liquid electrolyte medium or a solid electrolyte medium. Such an electrolyte medium is preferably a solid material such as an ion exchange ceramic material or an ion exchange polymer material. The electrolyte medium is selected from the group consisting of perfluorocarbon-sulfonic acid polymers, polysulfone polymers, perfluorocarboxylic acid polymers, styrene-vinyl-benzene-sulfonic acid polymers, and styrene-butadiene polymers. More preferably, it is a solid ion exchange polymer (that is, a cation exchange polymer or an anion exchange polymer). The hollow fibrous membrane separator can be microporous with a liquid or solid electrolyte medium impregnated in the micropores of the membrane separator. More preferably, the hollow fibrous membrane separator itself is a solid ion exchange membrane, which consists essentially of either a solid ion exchange ceramic or a solid ion exchange polymer and has structural support. It serves both as a membrane matrix that provides the body and as an electrolyte medium for performing electrochemical reactions. Examples of such ion exchange polymer membranes include Nafion® membranes manufactured by DuPont (Fayetteville, NC), manufactured by Asahi Glass Co., Tokyo, Japan. By Flemion® membranes, Aciplex® membranes manufactured by Asahi Kasei Corporation (Osaka, Japan), and Dow Chemical (Midland, Michigan) The manufactured Dow XUS membrane is included.

中空繊維状膜分離体の孔側はルーメン91をさらに含み、それにより、そこを通る流体燃料(たとえば、水素およびメタノール)または酸化体(たとえば、酸素)の通過が可能になる。かかるルーメン91は、微小繊維状燃料電池にとって必須である流体通路を提供して、そのエネルギー発生機能を果たし、かかるルーメン91の閉塞は、かかる燃料電池の出力性能に悪影響を及ぼす可能性がある。   The pore side of the hollow fibrous membrane separator further includes a lumen 91 that allows passage of fluid fuel (eg, hydrogen and methanol) or oxidant (eg, oxygen) therethrough. Such a lumen 91 provides a fluid passage that is essential for the microfibrous fuel cell and performs its energy generation function, and the blockage of the lumen 91 may adversely affect the output performance of the fuel cell.

このため、本発明は、脱着可能な固相の基板材料を使用して、かかるルーメン91用に設計される空間を最初に占め、一方、被覆/乾燥/硬化などの種々の製造ステップの際、膜形成材料層がかかる脱着可能な固相の基板材料の上面に形成され、かつ、それによって支持される。膜形成材料層が十分に固化した後、今度はかかる固相の基板材料が選択的に取り除かれて、中空繊維状膜分離体112内に中空の空間またはルーメン91が形成される。   Thus, the present invention initially occupies the space designed for such a lumen 91 using a removable solid phase substrate material, while during various manufacturing steps such as coating / drying / curing, etc. A film-forming material layer is formed on and supported by the top surface of such removable solid substrate material. After the membrane-forming material layer is sufficiently solidified, this solid phase substrate material is then selectively removed to form a hollow space or lumen 91 in the hollow fibrous membrane separator 112.

本発明の脱着可能な固相の基板材料は、機械的強度の大きい固体コアを提供し、それは、上記したような微小繊維状燃料電池構造体の種々の構成要素を形成するため、そこへの種々の材料の付加層の以降の被覆を支持し、かつ、それは、その後かかる微小繊維状燃料電池構造体に正味の流体通路を形成するための空間を保存する。また、脱着可能な基板材料は、製造プロセス中のたわみまたはねじりに起因する潜在的破損に対して、膜形成材料層のための追加の緩衝作用を提供する。   The detachable solid phase substrate material of the present invention provides a solid core with high mechanical strength, which forms various components of a microfibrous fuel cell structure as described above. Supports subsequent coatings of additional layers of various materials, and it then preserves space for forming net fluid passages in such microfibrous fuel cell structures. The removable substrate material also provides additional cushioning for the film-forming material layer against potential breakage due to deflection or twisting during the manufacturing process.

本発明の脱着可能な基板材料は、選択的な方法により、すなわち、微小繊維状燃料電池構造体の基本の構成要素または部分を取り除くことはない方法により、かかる材料を以降に取り除けるとの条件で、たとえば、金属、ガラス、セラミック、高分子などの、室温および大気圧下で固相である適宜の適切な材料とすることができる。たとえば、かかる脱着可能な基板材料は昇華可能な材料とすることができ、それは、内部および外部集電装置、内部および外部電極触媒層、および中空繊維状膜分離体などの、微小繊維状燃料電池構造体の基本の構成要素に影響を及ぼさない昇華条件下で昇華可能であり、それはまた、微小繊維状燃料電池構造体の基本の構成要素に影響を及ぼさない溶融条件下で溶融する溶融可能な材料とすることができ、それは、微小繊維状燃料電池構造体の基本の構成要素に影響を及ぼさない溶剤によって溶解できる可溶性材料とすることができる。   The removable substrate material of the present invention is subject to subsequent removal by a selective method, i.e., without removing the basic components or parts of the microfibrous fuel cell structure. For example, any appropriate material that is a solid phase at room temperature and atmospheric pressure, such as metal, glass, ceramic, and polymer, can be used. For example, such a removable substrate material can be a sublimable material, which can be a microfibrous fuel cell, such as internal and external current collectors, internal and external electrode catalyst layers, and hollow fibrous membrane separators. Sublimable under sublimation conditions that do not affect the basic components of the structure, and also meltable under melting conditions that do not affect the basic components of the microfibrous fuel cell structure The material can be a soluble material that can be dissolved by a solvent that does not affect the basic components of the microfibrous fuel cell structure.

本発明の好適な実施例では、かかる脱着可能な基板材料は、酸に溶解する材料、アルカリに溶解する材料、有機溶剤−溶剤材料および水溶性の材料などの、可溶性材料である。   In a preferred embodiment of the present invention, such removable substrate materials are soluble materials such as acid soluble materials, alkali soluble materials, organic solvent-solvent materials and water soluble materials.

本発明のより好適な実施形態では、かかる脱着可能な基板材料は水溶性の高分子材料である。水は、微小繊維状燃料電池構造体の基本の構成要素に対して最も侵入性が少ない除去剤であるので、水溶性の高分子材料を使用することが本発明の実施に特に適切である。さらに、除去剤として水を使用することは、経済的でありかつ環境にやさしい。   In a more preferred embodiment of the present invention, such removable substrate material is a water soluble polymeric material. Since water is the remover that has the least penetration with respect to the basic components of the microfibrous fuel cell structure, it is particularly suitable to practice the present invention to use a water-soluble polymeric material. Furthermore, the use of water as a removal agent is economical and environmentally friendly.

本発明を実施するのに使用する水溶性高分子は、水溶性であり、かつ、基板構造体に後で被覆される材料と共存できる適宜の天然または合成高分子材料とすることができる。かかる水溶性高分子の例には、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、アクリル酸型水溶性高分子、無水マレイン酸型水溶性高分子、ポリ(N−ビニルアミド)、ポリアクリルアミド、ポリ(エチレンイミン)、ポリ(ヒドロキシ−エチルメタクリラート)、ポリエステル、ポリ(エチルオキサゾリン)、ポリ(オキシメチレン)、ポリ(ビニルメチルエーテル)、ポリ(スチレンスルホン酸)、ポリ(エチレンスルホン酸)、ポリ(ビニルリン)酸、ポリ(マレイン酸)、デンプン、セルロース、蛋白質、ポリサッカリド、デキストラン、タンニン、リグニンなどが含まれる。   The water-soluble polymer used to practice the present invention can be any suitable natural or synthetic polymer material that is water-soluble and can coexist with materials that are subsequently coated onto the substrate structure. Examples of such water-soluble polymers include polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyethylene oxide, acrylic acid-type water-soluble polymers, maleic anhydride-type water-soluble polymers, poly (N-vinylamide), polyacrylamide, polyacrylamide (Ethyleneimine), poly (hydroxy-ethyl methacrylate), polyester, poly (ethyloxazoline), poly (oxymethylene), poly (vinyl methyl ether), poly (styrene sulfonic acid), poly (ethylene sulfonic acid), poly (Vinyl phosphorus) acid, poly (maleic acid), starch, cellulose, protein, polysaccharide, dextran, tannin, lignin and the like are included.

水溶性高分子のかかるリストは例示にすぎず、本発明の広い技術的範囲を限定することを意図するものではない。かかる水溶性高分子は、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールおよびこれらの混合物から選択されることが好ましい。かかる水溶性高分子は、ポリビニルピロリドンおよび/またはポリビニルアルコールを含んでなることがより好ましい。   Such list of water soluble polymers is exemplary only and is not intended to limit the broad scope of the invention. Such a water-soluble polymer is preferably selected from polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol and mixtures thereof. More preferably, the water-soluble polymer comprises polyvinyl pyrrolidone and / or polyvinyl alcohol.

図1は、水溶性の基板材料12から実質的になる繊維状基板構造体10を示す。次いで、繊維状基板構造体10は、被覆された繊維20を形成するように、膜形成材料22の層によって被覆される。膜形成材料22の固化後、かかる被覆された繊維20を温水に浸漬することによって、または、被覆された繊維20を通じて温水を流すことによって、水溶性の基板材料12が取り除かれ、その中にルーメン31を有する膜形成材料22の胴だけが残され、中空繊維状膜分離体30が得られる。   FIG. 1 shows a fibrous substrate structure 10 consisting essentially of a water-soluble substrate material 12. The fibrous substrate structure 10 is then coated with a layer of film-forming material 22 so as to form a coated fiber 20. After the film-forming material 22 is solidified, the water-soluble substrate material 12 is removed by immersing the coated fibers 20 in warm water or by flowing warm water through the coated fibers 20 and the lumens therein. Only the body of the membrane forming material 22 having 31 is left, and the hollow fiber membrane separator 30 is obtained.

同時にまたは順番に、適宜の順序もしくは適宜の組合せで、その後内部および外部集電装置を中空繊維状膜分離体30に取り付けることができ、その後内部および外部電極触媒層を中空繊維状膜分離体30に塗布することができる。たとえば、内部および外部集電装置を同時に中空繊維状膜分離体に取り付け、続けて内部電極触媒層の塗布、次に外部電極触媒層の塗布を行うことができる。別の方法として、内部および外部電極触媒層を中空繊維状膜分離体に同時に塗布し、続けてそれに内部および外部集電装置の取付けを行うことができる。当業者であれば、特定の材料およびシステム条件に応じて、容易に設計し、かかる微小繊維状燃料電池を製造するための適切なプロトコルを取り決めることができる。   At the same time or in sequence, the internal and external current collectors can then be attached to the hollow fiber membrane separator 30 in an appropriate sequence or combination, and the internal and external electrode catalyst layers are then attached to the hollow fiber membrane separator 30. Can be applied. For example, the internal and external current collectors can be simultaneously attached to the hollow fiber membrane separator, followed by application of the internal electrode catalyst layer and then application of the external electrode catalyst layer. Alternatively, the inner and outer electrode catalyst layers can be applied simultaneously to the hollow fiber membrane separator, followed by attachment of the inner and outer current collectors. One of ordinary skill in the art can easily design and negotiate an appropriate protocol for manufacturing such a microfibrous fuel cell, depending on the specific materials and system conditions.

上記したような完成した微小繊維状燃料電池構造体を形成するための、内部および/または外部電極触媒層を塗布する種々の方法が、2002年9月24日出願の米国特許出願第10/253,371号明細書「ミクロ電池燃料電池、燃料電池組立体、およびその製造方法(MICROCELL FUEL CELLS, FUEL CELL ASSEMBLIES, AND METHODS OF MAKING THE SAME)」に記載されており、その内容は、引用により、その全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。   Various methods of applying internal and / or external electrocatalyst layers to form a finished microfibrous fuel cell structure as described above are described in US patent application Ser. No. 10/253, filed Sep. 24, 2002. No. 371, “Microcell Fuel Cell, Fuel Cell Assembly, and Method for Producing the Same (MICROCELL FUEL CELLS, FUEL CELL ASSEMBLIES, AND METHODS OF MAKING THE SAME)”, the contents of which are incorporated herein by reference. The entirety of which is incorporated herein for all purposes.

脱着可能な固相の基板材料のその後の除去は、必ずというわけではないが、脱着可能な基板材料の少なくとも一部と接触する除去界面を提供して促進することが好ましい。かかる除去界面は、酸、アルカリ、有機溶剤または水などの除去剤の活性加工表面を増加させ、このため基板材料の除去が促進される。かかる除去界面は、脱着可能な基板材料内の開いた空洞であり、基板材料を取り除くために、そこを除去流体が通過できることが好ましい。   Subsequent removal of the removable solid substrate material is preferably, but not necessarily, facilitated by providing a removal interface that contacts at least a portion of the removable substrate material. Such removal interface increases the active processing surface of the removal agent such as acid, alkali, organic solvent or water, and thus facilitates removal of the substrate material. Such removal interface is preferably an open cavity in the removable substrate material through which removal fluid can pass to remove the substrate material.

図2Aは、膜形成材料22’の層によって被覆された繊維状基板構造体を有する、被覆された繊維の断面図を示し、この場合、かかる繊維状基板構造体は、脱着可能な基板材料12’の内部に開いた空洞21を含んでなる。開いた空洞21は細長く、除去流体の通路を提供して、基板材料12’の除去を促進する。開いた空洞は、図2Aに示すように、脱着可能な基板12’の中央か、または、図2Bに示すように、脱着可能な基板12’の外部表面の近くでもよい。   FIG. 2A shows a cross-sectional view of a coated fiber having a fibrous substrate structure covered by a layer of film-forming material 22 ′, where such fibrous substrate structure is removable substrate material 12. It comprises an open cavity 21 inside. Open cavity 21 is elongated and provides a passage for removal fluid to facilitate removal of substrate material 12 '. The open cavity may be in the middle of the removable substrate 12 'as shown in FIG. 2A or near the outer surface of the removable substrate 12' as shown in FIG. 2B.

上述した除去界面は、最初から形成するか、または後で形成するかいずれでもよい。具体的には、かかる除去界面は、剥離性が異なる2種以上の脱着可能な基板材料を使用することによって形成することができる。図3は、剥離性が異なる2種の脱着可能な基板材料12’および14’を含んでなる繊維状の基板を使用して、中空繊維状膜分離体を形成するプロセスを示す。第1の脱着可能な基板材料14(それは、固相材料または非固相材料のいずれでもよい)は、第2の脱着可能な固相の基板材料12’により被覆され、第1の脱着可能な基板材料14は、第2の脱着可能な固相の基板材料12’に比べてより容易に脱着可能である。膜形成材料22’の層は、第2の脱着可能な固相の基板材料12’の上に被覆され、そこに固化する。層22’の固化後、まず第1の脱着可能な基板材料14が取り除かれ、第2の脱着可能な固相の基板材料12’内に開いた空洞21を残し、そこを除去流体が通過して、第2の脱着可能な固相の基板材料を取り除くことができる。   The removal interface described above may be formed from the beginning or later. Specifically, such a removal interface can be formed by using two or more kinds of detachable substrate materials having different peelability. FIG. 3 shows a process for forming a hollow fibrous membrane separator using a fibrous substrate comprising two removable substrate materials 12 'and 14' having different peel properties. A first detachable substrate material 14 (which can be either a solid phase material or a non-solid phase material) is coated with a second detachable solid phase substrate material 12 ′ to provide a first detachable material. The substrate material 14 is more easily detachable than the second detachable solid phase substrate material 12 '. A layer of film-forming material 22 'is coated over and solidified therewith on the second removable solid phase substrate material 12'. After solidification of the layer 22 ′, the first removable substrate material 14 is first removed, leaving an open cavity 21 in the second removable solid phase substrate material 12 ′ through which the removal fluid passes. Thus, the second detachable solid phase substrate material can be removed.

たとえば、かかる第1の脱着可能な基板材料14は、低分子量で水溶性の高分子材料を含んでなることができ、第2の脱着可能な固相基板12’は、高分子量で水溶性の高分子材料を含んでなることができる。あるいは、かかる第1の脱着可能な基板材料14は、水溶性の高分子材料を含んでなることができ、第2の脱着可能な固相基板12’は、水不溶性で酸に溶解するガラス材料を含んでなることができる。材料の種々の組合せを使用して、剥離性が異なる2種の脱着可能な基板材料から繊維状の基板を構成することができる。かかる繊維状の基板はまた、脱着可能な固相の基板材料が最外層に提供され、後でそこに塗布される被覆の構造上の支持体を与える限り、剥離性が異なる2種を超える脱着可能な基板材料を含んでなることができる。   For example, such a first detachable substrate material 14 can comprise a low molecular weight, water soluble polymeric material, and a second detachable solid phase substrate 12 ′ can be a high molecular weight, water soluble polymer. It can comprise a polymeric material. Alternatively, the first detachable substrate material 14 can comprise a water-soluble polymeric material, and the second detachable solid phase substrate 12 ′ is a water-insoluble and acid-soluble glass material. Can comprise. Various combinations of materials can be used to construct a fibrous substrate from two removable substrate materials that differ in peelability. Such fibrous substrates also have more than two types of desorption with different release properties, as long as a removable solid phase substrate material is provided in the outermost layer and provides a structural support for the coating that is subsequently applied thereto. Possible substrate materials can be included.

本発明の中空微小繊維状膜分離体はまた、膨潤可能な高分子膜形成材料を使用することによって有利に形成できることを注記することは重要であり、それには、膨潤剤と接触させたとき体積膨張を起こす適宜の高分子膜形成材料が含まれる。膨潤可能な高分子膜形成材料の適切な例には、ナフィオンなどのイオン交換高分子およびペルフルオロスルホン酸系高分子が含まれる。かかる高分子膜形成材料の体積膨張を実現するために使用する膨潤剤は、必ずというわけではないが、水または有機溶剤のような液体溶剤が好ましい。   It is important to note that the hollow microfibrous membrane separator of the present invention can also be advantageously formed by using a swellable polymeric membrane-forming material, which includes a volume when contacted with a swelling agent. An appropriate polymer film forming material that causes expansion is included. Suitable examples of swellable polymer film-forming materials include ion exchange polymers such as Nafion and perfluorosulfonic acid polymers. The swelling agent used for realizing the volume expansion of such a polymer film forming material is not necessarily a liquid solvent such as water or an organic solvent.

かかる膨潤可能な高分子膜形成材料は、金属ワイヤまたは炭素線材のような固体コア繊維の上に直接被覆し、乾燥させ、かつ硬化させて、固化した高分子膜を形成することができ、それは、その後膨潤剤と接触して膨張を起こし、それによって固体コア繊維から剥離される。外へ引き出す、または、そうしない場合、剥離された固体コア繊維を取り除くことによって、中空微小繊維状高分子膜が形成され、かかる中空微小繊維状膜を使用してその後の処理ステップを行って、完成した微小繊維状燃料電池を形成することができる。   Such swellable polymeric film forming materials can be coated directly on solid core fibers such as metal wires or carbon wires, dried and cured to form a solidified polymeric film, which is And then contact with the swelling agent to cause expansion and thereby peel from the solid core fiber. Pulling out or otherwise, by removing the peeled solid core fibers, a hollow microfibrous polymer membrane is formed, using such hollow microfibrous membrane to perform subsequent processing steps, A completed microfibrous fuel cell can be formed.

別の実施形態では、内部電極触媒層、膨潤可能な高分子膜形成層、および外部電極触媒層は、固体コア繊維の上に順番に形成することができる。次いで、膨潤可能な高分子膜形成層の膨張を実現するように膨潤剤をこれらの層に接触させて、それによって、今度は、高分子膜形成層、並びに内部および外部電極触媒層からの固体コア繊維の剥離が引き起こされる。剥離されたコア繊維が取り除かれた後、中空微小繊維状膜分離体が形成され、それは、胴側および孔側を画成し、その孔側に内部電極触媒層、および、その胴側に外部電極触媒層を有する。   In another embodiment, the inner electrocatalyst layer, the swellable polymer film forming layer, and the outer electrocatalyst layer can be sequentially formed on the solid core fiber. A swelling agent is then contacted with these layers to achieve expansion of the swellable polymer film-forming layer, thereby in turn solids from the polymer film-forming layer and the inner and outer electrocatalyst layers. Detachment of the core fiber is caused. After the stripped core fiber is removed, a hollow microfibrous membrane separator is formed, which defines a cylinder side and a hole side, an internal electrode catalyst layer on the hole side, and an external on the cylinder side It has an electrode catalyst layer.

取り除かれた固体コア繊維の直径より小さい直径を有する内部集電装置をかかる中空微小繊維状膜分離体の孔の中に挿入し、外部集電装置をかかる膜分離体の胴側に置いて、完成した微小繊維状燃料電池を形成することができる。   An internal current collector having a diameter smaller than the diameter of the removed solid core fiber is inserted into the hole of the hollow microfibrous membrane separator, and the external current collector is placed on the trunk side of the membrane separator, A completed microfibrous fuel cell can be formed.

本発明の他の実施形態では、最初からその中に内部集電装置を有する中空繊維状膜分離体を形成することが含まれ、それにより、後で膜分離体の中に内部集電装置を挿入するステップが回避され、全体としての製造プロセスが簡略化される。   Another embodiment of the present invention includes forming a hollow fiber membrane separator having an internal current collector therein from the beginning, whereby the internal current collector is later placed in the membrane separator. The insertion step is avoided and the overall manufacturing process is simplified.

具体的には、図4のように、まず内部集電装置として機能できる導電性繊維40が提供される。かかる導電性繊維40は導電性材料42を含んでなり、それは、金属、金属合金、炭素または導電性高分子などとすることができる。導電性繊維40は、脱着可能な基板材料52の層で被覆されて、繊維状基板構造体50が形成され、次いで、その上に膜形成材料62の層が被覆される。膜形成材料62の固化後、被覆された繊維60は、脱着可能な基板材料52を取り除くように処理され、その中にルーメン71および内部集電装置40を有する中空繊維状膜分離体70が形成される。   Specifically, as shown in FIG. 4, first, a conductive fiber 40 that can function as an internal current collector is provided. Such conductive fibers 40 comprise a conductive material 42, which can be a metal, metal alloy, carbon, conductive polymer, or the like. The conductive fibers 40 are coated with a layer of removable substrate material 52 to form a fibrous substrate structure 50, which is then coated with a layer of film-forming material 62. After the membrane-forming material 62 is solidified, the coated fiber 60 is treated to remove the removable substrate material 52 to form a hollow fibrous membrane separator 70 having a lumen 71 and an internal current collector 40 therein. Is done.

上記したような完成した微小繊維状燃料電池構造体を形成するように、同時にまたは順番に、適宜の順序もしくは適宜の組合せで、その後外部集電装置を中空繊維状膜分離体70に取り付けることができ、それに内部および外部電極触媒層を塗布することができる。   In order to form a completed microfibrous fuel cell structure as described above, an external current collector can be attached to the hollow fiber membrane separator 70 at the same time or sequentially in an appropriate order or in an appropriate combination. Can be coated with internal and external electrode catalyst layers.

上述したような除去界面は、内部集電装置に隣接して提供し、脱着可能な基板材料の除去を促進することもできよう。たとえば、図5は、脱着可能な固相の基板材料52’の上に被覆された膜形成材料層62’を有する被覆された繊維を示し、脱着可能な固相の基板材料は、その中に内部集電装置42’および除去界面51を含む。かかる除去界面51は、開いた空洞であり、そこを除去流体が通過して、基板材料52’を効果的に取り除けることが好ましい。   A removal interface as described above could also be provided adjacent to the internal current collector to facilitate removal of the removable substrate material. For example, FIG. 5 shows a coated fiber having a film-forming material layer 62 ′ coated on a detachable solid phase substrate material 52 ′ with the detachable solid phase substrate material therein It includes an internal current collector 42 ′ and a removal interface 51. Such removal interface 51 is preferably an open cavity through which removal fluid passes to effectively remove substrate material 52 '.

図6は、本発明の別の実施形態に従って被覆された繊維を示し、それは、繊維状基板構造体の上に被覆された膜形成材料層62’を有し、繊維状基板構造体は、内から外へ、内部集電装置42’、第1の脱着可能な基板材料54’(それは、固相または非固相のいずれでもよい)、および第2の脱着可能な固相の基板材料52’を含んでなる。第1の脱着可能な基板材料54’は、第2の脱着可能な固相の基板材料52’に比べてより容易に脱着可能であり、したがって、最初に取り除かれて、除去界面51が形成される。次いで、第2の脱着可能な固相の基板材料52’の除去がかかる除去界面51で行われ、膜形成材料層62’内にルーメン71が形成される。繊維状基板構造体は、最外層が固相の基板材料を含んでなる限り、ここに提供した例に加えて、剥離性が異なる脱着可能な基板材料の付加層を含んでなることができる。   FIG. 6 shows a fiber coated in accordance with another embodiment of the present invention, which has a film-forming material layer 62 ′ coated over the fibrous substrate structure, the fibrous substrate structure comprising Out of the internal current collector 42 ', a first detachable substrate material 54' (which can be either solid or non-solid), and a second detachable solid substrate material 52 '. Comprising. The first removable substrate material 54 ′ is more easily removable compared to the second removable solid phase substrate material 52 ′ and is therefore removed first to form the removal interface 51. The Next, removal of the second detachable solid phase substrate material 52 ′ is performed at the removal interface 51, and a lumen 71 is formed in the film forming material layer 62 ′. In addition to the examples provided herein, the fibrous substrate structure can comprise an additional layer of a removable substrate material with different peelability, as long as the outermost layer comprises a solid phase substrate material.

図7は、本発明のさらに別の実施形態に従って被覆された繊維を示し、それは、繊維状基板構造体の上に被覆された膜形成材料層62’を有し、繊維状基板構造体は、可溶性繊維56と並んで置かれ、かつ脱着可能な固相の基板材料52’によって被包された内部集電装置42’を含んでなる。最初に可溶性繊維56が取り除かれて、除去界面51が提供され、その後脱着可能な固相の基板材料52’が取り除かれて、ルーメン71が形成される。除去界面51を形成すると、脱着可能な固相の基板材料52’の除去速度が著しく増大し、したがって、本発明において好ましい。   FIG. 7 shows a fiber coated according to yet another embodiment of the present invention, which has a film-forming material layer 62 ′ coated on the fibrous substrate structure, the fibrous substrate structure comprising: It comprises an internal current collector 42 ′ placed side by side with the soluble fiber 56 and encapsulated by a removable solid substrate material 52 ′. First, the soluble fibers 56 are removed to provide a removal interface 51, and then the removable solid substrate material 52 'is removed to form the lumen 71. Formation of the removal interface 51 significantly increases the removal rate of the removable solid phase substrate material 52 'and is therefore preferred in the present invention.

以下に記載するように、内部集電装置の他に、脱着可能な基板材料を使用して、微小繊維状燃料電池構造体の追加の構成要素を、最初から中空繊維状膜分離体に形成することができる。   As described below, in addition to the internal current collector, a removable substrate material is used to form additional components of the microfibrous fuel cell structure from the beginning into the hollow fibrous membrane separator. be able to.

図8は、最初からその中に形成される内部集電装置および内部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を形成するプロセスを示す。まず、被覆された繊維構造体が提供され、これは、繊維状基板構造体、およびかかる繊維状基板構造体の上に被覆された膜形成材料層112を含んでなる。この繊維状基板構造体は、内から外へ、内部集電装置82、脱着可能な基板材料層92、および内部電極触媒層102を含んでなる。脱着可能な基板材料層92を除去した後、膜形成材料層112によって中空繊維状膜分離体が形成され、それは、その孔側に内部集電装置82、ルーメン91およびかかる中空繊維状膜分離体の内部表面に被覆された内部電極触媒層102を含む。   FIG. 8 shows a process for forming a hollow fibrous membrane separator having an internal current collector and an internal electrode catalyst layer formed therein from the beginning. First, a coated fiber structure is provided, which comprises a fibrous substrate structure and a film-forming material layer 112 coated on the fibrous substrate structure. This fibrous substrate structure includes an internal current collector 82, a detachable substrate material layer 92, and an internal electrode catalyst layer 102 from the inside to the outside. After removing the detachable substrate material layer 92, the membrane forming material layer 112 forms a hollow fibrous membrane separator, which has an internal current collector 82, a lumen 91 and such a hollow fibrous membrane separator on the hole side. The inner electrode catalyst layer 102 is coated on the inner surface of the inner electrode.

図9は、最初からそこに形成される内部集電装置、並びに内部および外部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を形成するプロセスを示す。具体的には、多重層構造体が提供され、これは、内から外へ、内部集電装置82、脱着可能な基板材料層92、内部電極触媒層102、膜形成材料層112、および外部電極触媒層122を含んでなる。脱着可能な基板材料層92を除去した後、膜形成材料層112によって中空繊維状膜分離体が形成され、それは、その孔側に内部集電装置82、ルーメン91、および内部電極触媒層102を含み、その胴側に外部電極触媒層122を含む。その後、外部集電装置をかかる中空繊維状膜分離体に取り付けて、上記したような完成した微小繊維状燃料電池構造体を形成することができる。   FIG. 9 shows the process of forming a hollow fiber membrane separator having an internal current collector formed therein from the beginning and internal and external electrocatalyst layers. Specifically, a multi-layer structure is provided that includes, from inside to outside, an internal current collector 82, a detachable substrate material layer 92, an internal electrode catalyst layer 102, a film forming material layer 112, and external electrodes. The catalyst layer 122 is included. After removing the detachable substrate material layer 92, the membrane-forming material layer 112 forms a hollow fibrous membrane separator, which includes an internal current collector 82, a lumen 91, and an internal electrode catalyst layer 102 on the hole side. Including an external electrode catalyst layer 122 on the cylinder side. Thereafter, an external current collector can be attached to the hollow fibrous membrane separator to form a completed microfibrous fuel cell structure as described above.

微小繊維状燃料電池構造体は、本発明の脱着可能な固相の基板材料を使用することによって、一連の被覆/処理/除去ステップで製造することができ、それは、微小繊維状燃料電池のスケールアップ商業的製造に関して連続式の自動化された方法で達成することができる。   The microfibrous fuel cell structure can be manufactured in a series of coating / processing / removal steps by using the detachable solid phase substrate material of the present invention, which is a microfibrous fuel cell scale. It can be achieved in a continuous automated manner for up-commercial production.

本発明の具体的な実施形態では、微小繊維状燃料電池構造体は、以下を含む一連の連続的なステップによって形成することができる:
(a)微小繊維状確認の内部集電装置を提供するステップと、
(b)内部集電装置の上に脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(c)前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層の上に内部電極触媒層を形成するステップと、
(d)内部電極触媒層の上に膜形成材料層を形成するステップと、
(e)膜形成材料層の上に外部電極触媒層を形成するステップと、
(f)前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を除去するステップと、
(g)外部集電装置を外部電極触媒層の外部表面に取り付けるステップ。
In a specific embodiment of the invention, the microfibrous fuel cell structure can be formed by a series of sequential steps including:
(A) providing an internal current collector for microfibrous confirmation;
(B) forming at least one layer of removable substrate material on the internal current collector;
(C) forming an internal electrocatalyst layer on at least one layer of the removable substrate material;
(D) forming a film-forming material layer on the internal electrode catalyst layer;
(E) forming an external electrode catalyst layer on the film-forming material layer;
(F) removing at least one layer of the removable substrate material;
(G) A step of attaching an external current collector to the external surface of the external electrode catalyst layer.

以下の節では、かかる微小繊維状燃料電池構造体を製造するための上に列挙したステップのそれぞれを詳細に記載する。   In the following sections, each of the steps listed above for producing such a microfibrous fuel cell structure is described in detail.

脱着可能な基板材料層の形成
脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、微小繊維状内部集電装置の上に形成され、微小繊維状内部集電装置は、金属、金属合金、炭素および導電性高分子などの任意の適切な材料の導電性繊維とすることができる。
Formation of Removable Substrate Material Layer At least one layer of removable substrate material is formed on a microfibrous internal current collector, the microfibrous internal current collector comprising metal, metal alloy, carbon and conductive The conductive fiber can be any suitable material such as a conductive polymer.

これらに限定されないが、溶融押出成形、溶液押出成形、インク押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆および蒸着を含めて、適宜の適切な方法を使用して、かかる脱着可能な基板材料層を形成することができる。   Such removable substrate material layers can be formed using any suitable method, including but not limited to melt extrusion, solution extrusion, ink extrusion, spray coating, brush coating, dip coating and vapor deposition. Can be formed.

内部集電装置の上に脱着可能な基板材料層を形成する好適な方法は、溶融押出成形であり、それには、以下のステップが含まれる:
(i)脱着可能な基板材料を溶融体として提供するステップと、
(ii)溶融した脱着可能な基板材料を内部集電装置の上に押出し成形して、所望の厚さの層を形成するステップと、
(iii)脱着可能な基板材料の固化した層を形成するように、形成された層を十分な時間冷却するステップ。
これらのステップは、複数回繰り返して、同じもしくは異なる脱着可能な基板材料の複数の層を形成することができる。
A preferred method of forming a removable substrate material layer on an internal current collector is melt extrusion, which includes the following steps:
(I) providing a removable substrate material as a melt;
(Ii) extruding the molten removable substrate material onto an internal current collector to form a layer of a desired thickness;
(Iii) cooling the formed layer for a sufficient amount of time to form a solidified layer of removable substrate material.
These steps can be repeated multiple times to form multiple layers of the same or different removable substrate material.

脱着可能な基板材料の形成された層が冷却によって容易にかつ迅速に固化できるので、溶融押出成形が有利であり、冷却は、空気中、あるいは、液体浴が脱着可能な基板材料または内部集電装置をさほど攻撃または除去しない液体を含むことを条件とする液体浴中のいずれかで行われる。脱着可能な基板材料が、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)およびポリエチレングリコール(PEG)などの水溶性高分子を含んでなる場合、ほとんどの水溶性高分子が、約40℃〜約100℃の範囲の高温度では水にわずかに溶解し、しかし、より低い温度の冷水にはほとんどまたは全く溶解しないので、かかる液体浴は冷水を含んでもよい。   Melt extrusion is advantageous because the formed layer of detachable substrate material can be easily and quickly solidified by cooling, and cooling can be performed in the air, or in a substrate material or internal current collector from which a liquid bath is detachable. This is done either in a liquid bath provided that it contains a liquid that does not attack or remove the device so much. When the removable substrate material comprises a water soluble polymer such as polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA) and polyethylene glycol (PEG), most water soluble polymers are from about 40 ° C. to about 100 ° C. Such liquid baths may contain cold water because it is slightly soluble in water at high temperatures in the range of 0 C, but little or no solubility in cold water at lower temperatures.

内部集電装置の上に脱着可能な基板材料層を形成する他の好適な方法は溶液押出成形であり、これには次のステップが含まれる:
(i)脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液を提供するステップと、
(ii)粘ちょう性溶液を内部電流の上に押出し成形して、所望の厚さの層を形成するステップと、
(iii)脱着可能な基板材料の固化した層を形成するように、粘ちょう性溶液の形成された層を十分な時間処理するステップ。
Another suitable method for forming a removable substrate material layer on an internal current collector is solution extrusion, which includes the following steps:
(I) providing a viscous solution of the removable substrate material;
(Ii) extruding a viscous solution over an internal current to form a layer of the desired thickness;
(Iii) treating the formed layer of the viscous solution for a sufficient time to form a solidified layer of removable substrate material.

脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液は、適宜の適切な溶剤を使用することによって形成することができる。たとえば、脱着可能な基板材料が水溶性の高分子材料(すなわちPVP、PVAまたはPEG)である場合、かかる粘ちょう性溶液は、溶剤として水を使用するだけで形成することができ、脱着可能な基板材料が、水に可溶性ではないが、有機溶剤には可溶性である高分子材料の場合、かかる粘ちょう性溶液は、今度は適切な有機溶剤を使用することによって形成することができる。本発明では、使用する脱着可能な基板材料の具体的な種類に応じて、助溶剤または複数溶剤系を容易に使用することができる。   The viscous solution of the removable substrate material can be formed by using an appropriate appropriate solvent. For example, if the desorbable substrate material is a water soluble polymeric material (ie PVP, PVA or PEG), such a viscous solution can be formed using only water as a solvent and is desorbable. If the substrate material is a polymeric material that is not soluble in water but soluble in organic solvents, such a viscous solution can now be formed by using a suitable organic solvent. In the present invention, a co-solvent or a multi-solvent system can be easily used depending on the specific type of detachable substrate material used.

かかる粘ちょう性溶液の粘度は、適切な範囲内、たとえば、ブルックフィールド(Brookfield)回転スピンドル粘度計を使用した回転粘度計で測定して約100ポアズ〜約2000ポアズに制御する必要がある。濃すぎる溶液は、内部集電装置の表面の上に均一に塗布されないだろうし、薄すぎる溶液は、十分な厚さの層を提供しないだろう。したがって、脱着可能な基板材料溶液の粘度を制御することによって、所望の厚さの層を、内部集電装置の上に均一に塗布することができる。   The viscosity of such viscous solutions should be controlled within an appropriate range, for example, about 100 poise to about 2000 poise as measured with a rotational viscometer using a Brookfield rotary spindle viscometer. A solution that is too thick will not be evenly spread over the surface of the internal current collector, and a solution that is too thin will not provide a sufficiently thick layer. Therefore, by controlling the viscosity of the detachable substrate material solution, a layer having a desired thickness can be uniformly applied on the internal current collector.

脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液の固化は、溶剤をかかる粘ちょう性溶液から追い出すように、かつ、脱着可能な基板材料の層を固化するように、空気乾燥、加熱乾燥、またはこれを凝固浴に通過させることのいずれかによって行うことができる。   Solidification of the viscous solution of the removable substrate material can be accomplished by air drying, heat drying, or so as to drive off the solvent from the viscous solution and to solidify the layer of removable substrate material. This can be done either by passing through a coagulation bath.

脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液は、押出成形ステップの間高温度で提供されることが好ましく、その結果、粘ちょう性溶液が押出ダイを出るとき、脱着可能な基板材料が溶液から直ちに現れ、温度の急速な低下の故に、残留溶剤を排除するのに最小の加熱を必要とする半固体が得られるだろう。かかるプロセスは、通常熱誘起相分離プロセスと呼ばれる。   The viscous solution of the removable substrate material is preferably provided at an elevated temperature during the extrusion step, so that the removable substrate material is immediately removed from the solution when the viscous solution exits the extrusion die. Appear, and because of the rapid drop in temperature, a semi-solid that will require minimal heating to eliminate residual solvent will be obtained. Such a process is usually referred to as a thermally induced phase separation process.

また、溶液を容易に形成しない脱着可能な基板材料(たとえば、ポリテトラフルオロエチレン)の場合、インク押出成形を使用して、かかる脱着可能な基板材料のペーストを提供し、内部集電装置の上にペーストを押出し成形することによって、内部集電装置の上に脱着可能な基板材料層を形成することができる。   Also, in the case of a removable substrate material that does not easily form a solution (eg, polytetrafluoroethylene), ink extrusion is used to provide a paste of such removable substrate material, overlying the internal current collector. By extruding the paste, a detachable substrate material layer can be formed on the internal current collector.

本発明では、押出成形ステップは、図11に示すように、繊維または被覆された繊維を、溶融した材料(溶融押出成形の場合)、粘ちょう性溶液(溶液押出成形の場合)、またはインク・ペースト(インク押出成形の場合)を充填した塗布ダイを経由して引き出し、かかる繊維の上に、材料の追加の層(たとえば、この節では脱着可能な基板材料の層、または、次の節では電極触媒材料の層)を塗布することによって、実行することが好ましい。このような押出成形技術は、ワイヤ被覆および引出成形を組合せたものであり、細い繊維の上に材料の追加の層を押出し成形することを目的に、本出願の全体にわたって使用することができる。   In the present invention, the extrusion step comprises, as shown in FIG. 11, fibers or coated fibers, a melted material (in the case of melt extrusion), a viscous solution (in the case of solution extrusion), or an ink Pull through an application die filled with paste (in the case of ink extrusion) and over these fibers an additional layer of material (eg a layer of removable substrate material in this section, or an electrode in the next section) It is preferably carried out by applying a layer of catalyst material). Such an extrusion technique is a combination of wire coating and pultrusion and can be used throughout the application for the purpose of extruding an additional layer of material over thin fibers.

内部電極触媒層の形成
内部および外部電極触媒層は、最初から中空繊維状膜分離体に形成するか、または、2002年9月24日出願の米国特許出願第10/253,371号明細書「ミクロ電池燃料電池、燃料電池組立体、およびその製造方法」に開示されている様々な触媒化方法に従って、中空繊維状膜分離体のその後の触媒化によって形成することができる。この特許出願は、引用により本明細書に組み込まれる。
Formation of Internal Electrocatalyst Layer The internal and external electrode catalyst layers can be formed from the beginning into hollow fiber membrane separators or US patent application Ser. No. 10 / 253,371 filed Sep. 24, 2002, “ It can be formed by subsequent catalysis of the hollow fiber membrane separator in accordance with various catalysis methods disclosed in "Microcell Fuel Cells, Fuel Cell Assemblies, and Methods for Producing the Same". This patent application is incorporated herein by reference.

内部電極触媒層の最初からの形成は、これらに限定されないが、インク押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆、化学析出、電気化学析出および蒸着を含めて、様々な方法によって行うことができる。   The internal electrode catalyst layer can be formed from the beginning by various methods including, but not limited to, ink extrusion, spray coating, brush coating, dip coating, chemical deposition, electrochemical deposition and vapor deposition. .

本発明では、脱着可能な基板材料層の上に内部電極触媒層を最初から形成する場合、インク押出成形が好適な方法である。このようなインク押出成形方法は、次のステップを含むことができる:
(i)電極触媒材料を含んでなるインク・ペーストを提供するステップと、
(ii)脱着可能な基板材料層の上にインク・ペーストを押出し成形して、所望の厚さの層を形成するステップと、
(iii)固化した電極触媒層を形成するように、インク・ペーストを十分な時間処理するステップ。
In the present invention, when the internal electrode catalyst layer is formed from the beginning on the detachable substrate material layer, ink extrusion is a preferred method. Such an ink extrusion method can include the following steps:
(I) providing an ink paste comprising an electrocatalytic material;
(Ii) extruding an ink paste over the removable substrate material layer to form a layer of a desired thickness;
(Iii) treating the ink paste for a sufficient time to form a solidified electrocatalyst layer;

電極触媒材料は、白金、金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、モリブデン、タングステン、ニオビウムおよびそれらの合金からなる群から選択される金属を含んでなることができる。かかる電極触媒材料は、白金、または、白金−ルテニウム合金、白金−ルテニウム−鉄合金、白金−モリブデン合金、白金−クロム合金、白金−スズ合金および白金−ニッケル合金などの白金合金を含んでなることが好ましい。   The electrocatalyst material can comprise a metal selected from the group consisting of platinum, gold, ruthenium, iridium, palladium, rhodium, nickel, iron, molybdenum, tungsten, niobium, and alloys thereof. Such an electrocatalyst material comprises platinum or a platinum alloy such as platinum-ruthenium alloy, platinum-ruthenium-iron alloy, platinum-molybdenum alloy, platinum-chromium alloy, platinum-tin alloy and platinum-nickel alloy. Is preferred.

本発明に使用されるインク・ペーストは、少なくとも導電性材料(たとえば炭素粉末または金属粉末)、電解液、電極触媒、および他の任意の適切な性能改良添加剤を含んでなることができる。具体的には、かかるインク・ペーストは、電極触媒の他に、炭素粉末、中空繊維状膜分離体に含まれるイオン交換高分子電解液材料と同じもの、高分子結合材、および溶剤を含んでなることができる。かかるインク・ペースト中の電極触媒材料は、かかるインク・ペーストの合計重量を基準にして約5%から約90%まで、好ましくはインク・ペーストの合計重量を基準にして約20%から約60%まで変化させることができる。具体的には、ジョンソン・マッセイ社(Johnson Matthey,Inc.)(ミシガン州テイラー(Taylor))によって商業化されている触媒スラリーを、本発明を実施する目的で使用することができ、これは、グリセロール溶液中に20w/%の白金−炭素粉末および5w/%のナフィオン(登録商標)結合材料を含んでなる。   The ink paste used in the present invention can comprise at least a conductive material (eg, carbon powder or metal powder), an electrolyte, an electrocatalyst, and any other suitable performance improving additive. Specifically, such an ink paste contains, in addition to the electrode catalyst, carbon powder, the same ion exchange polymer electrolyte material contained in the hollow fiber membrane separator, a polymer binder, and a solvent. Can be. The electrocatalyst material in such ink paste is from about 5% to about 90%, preferably from about 20% to about 60%, based on the total weight of the ink paste. Can vary up to. Specifically, catalyst slurries commercialized by Johnson Matthey, Inc. (Taylor, Mich.) Can be used for the purposes of practicing the present invention, It comprises 20 w /% platinum-carbon powder and 5 w /% Nafion® binding material in a glycerol solution.

このインク・ペーストは、固化した内部電極触媒層を形成するように、加熱乾燥、または、かかるインク・ペーストと凝結剤との接触のいずれかによって、処理することができる。   This ink paste can be treated either by heat drying or by contacting the ink paste with a coagulant to form a solidified internal electrode catalyst layer.

膜形成材料層の形成
膜形成材料層は、これらに限定されないが、溶融押出成形、溶液押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆および蒸着を含めて、脱着可能な基板材料層を形成する方法とほぼ同じ方法によって、内部電極触媒層の上に形成することができる。
Formation of Film Forming Material Layer The film forming material layer includes, but is not limited to, methods for forming a removable substrate material layer, including melt extrusion, solution extrusion, spray coating, brush coating, dip coating and vapor deposition. Can be formed on the internal electrode catalyst layer by substantially the same method.

かかる膜形成材料層を形成する好適な方法は、溶液押出成形によるものであり、次のステップを含む:
(i)膜形成材料の粘ちょう性溶液を提供するステップと、
(ii)内部電極触媒層の上に粘ちょう性溶液を押出し成形して、所望の厚さの層を形成するステップと、
(iii)粘ちょう性溶液の層を十分な時間処理して、固化した膜形成材料層を形成するステップ。
A preferred method of forming such a film-forming material layer is by solution extrusion and includes the following steps:
(I) providing a viscous solution of the film-forming material;
(Ii) extruding a viscous solution over the internal electrocatalyst layer to form a layer of a desired thickness;
(Iii) treating the viscous solution layer for a sufficient amount of time to form a solidified film-forming material layer;

この粘ちょう性溶液は、溶液の合計重量を基準にして、かかる膜形成材料の約10%〜約50%を含むことができる。使用する膜形成材料の具体的な種類に応じて、様々な溶剤または溶剤系を使用して、かかる溶液を形成することができる。例えば、かかる膜形成材料が、ナフィオン(登録商標)(デュポン)、フレミオン(登録商標)(旭硝子社)、アシプレックス(登録商標)(旭化成社)およびダウXUS(ダウ・ケミカル)などの、ペルフルオロスルホネートイオノマー膜材料を含んでなる場合、水−アルコール助溶剤系を使用して、かかる膜形成材料の粘ちょう性溶液を形成することができる。具体的には、被覆された繊維の上にナフィオン(登録商標)溶液の層を押出し成形するように、内部集電装置、脱着可能な基板材料層、および内部電極触媒層を含む被覆された繊維を、20〜30w/%のナフィオン(登録商標)溶液を充填した塗布機ダイを通して引き出すことによって、ナフィオン(登録商標)層を形成することができる。   The viscous solution can comprise from about 10% to about 50% of such film-forming material, based on the total weight of the solution. Depending on the specific type of film-forming material used, various solvents or solvent systems can be used to form such a solution. For example, such film-forming materials are perfluorosulfonates such as Nafion (registered trademark) (DuPont), Flemion (registered trademark) (Asahi Glass), Aciplex (registered trademark) (Asahi Kasei) and Dow XUS (Dow Chemical). When comprising an ionomer film material, a water-alcohol cosolvent system can be used to form a viscous solution of such film forming material. Specifically, a coated fiber comprising an internal current collector, a detachable substrate material layer, and an internal electrocatalyst layer to extrude a layer of Nafion® solution over the coated fiber Can be drawn through an applicator die filled with 20-30 w /% Nafion (R) solution to form a Nafion (R) layer.

膜形成材料層は、その後、加熱乾燥によって、または、膜形成材料層の固化を強めるため、かかる層と凝結剤とを接触させることによって固化することができる。かかる膜形成材料は、まず、かかる膜形成材料の少なくともガラス転移温度(Tg)である高温度で硬化させ、次いで冷却して、固化した層を形成することが好ましい。好ましくは約100℃〜約250℃の範囲、最も好ましくは約110℃〜約150℃の範囲の温度で、かかる材料を硬化させる。硬化温度は、形成される膜層の具体的な要件に応じて、容易に修正することができる。通常、硬化温度が高くなるほど、膜層の含水量が少なくなり、かつ、膜層が強くなるが、しかし、このようにして形成される膜層は、イオン性が小さく、したがって、導電性が低いことが交換条件になる。   The film-forming material layer can then be solidified by heat drying or by contacting such a layer with a coagulant to enhance the solidification of the film-forming material layer. Such a film-forming material is preferably first cured at a high temperature that is at least the glass transition temperature (Tg) of the film-forming material, and then cooled to form a solidified layer. The material is cured preferably at a temperature in the range of about 100 ° C to about 250 ° C, most preferably in the range of about 110 ° C to about 150 ° C. The curing temperature can be easily modified depending on the specific requirements of the film layer to be formed. Usually, the higher the curing temperature, the lower the water content of the membrane layer and the stronger the membrane layer, but the membrane layer thus formed is less ionic and therefore less conductive. It becomes exchange condition.

このステップによって形成される中空繊維状膜は、イオン導電性セラミックまたは高分子のような、実質的に固体電解質材料からなる固体膜とすることができる。あるいは、このようにして形成されるこの種の中空繊維状膜は、微小孔性であり、そのミクロ細孔に含浸される固体電解質材料を有することができる。特に、かかる中空繊維状膜は、エシュラギーの米国特許第5,916,514号明細書に記載されているような、精密ろ過膜、限外ろ過膜または逆浸透膜とすることができる。   The hollow fibrous membrane formed by this step can be a solid membrane consisting essentially of a solid electrolyte material, such as an ion conductive ceramic or polymer. Alternatively, this type of hollow fibrous membrane formed in this way is microporous and can have a solid electrolyte material impregnated in the micropores. In particular, such hollow fibrous membranes can be microfiltration membranes, ultrafiltration membranes or reverse osmosis membranes, as described in US Pat. No. 5,916,514 to Escherry.

外部電極触媒層の形成
外部電極触媒層の形成は、内部電極触媒層を形成する方法と実質的に同じ方法によって行われるが、ただし、かかる外部電極触媒層は膜形成材料層の上面に形成され、一方、内部電極触媒層は除去される基板材料層の上面に形成されることを除く。このようにして形成される多層繊維構造体の構造的整合性を強めるために、可溶性保護被覆を外部電極触媒層の上に塗布することが好ましい。
Formation of the external electrode catalyst layer The external electrode catalyst layer is formed by substantially the same method as that for forming the internal electrode catalyst layer, provided that the external electrode catalyst layer is formed on the upper surface of the film forming material layer. On the other hand, the internal electrode catalyst layer is excluded from being formed on the upper surface of the substrate material layer to be removed. In order to enhance the structural integrity of the multilayer fiber structure thus formed, it is preferable to apply a soluble protective coating on the external electrode catalyst layer.

基板材料の除去
基板材料の除去は、使用する具体的な脱着可能な基板材料に依存する。例えば、脱着可能な基板材料が昇華可能な材料である場合、除去には昇華が含まれ、脱着可能な基板材料が溶融可能な材料である場合、除去には、溶融させることが含まれ、脱着可能な基板材料が可溶性材料である場合、除去には、酸、アルカリ、有機溶剤、または水などの溶剤の使用が含まれるだろう。脱着可能な基板材料が水溶性高分子を含んでなる場合、除去は、脱着可能な基板材料の実質的な部分を除去するように、多層繊維構造体を十分な時間水に浸漬することによって、または、かかる多層繊維構造体の孔を通じて水を流すことによって、行うことが好ましい。基板材料の除去速度を上げるため、水を約40℃〜約100℃の範囲の高温度に加熱することがより好ましい。
Removal of Substrate Material Removal of substrate material depends on the specific removable substrate material used. For example, if the desorbable substrate material is a sublimable material, the removal includes sublimation, and if the demountable substrate material is a meltable material, the removal includes melting and desorption. If the possible substrate material is a soluble material, removal would include the use of a solvent such as an acid, alkali, organic solvent, or water. If the detachable substrate material comprises a water soluble polymer, the removal is performed by immersing the multilayer fibrous structure in water for a sufficient time so as to remove a substantial portion of the detachable substrate material. Or it is preferable to carry out by flowing water through the hole of this multilayer fiber structure. More preferably, the water is heated to a high temperature in the range of about 40 ° C. to about 100 ° C. to increase the removal rate of the substrate material.

脱着可能な基板材料の完全な除去が望まれるが、しかし、本発明では、微小繊維状燃料電池の製造の間はこれを必要としないことに留意されたい。個々の微小繊維状燃料電池が形成され、多数の微小繊維状燃料電池に束ね/シールした時に基板材料の一部だけを除去して、孔側および胴側を有するモジュールを形成し、その後、かかる微小繊維状燃料電池モジュールの孔側を通じて水を流して、かかるモジュールの多数の微小繊維状燃料電池の孔から残留している基板材料を除去することが可能である。   It should be noted that complete removal of the removable substrate material is desired, but the present invention does not require this during the manufacture of microfibrous fuel cells. Individual microfibrous fuel cells are formed, and when bundled / sealed into multiple microfibrous fuel cells, only a portion of the substrate material is removed to form a module having a hole side and a barrel side, and then such Water can be flowed through the pore side of the microfibrous fuel cell module to remove the remaining substrate material from the pores of a number of microfibrous fuel cells of the module.

基板材料と接触する除去界面、または、剥離性が異なる2種以上の脱着可能な基板材料のいずれかを含んでなる上記した脱着可能な基板構造体の様々な構成により、基板材料の除去が促進され、当業者は、本明細書の開示内容と整合した、具体的なシステム要件に適応した適切な構成を容易に選択することができる。   Various configurations of the detachable substrate structure described above comprising either a removal interface in contact with the substrate material or two or more detachable substrate materials having different peelability facilitates removal of the substrate material. And those skilled in the art can readily select an appropriate configuration adapted to specific system requirements consistent with the disclosure herein.

以下は、内部または外部電極触媒層を形成するために繊維構造体の上に塗布された様々なインク被覆の実施例である。   The following are examples of various ink coatings applied over a fibrous structure to form an internal or external electrode catalyst layer.

Figure 2006512746
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Figure 2006512746
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本発明の別の実施形態では、中空繊維状膜分離体の孔側および/または胴側に塗布されるインク・ペーストは、電極触媒を含んでなるか、または含まない場合がある。例えば、かかるインク・ペーストは、白金触媒を含まないが、しかし、例えばニオビウム、チタン、炭化チタン、窒化チタン、炭化ニオビウム、窒化ニオビウムなどの炭素または他の導電材料のみを含んでなる場合がある。微小繊維状燃料電池の触媒化は、脱着可能な基板材料の除去の後、または、さらにその後、すなわち、多数の微小繊維状燃料電池を束に組立てた後、2002年9月24日出願の米国特許出願第10/253,371号明細書「ミクロ電池燃料電池、燃料電池組立体、およびその製造方法」に開示されている触媒化方法に従って、行うことができる。   In another embodiment of the present invention, the ink paste applied to the pore side and / or the cylinder side of the hollow fiber membrane separator may or may not contain an electrode catalyst. For example, such ink pastes do not include a platinum catalyst, but may include only carbon or other conductive materials such as, for example, niobium, titanium, titanium carbide, titanium nitride, niobium carbide, niobium nitride. Catalysis of the microfibrous fuel cell can be achieved after removal of the removable substrate material, or even after that, ie after assembling a large number of microfibrous fuel cells into a bundle, which was filed on September 24, 2002 in the United States. This can be carried out according to the catalyzing method disclosed in Japanese Patent Application No. 10 / 253,371, “Microcell Fuel Cell, Fuel Cell Assembly, and Manufacturing Method Thereof”.

本発明の好適な実施形態による微小繊維状燃料電池構造体の製造に関するなお別の実施例が、以下に提供される。   Yet another example relating to the manufacture of a microfibrous fuel cell structure according to a preferred embodiment of the present invention is provided below.

実施例1
この実施例の微小繊維状燃料電池の製造では、内部集電装置として、0.020"の直径を有する304品位のステンレス鋼ワイヤが用意された。
Example 1
In the manufacture of the microfibrous fuel cell of this example, a 304 grade stainless steel wire having a diameter of 0.020 "was prepared as an internal current collector.

ポリビニルピロリドン(PVP)溶液(ルビテック(Luvitec)K60、45重量%、BASF社(BASF Corporation)供給)を、内部集電装置の上に押出し成形し、続けて乾燥させることによって、脱着可能な高分子層をかかる内部集電装置の上に形成した。   Polyvinylpyrrolidone (PVP) solution (Luvitec K60, 45% by weight, supplied by BASF Corporation) is extruded onto an internal current collector and subsequently dried to provide a removable polymer A layer was formed on such an internal current collector.

PVP60の押出成形プロセス条件は以下の通りであった:   The extrusion process conditions for PVP60 were as follows:

Figure 2006512746
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乾燥した後、繊維を巻き枠に集めた。繊維の断面を顕微鏡下で調べ、マイクロメータで測定し、上記繊維は、約50〜60ミクロンのPVP層および約600〜617ミクロンの外径を有することが示された。   After drying, the fibers were collected in a reel. The fiber cross-section was examined under a microscope and measured with a micrometer, and the fiber was shown to have a PVP layer of about 50-60 microns and an outer diameter of about 600-617 microns.

続いて、1100EWナフィオン高分子溶液(デュポンDE−2021)を、PVP60被覆繊維の上に押出し成形することによって、かかるPVP60被覆繊維の上に膜層を形成した。   Subsequently, a 1100 EW Nafion polymer solution (DuPont DE-2021) was extruded onto the PVP60 coated fiber to form a membrane layer on the PVP60 coated fiber.

具体的には、希釈されている20重量%ナフィオン(デュポンDE−2021)を濃縮することによって、31.5重量%ナフィオンの濃縮溶液を調製した。濃縮された31.5重量%ナフィオン溶液の第1層を、PVP被覆集電装置の上に押出し成形した。31.5重量%ナフィオンの押出成形プロセス条件は以下の通りであった:   Specifically, a concentrated solution of 31.5 wt% Nafion was prepared by concentrating diluted 20 wt% Nafion (DuPont DE-2021). A first layer of concentrated 31.5 wt% Nafion solution was extruded onto a PVP coated current collector. The extrusion process conditions for 31.5 wt% Nafion were as follows:

Figure 2006512746
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漏れがない連続的な膜の形成を確実にするため、以下の押出成形プロセス条件下で、濃縮された32重量%ナフィオン溶液の第2の層を、31.5重量%ナフィオン溶液の第1の層の上に押出し成形した:   In order to ensure the formation of a continuous film without leakage, a second layer of concentrated 32 wt% Nafion solution was added to the first of 31.5 wt% Nafion solution under the following extrusion process conditions: Extruded onto the layer:

Figure 2006512746
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このナフィオン被覆繊維を所望の長さに切断し、70℃で30分間乾燥させ、次に、125℃で1時間ヒートセットした。その後、中空微小繊維状ナフィオン膜層内に、液体またはガス状の燃料または酸化体を通過させるためのルーメンを形成するために、硬化した繊維を温水中に数時間置き、内部集電装置を除去することなく、PVP60の層を溶解させ、除去した。   The Nafion coated fiber was cut to the desired length, dried at 70 ° C. for 30 minutes, and then heat set at 125 ° C. for 1 hour. The cured fiber is then placed in warm water for several hours to form a lumen for passing liquid or gaseous fuel or oxidant in the hollow microfibrous Nafion membrane layer and the internal current collector is removed. Without dissolving, the PVP60 layer was dissolved and removed.

このようにして形成した上記中空微小繊維状ナフィオン膜/内部集電装置組立体の内径および外径は、それぞれ約570および760ミクロンであり、一方、ナフィオン膜層の厚さは、約85〜95ミクロンであった。   The hollow microfibrous Nafion membrane / internal current collector assembly thus formed has an inner diameter and outer diameter of about 570 and 760 microns, respectively, while the Nafion membrane layer thickness is about 85-95. It was micron.

次いで、米国特許出願第10/253,371号明細書に開示されている触媒化技術に従って、上記の中空微小繊維状ナフィオン膜/内部集電装置組立体を使用して、ナフィオン膜層の孔側および胴側を白金で触媒化し、次に、触媒化された膜の胴側に380ミクロンの外部集電装置を置くことによって、完成した微小繊維状燃料電池を製造することができた。   Then, using the hollow microfibrous Nafion membrane / internal current collector assembly described above according to the catalysis technique disclosed in US patent application Ser. No. 10 / 253,371, the pore side of the Nafion membrane layer is used. And the cylinder side was catalyzed with platinum, and then the finished microfibrous fuel cell could be manufactured by placing an external current collector of 380 microns on the cylinder side of the catalyzed membrane.

微小繊維状燃料電池を製造するために使用した装置には以下が含まれる:
ワイヤ巻き枠用送出しスタンド
ナフィオンをワイヤに塗布するための単一層押出ダイ
ピストンポンプ
中波赤外線乾燥器−1メートル長
プロセスを通じてワイヤを移動させるベルト付き引き出し装置
最終製造物を巻き枠にまとめる巻き取り装置
The equipment used to manufacture the microfibrous fuel cell includes:
Wire reel delivery stand Single layer extrusion die for applying Nafion to the wire Piston pump Medium wave infrared dryer-1 meter long Pull-out device with belt to move the wire through the process Winding the final product together into a reel apparatus

実施例2
実施例1に記載したプロセスとほぼ同じプロセスによって、中空微小繊維状ナフィオン膜/内部集電装置組立体を製造した。ただし、脱着可能な基板は、実施例1に上記したようなPVP60の第1の脱着可能な層と、ポリビニルアルコールPVA(デュポンのエルバノール(Elvanol)、等級70−62)の第2の脱着可能な層とを含む2つの脱着可能な高分子層からなっていたことを除く。
Example 2
A hollow microfibrous Nafion membrane / internal current collector assembly was manufactured by substantially the same process as described in Example 1. However, the removable substrate is a first removable layer of PVP 60 as described above in Example 1 and a second removable layer of polyvinyl alcohol PVA (DuPont's Elvanol, grade 70-62). Except that it consisted of two detachable polymer layers including a layer.

PVA高分子を温水に撹拌しながら徐々に溶解することによって、PVAの水溶液を調製した。上記溶液のPVA濃度は13重量%であり、それは、押出しプロセスにとって十分な粘度であった。PVA層の完全な乾燥を確実にするため、第2の赤外線装置をラインに置いた。PVA押出成形のプロセス条件は以下の通りであった:   An aqueous solution of PVA was prepared by gradually dissolving the PVA polymer in warm water while stirring. The PVA concentration of the solution was 13% by weight, which was sufficient for the extrusion process. A second infrared device was placed in the line to ensure complete drying of the PVA layer. The process conditions for PVA extrusion were as follows:

Figure 2006512746
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こうして押出し成形されたPVA層の厚さは、約10ミクロンであった。   The thickness of the extruded PVA layer was about 10 microns.

実施例1のように、濃縮されたナフィオン溶液の2つの層をPVP/PVA被覆繊維の上に押出し成形し、その後、それを所望の長さに切断し、加熱処理した。まず、除去界面を提供するために、PVP60の層を微温水を用いて除去し、温水〜熱湯を使用することによってPVA層の除去をさらに促進させた。   As in Example 1, two layers of concentrated Nafion solution were extruded onto PVP / PVA coated fibers, which were then cut to the desired length and heat treated. First, in order to provide a removal interface, the PVP60 layer was removed using slightly warm water and the removal of the PVA layer was further facilitated by using warm water to hot water.

このようにして形成された中空微小繊維状ナフィオン膜/内部集電装置組立体は、それぞれ565および780ミクロンの内径および外径を有していた。内部および外部電極触媒層を、中空微小繊維状ナフィオン膜の内部および外部表面上に堆積させることによって、および、実施例1に記載したように、触媒化されたナフィオン膜の胴側に外部集電装置を置くことによって、完成した微小繊維状燃料電池を形成した。   The hollow microfibrous Nafion membrane / internal current collector assembly thus formed had inner and outer diameters of 565 and 780 microns, respectively. An external current collector is deposited on the barrel side of the catalyzed Nafion membrane by depositing internal and external electrode catalyst layers on the internal and external surfaces of the hollow microfibrous Nafion membrane and as described in Example 1. A finished microfibrous fuel cell was formed by placing the device.

実施例3
微小繊維状燃料電池を以下の通り調製した。
Example 3
A microfibrous fuel cell was prepared as follows.

まず、45%ルビテックK60 PVP溶液(BASF社から供給)をチタン・ワイヤのまわりに押出し成形することによって、ポリビニルピロリドン(PVP)の脱着可能な層を形成した。次いで、インク押出成形によってPVP被覆ワイヤの上に内部電極触媒層を塗布した。濃縮された32重量%ナフィオン溶液の2つの膜形成層を、上記の内部電極触媒層の上に順番に押出し成形した。   First, a detachable layer of polyvinylpyrrolidone (PVP) was formed by extruding a 45% rubitec K60 PVP solution (supplied by BASF) around a titanium wire. Next, an internal electrode catalyst layer was applied onto the PVP coated wire by ink extrusion. Two film-forming layers of concentrated 32 wt% Nafion solution were sequentially extruded onto the internal electrocatalyst layer.

具体的には、アルコールおよび水の混合物中に20重量%ナフィオン1100EW(ソリューション・テクノロジ社から)を含む希釈されたナフィオン溶液を濃縮することによって、32重量%濃縮ナフィオンを得た。濃縮されたナフィオン溶液は、#4スピンドルを備えた回転粘度計(ブルックフィールドLVTモデル)により6rpmで測定して、890ポアズの粘度を有していた。   Specifically, a 32 wt% concentrated Nafion was obtained by concentrating a diluted Nafion solution containing 20 wt% Nafion 1100EW (from Solution Technology) in a mixture of alcohol and water. The concentrated Nafion solution had a viscosity of 890 poise as measured by a rotational viscometer equipped with a # 4 spindle (Brookfield LVT model) at 6 rpm.

内部電極触媒層を形成するために使用した触媒インクは、以下を混合することにより調製した。   The catalyst ink used to form the internal electrode catalyst layer was prepared by mixing:

Figure 2006512746
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3%のポリアクリル酸は、5%のアルコール系ナフィオンに溶解した400万Mw(平均分子量で重量を計って)であった。上記触媒インクの粘度は、#4スピンドルを備えたブルックフィールドLVT回転粘度計によって60rpmで測定して、約9ポアズであった。   3% polyacrylic acid was 4 million Mw (weighted by average molecular weight) dissolved in 5% alcoholic Nafion. The viscosity of the catalyst ink was about 9 poise as measured by a Brookfield LVT rotational viscometer equipped with a # 4 spindle at 60 rpm.

上記押出しプロセスのプロセス条件は、以下の表IIIに概説される。押出成形ステップのそれぞれは、約72°F(22℃)の周囲温度で行い、乾燥は、長さ1メートルの中波赤外線装置を用いて行った。   The process conditions for the extrusion process are outlined in Table III below. Each of the extrusion steps was performed at an ambient temperature of about 72 ° F. (22 ° C.), and drying was performed using a 1 meter long medium wave infrared device.

Figure 2006512746
Figure 2006512746

このようにして形成した多層組立体の外径は、約800〜810ミクロンであった。   The outer diameter of the multilayer assembly thus formed was about 800-810 microns.

次いで、上記多層組立体は、所望の長さに切断した。外部電極触媒層は、その上に触媒インク・ペーストをブラッシングすることによって、ナフィオン膜層インクの上に形成した。具体的には、上記外部電極触媒層を形成するための触媒インクを、以下の材料を混合することによって調製した。   The multilayer assembly was then cut to the desired length. The external electrode catalyst layer was formed on the Nafion membrane layer ink by brushing the catalyst ink paste thereon. Specifically, a catalyst ink for forming the external electrode catalyst layer was prepared by mixing the following materials.

Figure 2006512746
Figure 2006512746

触媒インク・ペーストを、70℃で30分間、次いで125℃で1時間空気循環オーブン中で乾燥させた。   The catalyst ink paste was dried in an air circulating oven at 70 ° C. for 30 minutes and then at 125 ° C. for 1 hour.

次いで、ナフィオン膜層を解放するために、および、ナフィオン膜層内に、液体またはガス状の燃料または酸化体を通過させるためのルーメン形成するために、その中のチタン・ワイヤ(すなわち内部集電装置)を除去することなく、多層繊維を水中に十分な時間置き、PVP層を溶解させ、除去した。   The titanium wire (i.e., the internal current collector) therein is then released to release the Nafion membrane layer and to form a lumen in the Nafion membrane layer for the passage of liquid or gaseous fuel or oxidant. Without removing the device, the multilayer fiber was placed in water for a sufficient amount of time to dissolve and remove the PVP layer.

解放され触媒化されたナフィオン膜/内部集電装置繊維状組立体の胴側に外部集電装置を置くことによって、最終的に完成した微小繊維状燃料電池を形成した。   The final completed microfibrous fuel cell was formed by placing an external current collector on the barrel side of the released and catalyzed Nafion membrane / internal current collector fibrous assembly.

実施例4
この実施例では、微小繊維状燃料電池は、実施例3に記載したステップとほぼ同じステップによって形成した。ただし、外部電極触媒層を形成するために異なる触媒インクを使用したこと、および、引き出し装置および巻き取り装置を経由して繊維状組立体を通すときに上記層を保護するため、外部電極触媒層の上にPVP(ルビテックK60)の追加の薄い保護層を塗布したことを除く。
Example 4
In this example, the microfibrous fuel cell was formed by substantially the same steps as described in Example 3. However, an external electrode catalyst layer was used to protect the layer when a different catalyst ink was used to form the external electrode catalyst layer, and when the fibrous assembly was passed through a drawing device and a winding device. Except that an additional thin protective layer of PVP (Rubitec K60) was applied on top.

具体的には、外部電極触媒層を形成するために使用した触媒化されたインクは、以下の材料を混合することによって調製した。   Specifically, the catalyzed ink used to form the external electrode catalyst layer was prepared by mixing the following materials.

Figure 2006512746
Figure 2006512746

この触媒化されたインクの粘度は、#4スピンドルを備えたブルックフィールドLVT回転粘度計によって60rpmで測定して、約9ポアズであった。   The viscosity of the catalyzed ink was about 9 poise as measured by a Brookfield LVT rotational viscometer equipped with a # 4 spindle at 60 rpm.

保護PVP層は、40重量%PVPの水溶PVP溶液を外部電極触媒層の上に押出し成形することによって形成した。   The protective PVP layer was formed by extruding a 40 wt% PVP aqueous PVP solution onto the outer electrocatalyst layer.

外部電極触媒層および保護PVP層を押出し成形するプロセス条件は、以下の通りであった:   The process conditions for extruding the external electrode catalyst layer and the protective PVP layer were as follows:

Figure 2006512746
Figure 2006512746

保護PVP層は、その後の後押出成形ステップの間に除去し、その場合、脱着可能なPVP基板を(実施例3に記載したように)選択的に除去し、中空微小繊維状ナフィオン膜内に水素燃料または空気の通過用のルーメンを形成した。   The protective PVP layer is removed during a subsequent post-extrusion step, in which case the removable PVP substrate is selectively removed (as described in Example 3) and within the hollow microfibrous Nafion membrane. A lumen for the passage of hydrogen fuel or air was formed.

実施例5
直径0.020"の304品位ステンレス鋼ワイヤが提供され、1100EWナフィオン高分子溶液(ソリューション・テクノロジ社から供給)を使用して膨潤可能なナフィオン膜層をその上に形成した。
Example 5
A 0.020 "diameter 304 grade stainless steel wire was provided and a 1100 EW Nafion polymer solution (supplied by Solution Technology) was used to form a swellable Nafion membrane layer thereon.

具体的には、アルコールおよび水の混合物中に20重量%のナフィオン1100EWを含む希釈されているナフィオン溶液を濃縮することによって、濃縮された32重量%ナフィオン溶液を得た。濃縮された32重量%ナフィオン溶液は、#4スピンドルを備えた回転粘度計(ブルックフィールドLVTモデル)によって6rpmで測定して、890ポアズの粘度を有していた。   Specifically, a concentrated 32 wt% Nafion solution was obtained by concentrating a diluted Nafion solution containing 20 wt% Nafion 1100EW in a mixture of alcohol and water. The concentrated 32 wt% Nafion solution had a viscosity of 890 poise as measured by a rotational viscometer equipped with a # 4 spindle (Brookfield LVT model) at 6 rpm.

上記32重量%のナフィオン溶液を、ピストン形式のポンプを使用して連続式の自動化された方法でステンレス鋼ワイヤの上に押出し成形した。次いで、ナフィオン被覆ワイヤは、ナフィオン膜層を乾燥および硬化させるために、中波赤外線乾燥機を通過させた。   The 32 wt% Nafion solution was extruded onto stainless steel wire in a continuous automated manner using a piston-type pump. The Nafion-coated wire was then passed through a medium wave infrared dryer to dry and cure the Nafion membrane layer.

押出成形プロセス条件は、以下の通りであった:   The extrusion process conditions were as follows:

Figure 2006512746
Figure 2006512746

乾燥後、得られたナフィオン膜層の厚さは、約40〜50ミクロンであった。次いで、ナフィオン被覆繊維は、ベルト付き引き出し装置を経由して、巻き枠に繊維を巻き取る巻き取り装置まで通過させた。   After drying, the resulting Nafion membrane layer thickness was about 40-50 microns. Next, the Nafion-coated fiber was passed through a belt-drawing device to a winding device that winds the fiber around a winding frame.

次いで、ナフィオン被覆繊維を所望の長さに切断し、70℃で30分間乾燥させ、次に、125℃で1時間ヒートセットした。次いで、ナフィオン膜層が膨潤し、それによってステンレス鋼ワイヤから剥離するのが可能になるように、このナフィオン被覆繊維を十分な時間水中に置いた。0.020"ステンレス鋼ワイヤを取り除いて、それぞれ520および600ミクロンの内径および外径を有する中空微小繊維状ナフィオン膜を形成した。   The Nafion coated fiber was then cut to the desired length, dried at 70 ° C. for 30 minutes, and then heat set at 125 ° C. for 1 hour. The Nafion coated fiber was then placed in water for a sufficient amount of time so that the Nafion membrane layer swelled and thereby allowed to peel from the stainless steel wire. The 0.020 "stainless steel wire was removed to form hollow microfibrous Nafion membranes having inner and outer diameters of 520 and 600 microns, respectively.

次いで、上記中空微小繊維状ナフィオン膜を使用して、米国特許出願第10/253,371号明細書に開示されている触媒化技術に従って、膜の孔側および胴側を白金触媒で触媒化することによって、および、触媒化されたナフィオン膜の孔側および胴側のそれぞれに380ミクロンの集電装置を置くことによって、完成した微小繊維状燃料電池を製造することができた。   The hollow microfibrous Nafion membrane is then used to catalyze the pore and barrel sides of the membrane with a platinum catalyst according to the catalysis technique disclosed in US patent application Ser. No. 10 / 253,371. And by placing a current collector of 380 microns on the hole side and the trunk side of the catalyzed Nafion membrane, a completed microfibrous fuel cell could be produced.

微小繊維状燃料電池を製造するために使用した装置には以下が含まれる:
ワイヤ巻き枠用送出しスタンド
ナフィオンをワイヤに塗布するための単一層押出ダイ
ピストンポンプ
中波赤外線乾燥器−1メートル長
プロセスを通じてワイヤを移動させるベルト付き引き出し装置
最終製造物を巻き枠にまとめる巻き取り装置
The equipment used to manufacture the microfibrous fuel cell includes:
Wire reel delivery stand Single layer extrusion die for applying Nafion to the wire Piston pump Medium wave infrared dryer-1 meter long Pull-out device with belt to move the wire through the process Winding the final product together into a reel apparatus

実施例6
この実施例の微小繊維状燃料電池の製造では、使用した材料には以下が含まれる:
直径0.020"のチタン・ワイヤ
内部電極触媒層を形成するための触媒インク・ペースト
20重量%のナフィオン(デュポンDE−2021)溶液
濃縮された32重量%のナフィオン溶液
外部電極触媒層を形成するための触媒インク・ペースト
Example 6
In the manufacture of the microfibrous fuel cell of this example, the materials used included:
0.020 "diameter titanium wire Catalytic ink paste to form internal electrode catalyst layer 20 wt% Nafion (DuPont DE-2021) solution Concentrated 32 wt% Nafion solution Form external electrode catalyst layer Catalyst ink paste for

微小繊維状燃料電池を製造するために使用した装置には、以下が含まれる:
ワイヤ巻き枠用の送出しスタンド
触媒インク・ペーストを押出し成形するための単一層押出ダイ
ピストンポンプ
赤外線ドライヤ
インクの上に20重量%ナフィオン溶液の薄層を塗布するための被覆ダイ
温風乾燥室
濃縮された32重量%のナフィオン溶液を塗布するための第2の押出被覆ダイ
第2の赤外線乾燥オーブン
プロセスを通じてワイヤを移動させるベルト付き引き出し装置
巻き枠に最終製造物をまとめる巻き取り装置
The equipment used to manufacture the microfibrous fuel cell includes the following:
Delivery stand for wire reel Single layer extrusion die for extruding catalyst ink paste Piston pump Infrared dryer Coated die for applying thin layer of 20 wt% Nafion solution on ink Hot air drying chamber Concentration Second Extrusion Coated Die for Applying 32% by Weight Nafion Solution Second Infrared Drying Oven Belted Drawer to Move Wire Through Process Winder to Bundle Final Product into Reel

内部電極触媒層を形成するための触媒インク・ペーストは、以下を混合することによって調製した:
白金黒(アルファ・エイザールからのHiSpec 1000)が20.5重量%
5%の水溶ナフィオン溶液(ソリューション・テクノロジ社から)が73%
脱イオン水中ポリエチレンオキシドの5%溶液(600,000Mw PEO、アルドリッチ・ケミカル社から供給)が5%
純粋なトリトン界面活性剤(トリトンX−100、アルドリッチ・ケミカル社による)が1.5%
A catalyst ink paste for forming the internal electrode catalyst layer was prepared by mixing the following:
Platinum black (HiSpec 1000 from Alpha Eisal) is 20.5% by weight
5% aqueous Nafion solution (from Solution Technology) 73%
5% solution of polyethylene oxide in deionized water (600,000 Mw PEO, supplied by Aldrich Chemical)
1.5% pure Triton surfactant (Triton X-100, from Aldrich Chemical)

上記インク・ペーストの粘度は、#4スピンドルを備えたブルックフィールドLVT回転粘度計によって60rpmで測定して、22ポアズであった。   The viscosity of the ink paste was 22 poise as measured by a Brookfield LVT rotational viscometer equipped with a # 4 spindle at 60 rpm.

濃縮された32重量%ナフィオン溶液は、ソリューション・テクノロジ社から入手した20重量%のナフィオン1100EW溶液を濃縮することによって得た。上記の濃縮されたナフィオン溶液は、#4スピンドルを備えた回転粘度計(ブルックフィールドLVTモデル)によって6rpmで測定して、890ポアズの粘度を有していた。   A concentrated 32 wt% Nafion solution was obtained by concentrating a 20 wt% Nafion 1100EW solution obtained from Solution Technology. The concentrated Nafion solution described above had a viscosity of 890 poise as measured by a rotational viscometer equipped with a # 4 spindle (Brookfield LVT model) at 6 rpm.

外部電極触媒層を形成するために使用した触媒インク・ペーストは、以下を混合することによって調製した。
白金黒(アルファ・エイザールからのHiSpec 1000)が18.8重量%
脱イオン水が13.8%
粒子径1ミクロンのポリテトラフルオロエチレン粉末(アルドリッチ・ケミカル社社から供給)が1.1%
5%のナフィオン(アルコールおよび水の混合物中)1100EW溶液(ソリューション・テクノロジ社)が66.3%
The catalyst ink paste used to form the external electrode catalyst layer was prepared by mixing:
Platinum Black (HiSpec 1000 from Alpha Eisal) is 18.8% by weight
13.8% deionized water
1.1% polytetrafluoroethylene powder with a particle size of 1 micron (supplied by Aldrich Chemical Company)
5% Nafion (in alcohol and water mixture) 1100EW solution (Solution Technology) 66.3%

上記プロセスのライン速度は1m/分、押出成形温度は周囲温度(約72°F/22℃)であった。内部電極触媒層を形成するための単一層被覆ダイを通る押出成形速度は、0.15ml/分であった。インク層用の赤外乾燥装置の設定点は400℃であった。乾燥器を出た後、内部電極触媒層の上に20重量%ナフィオン溶液の薄層を塗布するために、触媒被覆繊維を、20重量%のナフィオン溶液で充填された被覆ダイを通過させた。この薄いナフィオン層は、100〜110℃の加熱空気が供給される温風管を通過させることによって乾燥させた。20重量%のナフィオン溶液の薄い層を使用して、内部電極触媒層と濃縮された32重量%のナフィオンの次の層の間の密着性を改善した。   The process line speed was 1 m / min and the extrusion temperature was ambient (approximately 72 ° F./22° C.). The extrusion rate through the single layer coating die to form the internal electrocatalyst layer was 0.15 ml / min. The set point of the infrared dryer for the ink layer was 400 ° C. After exiting the dryer, the catalyst coated fibers were passed through a coated die filled with 20 wt% Nafion solution to apply a thin layer of 20 wt% Nafion solution over the internal electrode catalyst layer. This thin Nafion layer was dried by passing it through a hot air tube supplied with 100-110 ° C. heated air. A thin layer of 20 wt% Nafion solution was used to improve the adhesion between the inner electrocatalyst layer and the next layer of concentrated 32 wt% Nafion.

熱風乾燥機を出た後、第2の単一層被覆ダイを使用して、濃縮された32%のナフィオン溶液を塗布した。ナフィオン溶液は、0.48ml/分の速度でポンプで注入した。第2のナフィオン層は、375℃の赤外線乾燥器で乾燥させた。次いで、ナフィオン被覆繊維は、ベルト付き引き出し装置を経由して、巻き枠に繊維を巻き取る巻き取り装置まで通過させた。上記ナフィオン被覆繊維は、この時点で、0.020"ワイヤ、10〜15ミクロンの内部電極触媒層、および約50ミクロンのナフィオン膜層からなっていた。   After exiting the hot air dryer, a concentrated 32% Nafion solution was applied using a second single layer coating die. The Nafion solution was pumped at a rate of 0.48 ml / min. The second Nafion layer was dried with an infrared dryer at 375 ° C. Next, the Nafion-coated fiber was passed through a belt-drawing device to a winding device that winds the fiber around a winding frame. The Nafion coated fibers consisted at this point of 0.020 "wire, a 10-15 micron internal electrocatalyst layer, and an approximately 50 micron Nafion membrane layer.

上記ナフィオン被覆繊維を所望の長さに切断し、ナフィオン膜層の上に触媒インク・ペーストをブラッシングすることによって外部電極触媒層を形成した。この触媒インクを、70℃で30分間、次いで125℃で1時間乾燥させた。次いで、ナフィオン膜層が膨潤し、それによって0.020"ワイヤをナフィオン膜層、並びに内部および外部電極触媒層から分離することが可能になるように、この多層繊維を十分な時間水中に置いた。次いで、剥離された0.020"ワイヤをそこから取り除き、中空微小繊維状ナフィオン膜、内部電極触媒層、および外部電極触媒層を含んでなる中空繊維を形成した。次いで、中空繊維は、高温の薄めたペルオキシド溶液中に1時間置いて、不純物を取り除き、次いで1N硫酸中に一晩置いて、全ての交換可能な部位をH形に回復させ、脱イオン水で最終的な洗浄を行い、70℃で10分間乾燥させた。 The Nafion-coated fiber was cut to a desired length, and the external electrode catalyst layer was formed by brushing the catalyst ink paste on the Nafion membrane layer. The catalyst ink was dried at 70 ° C. for 30 minutes and then at 125 ° C. for 1 hour. The multilayer fiber was then placed in water for a sufficient amount of time so that the Nafion membrane layer swelled, thereby allowing the 0.020 "wire to be separated from the Nafion membrane layer and the inner and outer electrocatalyst layers. The peeled 0.020 "wire was then removed therefrom to form a hollow fiber comprising a hollow microfibrous Nafion membrane, an internal electrode catalyst layer, and an external electrode catalyst layer. The hollow fibers are then placed in a hot dilute peroxide solution for 1 hour to remove impurities, then placed in 1N sulfuric acid overnight to restore all exchangeable sites to the H + form, and deionized water. The final washing was performed at 70 ° C. for 10 minutes.

2002年7月2日出願の米国特許出願第10/188,471号明細書に開示されているように、その内容は全体として引用によりあらゆる目的のために本明細書に組み込まれるが、その後、直径0.015"のチタン/銅クラッド・ワイヤ(すなわち内部集電装置)が、中空繊維のそれぞれの中に挿入され、上記内部集電装置と内部電極触媒層の間に0.005の通路が残された。完成した微小繊維状燃料電池を形成するために、細いチタン・ワイヤをその周囲に巻きつけることによって、外部集電装置を中空繊維のそれぞれの外部表面に固着した。   As disclosed in US patent application Ser. No. 10 / 188,471 filed Jul. 2, 2002, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes, A 0.015 "diameter titanium / copper clad wire (i.e., internal current collector) is inserted into each of the hollow fibers, with a 0.005 passage between the internal current collector and the internal electrode catalyst layer. In order to form a finished microfibrous fuel cell, an external current collector was secured to each external surface of the hollow fiber by wrapping a thin titanium wire around it.

上記微小繊維状燃料電池の1つの電流密度は、それは長さ約6"、表面積3cmであったが、周囲条件で試験した。両方とも20cc/分の速度で、乾燥水素を胴側に供給し、空気を上記微小繊維状燃料電池の孔側に供給した。電流密度は、0.5ボルトで約135〜140mA/cmであった。0.4ボルトで、電流密度は215〜220mA/cmであった。 One current density of the microfibrous fuel cell, which was about 6 "long and 3 cm 2 in surface area, was tested at ambient conditions. Both supplied dry hydrogen to the barrel side at a rate of 20 cc / min. Then, air was supplied to the hole side of the microfibrous fuel cell, and the current density was about 135 to 140 mA / cm 2 at 0.5 volt, and the current density was 215 to 220 mA / cm at 0.4 volt. cm 2 .

具体的な実施形態、特徴、および態様を参照して、本発明が本明細書に記載されてきたが、本発明はそれによって限定されず、むしろ他の修正形態、変形形態、応用、および実施形態まで有用性が広がるものであり、したがって、上記他の修正形態、変形形態、応用、および実施形態の全ては、本発明の精神と範囲内にあるものとしてみなされるべきであることが認識されるであろう。   Although the invention has been described herein with reference to specific embodiments, features, and aspects, the invention is not limited thereby, but rather other modifications, variations, applications, and implementations. It is recognized that the usefulness extends to forms, and thus all of the above other modifications, variations, applications, and embodiments should be considered within the spirit and scope of the present invention. It will be.

図面の簡単な説明
本発明の一実施形態による中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの斜視図である。 異なる実施形態の2つの繊維状基板構造体の断面図であり、そのそれぞれは、膜形成材料の層で被覆される。 異なる実施形態の2つの繊維状基板構造体の断面図であり、そのそれぞれは、膜形成材料の層で被覆される。 本発明の一実施形態による中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの断面図である。 本発明の一実施形態による、その中に内部集電装置を有する中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの斜視図である。 本発明の一実施形態による、膜形成材料の層で被覆された繊維状基板構造体の断面図である。 本発明の一実施形態による、その中に内部集電装置を有する中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの断面図である。 本発明の他の実施形態による、その中に内部集電装置を有する中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの断面図である。 本発明の一実施形態による、その中に内部集電装置および内部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの断面図である。 本発明の一実施形態による、内部集電装置、内部電極触媒層、および外部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を製造するプロセスの断面図である。 本発明の方法によって形成される微小繊維状燃料電池構造体の断面図である。 材料の付加的な層を細い繊維に塗布する押出しプロセスの斜視図である。
Brief Description of Drawings
It is a perspective view of the process which manufactures the hollow fiber-like membrane separator by one Embodiment of this invention. 2 is a cross-sectional view of two fibrous substrate structures of different embodiments, each of which is coated with a layer of film-forming material. 2 is a cross-sectional view of two fibrous substrate structures of different embodiments, each of which is coated with a layer of film-forming material. It is sectional drawing of the process which manufactures the hollow fiber-like membrane separator by one Embodiment of this invention. 1 is a perspective view of a process for manufacturing a hollow fibrous membrane separator having an internal current collector therein, according to one embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of a fibrous substrate structure coated with a layer of film-forming material according to one embodiment of the present invention. 1 is a cross-sectional view of a process for producing a hollow fibrous membrane separator having an internal current collector therein, according to one embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of a process for producing a hollow fibrous membrane separator having an internal current collector therein, according to another embodiment of the present invention. 1 is a cross-sectional view of a process for producing a hollow fibrous membrane separator having an internal current collector and an internal electrode catalyst layer therein, according to one embodiment of the present invention. 1 is a cross-sectional view of a process for producing a hollow fiber membrane separator having an internal current collector, an internal electrode catalyst layer, and an external electrode catalyst layer according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the microfibrous fuel cell structure formed by the method of this invention. FIG. 5 is a perspective view of an extrusion process in which an additional layer of material is applied to thin fibers.

Claims (74)

微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法であって、少なくとも、
(a)少なくとも1種の脱着可能な固相の基板材料を含む繊維状基板構造体を提供するステップと、
(b)前記繊維状基板構造体の上に膜形成材料の層を被覆するステップと、
(c)その後、孔側および胴側を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料を取り除くステップと、
を含み、前記微小繊維状燃料電池構造体が、
(1)内部集電装置と、
(2)外部集電装置と、
(3)中空繊維状膜分離体であって、電解質媒体を含み、かつ、その孔側で内部集電装置と、その胴側で外部集電装置と電気的に接触しており、前記中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含む前記中空繊維状膜分離体と、
(4)前記中空繊維状膜分離体のその孔側に被覆する内部電極触媒層と、
(5)前記中空繊維状膜分離体のその胴側に被覆する外部電極触媒層と
を含む方法。
A method for producing a microfibrous fuel cell structure, comprising:
(A) providing a fibrous substrate structure comprising at least one detachable solid phase substrate material;
(B) coating a layer of film-forming material on the fibrous substrate structure;
(C) then removing said at least one removable substrate material so as to form a hollow fibrous membrane separator having a hole side and a body side;
The microfibrous fuel cell structure includes:
(1) an internal current collector;
(2) an external current collector,
(3) A hollow fiber membrane separator comprising an electrolyte medium and electrically contacting an internal current collector on the hole side and an external current collector on the body side, wherein the hollow fiber The hollow fiber membrane separator further comprising a lumen through which fluid can pass through the pore side of the membrane separator,
(4) an internal electrode catalyst layer covering the pore side of the hollow fibrous membrane separator;
(5) A method comprising an external electrode catalyst layer covering the body side of the hollow fibrous membrane separator.
前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料は、昇華可能な材料、溶融可能な材料および可溶性材料よりなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one removable substrate material is selected from the group consisting of sublimable materials, meltable materials, and soluble materials. 前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料は、酸に溶解する材料、アルカリに溶解する材料、有機溶剤に溶解する材料および水溶性の材料よりなる群から選択される可溶性材料を含む、請求項1に記載の方法。   The at least one removable substrate material comprises a soluble material selected from the group consisting of an acid soluble material, an alkali soluble material, an organic solvent soluble material, and a water soluble material. The method described in 1. 前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料は、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールおよびポリエチレングリコールよりなる群から選択される水溶性の高分子材料を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one removable substrate material comprises a water soluble polymeric material selected from the group consisting of polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, and polyethylene glycol. 前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料は、ポリビニルピロリドンを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one removable substrate material comprises polyvinylpyrrolidone. 前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料は、ポリビニルアルコールを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least one removable substrate material comprises polyvinyl alcohol. 前記繊維状基板構造体は、前記少なくとも1種の脱着可能な固相の基板材料から実質的になる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the fibrous substrate structure consists essentially of the at least one removable solid substrate material. (d)中空繊維状膜分離体の孔側に内部集電装置を取り付けるステップと、
(e)中空繊維状膜分離体の胴側に外部集電装置を取り付けるステップと、
(f)中空繊維状膜分離体の孔側に内部電極触媒層を形成するステップと、
(g)中空繊維状膜分離体の胴側に外部電極触媒層を形成するステップと、
をさらに含み、ステップ(d)〜(g)が、任意の順序で順番に行うことができる、または、前記ステップのうちの2つ以上が、任意に組合せて同時に行うことができる、請求項7に記載の方法。
(D) attaching an internal current collector to the hole side of the hollow fiber membrane separator;
(E) attaching an external current collector to the trunk side of the hollow fibrous membrane separator;
(F) forming an internal electrode catalyst layer on the pore side of the hollow fiber membrane separator;
(G) forming an external electrode catalyst layer on the body side of the hollow fibrous membrane separator;
The steps (d) to (g) can be performed in any order, or two or more of the steps can be performed in any combination at the same time. The method described in 1.
前記繊維状基板構造体は、前記1種もしくはそれ以上の脱着可能な基板材料の少なくとも一部と接触する除去界面を含み、その除去界面が、前記少なくとも1種の基板材料の除去を促進する、請求項1に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes a removal interface in contact with at least a portion of the one or more removable substrate materials, the removal interface promoting removal of the at least one substrate material; The method of claim 1. 前記除去界面は、前記少なくとも1種の脱着可能な基板材料内に開いた空洞を含み、そこを除去流体が通過して、前記脱着可能な基板材料を取り除くことができる、請求項9に記載の方法。   The removal interface of claim 9, wherein the removal interface includes an open cavity in the at least one removable substrate material through which a removal fluid can pass to remove the removable substrate material. Method. 前記繊維状基板構造体は、第1の脱着可能な固相の基板材料および第2の脱着可能な固相の基板材料を含み、前記第1の脱着可能な基板材料は、第2の脱着可能な固相の基板材料に比べてより容易に脱着可能である、請求項1に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes a first detachable solid phase substrate material and a second detachable solid phase substrate material, the first detachable substrate material being a second detachable substrate material. The method of claim 1, wherein the method is more easily detachable than a solid phase substrate material. 前記第1の脱着可能な基板材料は、第2の脱着可能な基板材料の除去の前に取り除かれて、第2の脱着可能な基板材料の除去を促進する除去界面を形成する、請求項11に記載の方法。   The first removable substrate material is removed prior to removal of the second removable substrate material to form a removal interface that facilitates removal of the second removable substrate material. The method described in 1. 前記繊維状基板構造体は、剥離性が異なる3種以上の脱着可能な基板材料を含み、そのうちの少なくとも1種が固相である、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the fibrous substrate structure includes three or more types of removable substrate materials having different peelability, at least one of which is a solid phase. 前記繊維状基板構造体は、内部集電層装置および前記内部集電装地の上を被覆する脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を含み、その結果、前記脱着可能な基板材料が取り除かれた後、前記繊維状基板構造体の上を被覆する膜形成材料層が、その孔側に内部集電装置を有する中空繊維状膜分離体を形成する、請求項1に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes an internal current collecting layer device and at least one layer of removable substrate material that covers the internal current collector ground so that the removable substrate material has been removed. 2. The method according to claim 1, wherein the membrane-forming material layer covering the fibrous substrate structure forms a hollow fibrous membrane separator having an internal current collector on its pore side. (d)中空繊維状膜分離体の胴側に外部集電装置を取り付けるステップと、
(e)中空繊維状膜分離体の孔側に内部電極触媒層を形成するステップと、
(f)中空繊維状膜分離体の胴側に外部電極触媒層を形成するステップ、
をさらに含み、ステップ(d)〜(f)が、任意の順序で順番に行うことができる、または、前記ステップのうちの2つ以上が、任意に組合せて同時に行うことができる、請求項14に記載の方法。
(D) attaching an external current collector to the trunk side of the hollow fibrous membrane separator;
(E) forming an internal electrode catalyst layer on the pore side of the hollow fibrous membrane separator;
(F) forming an external electrode catalyst layer on the body side of the hollow fiber membrane separator,
The steps (d) to (f) can be performed sequentially in any order, or two or more of the steps can be performed in any combination at the same time. The method described in 1.
前記繊維状基板構造体は、前記脱着可能な基板材料の層の少なくとも一部と接触する除去界面を含み、その除去界面は、前記脱着可能な基板材料の除去を促進する、請求項14に記載の方法。   15. The fibrous substrate structure includes a removal interface that contacts at least a portion of the layer of the removable substrate material, the removal interface facilitating removal of the removable substrate material. the method of. 前記除去界面は、前記脱着可能な基板材料の層内に開いた空洞を含み、かつ、前記内部集電装置に隣接し、そこを除去流体が通過して、前記脱着可能な基板材料を取り除くことができる、請求項16に記載の方法。   The removal interface includes an open cavity in the layer of removable substrate material and is adjacent to the internal current collector through which a removal fluid passes to remove the removable substrate material. The method of claim 16, wherein 前記繊維状基板構造体は、前記内部集電装置の上を被覆する第1の脱着可能な基板材料の第1の層、および、前記第1の層の上を被覆する第2の脱着可能な固相の基板材料の第2の層を含み、かつ、前記第1の脱着可能な基板材料は、第2の脱着可能な固相の基板材料に比べてより容易に脱着可能である、請求項14に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes a first layer of a first removable substrate material that covers the top of the internal current collector, and a second removable layer that covers the first layer. 6. A second layer of solid phase substrate material, wherein the first removable substrate material is more easily removable than a second removable solid phase substrate material. 14. The method according to 14. 前記第1の脱着可能な基板材料は、第2の脱着可能な基板材料の除去の前に取り除かれ、第2の脱着可能な基板材料の除去を促進する除去界面を形成する、請求項18に記載の方法。   19. The first removable substrate material is removed prior to removal of a second removable substrate material to form a removal interface that facilitates removal of the second removable substrate material. The method described. 前記繊維状基板構造体は、内部集電装置の上を被覆する剥離性が異なる脱着可能な基板材料の2を超える層を含み、かつ、最外層が、固相である脱着可能な基板を含む、請求項14に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes more than two layers of a detachable substrate material with different peelability covering the inner current collector, and an outermost layer includes a detachable substrate that is a solid phase. The method according to claim 14. 前記繊維状基板構造体は、前記内部集電装置に隣接して置かれる1種もしくはそれ以上の可溶性繊維を含み、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、可溶性繊維および内部集電装置の両方の上を被覆し、かつ、前記1種もしくはそれ以上の可溶性繊維は、脱着可能な基板材料の剥離性に比べて剥離性が大きい材料を含む、請求項14に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes one or more soluble fibers placed adjacent to the internal current collector, and at least one layer of the removable substrate material comprises soluble fibers and an internal current collector 15. The method of claim 14, wherein both and the one or more soluble fibers comprise a material that has greater peelability than the removable substrate material. 前記繊維状基板構造体は、
内部集電装置と、
前記内部集電装置の上を被覆する脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層と、
前記脱着可能な基板材料層の少なくとも1つの層の上を被覆する内部電極触媒層と、
を含み、その結果、前記脱着可能な基板材料が取り除かれた後、前記繊維状基板構造体の上を被覆する膜形成材料層が、その孔側に内部集電装置、およびその孔側でその上を被覆する内部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を形成する、請求項1に記載の方法。
The fibrous substrate structure is
An internal current collector,
At least one layer of removable substrate material covering the internal current collector;
An internal electrocatalyst layer overlying at least one of the removable substrate material layers;
As a result, after the removable substrate material is removed, a film-forming material layer covering the fibrous substrate structure has an internal current collector on its hole side, and its film side on its hole side. The method according to claim 1, wherein a hollow fiber membrane separator having an internal electrode catalyst layer covering the top is formed.
(d)中空繊維状膜分離体の胴側に外部集電装置を取り付けるステップと、
(e)中空繊維状膜分離体の胴側に外部電極触媒層を形成するステップと、
をさらに含み、ステップ(d)〜(e)が、任意の順序で順番に、または同時に行うことができる、請求項22に記載の方法。
(D) attaching an external current collector to the trunk side of the hollow fibrous membrane separator;
(E) forming an external electrode catalyst layer on the body side of the hollow fiber membrane separator;
23. The method of claim 22, further comprising: steps (d)-(e) can be performed sequentially in any order or simultaneously.
前記繊維状基板構造体は、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層の少なくとも一部と接触する除去界面を含み、その除去界面は、前記脱着可能な基板材料の除去を促進する、請求項22に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes a removal interface that contacts at least a portion of at least one layer of the removable substrate material, the removal interface facilitating removal of the removable substrate material. 23. The method according to 22. 前記除去界面は、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層内に開いた空洞を含み、かつ前記内部集電装置に隣接し、そこを除去流体が通過して、前記脱着可能な基板材料を取り除くことができる、請求項24に記載の方法。   The removal interface includes an open cavity in at least one layer of the removable substrate material and is adjacent to the internal current collector through which a removal fluid passes to remove the removable substrate material. 25. The method of claim 24, which can be removed. 前記繊維状基板構造体は、内部集電装置の上を被覆する剥離性が異なる脱着可能な基板材料の2つ以上の層を含み、かつ、最外層が、固相である脱着可能な基板を含む、請求項22に記載の方法。   The fibrous substrate structure includes a detachable substrate that includes two or more layers of a detachable substrate material having different releasability covering the inner current collector, and the outermost layer is a solid phase. 23. The method of claim 22, comprising. 外部電極触媒層は、前記脱着可能な基板材料が取り除かれる前に、前記膜形成材料層の上に被覆され、その結果、その後形成される中空繊維状膜分離体が、その胴側でその上を被覆する外部電極触媒層を有し、かつ、その後、外部集電装置が、中空繊維状膜分離体の胴側に取り付けられる、請求項22に記載の方法。   The external electrode catalyst layer is coated on the membrane-forming material layer before the removable substrate material is removed, so that a hollow fibrous membrane separator formed thereafter is formed on the cylinder side. The method according to claim 22, wherein an external current collector is attached to the body side of the hollow fibrous membrane separator. 前記中空繊維状膜分離体の電解質媒体が、少なくとも1種の固体電解質材料を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the hollow fibrous membrane separator electrolyte medium comprises at least one solid electrolyte material. 前記少なくとも1種の固体電解質材料は、ペルフルオロカーボン−スルホン酸系高分子、ポリスルホン系高分子、ペルフルオロカルボン酸系高分子、スチレン−ビニル−ベンゼン−スルホン酸系高分子およびスチレン−ブタジエン系高分子からなる群から選択されるイオン交換セラミックまたはイオン交換高分子を含む、請求項28に記載の方法。   The at least one solid electrolyte material includes a perfluorocarbon-sulfonic acid polymer, a polysulfone polymer, a perfluorocarboxylic acid polymer, a styrene-vinyl-benzene-sulfonic acid polymer, and a styrene-butadiene polymer. 30. The method of claim 28, comprising an ion exchange ceramic or ion exchange polymer selected from the group consisting of: 前記中空繊維状膜分離体は、前記少なくとも1種の固体電解質材料から実質的になる、請求項28に記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein the hollow fibrous membrane separator consists essentially of the at least one solid electrolyte material. 前記中空繊維状膜分離体は、微小孔性であり、かつ、前記固体電解質材料は、前記中空繊維状膜分離体のミクロ細孔に含浸される、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein the hollow fibrous membrane separator is microporous and the solid electrolyte material is impregnated into the micropores of the hollow fibrous membrane separator. 微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法であって、
(a)微小繊維状形態の内部集電装置を提供するステップと、
(b)前記内部集電装置の上に脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(c)前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層の上に内部電極触媒層を形成するステップと、
(d)前記内部電極触媒層の上に膜形成材料層を形成するステップと、
(e)前記膜形成材料層の上に外部電極触媒層を形成するステップと、
(f)前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層を取り除くステップと、
(g)前記外部電極触媒層の外部表面に外部集電装置を取り付けるステップと、
を微小繊維状燃料電池構造体を形成するように含み、前記微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部および外部集電装置と、
(2)内部および外部電極触媒層と、
(3)前記膜形成材料層によって形成される中空繊維状膜分離体と、
を含み、前記中空繊維状膜分離体は、電解質媒体を含み、かつ孔側および胴側を有し、孔側に内部集電装置および内部電極触媒層、胴側に外部集電装置および外部電極触媒層を有し、かつ、前記中空繊維状膜分離体の孔側は、前記脱着可能な基板材料の除去によって形成され、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含む方法。
A method for producing a microfibrous fuel cell structure, comprising:
(A) providing an internal current collector in a microfibrous form;
(B) forming at least one layer of removable substrate material on the internal current collector;
(C) forming an internal electrocatalyst layer on at least one layer of the removable substrate material;
(D) forming a film-forming material layer on the internal electrode catalyst layer;
(E) forming an external electrode catalyst layer on the film-forming material layer;
(F) removing at least one layer of the removable substrate material;
(G) attaching an external current collector to the external surface of the external electrode catalyst layer;
To form a microfibrous fuel cell structure, the microfibrous fuel cell structure comprising:
(1) internal and external current collectors;
(2) internal and external electrode catalyst layers;
(3) a hollow fibrous membrane separator formed by the membrane-forming material layer;
The hollow fibrous membrane separator includes an electrolyte medium and has a hole side and a body side, an internal current collector and an internal electrode catalyst layer on the hole side, and an external current collector and an external electrode on the body side A method further comprising a lumen having a catalyst layer and wherein the pore side of the hollow fibrous membrane separator is formed by removal of the removable substrate material through which fluid can pass.
ステップ(b)において、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、溶融押出成形、溶液押出成形、インク押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆および蒸着からなる群から選択される方法によって形成される、請求項32に記載の方法。   In step (b), at least one layer of the removable substrate material is by a method selected from the group consisting of melt extrusion, solution extrusion, ink extrusion, spray coating, brush coating, dip coating and vapor deposition. The method of claim 32, wherein the method is formed. ステップ(b)において、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、溶融押出成形方法によって形成され、
(i)溶融した脱着可能な基板材料を提供するステップと、
(ii)内部集電装置の上に前記溶融した脱着可能な基板材料を押出し成形して、予め定められた厚さの層を形成するステップと、
(iii)前記脱着可能な基板材料の固化した層を形成するように、前記溶融した脱着可能な基板材料の層を十分な時間冷却するステップと、
を含む、請求項32に記載の方法。
In step (b), at least one layer of the removable substrate material is formed by a melt extrusion method,
(I) providing a molten removable substrate material;
(Ii) extruding the molten removable substrate material onto an internal current collector to form a layer of a predetermined thickness;
(Iii) cooling the molten layer of removable substrate material for a sufficient period of time to form a solidified layer of the removable substrate material;
35. The method of claim 32, comprising:
前記冷却は、空気中、あるいは、脱着可能な基板材料または内部集電装置と相互作用しない液体を含む液体浴中のいずれかで行われる、請求項34に記載の方法。   35. The method of claim 34, wherein the cooling is performed either in air or in a liquid bath containing a liquid that does not interact with a removable substrate material or internal current collector. ステップ(b)において、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、溶液押出成形方法によって形成され、
(i)脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液を提供するステップと、
(ii)内部集電装置の上に前記粘ちょう性溶液を押出し成形して、予め定められた厚さの層を形成するステップと、
(iii)前記脱着可能な基板材料の固化した層を形成するように、前記脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液の層を十分な時間処理するステップと、
を含む、請求項32に記載の方法。
In step (b), at least one layer of the removable substrate material is formed by a solution extrusion method,
(I) providing a viscous solution of the removable substrate material;
(Ii) extruding the viscous solution onto an internal current collector to form a layer of a predetermined thickness;
(Iii) treating the layer of the sticky solution of the removable substrate material for a sufficient time to form a solidified layer of the removable substrate material;
35. The method of claim 32, comprising:
前記脱着可能な基板材料は、水溶性の高分子材料を含み、かつ、前記粘ちょう性溶液は、前記水溶性材料の粘ちょう性水溶液を含む、請求項36に記載の方法。   37. The method of claim 36, wherein the removable substrate material comprises a water soluble polymeric material and the viscous solution comprises a viscous aqueous solution of the water soluble material. 前記脱着可能な基板材料は、水に可溶性でない高分子材料を含み、かつ、前記粘ちょう性溶液は、前記高分子材料を溶解し、かつその後乾燥ステップ中に取り除かれる炭化水素溶剤を含む、請求項36に記載の方法。   The desorbable substrate material comprises a polymeric material that is not soluble in water, and the viscous solution comprises a hydrocarbon solvent that dissolves the polymeric material and is subsequently removed during a drying step. Item 37. The method according to Item 36. 前記脱着可能な基板材料の粘ちょう性溶液は、高温度で形成され、かつ、押出し成形ステップの間前記高温度に維持され、かつ、前記処理ステップは、前記溶液からの脱着可能な基板材料の熱誘起相分離を含む、請求項36に記載の方法。   The viscous solution of the desorbable substrate material is formed at a high temperature and maintained at the high temperature during an extrusion step, and the processing step comprises the step of desorbing the desorbable substrate material from the solution. 40. The method of claim 36, comprising thermally induced phase separation. ステップ(c)において、前記内部電極触媒層は、インク押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆、化学析出、電気化学析出および蒸着からなる群から選択される方法によって形成される、請求項32に記載の方法。   33. In step (c), the internal electrode catalyst layer is formed by a method selected from the group consisting of ink extrusion, spray coating, brush coating, dip coating, chemical deposition, electrochemical deposition and vapor deposition. The method described in 1. ステップ(c)において、前記内部電極触媒層は、インク押出成形方法によって形成され、
(i)電極触媒材料を含むインク・ペーストを提供するステップと、
(ii)前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層の上に前記インク・ペーストを押出し成形して、予め定められた厚さの層を形成するステップと、
(iii)固化した電極触媒層を形成するように、前記インク・ペーストの層を十分な時間処理するステップと、
を含む、請求項32に記載の方法。
In step (c), the internal electrode catalyst layer is formed by an ink extrusion molding method,
(I) providing an ink paste comprising an electrocatalytic material;
(Ii) extruding the ink paste on at least one layer of the removable substrate material to form a layer of a predetermined thickness;
(Iii) treating the layer of ink paste for a sufficient amount of time to form a solidified electrocatalyst layer;
35. The method of claim 32, comprising:
前記電極触媒材料が、白金、金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、モリブデン、タングステン、ニオビウムおよびそれらの合金からなる群から選択される金属を含む、請求項41に記載の方法。   42. The method of claim 41, wherein the electrocatalyst material comprises a metal selected from the group consisting of platinum, gold, ruthenium, iridium, palladium, rhodium, nickel, iron, molybdenum, tungsten, niobium, and alloys thereof. 前記電極触媒材料は、白金および白金合金よりなる群から選択される金属を含む、請求項41に記載の方法。   42. The method of claim 41, wherein the electrocatalyst material comprises a metal selected from the group consisting of platinum and platinum alloys. 前記インク・ペーストは、導電性材料、イオン交換高分子材料、高分子結合材および溶剤をさらに含む、請求項41に記載の方法。   42. The method of claim 41, wherein the ink paste further comprises a conductive material, an ion exchange polymeric material, a polymeric binder, and a solvent. 前記インク・ペーストは、前記インク・ペーストの合計重量を基準にして約5%〜約90%の量で電極触媒材料を含む、請求項44に記載の方法。   45. The method of claim 44, wherein the ink paste comprises an electrocatalytic material in an amount of about 5% to about 90% based on the total weight of the ink paste. 前記処理ステップは、前記インク・ペーストを熱乾燥するか、または、前記インク・ペーストを凝結剤と接触させるかのいずれかを含む、請求項41に記載の方法。   42. The method of claim 41, wherein the processing step comprises either thermally drying the ink paste or contacting the ink paste with a coagulant. ステップ(d)において、前記膜形成材料層は、溶融押出成形、溶液押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆および蒸着からなる群から選択される方法によって形成される、請求項32に記載の方法。   The film-forming material layer in step (d) is formed by a method selected from the group consisting of melt extrusion, solution extrusion, spray coating, brush coating, dip coating and vapor deposition. Method. ステップ(d)において、前記膜形成材料層は、溶液押出成形方法によって形成され、
(i)膜形成材料の粘ちょう性溶液を提供するステップと、
(ii)内部電極触媒層の上に前記粘ちょう性溶液を押出し成形して、予め定められた厚さの層を形成するステップと、
(iii)固化した膜形成材料層を形成するように、前記膜形成材料の粘ちょう性溶液の層を十分な時間処理するステップと、
を含む、請求項32に記載の方法。
In step (d), the film-forming material layer is formed by a solution extrusion molding method,
(I) providing a viscous solution of the film-forming material;
(Ii) extruding the viscous solution on the internal electrode catalyst layer to form a layer having a predetermined thickness;
(Iii) treating the layer of the viscous solution of the film-forming material for a sufficient time to form a solidified film-forming material layer;
35. The method of claim 32, comprising:
前記粘ちょう性溶液は、前記粘ちょう性溶液の合計重量を基準にして約10%〜約50%の量で前記膜形成材料を含む、請求項46に記載の方法。   47. The method of claim 46, wherein the viscous solution comprises the film-forming material in an amount of about 10% to about 50% based on the total weight of the viscous solution. 前記膜形成材料は、ペルフルオロカーボン−スルホン酸系高分子、ポリスルホン系高分子、ペルフルオロカルボン酸系高分子、スチレン−ビニル−ベンゼン−スルホン酸系高分子およびスチレン−ブタジエン系高分子からなる群から選択されるイオン交換高分子を含む、請求項46に記載の方法。   The film forming material is selected from the group consisting of a perfluorocarbon-sulfonic acid polymer, a polysulfone polymer, a perfluorocarboxylic acid polymer, a styrene-vinyl-benzene-sulfonic acid polymer, and a styrene-butadiene polymer. 48. The method of claim 46, comprising an ion exchange polymer. 前記膜形成材料は、ペルフルオロスルホネート系イオノマーを含む、請求項46に記載の方法。   47. The method of claim 46, wherein the film-forming material comprises a perfluorosulfonate ionomer. 前記粘ちょう性溶液は、水−アルコール混合物に溶解したペルフルオロスルホネート系イオノマーを含む、請求項46に記載の方法。   47. The method of claim 46, wherein the viscous solution comprises a perfluorosulfonate ionomer dissolved in a water-alcohol mixture. 前記粘ちょう性溶液は、前記粘ちょう性溶液の合計重量を基準にして約10%〜約50%の量で前記ペルフルオロスルホネート系イオノマーを含む、請求項50に記載の方法。   51. The method of claim 50, wherein the viscous solution comprises the perfluorosulfonate ionomer in an amount of about 10% to about 50% based on the total weight of the viscous solution. 前記処理ステップは、前記粘ちょう性溶液を熱乾燥するか、または、前記粘ちょう性溶液を凝結剤と接触させるかのいずれかを含む、請求項46に記載の方法。   47. The method of claim 46, wherein the treating step comprises either thermally drying the viscous solution or contacting the viscous solution with a coagulant. 前記処理ステップは、まず前記粘ちょう性溶液を前記膜形成材料のガラス転移温度以上の高温度で熱硬化させること、およびその後前記溶液を冷却することを含む、請求項46に記載の方法。   47. The method of claim 46, wherein the processing step comprises first thermally curing the viscous solution at a temperature above the glass transition temperature of the film-forming material, and then cooling the solution. ステップ(d)において、前記膜形成材料層は、浸漬被覆方法によって形成され、
(i)膜形成材料の粘ちょう性溶液を提供するステップと、
(ii)内部電極触媒層の上に前記粘ちょう性溶液を浸漬被覆して、予め定められた厚さの層を形成するステップと、
(iii)固化した膜形成材料層を形成するように、前記膜形成材料の粘ちょう性溶液の層を十分な時間処理するステップと、
を含む、請求項32に記載の方法。
In step (d), the film-forming material layer is formed by a dip coating method,
(I) providing a viscous solution of the film-forming material;
(Ii) dip-coating the viscous solution on the internal electrode catalyst layer to form a layer having a predetermined thickness;
(Iii) treating the layer of the viscous solution of the film-forming material for a sufficient time to form a solidified film-forming material layer;
35. The method of claim 32, comprising:
ステップ(e)において、前記外部電極触媒層は、インク押出成形、吹付被覆、ブラシ被覆、浸漬被覆、化学析出、電気化学析出および蒸着からなる群から選択される方法によって形成される、請求項32に記載の方法。   33. In step (e), the external electrode catalyst layer is formed by a method selected from the group consisting of ink extrusion, spray coating, brush coating, dip coating, chemical deposition, electrochemical deposition and vapor deposition. The method described in 1. ステップ(f)において、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、溶剤中の前記脱着可能な基板を昇華、溶融および溶解することからなる群から選択される方法によって取り除かれる、請求項32に記載の方法。   33. In step (f), at least one layer of the removable substrate material is removed by a method selected from the group consisting of sublimating, melting and dissolving the removable substrate in a solvent. The method described in 1. 前記脱着可能な基板材料は、酸に溶解する材料、アルカリに溶解する材料、有機溶剤に溶解する材料および水溶性の材料からなる群から選択される可溶性材料を含み、かつ、ステップ(f)において、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層は、前記脱着可能な基板材料を、酸、アルカリ、有機溶剤および水よりなる群から選択される溶剤に溶解することによって取り除かれる、請求項32に記載の方法。   The detachable substrate material comprises a soluble material selected from the group consisting of an acid soluble material, an alkali soluble material, an organic solvent soluble material and a water soluble material, and in step (f) The at least one layer of the removable substrate material is removed by dissolving the removable substrate material in a solvent selected from the group consisting of acids, alkalis, organic solvents and water. The method described. 前記脱着可能な基板材料は、水溶性の高分子材料を含み、かつ、ステップ(f)において、前記脱着可能な基板材料の少なくとも1つの層が、それを水に浸漬することによって取り除かれる、請求項32に記載の方法。   The removable substrate material comprises a water soluble polymeric material, and in step (f), at least one layer of the removable substrate material is removed by immersing it in water. Item 33. The method according to Item 32. 前記水は、前記脱着可能な基板材料の除去を促進するように、約40℃〜約100℃の範囲にある高温度に加熱される、請求項58に記載の方法。   59. The method of claim 58, wherein the water is heated to an elevated temperature in the range of about 40 <0> C to about 100 <0> C to facilitate removal of the removable substrate material. 多数の微小繊維状燃料電池構造体の連続式かつ自動化された製造に適応させた、請求項32に記載の方法。   33. The method of claim 32, adapted for continuous and automated production of multiple microfibrous fuel cell structures. 多数の微小繊維状燃料電池構造体の連続式かつ自動化された製造に適応させた、請求項1に記載の方法。   2. The method of claim 1 adapted for continuous and automated production of multiple microfibrous fuel cell structures. 微小繊維状電気化学電池構造体を製造する方法であって、少なくとも、
(a)少なくとも1種の脱着可能な固相の基板材料を含む繊維状基板構造体を提供するステップと、
(b)繊維状基板構造体の上に膜形成材料の層を被覆するステップと、
(c)その後、孔側および胴側を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、前記脱着可能な基板材料を取り除くステップと、
を含み、前記微小繊維状電気化学電池構造体は、
(1)内部電極と、
(2)外部電極と、
(3)中空繊維状膜分離体であって、電解質媒体を含み、かつその孔側で内部電極と、その胴側で外部電極と電気的に接触しており、かつ、前記中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含む前記中空繊維状膜分離体と、
を含む方法。
A method for producing a microfibrous electrochemical cell structure, comprising:
(A) providing a fibrous substrate structure comprising at least one detachable solid phase substrate material;
(B) coating a layer of film-forming material on the fibrous substrate structure;
(C) then removing the removable substrate material so as to form a hollow fibrous membrane separator having a hole side and a body side;
The microfibrous electrochemical cell structure comprises:
(1) an internal electrode;
(2) an external electrode;
(3) A hollow fibrous membrane separator that includes an electrolyte medium and is in electrical contact with an internal electrode on the hole side and an external electrode on the body side, and the hollow fibrous membrane separator The pore side of the body further includes a lumen that allows passage of fluid therethrough, the hollow fibrous membrane separator; and
Including methods.
前記微小繊維状電気化学電池構造体は、微小繊維状水電解装置を含む、請求項62に記載の方法。   64. The method of claim 62, wherein the microfibrous electrochemical cell structure comprises a microfibrous water electrolyzer. 前記微小繊維状電気化学電池構造体は、微小繊維状クロロアルカリセルを含む、請求項62に記載の方法。   64. The method of claim 62, wherein the microfibrous electrochemical cell structure comprises a microfibrous chloroalkali cell. 微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法であって、
(a)固体材料を含むコア繊維を提供するステップと、
(b)前記コア繊維の上に膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(c)前記膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層を膨潤剤と接触させ、その結果、膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層が膨張し、コア繊維から剥離するステップと、
(d)その後、孔側および胴側を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、剥離されたコア繊維を取り除くステップと、
を含み、前記微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部集電装置、
(2)外部集電装置、
(3)中空繊維状膜分離体であって、電解質媒体を含み、かつその孔側で内部集電装置と、その胴側で外部集電装置と電気的に接触しており、かつ、前記中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含む前記中空繊維状膜分離体と、
(4)中空繊維状膜分離体のその孔側に被覆する内部電極触媒層と、
(5)中空繊維状膜分離体のその胴側に被覆する外部電極触媒層と、
を含む方法。
A method for producing a microfibrous fuel cell structure, comprising:
(A) providing a core fiber comprising a solid material;
(B) forming at least one layer of a swellable polymer film-forming material on the core fiber;
(C) contacting at least one layer of the swellable polymer film-forming material with a swelling agent, so that at least one layer of the swellable polymer film-forming material expands and peels from the core fiber When,
(D) then removing the peeled core fibers so as to form a hollow fiber membrane separator having a hole side and a body side;
The microfibrous fuel cell structure includes:
(1) Internal current collector,
(2) External current collector,
(3) A hollow fibrous membrane separator that includes an electrolyte medium and is in electrical contact with the internal current collector on the hole side and with the external current collector on the body side, and the hollow The hollow side of the fibrous membrane separator further includes a lumen through which fluid can pass; and
(4) an internal electrode catalyst layer covering the pore side of the hollow fiber membrane separator;
(5) an external electrode catalyst layer covering the body side of the hollow fiber membrane separator;
Including methods.
前記膨潤可能な高分子膜形成材料は、プロトン交換高分子を含む、請求項65に記載の方法。   66. The method of claim 65, wherein the swellable polymeric film-forming material comprises a proton exchange polymer. 前記膨潤可能な高分子膜形成材料は、ペルフルオロスルホン酸系高分子を含む、請求項65に記載の方法。   66. The method of claim 65, wherein the swellable polymer film-forming material comprises a perfluorosulfonic acid polymer. 前記膨潤剤は、水および/または有機溶剤を含む、請求項67に記載の方法。   68. The method of claim 67, wherein the swelling agent comprises water and / or an organic solvent. 微小繊維状燃料電池構造体を製造する方法であって、
(a)固体材料を含むコア繊維を提供するステップと、
(b)前記コア繊維の上に内部電極触媒層を形成するステップと、
(c)内部電極触媒層の上に膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層を形成するステップと、
(d)前記膨潤可能な高分子膜形成材料の少なくとも1つの層の上に外部電極触媒層を形成するステップと、
(e)膨潤可能な高分子膜形成材料層を膨潤剤と接触させて、その膨張を実現し、前記膨潤可能な高分子膜形成材料層から、並びに内部および外部電極触媒層からのコア繊維の剥離を生じさせるステップと、
(f)その後、孔側および胴側を有し、その孔側に内部電極触媒層、その胴側に外部電極触媒層を有する中空繊維状膜分離体を形成するように、剥離されたコア繊維を取り除くステップと、
を含み、前記微小繊維状燃料電池構造体は、
(1)内部集電装置と、
(2)外部集電装置と、
(3)中空繊維状膜分離体であって、電解質媒体を含み、かつその孔側で内部集電装置と、その胴側で外部集電装置と電気的に接触しており、かつ、前記中空繊維状膜分離体の孔側は、そこを通って流体の通過が可能になるルーメンをさらに含んでなる前記中空繊維状膜分離体と、
(4)内部電極触媒層と、
(5)外部電極触媒層と、
を含む方法。
A method for producing a microfibrous fuel cell structure, comprising:
(A) providing a core fiber comprising a solid material;
(B) forming an internal electrode catalyst layer on the core fiber;
(C) forming at least one layer of a swellable polymer film-forming material on the internal electrode catalyst layer;
(D) forming an external electrode catalyst layer on at least one layer of the swellable polymer film-forming material;
(E) contacting the swellable polymer film-forming material layer with a swelling agent to achieve its expansion, the core fiber from the swellable polymer film-forming material layer and from the inner and outer electrode catalyst layers; A step of causing peeling;
(F) The core fiber thus peeled so as to form a hollow fibrous membrane separator having a hole side and a body side, an internal electrode catalyst layer on the hole side, and an external electrode catalyst layer on the body side Step to remove
The microfibrous fuel cell structure includes:
(1) an internal current collector;
(2) an external current collector,
(3) A hollow fibrous membrane separator that includes an electrolyte medium and is in electrical contact with the internal current collector on the hole side and with the external current collector on the body side, and the hollow The hole side of the fibrous membrane separator, the hollow fibrous membrane separator further comprising a lumen through which fluid can pass,
(4) an internal electrode catalyst layer;
(5) an external electrode catalyst layer;
Including methods.
前記膨潤可能な高分子膜形成材料は、プロトン交換高分子を含む、請求項69に記載の方法。   70. The method of claim 69, wherein the swellable polymeric film-forming material comprises a proton exchange polymer. 前記膨潤可能な高分子膜形成材料は、ペルフルオロスルホン酸系高分子を含む、請求項69に記載の方法。   70. The method of claim 69, wherein the swellable polymer film-forming material comprises a perfluorosulfonic acid polymer. 前記膨潤剤は、水および/または有機溶剤を含む、請求項71に記載の方法。   72. The method of claim 71, wherein the swelling agent comprises water and / or an organic solvent.
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