JP2013514625A - 燃料電池のための高分子電解質膜、並びにそれを含む膜電極結合材料および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
アノード電極: H2→2H++2e−
カソード電極: 1/2O2+2H++2e−→H2O
全体の反応: H2+1/2O2→H2Os
エチルセルロースパウダー(Dow Inc.、ETHOCELTM、エーテル基で48−49.5%置換されている)がDMSOに分散され、セルロースは溶液状態でのマイクロフルーダイザーを使用した数回にわたる処理を介して分解され、ナノファイバーが作られた。こうして作られたエチルセルロースナノファイバーは、10から100nmの直径および1から10μmの長さを有するものであった。
99重量部のスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを使用し、1重量部のエチルセルロースナノファイバーを使用したことを除いて、実施例1と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
97重量部のスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを使用し、3重量部のエチルセルロースナノファイバーを使用したことを除いて、実施例1と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
95重量部のスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを使用し、5重量部のエチルセルロースナノファイバーを使用したことを除いて、実施例1と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
92重量部のスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを使用し、8重量部のエチルセルロースナノファイバーを使用したことを除いて、実施例1と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
セルロースナノファイバーを使用しなかったことを除いて、実施例1と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
90重量部のスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを使用し、10重量部のエチルセルロースナノファイバーを使用したことを除いて、実施例1と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
ナノファイバーの代わりにエチルセルロースパウダー(Dow Inc.、ETHOCELTM、エーテル基で48−49.5%置換されている)を使用したことを除いて、実施例3と同様の方法で、ポリマー電解質膜、膜電極接合体および燃料電池を製造した。
実施例1から5および比較例1から3で作られたそれぞれの燃料電池のセル性能が、100% RHおよび50% RH下で測定された。結果は図5から8に示された。測定は70℃の温度で実施された。
実施例1から5および比較例1から3で作られた膜電極接合体が一般的な単位電池に適用され、RH 150%およびRH 0%の窒素が80℃で、スイッチングの間に単位電池の両面に配置されたガス注入口に供給され、加湿/脱湿サイクル試験が実施された。試験の間、水素(H2)のクロスオーバーが定期的に測定され、試験は水素(H2)のクロスオーバーが急激に増加したときに終結した。試験結果は、図9および10のグラフに示される。
201 ポリマー電解質膜
203 アノード電極
205 カソード電極
207a、207b 微孔層
208 ガス拡散層
209a、209b 基材
300 酸化剤供給装置
400 燃料供給装置
410 燃料タンク
420 ポンプ
Claims (14)
- 水素イオン伝導性を有する炭化水素ベースのカチオン交換樹脂と、
親水基を有する線維状ナノ粒子と、
を含む、燃料電池のためのポリマー電解質膜。 - 前記水素イオン伝導性を有する炭化水素ベースのカチオン交換樹脂と前記親水基を有する線維状ナノ粒子との混合比は、重量比で99.9:0.1から91:9である、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記親水基を有する線維状ナノ粒子は、10から200nmの直径および1から20μmの長さを有する、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記親水基を有する線維状ナノ粒子は、1:5から1:2,000のアスペクト比を有する、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記親水基を有する線維状ナノ粒子は、セルロースナノファイバーおよびポリビニルアルコール(PVA)から成る群から選ばれる1つまたは複数である、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記水酸基は、前記セルロースナノファイバーおよびポリビニルアルコール(PVA)において、水酸基(−OH)の全サイトに関して5から90%の量で存在する、請求項5に記載のポリマー電解質膜。
- 前記セルロースナノファイバーは、水酸基が置換されていないセルロースナノファイバー;アセチル基またはその派生物で置換されたセルロースナノファイバー;セルロース硫酸塩ナノファイバー;セルロースリン酸塩ナノファイバー;および炭素数が1から10個のアルキル基またはその派生物で置換されたセルロースナノファイバー;から成る群から選ばれる1つまたは複数である、請求項5に記載のポリマー電解質膜。
- 前記セルロースナノファイバーは、水酸基が置換されていないセルロースナノファイバー;アセチル基またはその派生物で置換されたセルロースナノファイバー;セルロース硫酸塩ナノファイバー;セルロースリン酸塩ナノファイバー;および炭素数が2から6個のアルキル基またはその派生物で置換されたセルロースナノファイバー;から成る群から選ばれる1つまたは複数である、請求項7に記載のポリマー電解質膜。
- 前記水素イオン伝導性を有する炭化水素ベースのカチオン交換樹脂は、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基およびその派生物から成る群から選ばれる1つまたは複数のカチオン交換基がその側鎖に提供されたポリマーである、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記炭化水素ベースのカチオン交換樹脂は、ベンズイミダゾールポリマー、ポリイミドポリマー、ポリエーテルイミドポリマー、ポリフェニレンスルフィドポリマー、ポリスルホンポリマー、ポリエーテルスルホンポリマー、ポリエーテルケトンポリマー、ポリエーテルエーテルケトンポリマーおよびポリフェニルキノキサリンポリマーから成る群から選ばれる1つまたは複数である、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 前記炭化水素ポリマーは、ポリエーテルエーテルケトンポリマー、ポリエーテルスルホンポリマー、またはそれらの混合物である、請求項10に記載のポリマー電解質膜。
- 互いに面し、前記燃料電池のためのポリマー電解質膜がそれらの間に介在されるように積層された、2つ以上の水素イオン伝導性を有するカチオン交換樹脂膜をさらに含む、請求項1に記載のポリマー電解質膜。
- 請求項1から12の何れか1項に記載の燃料電池のためのポリマー電解質膜が、互いに面するアノードとカソードとの間に介在される、燃料電池のための膜電極接合体。
- 請求項13に記載の燃料電池のための膜電極接合体と、1つまたは複数の分離板と、を含む燃料電池であって、
燃料および酸化剤の電気化学的反応を介して電気を発生させる1つまたは複数の発電機と、
燃料を前記発電機に供給するための燃料供給装置と、
酸化剤を前記発電機に供給するための酸化剤供給装置と、
を含む、燃料電池。
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