JP2013531867A5 - - Google Patents
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Description
［１］
ナノファイバーマットで強化された第１のプロトン伝導性ポリマーを備える電解質膜であって、
前記ナノファイバーマットは、ポリマー及びポリマー配合物から選択される繊維材料を含むナノファイバーから作製され、
前記繊維材料は、繊維材料プロトン伝導度を有し、
前記第１のプロトン伝導性ポリマーは、第１のプロトン伝導性ポリマー伝導度を有し、
前記繊維材料プロトン伝導度は、第１のプロトン伝導性ポリマー伝導度より低い、電解質膜。
［２］
前記繊維材料が、高フッ化ポリマー、過フッ化ポリマー、炭化水素ポリマー、及びこれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択される、項目１に記載の電解質膜。
［３］
前記繊維材料が、ＰＶＤＦ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＢＩ、ＰＰＯ、ＰＥＥＫ、ＰＰＥＳ、ＰＥＫ、及びそれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択される電界紡糸に好適なポリマーを含む、項目１に記載の電解質膜。
［４］
前記ナノファイバーマットが、ＰＥＳ、及びＰＶＤＦと配合されたＰＥＳから選択される電界紡糸に好適な繊維材料を含むナノファイバーから作られ、前記繊維材料は実質的に非伝導性である、項目１に記載の電解質膜。
［５］
前記繊維材料が、１８０℃を超えるＴ ｇ 及び１８０℃を超えるＴ ｍ からなる群から選択されるバルク特性を有する、項目１に記載の電解質膜。
［６］
前記ナノファイバーが、電界紡糸ナノファイバーである、項目１〜５のいずれか一項に記載の電解質膜。
［７］
前記ナノファイバーマットが、前記ナノファイバーの不織布ウェブを含む、項目１〜６のいずれか一項に記載の電解質膜。
［８］
前記ナノファイバーが、プロトン伝導性ポリマーを更に含む、項目１に記載の電解質膜。
［９］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが、高フッ化アイオノマー、過フッ化アイオノマー、炭化水素アイオノマー、及びそれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択される、項目１〜８のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１０］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが、炭化水素アイオノマーを含む、項目１〜８のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１１］
前記繊維材料が架橋している、項目１〜１０のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１２］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが架橋している、項目１〜１１のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１３］
前記ナノファイバーマットが、約５マイクロメートル〜約１５マイクロメートルの範囲の厚さを有する、項目１〜１２のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１４］
前記ナノファイバーマットが、３．２ｇ／ｍ ２ 〜６．５ｇ／ｍ ２ の範囲の平均坪量を有する、項目１〜１３のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１５］
前記ナノファイバーマットが、４．５ｇ／ｍ ２ 〜６．５ｇ／ｍ ２ の範囲の平均坪量を有する、項目１〜１４のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１６］
前記電解質膜が、約１０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する、項目１〜１２のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１７］
前記電解質膜が、約１０マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの範囲の厚さを有する、項目１〜１２のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１８］
前記ナノファイバーが、１０００ｎｍ以下の平均直径を有する、項目１〜１７のいずれか一項に記載の電解質膜。
［１９］
前記ナノファイバーが、約８０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の平均繊維直径を有する、項目１〜１８のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２０］
前記ナノファイバーマットが、約３０％〜約９０％の範囲の多孔性を有する、項目１〜１９のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２１］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが、安定化添加剤を更に含む、項目１〜２０のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２２］
前記繊維材料が、安定化添加剤を更に含む、項目１〜２１のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２３］
前記安定化添加剤が、Ｍｎ及びＣｅからなる群から選択される元素を含む、項目２１又は項目２２のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２４］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが、
−ＯＣＦ ２ ＣＦ ２ ＣＦ ２ ＣＦ ２ ＳＯ ３ Ｙ、
−ＯＣＦ ２ ＣＦ（ＣＦ ３ ）ＯＣＦ ２ ＣＦ ２ ＳＯ ３ Ｙ、及び
−ＣＦ ２ ＳＯ ２ Ｎ（Ｚ）ＳＯ ２ （ＣＦ ２ ） ３ ＳＯ ３ Ｙ
からなる群から選択される構造を有するペンダント基を含み、式中、Ｙは水素イオン又はカチオンであり、Ｚは好適なカウンターカチオンである、項目１〜２３のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２５］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが９００以下の当量を有する、項目１〜２４のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２６］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが８５０以下の当量を有する、項目１〜２５のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２７］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが８００以下の当量を有する、項目１〜２６のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２８］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが７００以下の当量を有する、項目１〜２７のいずれか一項に記載の電解質膜。
［２９］
項目１〜２８のいずれか一項に記載の電解質膜を備える、膜電極接合体。
［３０］
多層電解質膜であって、
項目１〜２７のいずれか一項に記載の電解質膜を備え、前記電解質膜の主表面に付着された少なくとも１層の第２のプロトン伝導性ポリマーを更に備え、前記第２のプロトン伝導性ポリマーが、高フッ化アイオノマー、過フッ化アイオノマー、炭化水素アイオノマー、及びそれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択され、前記第２のプロトン伝導性ポリマーが、前記第１のプロトン伝導性ポリマーと異なる、多層電解質膜。
［３１］
前記ナノファイバーマットの平均厚さが、前記電解質膜の平均厚さの約２０％〜６０％の範囲である、項目３０に記載の多層電解質膜。
［３２］
前記第２のプロトン伝導性ポリマーが、
−ＯＣＦ ２ ＣＦ ２ ＣＦ ２ ＣＦ ２ ＳＯ ３ Ｙ、
−ＯＣＦ ２ ＣＦ（ＣＦ ３ ）ＯＣＦ ２ ＣＦ ２ ＳＯ ３ Ｙ、及び
−ＣＦ ２ ＳＯ ２ Ｎ（Ｚ）ＳＯ ２ （ＣＦ ２ ） ３ ＳＯ ３ Ｙ
からなる群から選択される構造を有するペンダント基を含み、式中、Ｙは水素イオン又はカチオンであり、Ｚは好適なカウンターカチオンである、項目３０〜３１のいずれか一項に記載の多層電解質膜。
［３３］
項目３０〜３２のいずれか一項に記載の多層電解質膜を備える、膜電極接合体。
［３４］
電解質膜を作製する方法であって、
（ａ）ナノファイバーを含むナノファイバーマットを提供する工程において、前記繊維材料が繊維材料プロトン伝導度を有し、前記ナノファイバーが、ＰＶＤＦ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＢＩ、及びそれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択されるポリマーを含む、工程と、
（ｂ）前記ナノファイバーマットを第１のプロトン伝導性ポリマーで少なくとも部分的に満たす工程において、前記第１のプロトン伝導性ポリマーが第１のプロトン伝導性ポリマー伝導度を有し、前記繊維材料プロトン伝導度が前記第１のプロトン伝導性ポリマー伝導度より低い、工程と、
を含む、方法。
［３５］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーが、工程（ｂ）の前に溶媒中に溶解される、項目３４に記載の方法。
［３６］
前記方法が、前記第１のプロトン伝導性ポリマーから前記溶媒を乾燥する工程（ｃ）を更に含む、項目３４に記載の方法。
［３７］
前記少なくとも部分的に満たす工程（ｂ）が、前記ナノファイバーマットを前記第１のプロトン伝導性ポリマーの溶解物と接触させる工程を含む、項目３４に記載の方法。
［３８］
前記少なくとも部分的に満たす工程（ｂ）が、前記ナノファイバーマットを前記プロトン伝導性ポリマーの層と積層する工程を含む、項目３４に記載の方法。
［３９］
前記繊維材料を工程（ａ）の後に架橋する工程を更に含む、項目３４に記載の方法。
［４０］
前記第１のプロトン伝導性ポリマーを架橋する工程を更に含む、項目３４に記載の方法。
［４１］
第２のプロトン伝導性ポリマーの層を前記ナノファイバーマットに加える工程を更に含み、前記第２のプロトン伝導性ポリマーが、高フッ化アイオノマー、過フッ化アイオノマー、炭化水素アイオノマー、及びそれらの配合物及び組み合わせからなる群から選択され、前記第２のプロトン伝導性ポリマーが、前記第１のプロトン伝導性ポリマーと異なる、項目３４〜４０のいずれか一項に記載の方法。
［４２］
前記第２のプロトン伝導性ポリマーを架橋する工程を更に含む、項目４１に記載の方法。
［４３］
架橋する工程が、熱による架橋、光化学的架橋、及び電子ビーム照射による架橋からなる群から選択される、項目３９〜４２のいずれか一項に記載の方法。
［４４］
工程（ｂ）の前に、サイジング、結合剤、又は高分子処理のいずれか１つを前記ナノファイバーマットに適用する工程を更に含む、項目３４に記載の方法。
Claims (4)
- ナノファイバーマットで強化された第１のプロトン伝導性ポリマーを備える電解質膜であって、
前記ナノファイバーマットは、ＰＥＳ、及びＰＶＤＦと配合されたＰＥＳから選択される繊維材料を含むナノファイバーから作製され、前記第１のプロトン伝導性ポリマーは、高フッ化アイオノマー、全フッ化アイオノマー、炭化水素アイオノマー、及びそれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択される、電解質膜。 - 前記第１のプロトン伝導性ポリマー又は前記繊維材料の少なくとも一方が、Ｍｎ及びＣｅからなる群から選択される元素を含む安定化添加剤を更に含む、請求項１に記載の電解質膜。
- 請求項１又は２のいずれかに記載の電解質膜を備える、膜電極接合体。
- 電解質膜を作製する方法であって、
（ａ）繊維材料を含むナノファイバーを含むナノファイバーマットを提供する工程において、前記繊維材料がＰＥＳ、及びＰＶＤＦと配合されたＰＥＳからなる群から選択されるポリマーを含む、工程と、
（ｂ）前記ナノファイバーマットを第１のプロトン伝導性ポリマーで少なくとも部分的に満たす工程において、前記第１のプロトン伝導性ポリマーが、高フッ化アイオノマー、全フッ化アイオノマー、炭化水素アイオノマー、及びそれらの配合物並びに組み合わせからなる群から選択される、工程と、
を含む、方法。
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