JP2023503186A - 酸ドーププロトン交換膜の製造装置および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用の酸ドーププロトン交換膜の製造方法および装置に関する。
従って、高速での大量生産のための改善法および代替法の必要性が存在する。
任意選択で、乾燥手順は2つの乾燥ステップを、例えば、乾燥装置の第1および第2のゾーン中にそれぞれ含む。
1)DMAcに残留物を分解し、乾燥処理を急速で効率的にするために、オルトリン酸の希釈溶液中でのPBI膜の洗浄(この点が、参考文献[7、8]の開示とは異なり、この開示では、キャスティングされたPBI膜が水および/またはアルコールなどの非溶媒中で単に洗浄され、これが、これらの場合でPBIに結合したDMAcを除去するために長時間、例えば、80℃で12時間の乾燥(文献[6]を参照)を要する理由である);
2)異なる沸点を有する種々の液体成分をPBI膜から除去し、その中での泡形成も回避する、2ゾーンオーブンの使用;
3)ドーピング後にその機械的性質を維持するために、処理パラメーターを厳密に制御することにより、例えば、90重量%のH3PO4中、100℃で1分間未満、例えば、10~15秒の間、単分子状態で吸着を保持すること(この点が、文献[10~14]での開示とは異なり、この開示では、PBI膜はより希釈されたオルトリン酸溶液中、より低い温度でドープされ、これは数時間を要し、従って、高速大量生産には好適しない)。
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Claims (15)
- 燃料電池に使用するための酸ドープポリベンゾイミダゾール、PBIポリマーフィルム膜シート(18)を製造する連続自動化法であって、次の順序で自動化して含む方法:
-処理のためのPBIフィルム膜シート(18)を用意すること;
-洗浄段階(3、6)で、溶媒、例えば、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)を前記膜シート(18)から水により除去するために、前記膜シート(18)を前記水に曝露すること;
-乾燥手順で、前記膜シート(18)を周囲温度を越える温度で乾燥すること;
-ドーピング段階(11)で、前記膜シートにオルトリン酸をドープするために、乾燥手順の後に、前記PBI膜シートを、85重量%より高い濃度の前記オルトリン酸に曝露すること。 - 前記方法が、前記ドーピング段階(11)において、90~100℃の範囲の温度で前記オルトリン酸を供給することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記方法が、前記ドーピング段階(11)において、10秒~5秒の範囲で前記ドーピングを実行することを含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記方法が、前記膜シート(18)をロール(1)からエンドレスストリップとして供給し、前記エンドレスストリップがローラー(2)上を種々の段階(3、6、7、8、9、10、11、13)を通って連続的に移動することを含む、請求項1~3のいずれ1項に記載の方法。
- 前記方法が、前記ドーピング段階(11)において、90~100℃の範囲の温度で前記オルトリン酸を提供することを含み、前記方法が、前記ドーピング段階(11)において、10秒~5分、または10秒から5分未満の範囲でドーピングを実施することを含み、前記方法が、前記膜シート(18)をロール(1)からエンドレスストリップとして提供し、連続的に前記エンドレスストリップをローラー(2)上を前記種々の段階(3、6、7、8、9、10、11、13)を通って移動させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記乾燥手順が、2つの乾燥ステップ(8、9)を含み、泡形成なしに水を蒸発させるために、前記第1の乾燥ステップ(8)が水の沸点より1~10℃低い範囲の温度、例えば、大気圧の場合には90~99℃の範囲で行われ、泡形成なしにDMAcを蒸発させるために、前記第2の乾燥ステップ(9)がDMAcの沸点より1~10℃低い範囲の温度、または酢酸とDMAcの共沸混合物の沸点より1~10℃低い範囲の温度で実施される、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記方法が、前記DMAcと希釈オルトリン酸との反応で酢酸を形成することにより、前記PBI膜からのさらなるDMAcの除去のために、前記洗浄段階(3、6)と前記乾燥段階(8、9)との間の化学反応段階(7)において、前記膜シート(18)を、0.01重超%~1重量%の範囲の濃度を有する水希釈オルトリン酸に曝露することを含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記方法が、プレドープ段階(10)において、前記乾燥段階(8、9)と前記ドーピング段階(11)との間で、前記膜シートを、65重量%より高いが、前記ドーピング段階(11)の濃度より低い濃度でオルトリン酸に曝露し、前記膜のPBIポリマーの低分子量分子を前記オルトリン酸により溶解することを含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記方法が、前記種々の段階を液浴として対応する容器(3、6、7、8、9、10、11、13)中に提供し、前記膜シート(18)を前記液中に浸漬することを含む、請求項1~8のいずれ1項に記載の方法。
- 請求項1~9のいずれか1項に記載の連続自動化法のための自動化生産ラインであって、
-ポリベンゾイミダゾール、PBI、フィルム膜シート(18)を受けるシート受ローラー(2);
-前記膜シート(18)を前記水に曝露し、溶媒、例えば、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)を前記膜シート(18)から水により除去するための洗浄段階(3、6);
-前記膜シート(18)を周囲温度を越える温度で乾燥するための乾燥装置(8、9);
-前記膜シート(18)に前記酸をドープするために、前記乾燥手順(8、9)の後に、前記PBI膜シート(18)を、85重量%より高い濃度のオルトリン酸に曝露するためのドーピング段階(11)、
を含む、生産ライン。 - 前記シート受ローラーが、ロール(1)からの前記シート(18)をエンドレスストリップとして受けるように構成され、前記生産ラインが、前記エンドレスストリップをローラー(2、5)上および種々の段階(3、6、7、8、9、10、11、13)を通って移動させための前記ローラー(2、5)を含み、前記連続自動化法の自動化生産ラインが、前記ドーピング段階で、90~100℃の範囲の温度でオルトリン酸を供給し、前記ドーピング段階で10秒~5分または10秒から5分未満の範囲でドーピングを実施するように構成される、請求項10に記載の生産ライン。
- PBI膜シート(18)の疑似エンドレスストリップを受けるための第1のロール(1)および前記ストリップを前記第1のロール(1)から展開し、同時に前記ストリップを追加のローラー(2、5)上に、前記種々の製造段階を通って下記に記載の順序でガイドするための複数のそれに対応して配置された前記追加のローラー(2、5)を含む、請求項10または11に記載の生産ライン:
-前記ストリップを前記水容器(3、6)中の前記水を通して前記ストリップを洗浄するための前記洗浄段階の一部として、水を含む1つまたは複数の水容器(3、6);
-前記洗浄段階の後に、希釈酸容器(7)中の希釈酸を通して前記ストリップをガイドすることにより、DMAcと希釈オルトリン酸との化学反応で酢酸を形成することにより、PBI膜シートからさらなるDMAcを除去するために、0.01重超%~1重量%の範囲の濃度を有する前記水希釈オルトリン酸を含む前記希釈酸容器(7)を含む化学反応段階。 - 前記ストリップを乾燥し、同時に第1のゾーンを通りその後第2のゾーンを通ってガイドする2つの対応する乾燥ステップを有する乾燥装置の第1のゾーン(8)および第2のゾーン(9)を含み、前記第1のゾーンが、前記第1の乾燥ステップで泡形成なしに水を蒸発させるために、水の沸点より1~10℃低い範囲の乾燥温度、例えば、大気圧の場合には90~99℃の範囲の温度を与えるようにプログラムされ、前記第2のゾーンが、前記第2の乾燥ステップで泡形成なしにDMAcを蒸発させるために、DMAcの沸点より1~10℃低い範囲の温度、または酢酸とDMAcの共沸混合物の沸点より1~10℃低い範囲の温度を与えるようにプログラムされる、請求項10~12のいずれか1項に記載の生産ライン。
- プレドープ容器(10)中の酸を通して前記ストリップをガイドすることにより、オルトリン酸により前記膜のPBIポリマーの低分子量分子を溶解するために、65重量%より高い濃度の前記オルトリン酸を用いた前記プレドープ段階の一部としてのプレドープ容器(10)、および
-前記プレドープ段階の後で、ドーピング容器(11)中の酸を通して前記ストリップをガイドすることにより前記膜シートに前記酸をドーピングするために、85重量%より高い濃度のオルトリン酸を用いたドーピング段階の一部としてのドーピング容器(11)、
を含む、請求項10~13のいずれか1項に記載の生産ライン。 - PBI膜シート(18)の疑似エンドレスストリップを受けるための第1のロール(1)および前記ストリップを前記第1のロール(1)から展開し、同時に前記ストリップを追加のローラー(2、5)上に、前記種々の製造段階を通って下記に記載の順序でガイドするための複数のそれに対応して配置された前記追加のローラー(2、5)を含む、請求項10または11に記載の生産ライン:
-前記ストリップを前記水容器(3、6)中の前記水を通して前記ストリップを洗浄するための前記洗浄段階の一部としての水を含む1つまたは複数の水容器(3、6);
-希釈酸容器(7)中の希釈酸を通して前記ストリップをガイドすることにより、DMAcと希釈オルトリン酸との化学反応で酢酸を形成することにより、PBI膜シートからさらなるDMAcを除去するために、0.01重超%~1重量%の範囲の濃度を有する前記水希釈オルトリン酸を含む前記希釈酸容器(7)を含む化学反応段階;
-前記ストリップを乾燥し、同時に第1のゾーンを通りその後第2のゾーンを通ってガイドする2つの対応する乾燥ステップを有する乾燥装置の第1のゾーン(8)および第2のゾーン(9)であって、前記第1のゾーンが、前記第1の乾燥ステップで泡形成なしに水を蒸発させるために、水の沸点より1~10℃低い範囲の乾燥温度、例えば、大気圧の場合には90~99℃の範囲の温度を与えるようにプログラムされ、前記第2のゾーンが、前記第2の乾燥ステップで泡形成なしにDMAcを蒸発させるために、DMAcの沸点より1~10℃低い範囲の温度、または酢酸とDMAcの共沸混合物の沸点より1~10℃低い範囲の温度を与えるようにプログラムされる、第1のゾーン(8)および第2のゾーン(9);
-プレドープ容器(10)中の酸を通して前記ストリップをガイドすることにより、オルトリン酸により前記膜のPBIポリマーの低分子量分子を溶解するために、65重量%より高い濃度の前記オルトリン酸を用いたプレドープ段階の一部としてのプレドープ容器(10);
-ドーピング容器(11)中の酸を通して前記ストリップをガイドすることにより前記膜シートに前記酸をドーピングするために、85重量%より高い濃度のオルトリン酸を用いたドーピング段階の一部としてのドーピング容器(11);
-ドーピング後に、前記エンドレスストリップ(18)を回収するための回収ローラー(13)。
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