JP5798186B2 - 強化電解質膜 - Google Patents
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Description
本願は、2010年5月25日付申請の米国特許仮出願第61/348,086号(代理人整理番号第66280US002号)の便益を主張し、その開示は全て参照により全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、燃料電池のような電気化学的デバイスに使用できるような電解質膜に関する。本発明は、高温での動作時に、改善されたプロトン伝導性保持能力を示すことができ、かつ安定を保つことができる電解質膜に関する。
本出願では、
ポリマーの「当量」(又は「EW」)は、1当量の塩基を中和するポリマーの重量(グラム)を意味する(燃料セル内でのポリマーの使用中に酸性官能基に変換されるハロゲン化スルホニル置換基又は他の置換基が存在する場合、「当量」はそれらの基が加水分解された後の「当量」を指す)。
項目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、
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、
繊維材料は、繊維材料プロトン伝導度を有し、
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、
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。
項目1〜19のいずれか一項に記載の電解質膜を備え、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、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、第2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と異なる、多層電解質膜。
(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、繊維材料が繊維材料プロトン伝導度を有し、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)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、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、繊維材料プロトン伝導度が第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。
−OCF2CF2CF2CF2SO3Yの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る、項目20に記載の多層電解質膜。
ナノファイバーの直径はJeol JSM−6701F走査電子顕微鏡を用いて電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)によって測定した(3〜5kV、倍率5,000x〜10,000x)。表1の平均繊維直径値は、100本の繊維の試料に基づいて算出した。
ナノファイバーマット及び強化電解質膜の厚さは、Testing Machines Inc.(ニューヨーク州Ronkonkoma)のTMI 49−16−01 Precision Micrometerを用いて、50kPa(7.3psi)の死重圧力及び0.63インチ(1.6cm)の基準アンビル直径で測定した。典型的には、5〜10枚のシートの平均値を算出した。
材料
KYNAR 761−Arkema Inc.(ペンシルベニア州Philadelphia)から入手可能な二フッ化ポリビニリデン(PVDF)。
調製実施例1:PVDFナノファイバーマット
電界防糸法によってPVDFナノファイバーを調製した。固形分約20重量%のN,N−ジメチルアセトアミド中PVDFコポリマー(KYNAR 2801)の溶液を、25℃で、注射器のノズルとコレクターとの間に8.5kVの電位差を保ちながら注射器でコレクターロールに送達した。乾燥したナノファイバーをナノファイバーウェブとしてコレクター上に蓄積した。ナノファイバーウェブを140℃でカレンダー加工して、ウェブを平坦にした。ナノファイバー及びナノファイバーマットのいくつかの特性を表1(PE−1)に示す。
電界防糸法によってPVDFナノファイバーを調製した。固形分約20重量%のN,N−ジメチルアセトアミド中PVDF(KYNAR 761)の溶液を、25℃で、注射器のノズルとコレクターとの間に8.5kVの電位差を保ちながら注射器でコレクターロールに送達した。乾燥したナノファイバーをナノファイバーウェブとしてコレクター上に蓄積した。ナノファイバーウェブを140℃でカレンダー加工して、ウェブを平坦にした。そのようにして製造された電界紡糸PVDFナノファイバーマットのSEM画像を図4Aに示し、それらのナノファイバー及びナノファイバーマットのいくつかの特性を表1(PE−2)に示す。
電界紡糸法によってPESナノファイバーを調製した。固形分約20重量%のN,N−ジメチルアセトアミド/アセトン混合物中PESの溶液を、25℃で、注射器のノズルとコレクターとの間に8.5kVの電位差を保ちながら注射器でコレクターロールに送達した。乾燥したナノファイバーをナノファイバーウェブとしてコレクター上に蓄積した。ナノファイバーウェブを140℃でカレンダー加工して、ウェブを平坦にした。そのようにして製造された電界紡糸PVDFナノファイバーマットのSEM画像を図4Cに示し、それらのナノファイバー及びナノファイバーマットのいくつかの特性を表1(PE−3)に示す。
電界紡糸法によりPES/PVDF(9:1)ナノファイバーを調製した。固形分約20重量%のN,N−ジメチルアセトアミド/アセトン混合物中PES/PVDFの溶液を、25℃で、注射器のノズルとコレクターとの間に8.5kVの電位差を保ちながら注射器でコレクターロールに送達した。乾燥したナノファイバーをナノファイバーウェブとしてコレクター上に蓄積した。ナノファイバーウェブを140℃でカレンダー加工して、ウェブを平坦にした。そのようにして製造された電界紡糸PES/PVDF(9:1)ナノファイバーマットのSEM画像を図4Bに示し、それらのナノファイバー及びナノファイバーマットのいくつかの特性を表1(PE−4)に示す。
米国公開特許出願第2006/0014887号に記載されているタイプの825EWの過フッ化スルホン酸アイオノマーの試料を固形分約41重量%にてメタノール/水混合液(重量で80/20)に溶解した。50℃、65℃、120℃、145℃にそれぞれ設定されたウェブ下方方向に順に配列された4つの乾燥ゾーンを有するパイロット規模のコーティング機を用い、乾燥時の厚さが約9マイクロメートルになるように、毎分約2メートルのライン速度で、厚さを制御するために固定されたギャップを用いて、アイオノマー溶液をポリイミド(DuPontより入手可能なKAPTON)ライナーにコーティングした。ポリエステルライナーにアイオノマー溶液をコーティングした直後かつそれが第1の乾燥ゾーンに入る前に、PE−5の幅10cmのPES/PVDF(7:3)ナノファイバーマット(ウェブ)のウェブ先端縁を、コーティングされた溶液の上に手作業で導入した。PETウェブと同じ速度でPES/PVDF(7:3)ナノファイバーウェブを連続的に巻解き、乾燥時に約5マイクロメートルになるように第2のスロットダイステーションを用いて、コーティングされたポリエステルフィルムに固形分30%を有する同じアイオノマーの新しいコーティング液が適用される際にそれら2つのウェブが連続的にともに接合された。次いで、試料を乾燥炉に通し、収集した。この膜を160℃の第2の熱処理に約3分間曝した。同じプロセスをPE−6、PE−7、PE−8にも用いて、Ex−6、Ex−7、Ex−8の膜を作製した。そのようにして生産された電解質膜の特性を表2(EX−5〜8)に記載する。
米国仮特許出願第61/325,062号に記載されているタイプの620EWの過フッ化スルホンイミド酸(PFIA)アイオノマーの試料を固形分約17重量%にてメタノール/水混合液(重量で80/20)に溶解した。50℃、65℃、120℃、145℃にそれぞれ設定されたウェブ下方方向に順に配列された4つの乾燥ゾーンを有するパイロット規模のコーティング機を用い、PE−5(PES/PVDF(7:3))のファイバーマットをメタノールで予め濡らしてからポリイミド(DuPontより商標KAPTONで入手可能)ライナーに適用した。次いで、スロットダイを用いてPFIAアイオノマー溶液をファイバーマットの上にコーティングした。ライン速度は毎分約2メートルとし、複合膜の乾燥時の厚さが約15マイクロメートルになるようにした。次いで、試料を乾燥炉に通し、収集した。この膜を160℃の第2の熱処理に約3分間曝した。そのようにして生産された電解質膜の特性を表2(Ex−9)に記載する。
[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、前記第1のプロトン電導性ポリマーで少なくとも部分的に満たされ、
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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