TW201711263A - 固態電解質補強材及含有該補強材的固態電解質膜 - Google Patents

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TW201711263A
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Hitoshi Kourogi
Haruo Sawa
Kazuya Shimura
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Unitika Ltd
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Abstract

本發明之目的在於提供一種兼具優異之含水時的抗拉強度及低膨潤性、與優異之離子傳導性的固態電解質補強材。 藉由選擇特定支數之玻璃紗並採用該玻璃紗之織密度滿足特定範圍的織物，作為固態電解質補強材，可兼具優異之含水時的抗拉強度及低膨潤性、與優異之離子傳導性。

Description

固態電解質補強材及含有該補強材的固態電解質膜 技術領域
本發明係有關於一種可適用於燃料電池等之固態電解質的補強材及含有該補強材的固態電解質膜。
背景技術
燃料電池之發電效率高且環境負荷小，因此受到注目而作為對環境溫和之能源。燃料電池一般依電解質之種類分成數種。其中，高分子電解質型燃料電池(PEFC)具有高輸出且容易小型輕量化，亦可進一步期待因量產效果而低成本化。
PEFC之最具代表性的氫氧燃料電池的電流因以下反應而產生電能，即：如下述式(1)所示地供給至負極之氫的電化學氧化反應、如式(2)所示地供給至正極之氧的電化學還原反應、及由其間之電解質中的質子移動產生之反應。
H2→2H++2e-．．．．．．．．(1)
1/2O2+2H++2e-→H2O．．．．．(2)
因為由該燃料電池本身只排出水，所以很乾淨並 且靜肅性亦極佳。燃料電池之氫可使用風力、太陽光等天然能源而由水之電解製造，且由減少CO2或無核化、無石油化等方面來看，好處亦大。因此，適用於汽車，且亦已開始銷售燃料電池汽車。此外，燃料電池由於可藉由與廢熱合併使用而獲得極高之能源效率，所以亦不斷普及作為家庭用發電機兼熱水器。另外，燃料電池由於可長時間連續供電，且亦不需要定期更換等，所以亦不斷普及作為非常用電源。再者，燃料電池與二次電池不同，由於不需要長時間充電，在運轉效率方面亦受到注目而作為作業車用電源。
雖然亦有供給至負極之燃料為甲醇之直接甲醇型燃料電池等，使用除氫以外者作為燃料之燃料電池，但即使在此情形下亦同樣地進行燃料在負極電化學地氧化而放出質子的反應，且可利用質子傳導性固態電解質使其作動。
在固態電解質沒有質子傳導性而具有氫氧化物離子傳導性之情形中亦可能產生同樣的反應，此時在各電極之反應可為下述式(3)及(4)，且氫氧化物離子朝與質子相反之方向在電解質中移動。但是，電解質具有水分子時，藉由質子由水分子移動至氫氧化物離子，可實質地實現與氫氧化物離子朝該相反方向移動等價之狀態，因此實際上氫氧化物離子亦可藉由質子移動來移動。
H2+2OH-→H2O+2e-．．．．．．．．(3)
1/2O2+H2O+2e-→2OH-．．．．．．．(4)
PEFC所使用之固態電解質膜係以全氟亞烷基為主骨架，並廣泛地使用具有磺酸基等之離子交換基的氟系高分子膜等。該等高分子膜由於含有水，聚合物中之磺酸基會離子化而具有質子傳導性。此外，離子化之分子集合而形成團簇，且該團簇形成質子之通道。然而，該高分子膜因為隨著含水而膨潤，所以導致尺寸增大、機械強度降低、及長時間運轉時產生潛變，結果，有運轉開始後之耐久性降低的缺點。
因此，為消除前述固態電解質膜之缺點，有人嘗試藉各種補強材來補強固態電解質膜。固態電解質膜之補強材係，例如，質子傳導性膜用之補強材，且已知質子傳導性膜用之補強材係由以強化具有C玻璃組成之玻璃纖維與玻璃纖維之結合的黏結劑作為主要構成要素的不織布形成，並且玻璃纖維之平均纖維徑在0.1μm至20μm之範圍內，玻璃纖維之平均纖維長在0.5mm至20mm之範圍內，且黏結劑包含纖維狀黏結劑，而纖維狀黏結劑之添加量在玻璃纖維質量之1%至40%的範圍內。(例如，請參照專利文獻1)。藉由該補強材，可製得具優異機械強度、尺寸安定性、處理性及耐久性，且展現良好質子傳導性之質子傳導性膜，進一步，藉由使用該質子傳導性膜構成燃料電池，可製得發電效率高之燃料電池。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2011-236429號公報
發明概要
然而，專利文獻1揭示之補強材為獲得良好質子傳導性，必須提高空隙率，而提高空隙率時，製得之補強材具有在含水狀態下之抗拉強度(含水時之抗拉強度)及含水前後之尺寸安定性(低膨潤性)不足的問題。
另一方面，本發明人等進行檢討，結果了解到由獲得良好質子等之離子傳導性的觀點來看，宜使固態電解質膜之厚度變薄(例如，30μm以下)。然而，已得知的是在專利文獻1中具體地揭示作為實施例的補強材厚度為50μm，且由於補強材之厚度過大，使欲補強之固態電解質膜亦一定會變厚，離子傳導性容易有受限的問題。
本發明之目的在於解決上述問題，並提供一種在作為例如燃料電池等固態電解質補強材使用時，能兼具優異含水時抗拉強度與低膨潤性、以及優異之離子傳導性的固態電解質補強材。此外，本發明之目的在於提供一種利用該補強材之固態電解質膜。
本發明人等為解決上述課題而專心進行檢討，結果得知專利文獻1揭示之補強材由於是不織布結構，難以兼具含水時之抗拉強度及低膨潤性、及質子等之離子傳導性。因此，本發明人等進一步重複檢討，結果查明了藉由選擇特定支數之玻璃紗並採用該玻璃紗之織密度滿足特定範圍 的織物，作為固態電解質補強材，可兼具優異含水時抗拉強度與低膨潤性、以及優異之離子傳導性。藉由依據該知識進一步重複檢討而完成了本發明。
即，本發明提供以下揭示之態樣的發明。
項1.一種固態電解質補強材，係一織物，該織物含有支數為1.0至3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗，且前述經紗及前述緯紗中之至少一者的織密度為30至75條/25mm。
項2.如項1記載之固態電解質補強材，其中前述玻璃紗之平均絲直徑為3.0至4.8μm。
項3.如項1或2記載之固態電解質補強材，其中實質上未含有用以提高與欲補強之固態電解質之結合性的黏結劑成分。
項4.如項1至3中任一項記載之固態電解質補強材，其中構成前述玻璃紗之玻璃組成物的CaO、MgO、Na2O及K2O的含量總和為20質量%以下。
項5.一種織物之用途，用以補強燃料電池之固態電解質膜，該織物含有支數1.0至3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗，且前述經紗及前述緯紗中之至少一者的織密度為30至75條/25mm。
項6.一種固態電解質膜，其包含固態電解質、及項1至4中任一項記載之固態電解質補強材。
項7.如項6記載之固態電解質膜，其中前述固態電解質 係離子導電性之無機/有機混合化合物。
項8.如項7記載之固態電解質膜，其中前述離子導電性之無機/有機混合化合物係選自於矽氧化合物及鎢氧化合物中之至少一種與聚乙烯醇化學鍵結而成的無機/有機混合化合物。
項9.一種膜之用途，作為燃料電池之固態電解質膜，該膜包含固態電解質、及項1至4中任一項記載之固態電解質補強材。
項10.一種燃料電池，其包含項6至8中任一項記載之固態電解質膜。
依據本發明之固態電解質補強材，藉由採用一種含有特定支數之玻璃紗且織密度在特定範圍內之織物，可使固態電解質膜兼具習知技術無法獲得之含水時抗拉強度與低膨潤性、以及質子等之離子傳導性。因此，含有本發明固態電解質補強材的固態電解質膜，使用於例如燃料電池時，含水時的抗拉強度及低膨潤性良好，並且可具有優異之輸出特性。
1‧‧‧固態電解質膜
2,3‧‧‧觸媒電極層
4,5‧‧‧玻璃擴散層
6,7‧‧‧分隔物
8‧‧‧氫
9‧‧‧氧
圖式之簡單說明
圖1係說明本申請案實施例之固態電解質的離子導電性評價方法的示意圖。
用以實施發明之形態
<固態電解質補強材>
本發明之固態電解質補強材的特徵在於係一織物，該織物包含支數為1.0至3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗，且該經紗及該緯紗中之至少一者的織密度為30至75條/25mm。以下，詳細說明本發明之固態電解質補強材。
在使用於本發明之固態電解質補強材的織物中，構成玻璃紗之玻璃材料可依欲補強之固態電解質的使用環境使用習知玻璃材料。玻璃材料，具體而言，可舉例如：E玻璃、C玻璃、S玻璃、T玻璃、AR玻璃等。
質子傳導性固態電解質通常是強酸。因此，固態電解質使用於例如燃料電池時，若玻璃材料具優異耐酸性，更難產生隨著玻璃成分之溶出使含水時之抗拉強度降低的情形，且更難產生因由玻璃材料溶出之陽離子成分而使固態電解質之離子傳導性降低的情形。因此，由進一步提高抗拉強度及輸出特性之觀點來看，構成玻璃紗之玻璃組成物的CaO、MgO、Na2O及K2O的含量總和宜為20質量%以下。特別地，SiO2為60至70質量%，Al2O3為20至30質量%，且CaO、MgO、Na2O及K2O的含量總和為20質量%以下更佳；SiO2為60至70質量%，Al2O3為20至30質量%，CaO、MgO、Na2O及K2O的含量總和為10至20質量%，且Na2O及K2O之含量總和為2質量%以下特佳。
此外，在令補強對象之固態電解質為後述之無機/有機混合化合物時，若特別地設構成玻璃紗之玻璃組成物的SiO2為60至70質量%，Al2O3為20至30質量%，CaO、MgO、 Na2O及K2O的含量總和為10至20質量%，且Na2O及K2O之含量總和為2質量%以下，可更進一步兼具含水時之抗拉強度及離子傳導性，故特別理想。
此外，使用無機/有機混合化合物作為固態電解質之固態電解質膜亦可作為鹼水電解型氫產生裝置的分隔物。本發明之固態電解質補強材使用於作為如此之分隔物使用的固態電解質膜時，由進一步提高氫產生效率之觀點來看，構成玻璃紗之玻璃組成物的ZrO2含量宜為10至30質量%；SiO2為55至62質量%，Al2O3為1至5質量%，CaO及MgO之含量總和為0至12質量%，B2O3為0至4質量%，Na2O及K2O之含量總和為13至18質量%，且ZrO2之含量為12至21質量%更佳。
由在固態電解質膜中含有玻璃紗時使其妨害離子傳導之程度為最小的觀點來看，玻璃紗之支數必須為1.0至3.5tex，且宜為1.0至2.4tex，並以1.0至2.0tex較佳，而以1.5至1.97tex更佳。在本發明中，玻璃紗之支數係依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.1」所規定之方法求得的值。
玻璃紗宜捻合多數條玻璃長纖維之單纖維(絲)而形成之玻璃線。玻璃線中之絲的條數雖然沒有特別限制，但由進一步良好地兼具含水時之抗拉強度及低膨潤性、及離子傳導性的觀點來看，宜為大約20至120條，而以20至70條更佳，且以20至55條特佳。由同樣之觀點來看，玻璃線中之絲的平均直徑宜為大約3.0至4.8μm，而以3.0至4.5μm特佳。在此，玻璃線中之絲的條數係藉由使織物包埋於環 氧樹脂中並研磨至可觀察到玻璃紗之程度，使用掃描式電子顯微鏡(SEM)以倍率500倍觀察來求得。此外，玻璃線中之絲的平均直徑係藉由對織物進行與前述同樣之處理並使用掃描式電子顯微鏡(SEM)以倍率500倍測量1條玻璃線含有之全部絲的直徑，接著算出其平均值來求得。
在本發明之固態電解質膜所使用的織物中，經紗及緯紗中之至少一者的織密度必須為30至75條/25mm，而以50至60條/25mm特佳。藉此，製得之固態電解質可兼具優異之含水時之抗拉強度及低膨潤性、及優異之離子傳導性。由進一步良好地兼具含水時之抗拉強度及低膨潤性與離子傳導性的觀點來看，經紗及緯紗兩者宜均滿足前述織密度之範圍。在本發明中，經紗及緯紗之織密度係依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.9」所規定之方法求得的值。
在本發明之固態電解質補強材所使用的織物中，織物中之玻璃紗的混用率雖然在達成本發明之效果的範圍內沒有特別限制，但宜為70質量%以上，而以80質量%以上更佳，且以100質量%(只由玻璃紗構成之織物)特佳。
本發明之固態電解質補強材所使用的織物的織組織雖然沒有特別限制，但可舉平織、緞紋織、斜紋織、斜子織、綾紋織等為例，其中以平織為佳。
由使固態電解質膜含有時之含水時的抗拉強度及低膨潤性、及離子傳導性更進一步良好的觀點來看，本發明之固態電解質補強材所使用之織物的厚度宜為8至30μm，且以8至20μm更佳。在本發明中，織物之厚度係依 據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.10.1A法」所規定之方法求得的值。
在本發明之固態電解質補強材中，織物之質量雖然沒有特別限制，但由更進一步有效地兼具作為固態電解質時之含水時的抗拉強度及低膨潤性與離子傳導性的觀點來看，宜為5至30g/m2，而以5至20g/m2更佳，且以5至10g/m2特佳。在本發明中，織物之質量係依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.2」所規定之方法求得的值。
本發明之固態電解質補強材宜實質上未含有用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分。藉此，製得之固態電解質膜的製膜狀態更好，例如，可更進一步提高使用於燃料電池時之輸出特性。在此，「實質地未含有黏結劑成分」係意味未積極地塗布黏結劑成分在構成固態電解質補強材之織物上，或藉熱清潔處理(加熱處理)去除黏結劑成分，結果藉此未含有該等黏結劑成分。如此之黏結劑成分雖然以含量為零特佳，但在不損害本發明之效果的範圍內，亦可在固態電解質補強材中含有大約0.1質量%以下，而以含有大約0.05質量%以下更佳。
上述用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分，具體而言，可舉例如：矽烷耦合劑、澱粉及合成樹脂(例如，丙烯酸樹脂、胺基甲酸酯樹脂、氟樹脂、矽氧樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂等)等之有機黏結劑；二氧化矽、烷基矽酸鹽等之無機黏結劑。此外，與上述黏結劑成分與樣地，界面活性劑之含量雖然亦以零特佳，但在不 損害本發明之效果的範圍內，亦可在固態電解質補強材中含有大約0.1質量%以下，而以含有大約0.05質量%以下更佳。
本發明之固態電解質補強材實質地未含有前述黏結劑成分時，若使用後述之無機/有機混合化合物作為欲補強之固態電解質，該補強材與該固態電解質之結合性特別良好，且製膜狀態更進一步良好，因此亦可更進一步有效地提高使用於燃料電池時之輸出特性。
製造實質地未含有前述黏結劑之固態電解質補強材的方法可舉對織製玻璃紗而製成之織物實施熱清潔處理(加熱處理)的方法為例。熱清潔處理之條件可舉在溫度350至450℃下進行20至60小時為例。
<固態電解質膜>
本發明之固態電解質膜的特徵為含有前述固態電解質補強材及固態電解質。本發明之固態電解質膜藉由利用前述固態電解質補強材補強，使含水時的拉抗強度及低膨潤性良好，並且可兼具離子傳導性。
本發明之固態電解質膜所使用的固態電解質只要可傳導質子等之離子即可，沒有特別之限制，且可舉例如：高分子電解質、離子傳導性之無機物質、離子傳導性之無機/有機混合化合物等。
高分子電解質可舉氟系高分子電解質、碳氫化合物系高分子電解質、化學修飾富勒烯離子傳導體為例，而氟系高分子電解質可舉以全氟亞烷基為主骨架，並具有磺 酸基或羧基等之離子交換基者為例。碳氫化合物系高分子電解質可舉使聚苯乙烯、聚丙炔醚、聚醯亞胺、聚膦氮烯、聚苯并咪唑等之芳香族系聚合物磺化者為例。
離子傳導性之無機/有機混合化合物可舉包含：含有選自於Si、Al、Ti、Sn、Zr、Mo及W中之1種以上之元素及O的無機部分、及有機部分者為例，具體而言，可舉選自於矽氧化合物、鎢氧化合物及鋯氧化合物中之1種以上化合物與聚乙烯醇化學鍵結而成的混合化合物(以下，亦記載為混合化合物A)等為例。前述混合化合物A之前述固態電解質補強材與固態電解質的結合性特別良好，且製膜狀態更進一步良好，因此例如，容易更進一步提高使用於燃料電池時之輸出特性。
本發明之固態電解質膜可將固態電解質作成膜狀之基質，並在其中包含前述固態電解質補強材。
本發明之固態電解質膜中，固態電解質與前述固態電解質補強材之比率雖然可依該固態電解質膜之用途、使用之固態電解質種類等適當設定，但可舉例如：每固態電解質100質量份，前述固態電解質補強材為10至70質量份，而宜為20至50質量份，且以20至40質量份更佳。
此外，本發明之固態電解質膜的厚度雖然亦可依該固態電解質膜之用途等適當設定，但可舉例如：20至200μm，20至50μm較佳，且20至30μm更佳。
本發明之固態電解質膜的製造方法雖然沒有特別限制，但可舉藉由將分散或溶解了固態電解質之液體浸 滲於前述固態電解質補強材後乾燥來製造為例。
本發明之固態電解質膜，因為可謀求兼具在習知技術中得不到之抗拉強度及低膨潤性、及質子等之離子傳導性，所以例如，可理想地使用於固態電解質型燃料電池、固態電解質型氫產生裝置等。此外，本發明之固態電解質膜，因為具有優異氫氧化物離子之通過性，所以亦可適用於作為鹼水電解型之氫產生裝置的分隔物。
在使用本發明之固態電解質膜的燃料電池中，固態電解質以外之部分沒有特別限制，可使用與習知燃料電池同樣之結構，例如，可在固態電解質之兩側配置習知之燃料極及習知之空氣極。
實施例
以下，藉由實施例詳細說明本發明。但是，本發明不限於以下實施例。
1.評價方法
(1)玻璃紗之支數(tex)
依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.1」記載之方法測量、算出。
(2)玻璃紗之平均絲直徑(μm)、平均絲條數(條)
準備2片切割成30cm見方之製得織物，其中一片作為經紗觀察用，而另一片作為緯紗觀察用，接著將其分別包埋於環氧樹脂(STRUERS公司(股)製商品名3091)中使其硬化，並研磨至可觀察經紗、緯紗之程度，使用SEM(日本電子公司(股)製商品名JSM-6390A)，以倍率500倍觀察，並進行測 量。
(3)織密度(條/25mm)
依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.9」記載之方法，測量、算出經紗、緯紗之織密度。
(4)織物之厚度(μm)
依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.10.1A法」記載之方法，測量、算出。
(5)織物之質量(g/m2)
依據日本工業規格「JIS R 3420 2013 7.2」記載之方法，測量、算出。
(6)構成玻璃紗之玻璃組成物及質量比(質量%)
藉由鹼溶解-ICP發光光譜分析法及原子吸光光度法來測量。
(7)固態電解質膜之含水時的抗拉強度(MPa)
準備固態電解質膜已切斷成20mm×40mm之大小的測試片。將測試片浸漬於20至25℃之純水中1小時使其吸水後，使用加重測量器進行到固態電解質膜斷裂為止之強度的測量，並利用下述式(a)算出抗拉強度。
抗拉強度(MPa)=測量加重(N)/膜截面積(寬度mm×厚度mm) (a)
(8)固態電解質膜之膨潤性(%)
準備固態電解質膜已切斷成20mm×40mm之大小的測試片。將測試片浸漬於20至25℃之純水中1小時，並測量浸漬前後之測試片的面積，且利用下述式(b)算出膨潤度。
膨潤度(%)={(浸漬後面積-浸漬前面積)/(浸漬前面積)}×100 (b)
(9)離子傳導性(mW/cm2)
以作為燃料電池時之最高輸出密度為指標，利用以下方法評價離子傳導性。該最高輸出密度為500mW/m2以上時，具有優異離子傳導性而為合格。
(膜電極接合體(MEA)之製作)
為進行燃料電池之評價，將固態電解質膜安裝在電極上而製成膜電極接合體(MEA)。所製成之膜電極接合體，如圖1所示地，在固態電解質膜1之兩面上積層觸媒電極層2及3，並進一步在最外層積層玻璃擴散層4及5。觸媒電極層2及3係使用載持50wt%白金之碳觸媒(田中貴金屬工業公司(股)製)及Nafion離子聚合物(5%Solution DE520 CS型)來形成。此外，氣體擴散層係由碳紙(22.4×22.4mm、厚度195μm)而形成，且其內側(觸媒電極層2及3側)塗布有厚度大約10μm之由碳黑粉末(電氣化學工業公司(股)製乙炔黑)及鐵氟龍(Aldrich公司)形成的層，作為微孔層。
(燃料電池輸出特性之評價)
將上述MEA設置於市售之燃料電池用單電池(ELECTROCHEM公司製)中，來構成一般之氫氧燃料電池。具體而言，如圖1所示地，將MEA(圖1中，符號1至5之構件)夾在兼具極室分離及對電極之氣體供給流路的功能的分隔物6及7之間，並使預定流量之氫8、氧9分別流過流路。在如此設置之燃料電池用單電池中，將電池溫度控制為80℃， 供給氣體之相對濕度為100%，並進行最高輸出密度(mW/cm2)之測量。
2.固態電解質補強材及固態電解質膜之製造
實施例1
(1)固態電解質補強材之製造
使用玻璃組成係SiO2為60至70質量%，Al2O3為20至30質量%，CaO、MgO、Na2O及K2O的含量總和為10至20質量%，且Na2O及K2O之含量總和為2質量%以下(玻璃組成A)的玻璃線(支數1.7tex、平均絲直徑4.1μm、絲條數51條、撚數0.5Z)，作為經紗及緯紗，並利用噴氣織機織製，製得經紗密度為55條/25mm、緯紗密度為55條/25mm之平織玻璃布。接著，在400℃下加熱30小時(熱清潔)以去除附著於製得之玻璃布的紡紗集束劑及織製集束劑，製得固態電解質補強材。製得之固態電解質補強材由於經過熱清潔處理，實質上未含有用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分。
(2)固態電解質膜之製造
藉由塗布機將矽氧化合物及鎢氧化合物化學鍵結於聚乙烯醇之無機/有機混合膜(NIPPON KODOSHI製、註冊商標iO-brane)的原料溶液一面塗布在聚酯膜之基材上，一面調整成預定厚度。將前述製得之固態電解質補強材放在該溶液上，加熱到70至130℃進行乾燥。在塗布之原料溶液大致乾燥時，由其上進一步塗布前述原料溶液並進行乾燥，製成固態電解質膜。在製得之固態電解質膜中，每固態電 解質100質量份之固態電解質補強材的比率為30質量份。此外，製得之固態電解質膜的厚度為25μm。
實施例2
(1)固態電解質補強材之製造
使用由表1所示之玻璃組成B形成的玻璃線(支數1.7tex、平均絲直徑4.1μm、絲條數51條、撚數0.5Z)，作為經紗及緯紗，並利用噴氣織機織製，製得經紗密度為55條/25mm、緯紗密度為55條/25mm之平織玻璃布。接著，在400℃下加熱30小時(熱清潔)以去除附著於製得之玻璃布的紡紗集束劑及織製集束劑，製得固態電解質補強材。製得之固態電解質補強材由於經過熱清潔處理，實質上未含有用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分。
(2)固態電解質膜之製造
使用製得之固態電解質補強材，在與前述實施例1同樣之條件下製成固態電解質膜。在製得之固態電解質膜中，每固態電解質100質量份之固態電解質補強材的比率為30質量份。此外，製得之固態電解質膜的厚度為25μm。
實施例3
(1)固態電解質補強材之製造
使用由玻璃組成A形成之玻璃線(支數1.7tex、平均絲直徑4.1μm、絲條數51條、撚數0.5Z)，作為經紗及緯紗，並利用噴氣織機織製，製得經紗密度為55條/25mm、緯紗密度為55條/25mm之平織玻璃布作為固態電解質補強材。製得之固態電解質補強材由於未進行熱清潔處理，含有用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分。
(2)固態電解質膜之製造
使用製得之固態電解質補強材，在與前述實施例1同樣之條件下製成固態電解質膜。在製得之固態電解質膜中，每固態電解質100質量份之固態電解質補強材的比率為30質量份。此外，製得之固態電解質膜的厚度為30μm。
實施例4
(1)固態電解質補強材之製造
除了將經紗密度變更為95條/25mm、緯紗密度變更為55條/25mm以外，在與前述實施例3同樣之條件下製得固態電解質補強材。製得之固態電解質補強材由於未進行熱清潔處理，含有用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分。
(2)固態電解質膜之製造
使用製得之固態電解質補強材，在與前述實施例1同樣之條件下製成固態電解質膜。在製得之固態電解質膜中，每固態電解質100質量份之固態電解質補強材的比率為35質量份。此外，製得之固態電解質膜的厚度為30μm。
比較例1
(1)固態電解質補強材之製造
使用由玻璃組成A形成之玻璃線(支數4.2tex、平均絲直徑4.6μm、絲條數100條、撚數1.0Z)，作為經紗及緯紗，並利用噴氣織機織製，製得經紗密度為69條/25mm、緯紗密度為72條/25mm之平織玻璃布。接著，在400℃下加熱30小時(熱清潔)以去除附著於製得之玻璃布的紡紗集束劑及織製集束劑，製得固態電解質補強材。製得之固態電解質補強材由於經過熱清潔處理，實質上未含有用以提高與欲補強之固態電解質的結合性的黏結劑成分。
(2)固態電解質膜之製造
使用製得之固態電解質補強材，在與前述實施例1同樣之條件下製成固態電解質膜。在製得之固態電解質膜中，每固態電解質100質量份之固態電解質補強材的比率為65質量份。此外，製得之固態電解質膜的厚度為40μm。
比較例2
(1)固態電解質補強材之製造
使用由玻璃組成A形成之玻璃線(支數1.7tex、平均絲直徑4.1μm、絲條數51條、撚數0.5Z)，作為經紗及緯紗，並利用噴氣織機織製，製得經紗密度為95條/25mm、緯紗密度為95條/25mm之平織玻璃布。接著，在400℃下加熱30小時(熱清潔)以去除附著於製得之玻璃布的紡紗集束劑及織製集束劑。然後，將表面處理劑之矽烷耦合劑(S-350 N-乙烯苯基-胺乙基-γ-胺丙三甲氧基矽烷(鹽酸鹽)CHISSO公司 (股))的濃度調整為15g/L並藉由壓吸輥擠壓後，在120℃下乾燥1分鐘、使其硬化，製得固態電解質補強材。
(2)固態電解質膜之製造
使用製得之固態電解質補強材，在與前述實施例1同樣之條件下製成固態電解質膜。在製得之固態電解質膜中，每固態電解質100質量份之固態電解質補強材的比率為45質量份。此外，製得之固態電解質膜的厚度為30μm。
3.評價結果
獲得之結果顯示於表2中。由該結果可知，固態電解質膜(實施例1至4)之含水時的抗拉強度高且具有低膨潤性，並且具有優異之離子傳導性，而該固態電解質補強材使用由使用支數為1.0至3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗並設定經紗及前述緯紗中之至少一者之織密度為30至75條/25mm而製成之織物形成的固態電解質補強材。特別使用實質地未含有黏結劑成分之固態電解質補強材時(實施例1及2)，具有特別優異之離子傳導性。相對於此，使用超過3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗而製成的織物並且使用由此織物所形成的固態電解質補強材時(比較例1)，離子傳導性不足。此外，即使使用1.75tex之玻璃紗作為經紗及緯紗，使用經紗及緯紗之織密度超過75條/25mm之固態電解質補強材時(比較例2)，離子傳導性亦不足。

Claims (10)

  1. 一種固態電解質補強材，係一織物，該織物含有支數為1.0至3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗，且前述經紗及前述緯紗中之至少一者的織密度為30至75條/25mm。
  2. 如請求項1之固態電解質補強材，其中前述玻璃紗之平均絲直徑係3.0至4.8μm。
  3. 如請求項1或2之固態電解質補強材，其中實質上未含有用以提高與欲補強之固態電解質之結合性的黏結劑成分。
  4. 如請求項1至3中任一項之固態電解質補強材，其中構成前述玻璃紗之玻璃組成物的CaO、MgO、Na2O及K2O的含量總和係20質量%以下。
  5. 一種織物之用途，用以補強燃料電池之固態電解質膜，該織物含有支數1.0至3.5tex之玻璃紗作為經紗及緯紗，且前述經紗及前述緯紗中之至少一者的織密度為30至75條/25mm。
  6. 一種固態電解質膜，包含固態電解質、及如請求項1至4中任一項之固態電解質補強材。
  7. 如請求項6之固態電解質膜，其中前述固態電解質係離子導電性之無機/有機混合化合物。
  8. 如請求項7之固態電解質膜，其中前述離子導電性之無 機/有機混合化合物係選自於矽氧化合物及鎢氧化合物中之至少一種與聚乙烯醇化學鍵結而成的無機/有機混合化合物。
  9. 一種膜之用途，作為燃料電池之固態電解質膜，該膜包含固態電解質、及如請求項1至4中任一項之固態電解質補強材。
  10. 一種燃料電池，包含如請求項6至8中任一項之固態電解質膜。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI818690B (zh) * 2022-08-23 2023-10-11 友達光電股份有限公司 太陽能模組

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7319776B2 (ja) * 2018-12-20 2023-08-02 旭化成株式会社 ガラスクロス、プリプレグ、及びプリント配線板
EP4008039B1 (en) * 2019-08-01 2024-05-15 3M Innovative Properties Company Thermal barrier material for a rechargeable electrical energy storage system
CN111416147B (zh) * 2020-03-06 2023-06-02 湖南科技大学 一种复合固态聚合物电解质及其制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7214756B2 (en) * 2001-10-30 2007-05-08 Sekisui Chemical Co., Ltd. Proton conducting membrane, process for its production, and fuel cells made by using the same
JP2003253010A (ja) * 2002-02-27 2003-09-10 Sekisui Chem Co Ltd プロトン伝導性膜およびその製造方法
JP4041422B2 (ja) * 2003-03-26 2008-01-30 ニッポン高度紙工業株式会社 固体電解質及び該固体電解質を使用した電気化学システム
JP4516284B2 (ja) * 2003-05-14 2010-08-04 ニッポン高度紙工業株式会社 固体電解質及び該固体電解質を使用した電気化学システム
JP5367433B2 (ja) * 2009-03-31 2013-12-11 ニッポン高度紙工業株式会社 高イオン伝導性固体電解質及び該固体電解質を使用した電気化学システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI818690B (zh) * 2022-08-23 2023-10-11 友達光電股份有限公司 太陽能模組

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