[发明专利]高分子电解质及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子电解质及其制造方法等，所述高分子电解质适于用作固体高分子电解质型燃料电池用的电解质膜。

背景技术

燃料电池通过在电池内对氢、甲醇等进行电化学氧化而将燃料的化学能直接转换为电能进行取用，其作为清洁的电能供给源而受到关注。特别是对于固体高分子电解质型燃料电池来说，由于与其它电池相比其在低温下运转，因而期待其作为汽车替代动力源、家用联产系统(cogeneration system)、便携发电机等。

对于这样的固体高分子电解质型燃料电池，其至少具备在电解质膜的两面接合有通过对电极催化剂层和气体扩散层进行层积而成的气体扩散电极的膜电极接合体。此处所说的电解质膜是在高分子链中具有磺酸基、羧酸基等强酸性基团、具有选择性地透过质子的性质的材料。作为这样的电解质膜，可适当地使用以化学稳定性高的Nafion(注册商标，杜邦公司制)为代表的全氟系质子交换膜。

在燃料电池运转时，分别向阳极侧的气体扩散电极供给燃料(例如氢)、向阴极侧的气体扩散电极供给氧化剂(例如氧或空气)，两电极间通过外部电路进行连接，实现燃料电池的运转。具体地说，采用氢作为燃料时，在阳极催化剂上，氢被氧化生成质子。该质子通过阳极催化剂层内的电解质粘合剂后在电解质膜内移动，通过阴极催化剂层内的电解质粘合剂后到达阴极催化剂上。另一方面，通过氢的氧化与质子同时生成的电子通过外部电路而到达阴极侧气体扩散电极。在阴极催化剂上，上述质子与氧化剂中的氧发生反应而生成水。于是此时进行电能的取用。

固体高分子电解质型燃料电池具有在低环境负荷下能量转换效率高的特征，因此期待其用作定置用联产系统用途或车载电源。在汽车用途中，现状是通常在80℃附近进行运转。然而，为了普及燃料电池车，需要进行散热器的小型化、加湿器的精简化，需要降低成本。因此希望开发出可适于在高温低湿条件下(相当于在运转温度100～120℃、湿度20～50％RH的条件)进行运转、且在广泛的运转环境(室温～120℃/20～100％RH)下显示出高性能的电解质膜。具体地说，如非专利文献1所示，为了能够在100℃的运转温度运转，50％RH的条件下质子传导率需要为0.10S/cm以上；为了在120℃的运转温度能够运转，20％RH的条件下质子传导率需要为0.10S/cm以上。

然而，以往的全氟系质子交换膜的传导率对于湿度有很大的依赖性，特别是在湿度为50％RH以下时传导率会显著降低。因而，在专利文献1～3中公开了当量重量(EW)、也即每1当量质子交换基团的干燥重量EW(g/eq)为670～776的氟系电解质膜。由此，通过降低EW值、也即增加质子交换容量，可使传导率得到提高。此外，在专利文献4中公开了即使EW低也不易溶解于热水中的电解质膜，其中示例出了EW698的电解质膜。在专利文献5中公开了EW564的高分子电解质的制造例。

另外，对于全氟系质子交换膜，已知在长期使用时会发生劣化，有提案提出了各种稳定化方法。例如，在专利文献6中公开了经过使用由分子量为450以上的含氟化合物构成的自由基聚合引发剂在0～35℃的聚合温度进行共聚的聚合工序而得到的含氟高分子电解质。

专利文献1：日本特开平6-322034号公报

专利文献2：日本特开平4-366137号公报

专利文献3：国际公开第2002/096983号小册子

专利文献4：日本特开2002-352819号公报

专利文献5：日本特开昭63-297406号公报

专利文献6：日本特开2006-173098号公报

非专利文献1：H.Gasteiger and M.Mathias，In Proton ConductingMembrane Fuel Cells，PV2002-31，pp.1-22，The Electrochemical SocietyProceedings Series(2002)

发明内容

然而，上述专利文献1～6中公开的电解质膜的传导率在50％RH以下时依然很低，距离0.10S/cm的程度还相当远。本发明的目的在于提供一种即使在高温低湿条件下也具有高传导率的电解质，从而实现更高性能的燃料电池。

本发明人为了解决上述课题进行了深入研究，结果发现，通过使用采用特殊方法进行聚合的氟系电解质前体，能够控制氟系电解质中形成的离子簇结构，通过控制电解质膜的离子簇结构，即使在低湿度条件下也能表现出高传导性，从而完成了本发明。