[发明专利]固体聚合物型燃料电池用电解质膜及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体聚合物型燃料电池用电解质膜及其制造方法。

背景技术

近年来，作为下一代能源，燃料电池成为关注的焦点。特别是使用具有质子传导性的聚合物膜作为电解质的固体聚合物电解质型燃料电池(PEFC)，能量密度高，因而期待在家用热电联产系统、便携式设备用电源、汽车用电源等广泛的领域中使用。PEFC的电解质膜，要求具有作为在燃料电极-氧化电极间传导质子的电解质的功能，并且还要求作为将供给到燃料电极的燃料与供给到氧化电极的氧化剂分离的隔壁。作为电解质和隔壁的功能不充分时，燃料电池的发电效率下降。因此，期望质子传导性、电化学稳定性以及机械强度优良，并且燃料和氧化剂的透过性低的聚合物电解质膜。

目前，PEFC的电解质膜广泛使用具有磺酸基作为质子传导基团的全氟化碳磺酸(例如，杜邦公司制造的“Nafion(注册商标)”)。全氟化磺酸膜虽然电化学稳定性优良，但是作为原料的氟树脂并非通用品，其合成过程也很复杂，因此非常昂贵。电解质膜昂贵会对PEFC的实用化产生很大的障碍。另外，全氟化碳磺酸膜容易透过甲醇，因此，难以使用全氟化碳磺酸膜作为向燃料电极供给含甲醇的溶液的直接甲醇型燃料电池(DMFC)的电解质膜。

因此，作为全氟化碳磺酸膜的替代物，对低成本且抑制甲醇透过的烃类聚合物电解质膜进行了开发。例如，在专利文献1～4中，分别提出了由磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺制成的电解质膜。作为这些烃类电解质膜的原料的树脂比氟树脂便宜，因此，通过使用上述电解质膜，可以实现PEFC的低成本化。但是，专利专利文献1～4中提出的烃类电解质膜的性能未必充分，使用烃类电解质膜的PEFC尚未达到实用化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-93114号公报

专利文献2：日本特开平10-45913号公报

专利文献3：日本特开平9-245818号公报

专利文献4：日本特表2000-510511号公报

非专利文献

非专利文献1：L.Wang et al.Journal of Power Source 164(2007)

非专利文献2：Okamoto et al.J.Memb.Sci.，2004，230，111

发明内容

烃类电解质膜未达到实用化的原因是多样的，不过，通常都会提到烃类电解质膜与电极的接触性不良这一点。如果接触性差，就难以实现接触电阻的减小或发电效率的提高。

为了改善电解质膜与电极的接触性，在使电解质膜的表层部热熔融的同时将电解质膜与电极接合的热压法是有效的。但是，对于以聚酰亚胺等热固性树脂为主要成分的烃类电解质膜，难以采用热压法。另外还有用隔膜将阳极、电解质膜和阴极牢牢夹住的方法，但是，不能充分地减小接触电阻。

作为改善电解质膜与电极的接触性的其它方法，在非专利文献1中，公开了将Nafion涂布于电解质膜上的方法。例如，将磺化聚酰亚胺膜浸渍到Nafion分散液中，然后进行干燥。由此，在磺化聚酰亚胺膜上形成Nafion层。通过热压法将具有Nafion层的磺化聚酰亚胺膜与电极接合。但是，从成本和环境负荷的观点考虑，如果能够避免或抑制氟树脂的使用，则是再好不过的了。

鉴于这样的情况，本发明的目的在于提供与电解的接触性得到改善的烃类电解质膜。

即，本发明提供一种固体聚合物型燃料电池用电解质膜，其具有：

含有烃类电解质作为主要成分的基材层，和

作为层叠于所述基材层上的层，并且含有具有羟基和质子传导基团的聚合物材料作为主要成分的表面层。

另一方面，本发明提供一种膜-电极组件，其具有：

上述本发明的电解质膜，和

以夹住所述电解质膜的方式配置的一对电极。

再一方面，本发明提供一种燃料电池，其具有上述本发明的膜-电极组件作为发电元件。

再一方面，本发明提供一种固体聚合物型燃料电池用电解质膜的制造方法，其中，包括：

准备含有烃类电解质作为主要成分的基材的工序，

制备含有具有羟基的第一聚合物和具有质子传导基团的第二聚合物的溶液的工序，和

使用所述溶液，在所述基材上形成含有聚合物材料作为主要成分的表面层的工序，所述聚合物材料中，所述第二聚合物由通过将所述第一聚合物交联而形成的基质保持。

发明效果