[发明专利]电解质膜及其制造方法

说明书

本发明提供低湿度下也可发挥高质子传导性的电解质膜。电解质膜，其包含复合膜，所述复合膜具备：聚烯烃微多孔膜，所述聚烯烃微多孔膜的平均孔径为1～1000nm，孔隙率为50～90％，且能够含浸表面自由能为28mJ/m²以上的溶剂；和电解质，所述电解质含有EW250～850的全氟磺酸聚合物，所述电解质填充于所述聚烯烃微多孔膜的孔隙内，其中，所述复合膜的膜厚为1～20μm。

技术领域

本发明涉及适合用于固体高分子型燃料电池、水的电解、钠电解等的细孔填充膜型的电解质膜及其制造方法。

背景技术

近年来，对于电解质膜、尤其是固体高分子型电解质膜的性能提高的需求不断增加。例如，下述系统作为不产生二氧化碳、非常清洁的能源系统而受到瞩目，所述系统通过使用太阳光、风力等可再生能源将水电解而产生氢，并将产生的氢储存，在需要电力的地点、于需要的时间将该氢供给至燃料电池进行发电。此处，在水电解时用电解质膜隔开阳极和阴极、使阳极处生成的质子经由电解质膜向阴极移动、在阴极处与电子结合而得到氢的水电解法是已知的。各极处的反应式如下所述。

·阳极：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-

·阴极：2H⁺+2e^-→H₂

另一方面，燃料电池中，负极(阳极)处的氢氧化反应中生成的质子经由电解质膜向正极(阴极)移动，在该处通过氧还原反应生成水从而进行发电。各极处的反应式如下所述。

·负极：H₂→2H⁺+2e^-

·正极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

由上述的各运作原理可见，在水电解法、燃料电池中，提高电解质膜的质子传导性均是普遍的课题。为了提高电解质膜的质子传导性，采取将电解质膜的膜厚减薄、降低电解质聚合物的每1当量离子交换基团的干燥质量(当量质量：EW)等措施即可。但是，从作为电极间的隔膜所需的强度、防止氢等燃料气体的透过(交叉现象)等的观点考虑，薄膜化自然存在极限。另外，降低EW也根据用途而存在下述限制：电解质聚合物的骨架部分的比率下降、难以维持固态膜；另外，燃料电池中，除了正极处生成的水以外，负极侧的水分的一部分与质子一同通过电解质膜而向正极侧移动，容易引起正极侧的空气吸入口被水阻塞的溢流(flooding)现象，等等。

此外，由于质子为了在电解质膜中移动而必须经过水合，因此，燃料电池需要设置用于向在运作时渐渐损失的负极侧补充水分的加湿装置，将湿度调节为90％左右。另外，鉴于该“使用水”的条件，也需要设置将燃料电池的运转温度保持为60～80℃左右的冷却装置。这些附属装置的设置会成为降低燃料电池系统整体的成本、提高效率的阻碍，因此，期望开发能够在无加湿·中高温条件下使用的电解质膜。

作为燃料电池的高分子电解质，有下述例子：通过使高分子多孔质膜的内部空间(空隙)含有高分子电解质，从而达成电解质自身无法实现的机械强度的提高(专利文献1)。另外，提出了适合用于使高分子电解质保持于聚乙烯多孔质膜中的多孔质基材(专利文献2)。此外，存在通过使超高分子量聚烯烃的多孔性薄膜的网络结构摄入并包含离子交换树脂、从而提供力学强度优异的电解质薄膜的现有技术(专利文献3)。另外，还有通过利用毛细管冷凝作用而使固体高分子多孔膜中摄入并包含离子导电体、从而提供力学强度优异的薄膜电解质的现有技术(专利文献4)。然而，这些现有的电解质膜对于解决上述课题而言仍然是不充分的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-166557号公报

专利文献2：日本特开2011-241361号公报