[发明专利]用于燃料电池的功能膜和电解质膜及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用通过高能重离子制成的潜径迹或离子穿透获得的新型功能膜及其制造方法。此外，本发明涉及气体阻隔性能和机械强度优异的、用于燃料电池的电解质膜及其制造方法。

具体而言，本发明涉及仿生生物反应器、通过酶固定获得的生物质的转化反应器、离子传导性和选择性优异的离子交换膜、用于二次电池和燃料电池的离子交换膜、适合充当例如使用电渗析的选择性氨基酸分离器膜的功能膜，和它们的制造方法。

此外，本发明涉及固体聚合物电解质膜的制造方法，该固体聚合物电解质膜用作适用于燃料电池的聚合物离子交换膜。特别地，本发明涉及用作适用于燃料电池的固体聚合物膜的固体聚合物电解质膜，其具有优异的气体阻隔性能和离子交换能力，还涉及其制造方法。

背景技术

在燃料电池中，将氢或甲醇之类的燃料电化学氧化，以直接将这类燃料的化学能转化成电能，从而提取能量。近年来，燃料电池正作为清洁电能供给源引起关注。特别地，使用质子传导膜作为电解质的固体聚合物燃料电池可以实现高的功率密度，且它们可以在低温下运行。因此，固体聚合物燃料电池已经被期望用作电车的动力供给源。

在这类固体聚合物燃料电池的基本结构中，单个电池由夹在一对具有催化剂层的气体扩散电极之间(并与气体扩散电极接触)的电解质膜构成，且在单个电池的两面上均设置有集电器。对电解质膜一面上的气体扩散电极(阳极)供应氢或甲醇之类的燃料。此外，对其另一面上的气体扩散电极(阴极)供应氧气或空气之类的氧化剂。然后，通过将外部负载电路与两个气体扩散电极相连，可以激活该固体聚合物燃料电池。此时，阳极上生成的质子通过电解质膜移向阴极以与阴极上的氧反应，从而生成水。在此，电解质膜充当质子转移介质和氢气与氧气之间的隔膜。因此，要求燃料电池的聚合物电解质膜具有优异的气体阻隔性能，并具有高的质子传导性、强度和化学稳定性。

传统的所谓功能膜由于下述事实而成问题--即官能团以无规方式分布在这类膜上，且当这类膜具有迷宫或网孔结构(其中含有官能团)时，不能在空间分布或密度方面控制官能团。

具体而言，在是例如Nafion(商品名)的市售电解质膜、或通过辐射接枝聚合制成的固体聚合物电解质膜的情况下，亲水阳离子交换基团在膜内部均匀分布，从而由于过多湿气而造成膜的溶胀。因此，分子间的相互作用力衰减，从而发生氢或甲醇穿过膜的过度跨越。此外，Gore，TokuyamaCorp.，等人已经尝试用离子交换树脂填充具有非常高孔隙率、并在三个维度上具有一系列孔的多孔膜，但是不参与阳离子交换的离子交换树脂的存在导致该膜的过度溶胀。此外，所用多孔基材仅限于可以成为多孔的包含聚四氟乙烯或聚乙烯的基材。此外，这类基材最初缺乏燃料电池的电解质膜所需的气体阻隔性能。因此，根据燃料电池所需的特性，所得的这类固体聚合物电解质膜的特性不足。

发明内容

本发明的目的是提供用于多种用途、并具有高的功能性以及聚合物膜基材所固有的气体阻隔性能和机械强度的功能膜。特别地，本发明的目的是提供在高质子传导性、气体阻隔性能和机械强度方面优异、并最适合充当燃料电池的聚合物电解质膜的聚合物电解质膜。

本发明的发明人已经发现，利用通过用C、K、N和He之类元素的重离子在特定条件下辐射膜而在含有非传导性无机粒子的聚合物膜(其包含，例如聚四氟乙烯PTFE)中生成的活性物的接枝聚合可以解决上述问题。由此完成了本发明。

也就是说，在第一方面，本发明是制造功能膜的方法的发明。该方法包括：离子辐射步骤，其中用高能重离子辐射含有非传导性无机粒子的聚合物膜基材至10⁴/平方厘米至10¹⁴/平方厘米的程度，从而在膜基材中生成活性物；和在离子辐射步骤之后的接枝聚合步骤，其中添加一种或多种选自由含有有用官能团的单体构成的A组的单体，以使所述单体与膜基材接枝聚合。因此，可以获得下述功能膜--其中官能团仅被引入潜径迹，该潜径迹是由离子辐射造成的受损部位。在此，在离子辐射步骤中，由高能重离子辐射造成的损伤产生的潜径迹可能穿透膜。

根据本发明，通过将官能团仅引入直径数百纳米的潜径迹(其是由高能重离子辐射造成的受损部位)，可以使含非传导性无机粒子的聚合物膜基材具有官能度。因此，可以保持各个聚合物膜基材的物理性质，此外，可以在位置、空间分布和密度方面控制官能团。聚合物膜基材的物理性质的例子包括气体阻隔性能、机械强度和尺寸稳定性。