[发明专利]质子传导膜及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有良好的质子传导性的质子传导膜及其制造方法。

背景技术

质子传导膜作为燃料电池的中心功能要素被进行了活跃的技术开发。作为一般的质子传导膜，已知Nafion(注册商标)或在日本特开平10-69817号公报和日本特开平2000-90946号公报中所述的硫酸或磷酸等质子酸与膜自身结合构成的质子传导膜。

在此，质子酸作为传导性材料引起关注，但在实用化方面存在许多课题。例如，对于多数低温型燃料电池，使用高分子电解质膜，从而具有良好的低温特性和化学/机械稳定性，但是高湿度为必须的使用条件，作为结果存在被限制在小于100℃的温度的问题。另外，因将甲醇作为燃料时的渗透(crossover)而使电池性能降低。

因此，对能在100℃以上使用的质子传导膜进行研究。其中，使用CsHSO₄作为质子酸的质子传导膜在140℃以上显示良好的质子传导性，因此引起注意(Nature 410(19)910-913(2001))。但是，残留有加工性或机械强度等问题，未确定实用化的目的。另外，只能得到厚度为1mm左右的厚膜，不能制备例如1μm的薄膜。

发明内容

本发明以解决上述课题为目的，其目的在于提供例如在高于Nafion(注册商标)这样的以往广泛已知的质子传导膜的温度域且低于以往已知的含CsHSO₄等质子酸的质子传导膜的温度域、即在宽范围的温度域内具有良好的质子传导性的固体电解质。

本发明的另一个目的在于提供使用质子酸的质子传导膜，该质子传导膜即使厚度薄也具有充分的强度。

基于所述现状，本发明人进行了研究，结果发现以往的这种质子传导膜中，在室温下质子酸是结晶状态，所以传导性低。因此进一步研究，结果发现通过下述方法能够解决上述课题。

(1).一种质子传导膜，其具有：具有规则的或无规则的孔隙结构的金属氧化物结构体，和被包含在上述孔隙结构中的、具有至少1个能游离的氢原子作为质子的质子酸盐。

(2).一种质子传导膜，其具有金属氧化物结构体和在该金属氧化物结构体中以非晶态存在的质子酸盐。

(3).如(1)或(2)所述的质子传导膜，该膜的膜厚是1μm以下。

(4).如(1)所述的质子传导膜，该膜在小于100℃显示10^-8S·cm^-1以上的质子传导率。

(5).如(1)～(4)任意一项所述的质子传导膜，该膜的膜厚是10～500nm。

(6).如(1)～(5)任意一项所述的质子传导膜，其在小于100℃的温度显示10^-7S·cm^-1以上的质子传导率。

(7).如(1)～(6)任意一项所述的质子传导膜，其在60℃以上的温度域显示10^-7S·cm^-1以上的质子传导率。

(8).如(1)～(7)任意一项所述的质子传导膜，其中，该膜的表面电阻率是0.01～10Ωcm^-2。

(9).如(1)～(8)任意一项所述的质子传导膜，其中，所述金属氧化物含有二氧化硅。

(10).如(1)～(9)任意一项所述的质子传导膜，其中，所述质子酸盐具有磺酸基或磷酸基。

(11).如(10)所述的质子传导膜，其中，所述质子酸盐是CsHSO₄和/或CsH₂PO₄。

(12).如(1)～(11)任意一项所述的质子传导膜，其中，所述质子传导膜的孔隙率是50％以下。

(13).一种膜电极结合体，其具有一对电极和被设置在该电极间的(1)～(12)任意一项所述的质子传导膜。

(14).具有(1)～(12)任意一项所述的质子传导膜的燃料电池。

(15).(1)～(12)任意一项所述的质子传导膜的制造方法，其包括将含有金属氧化物前体和质子酸盐的混合物水解并成型为膜状的工序。

本发明的质子传导膜在宽范围的温度域内具有高质子传导性。进而，与以往相比，本发明的质子传导膜的厚度可以显著变薄，因此可以成为显示较低表面电阻率的质子传导膜。因此，本发明的质子传导膜可以期待用于燃料电池、燃料电池用电极、膜电极结合体、电化学传感器、氢等的分离膜、湿度传感器、质子传感器、氢传感器等。

附图说明

图1是表示实施例1中的质子传导膜1的制作方法的简图。