[发明专利]高分子电解质、以及使用该高分子电解质的高分子电解质膜、膜－电极接合体和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及高分子电解质、以及使用该高分子电解质的高分子电解质膜、膜-电极接合体和燃料电池。

背景技术

固体高分子型燃料电池中，质子传导膜使用含有质子传导性的高分子电解质膜的质子传导膜。近年来，作为住宅用或汽车用等用途的发电机，期待固体高分子型燃料电池的实用化，需要所述燃料电池以比以往更高的发电效率运转。

要使高效率运转成为可能有提高质子传导膜的质子传导性的方法，为了确保高的质子传导性，必须将质子传导膜(高分子电解质膜)充分加湿。另外，燃料电池工作时(发电时)，由于原料气体的反应而生成水，这也被高分子电解质膜吸收。因此，燃料电池运转时，高分子电解质膜呈膨润状态。在停止时，不会象工作时那样产生水，因此，高分子电解质膜随着含水量的降低而收缩。这样，燃料电池中的高分子电解质膜随着燃料电池的运转、停止而膨胀、收缩。

例如，在住宅中使用燃料电池时，推测的运转模式是：在电消耗量多的白天运转燃料电池，在电消耗量少的夜间停止燃料电池。而作为汽车的动力源使用时，行走状态与停止状态频繁交替，燃料电池也随之运转、停止。

但是，在上述运转、停止反复进行的使用条件下，高分子电解质反复膨胀、收缩。这种情况下，由于尺寸变化，高分子电解质膜本身容易发生破裂等劣化，除此之外还会破坏该高分子电解质膜周边的部件。因此，以往的燃料电池为了可以高效率运转而在高湿条件下使用时，其耐久性不足。

因此，为了避免上述问题，在日本特开2002-34380号公报中公开了可以在低加湿条件下运转、随吸水而发生的尺寸变化小的高分子电解质膜。所述高分子电解质膜的电阻率为20Ω·cm以下，含水时的尺寸变化率为-5％至+5％，低电阻且质子传导性优异，并且含水时尺寸变化小。

发明内容

但是，使用上述以往技术的高分子电解质膜时，燃料电池大多无法发挥充分的输出功率，很难确实地实现高效率的运转。

因此，本发明鉴于上述情况，目的在于提供高分子电解质，该高分子电解质可以形成能确实地获得高效率燃料电池、并且伴随着含水的尺寸变化少的高分子电解质膜。本发明的目的还在于提供使用上述高分子电解质的高分子电解质膜、膜-电极接合体、以及燃料电池。

为实现上述目的，本发明的高分子电解质的特征在于：离子交换容量为1.7meq/g以上，且用选自N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、N，N-二甲基乙酰胺、环丁砜和γ-丁内酯中的至少一种溶剂制成1质量％溶液时在40℃的比浓粘度为160mL/g以上。

上述以往技术的高分子电解质膜如上所述，膜的电阻率为20Ω·cm，为低电阻。该电阻率是沿着膜的面方向通过交流阻抗法测定的值。但是，本发明人对于在燃料电池中使用的高分子电解质膜进行了详细的研究，发现：为提高燃料电池的运转效率，作为膜的电阻，重要的不是通常测定的面方向的电阻，而是厚度方向的电阻。这是由于，实际的燃料电池中，质子不是沿质子传导膜的面方向流动，而是沿膜厚方向流动。高分子电解质膜中，有在膜的面方向和膜厚方向质子传导性具有各向异性的高分子电解质膜，在这种高分子电解质膜中，只降低上述面方向的电阻不能提供充分高效率的燃料电池。

与此相对，具有上述构成的本发明的高分子电解质可以更确实地形成不仅膜面方向的电阻小、膜厚方向的电阻也小的高分子电解质膜。因此，通过使用所述高分子电解质膜，可以容易地提供即使在低加湿状态下也可以高效率运转的燃料电池。如上所述，包含本发明的高分子电解质的高分子电解质膜可以进行低加湿状态下的燃料电池运转，因此，原本就不易发生吸水导致的尺寸变化，即使吸收大量水分，其尺寸变化也极小。因此，具备所述高分子电解质膜的燃料电池即使反复运转、停止，也不易产生伴随着高分子电解质膜劣化而出现的破坏或性能降低等。

从更确实地获得上述效果的角度考虑，本发明的高分子电解质更优选离子交换容量为1.7meq/g以上，且用选自N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种溶剂制成1质量％溶液时在40℃的比浓粘度为160ml/g以上。

上述本发明的高分子电解质优选含有嵌段共聚物作为离子传导成分，该嵌段共聚物具有第1链段和第2链段，所述第1链段具有离子交换基团，所述第2链段基本上不具有离子交换基团。上述嵌段共聚物可以表现出优异的质子传导性，因此，含有其的高分子电解质可形成膜厚方向的电阻更小的高分子电解质膜。