[发明专利]电解质、电解质膜、采用它的膜电极接合体、燃料电池电源及燃料电池电源系统

说明书

【技术分野】

本发明涉及以氢或甲醇等作为燃料的燃料电池，水电解，卤氢酸 电解，食盐电解，氧浓缩器，湿度传感器，气体传感器等中使用的电 解质膜等中优选使用的，特别是甲醇直接型燃料电池中最适用的，耐 氧化性等优良的、低成本、高耐久性固体高分子电解质、采用它的固 体高分子电解质膜，电极催化剂被覆溶液，膜/电极接合体，燃料电池， 及燃料电池电源系统。

【背景技术】

固体高分子电解质是在高分子链中具有磺酸基、亚烷基磺酸基、 膦酸基、亚烷基膦酸基等电解质基的固体高分子材料，由于与特定的 离子牢固结合，或具有选择性地透过阳离子或阴离子的性质，故成形 为粒子、纤维或膜状，可在电透析、扩散透析、电池隔膜等各种用途 中使用。

以氢作燃料的固体高分子型燃料电池，或以甲醇、二甲醚或乙二 醇等液体作燃料的固体高分子型燃料电池，由于具有高输出功率密度、 低温下工作、环境调和性高的特征，故要求推进在汽车等移动体用电 源、分散型电源或移动用电源等实用化的开发研究。另外，水电解是 采用固体高分子电解质膜，电解水制造氢与氧。

作为廉价的固体高分子电解质膜，有人提出向以工程塑料为代表 的芳香烃类高分子导入磺酸基的磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、 磺化聚醚醚砜等电解质膜。磺化这些工程塑料的芳香烃类电解质膜， 与以Nafion为代表的氟类电解质膜比较，具有制造容易、成本低的优 点。然而，另一方面，存在(1)由于磺酸基直接结合在芳香环上，通 过酸或热，引起磺酸基脱离，离子传导率降低；(2)在磺酸基近傍存 在醚基等供电子性基，引起氧化劣化，强度降低的缺点。特别是，采 用甲醇直接型燃料电池，由于阴极电位降低，在阴极容易生成过氧化 氢，成为上述(2)的需解决课题。

作为上述(1)的解决方法，有人提出导入亚烷基磺酸基来代替磺 酸基(专利文献1，2)。还有，有人提出主链的芳香族烃高分子的一 部分采用阳极类高分子(专利文献3，4，5，6)作为上述(2)的解 决方法。专利文献3提出在向主链的一部分导入聚苯并咪唑，关于离 子传导性，向原来的主链的芳香环导入磺酸基。提高主链的耐氧化劣 化特性，但由于磺酸基直接结合在芳香环上，通过酸或热引起磺酸基 脱离，离子传导率降低，电阻增高，故作为电源的耐久性降低。专利 文献4，5提出在主链采用聚苯并咪唑，使耐氧化劣化特性提高，关于 离子传导性，通过向咪唑环的氮原子导入磺酸基或亚烷基磺酸基，而 得到发挥。专利文献6提出在当主链采用聚苯并咪唑，同时在咪唑环 的氮原子导入亚烷基磺酸基，使耐氧化性提高，关于离子传导性，因 在咪唑环的氮原子上导入亚烷基磺酸基，而得到发挥。专利文献5及 6提出了由于在咪唑环的氮原子上导入离子传导性基，故限定导入的 亚烷基磺酸基的量，即使在80℃的高温，离子传导率仍为0.07S/cm以 下，在较低温度下工作的甲醇直接型燃料电池及在高电流密度下使用 的移动体用固体高分子型燃料电池等中使用时，离子传导性降低。

按照上述专利文献1～6，作为上述(1)及(2)的同时解决方法， 有人提出在芳香族环的C上结合羟基的唑类高分子电解质膜(专利文 献7)。

【专利文献1】特开2002-110174号公报

【专利文献2】特开2003-187826号公报

【专利文献3】特开2002-146018号公报

【专利文献4】特开平9-73908号公报

【专利文献5】特开2003-55457号公报

【专利文献6】特开2003-178772号公报

【专利文献7】特开2005-290318号公报

【发明内容】

发明要解决的课题

然而，酚性羟基的离子解离度，比磺酸基及亚烷基磺酸基小，为 了得到燃料电池必要的离子传导率，羟基与磺酸基等比较，必须大量 导入。当大量导入时，耐氧化劣化性降低，或因甲醇水溶液或水膨润， 或发生溶解。另外，结合供电子性酚性羟基的芳香环，耐氧化性差， 阴极电位降低，易产生过氧化氢，不适于甲醇直接型燃料电池用途。