[发明专利]电解质膜的制造方法、电解质膜和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解质膜的制造方法以及燃料电池。特别地，本发明涉及一种化学稳定并能够维持良好质子传导性的电解质膜的制造方法、化学稳定并能够维持良好质子传导性的电解质膜和燃料电池。

背景技术

燃料电池通过设置在膜-电极组件(在下文中，称为“MEA”)两侧上的集电器引出通过MEA中的电化学反应产生的电能，所述MEA包括电解质膜和设置在电解质膜两侧上的电极(阳极和阴极)。在燃料电池中，用于家庭热电联供系统、机动车等中的固体聚合物燃料电池(在下文中，称为“PEFC(聚合物电解质燃料电池)”)能够在低温下操作。PEFC表现出高的能量转换效率，可以在短时间内启动，并且尺寸小、重量轻，因此作为用于电动车的最佳电源或便携式电源正受到关注。

PEFC的单元电池包括电解质膜以及每个具有催化剂层的阳极和阴极。单元电池的理论电动势是1.23V。PEFC中的电化学反应如下进行。即，在容纳于阳极催化剂层中的催化剂上，将供应到阳极的氢分成质子和电子。来自氢的质子穿过阳极的催化剂层和电解质膜并到达阴极的催化剂层。来自氢的电子通过外部电路到达阴极的催化剂层。然后，到达阴极催化剂层的质子和电子与供应到催化剂层的氧反应，产生水。即，为了得到电动势，必须使质子穿过电解质膜。因此，电解质膜需要具有质子传导性。

电解质膜由大分子构成并且处于含水状态时具有离子传导性，所述大分子例如由基于全氟磺酸的聚合物等制成。由上述大分子制成的电解质膜由于其复杂的合成过程而具有高成本的问题。还考虑了使用基于烃的聚合物。然而，这种类型的大分子在其骨架中通常具有杂原子、叔碳等，因此具有易于被自由基进攻的问题，并因此在PEFC的操作期间易于受损害。因此，需要开发能够解决这些问题的电解质膜。

已经公开了与电解质膜相关的各种技术。例如，JP-A-2005-76012公开了与用于功能化膜的连续制造方法相关的技术，在所述功能化膜中将功能聚合物(通过聚合具有磺酸基的单体制成的聚合物等)装填到多孔树脂片(多孔聚乙烯片等)的孔中。根据该技术，可以连续并有效地得到功能化膜。

然而，如JP-A-2005-76012所公开的，例如在将聚合具有磺酸基的单体制成的聚合物简单地装填到多孔聚乙烯片的孔中的形式中，如果该聚乙烯片接触水，则亲水性磺酸基团被洗脱。因此，在水的存在下使用的电解质膜内很难保持磺酸基团，这产生难于维持良好的质子传导性的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种化学稳定并能够维持良好的质子传导性的电解质膜的制造方法、化学稳定并能够维持良好的质子传导性的电解质膜和燃料电池。

本发明的第一方面涉及一种电解质膜的制造方法。在该制造方法中，通过在溶剂中混合聚乙烯基磺酸树脂、聚乙烯树脂和基于胺的表面活性剂来得到树脂组合物，并且形成作为电解质膜的树脂组合物。

不具体限制基于胺的表面活性剂，只要其能够与聚乙烯基磺酸树脂反应并从而中和聚乙烯基磺酸树脂即可。基于胺的表面活性剂的例子是三正丁胺等。此外，不具体限制溶剂，只要其能够溶解聚乙烯基磺酸树脂和聚乙烯树脂即可。溶剂的例子是氯苯等。

在本发明的第一方面中，聚乙烯基磺酸树脂的分子的流体直径(fluid diameter)可以为300或更大。

“聚乙烯基磺酸树脂的分子的流体直径为300或更大”具体地表示：当通过聚乙烯基磺酸树脂与基于胺的表面活性剂的中和产生的盐与聚乙烯树脂混合时，使流体直径为300或更大的盐与聚乙烯树脂混合以形成树脂组合物。

在本发明的第一方面中，通过其中使用混合溶液的离子交换可以制造树脂组合物，所述混合溶液含有极性有机溶剂和非极性有机溶剂。

在形式上不具体限制用于离子交换的“混合溶液”，只要其含有极性有机溶剂和非极性有机溶剂即可。除了极性有机溶剂和非极性有机溶剂之外，作为可以包含于混合溶液中的溶剂，可以提及酸性溶剂等作为例子。在本发明中，包含于混合溶液中的极性有机溶剂的例子包括二噁烷、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等。此外，包含于混合溶液中的非极性有机溶剂的例子包括己烷、苯、庚烷等。可以包含于混合溶液中的酸性溶剂的例子包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸等。

在本发明的第一方面中，包含于混合溶液中的极性有机溶剂的质量A和包含于混合溶液中的非极性有机溶剂的质量B之间的比可以为A∶B＝5∶95～40∶60。

上述“A∶B＝5∶95～40∶60”表示0.05X≤A≤0.4X和0.05X≤B≤0.4X，其中X是极性有机溶剂和非极性有机溶剂的总质量。