[发明专利]用于燃料电池的增强电解质膜，其制备方法，用于燃料电池的膜电极组件以及包含该组件的固体聚合物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的增强电解质膜，其制备方法，用于燃 料电池的膜电极组件以及包含该组件的固体聚合物燃料电池。

固体聚合物电解质燃料电池使用固体聚合物电解质膜作为电解质，并 且其具有电极连接在这种膜的任意一个表面上的结构。

当固体电解质膜用于燃料电池时，它必须本身具有低的膜电阻。为了 获得这一点，膜厚度优选尽可能的薄。但是如果膜厚度太薄，就会带来问 题，例如在膜制备期间倾向于形成针孔，在电极形成期间膜会撕裂并在电 极之间发生短路。此外，由于用于燃料电池的固体聚合物电解质膜始终以 潮湿的状态使用，存在可靠性的问题，例如由于潮湿造成的聚合物膜的溶 胀，以及在不同压力下操作时由于变形和类似原因的耐压力以及交叉泄 漏。

考虑到这一问题，为了提供即使离子交换树脂中的水量反复的改变也 并不被破坏的离子交换膜，且其中离子交换树脂和氟树脂多孔性膜或类似 物紧密的相互粘附以至于难以形成针孔，JP专利申请(Kokai)No.9-194609 A(1997)公开了一种通过拉伸将溶解于溶剂中的聚合物浸渍到氟树脂多孔 性膜或类似物的孔隙中，通过干燥将聚合物粘附于多孔性膜上，然后再引 入离子交换基团，制备离子交换膜的方法。

在JP专利申请(Kokai)No.9-194609A(1997)描述的方法中，聚合物是 亲水性的且拉伸的多孔性膜是疏水性的，且通过溶剂使它们相容。但是， 其没有制备具有高耐久性的组合物，这导致涉及电解质和PTFE在使用时 发生分离的担忧。

另一方面，JP专利申请(Kokai)No.2005-187629A描述了一种具有通 过羰基酰亚胺基团或磺酰基酰亚胺基团连接在含有氟树脂的多孔性基质 表面的氟聚合物的电解质的复合电解质。在这种复合电解质中充分的防止 了电解质溶解于水并且显著溶胀的问题。此外，电解质自身即作为膜并且 也具有优良的化学品稳定性。

发明内容

在燃料电池中用于改进耐久性的方法的实例包括当含有水时控制外 部尺寸的稳定性。但是电解质膜含有水。如果它们不含水，氢质子就不会 转移，这就意味着当含有水时溶胀事实上是不能禁止的。

因此，建议改进燃料电池中固体聚合物电解质膜的耐久可靠性。用于 改进耐久性的方法的实例包括当含有水时控制外部尺寸稳定性。通常复合 电解质膜建议与固体聚合物膜中的PTFE增强材料联合。作为用于改进固 体聚合物电解质膜的尺寸稳定性的方法，建议通过增加PTFE增强材料的 强度来控制尺寸稳定性。

熔融浸渍是一种通过将氟电解质注入多孔性膜制备增强复合膜的方 法。但是当含有水时熔融浸渍具有比在平面方向上流延的方法更差的尺寸 稳定性。这被认为是由于在熔融浸渍中比流延方法中浸渍多孔性膜的电解 质更稠密，以及电解质树脂与多孔性膜树脂连接的更有力，其中电解质树 脂没有空间去延伸。

为了使燃料电池得到更广泛的应用，降低成本是重要的。在通过将电 解质树脂浸渍入多孔性膜用于制备复合增强电解质膜的常规技术的流延 方法中，制备通过在采用拉伸过程形成许多孔隙的PTFE多孔性膜上涂刷 电解质溶液，将电解质浸渍并且然后干燥而进行。在此期间，在熔融浸渍 中，制备通过将采用加热熔化的电解质树脂前体浸渍到PTFE多孔性膜中 并且之后进行水解以提供离子交换基团直接进行。在熔融浸渍中电解质并 不溶解在溶剂中，且对于电解质树脂具有大的选择范围并且在电解质树脂 的设计中具有高的自由度。但是，问题在于当含有水时在平面方向上的溶 胀比通过流延方法制备的电解质膜的溶胀更显著。

这是因为以下事实，即与流延方法相比，在熔融浸渍中电解质树脂更 稠密的填充在多孔性膜中并且多孔性膜树脂和电解质树脂之间的结合力 较强，这意味着当电解质树脂作为所含水分导致的溶胀时，产生了绝对全 部的应力，且特别是，在平面方向上存在强溶胀。相反，在流延方法中， 电解质树脂的填充密度也很低，且多孔性膜树脂和电解质树脂之间的连接 比熔融浸渍中的更松散，这意味着作为界面滑动等的结果，在溶胀应用于 多孔性膜期间，不是产生了所有的应力。一些应力消散于厚度方向，以至 于可以抑制在平面方向上的溶胀。