[发明专利]聚合物电解质膜及其生产方法、采用该聚合物电解质膜的膜 -电极组件及燃料电池和聚合物电解质膜的离子导电性的评估方法

说明书

发明领域

本发明具体地说涉及一种具有微相分离结构的聚合物电解质膜及其生产方法、采用该聚合物电解质膜的膜-电极组件及燃料电池，以及聚合物电解质膜离子导电性的评估方法。

背景技术

近年来，作为一种应对种种环境问题的清洁能源，人们对燃料电池的期待正与日俱增。特别是，由于能在低温下工作并且做得小而轻，聚合物电解质燃料电池受到关注。

聚合物电解质燃料电池主要由两催化剂电极和夹在这些催化剂电极之间的聚合物电解质膜构成。在此种燃料电池工作过程中，首先，用作燃料的氢在电极之一电离为氢离子，然后该氢离子扩散到聚合物电解质膜内，随后它与另一电极处的另一种燃料氧结合。此时，当两电极与外电路连接时，电流便流入该外电路，借此对外部供电。在此操作中，聚合物电解质膜在使氢离子扩散的同时将作为燃料气体的氢和氧分开，并起到阻断电子流动的作用。

以Nafion(杜邦公司的注册商标)为代表的带超强酸基团的氟聚合物(fluoride polymer)据知便是聚合物电解质燃料电池的聚合物电解质膜中使用的聚合物电解质的例子。

就聚合物电解质膜中的离子导电而言，该膜中的离子导电组分形成的沟道结构被认为极为重要。在作为一种类型的带上述超强酸基团的氟聚合物(fluoride polymer)的全氟磺酸聚合物膜中，据认为，磺酸基团聚集而成具有周期性结构的簇状结构，并且离子通过簇状网络来传导，正如在，例如由Maruzen发表的日本化学学会编辑的《燃料电池(Fuel Cell)》一书，第61页中所示。在此种情况下，离子导电部位在聚合物电解质膜中的空间排列很重要。

从此种观点出发，聚合物电解质优选是一种嵌段共聚物，其中1个聚合物链由2或更多种类型聚合物组分(嵌段链)构成，它们彼此不可溶，而是形成共价键。按照此种嵌段共聚物，可在纳米尺度上控制化学上不同的组分的排列。就是说，在该嵌段共聚物中，利用彼此间化学上不同的嵌段链之间的排斥而产生的短程相互作用，在各个嵌段链构成的区域(微畴)之间实现相分离。此刻，凭借彼此形成共价键的嵌段链之间的长程相互作用，每个微畴排列成特定顺序。由每个嵌段链聚集而构成微畴，进而由此种微畴所产生的结构，被称作微相分离结构。

由嵌段共聚物组成的聚合物电解质膜通常是通过向适当基材上面形成嵌段共聚物溶在有机溶剂中的溶液，随后移出溶剂而成形的。在此种情况中，微畴可能彼此包容，因此在刚刚成形后可能在膜内形成一种海绵状结构，正如像在例如Hashimoto T.，Koizumi S.，HaseqawaH.，Izumitani T.，Hyde S.T.，Macromolecules，1992(25)1433中所展示的。

燃料电池中使用的聚合物电解质膜优选具有高离子导电性，尤其沿厚度方向，以便获得高输出。另一方面，吸水后的膨胀优选要小，以达到充分的耐用性。具有如上所述海绵状微相分离结构的聚合物电解质膜已知很好地满足这两方面特征要求。另外，例如，日本专利申请公开号2003-142125表明，优异离子导电性可由这样一种离子导电膜获得，即，它具有使含有离子导电组分的沟道贯通整个膜的排列的微相分离结构。

发明公开

近年来，要求燃料电池进一步改善输出，正因为如此，需要聚合物电解质膜具有比传统膜更加优越的离子导电性。然而，采用传统聚合物电解质膜生产方法很难轻易地获得沿厚度方向具有足够优异离子导电性的聚合物电解质膜。再者，传统上，沿厚度方向离子导电性优异的聚合物电解质膜的结构迄今尚未充分搞清楚。

本发明就是针对此种情况确定的，其目的在于提供一种生产聚合物电解质膜的方法，它能容易地获得离子导电性，尤其是沿厚度方向离子导电性优异的聚合物电解质膜和聚合物电解质膜的近表面区域。本发明的目的是还在于提供一种具有优异沿厚度方向离子导电性的聚合物电解质膜，以及使用其的膜-电极组件和燃料电池。

为达到该目的，作为本发明人倾心研究的结果现已发现，在聚合物电解质膜的生产步骤中，其中近表面区域具有规定结构并因而使其沿厚度方向离子导电性变好的聚合物电解质膜，可通过适当控制溶剂的蒸发来获得，从而实现本发明的目的。

就是说，本发明聚合物电解质膜的生产方法是一种生产具有微相分离结构的聚合物电解质膜的方法，包括从含有聚合物电解质的溶液中蒸发溶剂的蒸发步骤，其特征在于，溶剂蒸发从开始到完成的时间等于或小于60min。