[发明专利]聚合物电解质膜及其制造方法以及膜电极组件及聚合物电解质燃料电池

说明书

技术领域

本发明分别涉及聚合物电解质膜及其制造方法，以及使用该聚合 物电解质膜的膜电极组件及聚合物电解质燃料电池。

背景技术

近年来，作为能源和/或环境问题的根本解决对策，以及进一步作 为未来的氢能时代的中心能量转化系统，燃料电池技术引起关注。特 别是，从电池的小型化和轻量化等观点出发，尝试将聚合物电解质燃 料电池(PEFC或PEMFC)用作电动汽车用电源、便携式设备用电源，以 及进一步用于家庭固定的同时利用电和热的电源设备。

聚合物电解质燃料电池通常如下构成。首先，在具有质子传导性 的聚合物电解质膜的两侧，分别形成含有担载于碳粉末上的铂族金属 催化剂和包含聚合物电解质的离子传导粘结剂的催化剂层。在催化剂 层的外侧，分别形成作为燃料气体和氧化剂气体透过的多孔材料的气 体扩散层。作为气体扩散层，使用碳纸、碳布等。催化剂层与气体扩 散层的一体化组合称为气体扩散电极，一对气体扩散电极接合到电解 质膜上使得催化剂层能分别面向电解质膜的结构称为膜电极组件 (MEA)。在膜电极组件的两侧，设置具有导电性和气密性的隔膜。在膜 电极组件与隔膜的接触部分或隔膜内，分别形成将燃料气体或氧化剂 气体(例如空气)供给到电极表面的气体通道。通过向一个电极(燃料电 极)供给燃料气体如氢气或甲醇、向另一个电极(氧电极)供给含有氧的 氧化剂气体如空气而开始发电。即，燃料气体在燃料电极被离子化而 形成质子和电子，质子穿过电解质膜而迁移到氧电极，电子经由连接 两个电极而形成的外部电路迁移到氧电极，它们与氧化剂气体反应而 形成水。因此，燃料气体的化学能直接转化成能输出的电能。

作为聚合物电解质燃料电池用聚合物电解质膜，出于化学稳定的 理由，通常使用作为全氟碳磺酸聚合物的Nafion(杜邦公司的注册商标， 下同)。然而，Nafion由于是氟聚合物因而非常昂贵。另外，Nafion存 在下列问题：当使用甲醇作为燃料时，可能发生甲醇从一个电极侧向 另一个电极侧透过电解质膜(甲醇渗透)的现象。另外，含氟聚合物含有 氟，其合成和废弃时需要考虑对环境的影响。从这些背景考虑，希望 开发新型聚合物电解质膜。

作为使用非氟共聚物作为基础的离子传导聚合物，已知使用聚乙 烯醇作为基础的离子传导聚合物的研究例。聚乙烯醇聚合物是廉价的 树脂并容易成形为膜，因此，认为其作为低成本的离子传导聚合物膜 有用。另外，由于聚乙烯醇聚合物实质上不含卤素，因此它们具有废 弃时对环境负荷小的优点。例如，有使用通过使具有磺酸基作为离子 传导基团的单体与乙酸乙烯酯共聚、然后将所得的共聚物皂化而得到 的具有磺酸基的聚乙烯醇聚合物的例子的报告(非专利文献1)。然而， 由于作为聚乙烯醇聚合物原料的乙酸乙烯酯通常与其它可共聚单体的 共聚反应性差，因此难以向聚合物中导入大量的离子传导基团，结果， 难以显现作为离子传导聚合物重要的离子传导性。为了解决该问题， 有研究了含磺酸基聚苯乙烯和聚乙烯醇的共混物(专利文献1)或通过该 共混物交联而得到的物质(专利文献2)的例子，但是，首先，聚乙烯醇 聚合物与聚苯乙烯型聚合物的相容性差，它们彼此剧烈地相分离，因 此，推测膜的均匀性上存在问题。单独地，有通过将无机酸与聚乙烯 醇聚合物混合来产生离子传导性的方法的报道(专利文献3)，但是，当 使用水或甲醇水溶液作为燃料时(直接甲醇燃料电池)，电解质膜中含有 的无机盐溶出到甲醇水溶液中。结果，无机盐进入到催化剂层侧，电 解质内的无机盐浓度降低，膜的离子传导率降低。

因此，实际情况是还没有提出经济的且性能得到改善的聚乙烯醇 聚合物电解质膜。

专利文献1：JP 5-174856A

专利文献2：JP 6-76838A

专利文献3：JP 2004-146208A

非专利文献1：聚合物学会摘要集，54(1)，1755页(2005)

发明内容

本发明的目的在于分别提供经济的、具有离子传导性优异的离子 通道并且实质上不含卤素的环境友好的聚合物电解质膜及其制造方 法，以及使用该聚合物电解质膜的膜电极组件及聚合物电解质燃料电 池。

本发明人发现，通过使用一种聚合物电解质膜能够解决所述问题， 其包含嵌段共聚物作为主要成分，所述嵌段共聚物包含乙烯醇聚合物 嵌段和具有离子传导基团的聚合物嵌段作为其构成成分，并且完成了 本发明。