[发明专利]质子传导性复合电解质、使用其的膜电极组件、以及使用膜电极组件的电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子传导性复合电解质、使用其的膜电极组件、以及使用膜电极组件的电化学装置，例如燃料电池。

背景技术

作为被构造成将化学能转换为电能的电化学装置的燃料电池在能量转换过程中具有高的效率并且不会产生环境污染物。因此，在作为用于移动信息装置、家用、汽车等的清洁电源引人注目的燃料电池方面存在进展。

根据所使用的电解质的类型，可将燃料电池分为磷酸型燃料电池(PAFC)、融熔碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、高分子电解质型燃料电池(PEFC)、碱型燃料电池(AFC)等。这些燃料电池在所使用的燃料的类型、操作温度(工作温度)、催化剂、电解质等方面彼此不同。其中，由于PEFC可以实现低温操作、高输出密度、快速驱动和输出应答等，因此PEFC被认为不仅对于小规模固定型发电装置，而且还对用于诸如汽车的运输系统的发电装置是有前景的。

作为PEFC的主要部件(部分)的膜电极组件(MEA)通常包括通过将高分子电解质加工成膜状而获得的高分子电解质膜、以及设置在该高分子电解质膜的两个表面上并分别起阴极和阳极作用的两个电极(催化剂电极)。

高分子电解质膜具有质子导体(质子传导体)的作用，而且还具有用于防止氧化剂与还原剂之间的直接接触的隔离膜的作用以及使两个电极电绝缘的作用。对于高分子电解质膜，要求以下条件，例如(1)高质子传导性，(2)高电绝缘性，(3)对燃料电池中的反应物和反应产物的低渗透性，(4)在燃料电池的操作条件下令人满意的热稳定性、化学稳定性、和机械稳定性，以及(5)低成本。

到目前为止，已经开发了多种类型的高分子电解质。认为由全氟磺酸基树脂构成的电解质在耐久性和性能方面是优异的。

在直接甲醇燃料电池(DMFC)的情况下，甲醇水溶液作为燃料被供给阳极。然而，一部分未反应的甲醇水溶液会渗透通过高分子电解质膜，并且该渗透的甲醇水溶液会扩散到整个电解质膜并到达阴极催化剂层。这种现象被称为“甲醇渗透(甲醇跨越，methanol crossover)”。通过甲醇渗透，在阴极中引起甲醇的直接氧化，其中应当发生了氢离子(质子)与氧之间的电化学还原反应。因此，阴极电位下降，这可能使燃料电池的性能下降。该问题不仅在其中使用甲醇的燃料电池中是常见的，而且在其中使用其它有机燃料的燃料电池中也是常见的。

用来实现燃料电池的实际应用和普及的一项重要任务是通过以下来延长燃料电池的寿命：例如，抑制电极、贵金属催化剂、电解质膜等的材料在长期操作过程中的降解；抑制由电化学反应产生的水的影响；抑制由燃料分子透过电解质膜并随后在电极之间的渗透而引起的燃料损失；抑制过氧化氢的产生；抑制来自过氧化氢的基团(自由基)的产生；以及抑制该基团的影响。为了该目的，已经期望开发一种具有高反应活性且不易被降解的催化剂材料，以及具有燃料分子的低渗透性和良好的质子传导特性(质子传导性)的电解质膜。

已经报道了关于改善电解质的质子传导特性和抑制电极之间的渗透的多种方法。

首先，下面题为“离子传导性膜和使用其的燃料电池(Ion-conductivemembrane and fuel cell using the same)”的PTL 1包括以下描述。

PTL 1的发明提供了一种由离子传导性聚合物和含氮化合物的复合材料构成的离子传导性膜，其中该含氮化合物具有对离子传导性聚合物的固定化位置(固定位置)并且当其被质子化时具有互变异构结构。因此，提供了一种能够抑制甲醇的渗透同时保持离子传导特性的离子传导性膜。

另外，下面题为“离子传导性膜、用于生产其的方法、以及电化学装置(Ion-conductive membrane，method for producing the same，andelectrochemical device)”的PTL 2包括以下描述。

PTL 2的发明的目的是提供一种不溶于水和燃料并且可以进行离子(例如质子)的稳定传导的离子导体、用于生产该离子导体的方法、以及电化学装置。

PTL 2的发明涉及一种包括其中离子解离性基团结合于碳物质的衍生物，以及具有碱性基团的物质的聚合物的离子导体，其中该碳物质由选自由富勒烯分子、包含碳作为主要成分的簇、以及线状或筒状碳的结构组成的组中的至少一种构成。