[发明专利]离子传导复合电解质、利用其的膜电极组件、利用膜电极组件的电化学装置及制造离子传导复合电解质膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子传导复合电解质(ion-conductive composite electrolyte)、一种利用其的膜电极组件(membrane-electrode assembly)、以一种利用膜电极组件的电化学装置如燃料电池、以及一种制造离子传导复合电解质膜的方法。

背景技术

燃料电池，其是将化学能转换为电能的电化学装置，具有高效率并且在能量转换过程中不会产生环境污染物。因此，燃料电池作为用于移动信息装置、家庭、汽车等的清电源已经吸引关注，并且其开发已被推进。

燃料电池根据所使用电解质的种类分成磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、聚合物电解质型燃料电池(PEFC)、碱性型燃料电池(AFC)等。这些燃料电池在所使用燃料的种类、操作温度、催化剂、电解质等方面彼此不同。这之中，由于PEFC能够实现低温操作、高输出密度、快速驱动和输出响应等，所以认为PEFC不仅对于小规模固定(静态，stationary)发电装置而且对于运输系统如汽车中使用的发电装置都是大有前景的。

作为PEFC的主要部件的膜电极组件(MEA)通常包括通过将聚合物电解质加工成膜状形式而获得的聚合物电解质膜、以及设置在该聚合物电解质膜的两个表面上并且分别充当正极和负极的两个电极(催化电极)。

该聚合物电解质膜具有质子导体(proton conductor)的功能，并且进一步具有用于防止氧化剂和还原剂之间的直接接触的分隔膜的功能以及使两个电极电绝缘的功能。对于聚合物电解质膜，要求这样的条件，如(1)高质子传导性、(2)高电绝缘性、(3)对于燃料电池中的反应物和反应产物的低渗透性、(4)燃料电池的操作条件下满意的热、化学和机械稳定性、以及(5)低成本。

迄今，已经开发了各种类型的聚合物电解质。认为由全氟磺酸类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，含水甲醇溶液作为燃料供给负极。然而，未反应的含水甲醇溶液的一部分渗透通过聚合物电解质膜，并且这种渗透的含水甲醇溶液在电解质膜上铺展并到达正极催化剂层。这种现象称为“甲醇窜流(methanol crossover)”。通过甲醇窜流，在正极中引起甲醇的直接氧化，其中应发生氢离子(质子)和氧之间的电化学还原反应。因此，正极电势降低，这可以引起燃料电池的性能降低。这个问题不仅对于其中使用甲醇的燃料电池而且对于其中使用其他有机燃料的燃料电池都是共同的。

实现燃料电池的实际应用以及广泛用途的重要任务是延长燃料电池的寿命，例如通过抑制电极材料、贵金属催化剂、电解质膜等在长期操作中的降解；抑制由电化学反应产生的水的影响；抑制燃料分子渗透过电解质膜以及后续的电极之间的窜流引起的燃料损失；抑制过氧化氢的产生；以及抑制自由基的影响。为此，已经期望开发具有高反应活性且不易于降解的催化剂材料以及具有低燃料分子渗透性和良好质子传导性的电解质膜。

关于电解质的质子传导性的改善以及电极之间的窜流的抑制，已经报道了各种方法。

首先，以下标题为“Ion-conductive membrane and fuel cell using the same(离子导体和利用其的燃料电池)”的PTL 1包括以下描述。

PTL 1的发明提供了一种由离子传导聚合物和含氮化合物的复合材料构成的离子导体，其中该含氮化合物对离子传导聚合物具有固定化部位并且在被质子化时具有互变异构结构(tautomeric structure)。由此，提供了一种能够抑制甲醇窜流同时维持离子传导性的离子导体。

另外，以下标题为“Ion-conductive membrane，method for producing the same，and electrochemical device(离子传导膜、制造其的方法以及电化学装置)”的PTL 2包括以下描述。

PTL 2的发明的目的是提供在水和燃料中不溶且能够进行稳定离子如质子的传导的离子导体、制造其的方法、以及电化学装置。

PTL 2的发明涉及包括其中离子离解性基团(ion-dissociative group)键接于碳物质的衍生物的离子导体，该碳物质由选自由富勒烯(fulerene)分子、含有碳作为主要组分的族、以及线形或圆柱形碳的结构构成的组中的至少一种构成；以及具有碱性基团的物质的聚合物。