[发明专利]高分子电解质膜

说明书

技术领域

本发明涉及对固体高分子型燃料电池有用的高分子电解质膜。

背景技术

近年来，燃料电池作为效率高的发电系统而受到关注。燃料电池根据电解质的种类而分类为熔融碳酸盐型、固体氧化物型、磷酸型、固体高分子型等。其中，从低温工作性、小型轻量化等观点出发，正在研究包含用电极(阳极和阴极)夹持高分子电解质膜的结构并且通过对阳极供给包含还原剂的燃料(通常为氢气或甲醇)且对阴极供给氧化剂(通常为空气)而发电的固体高分子型燃料电池在汽车用电源、便携式设备电源、家庭用联产系统等中的应用。

作为固体高分子型燃料电池中使用的高分子电解质膜的材料，从化学稳定性的观点考虑，经常使用全氟碳磺酸系高分子，但因为含有氟，因此，生产时和废弃时的环境负荷成为问题。

基于此种情况，近年来要求由不含氟的材料(非氟系材料)构成的高分子电解质膜。例如，已知由导入有磺酸基的聚醚醚酮(PEEK)构成的高分子电解质膜(参照专利文献1)。所述高分子电解质膜的耐热性优良，但硬质且脆，因此容易破裂，缺乏实用性。

另一方面，已知包含嵌段共聚物的高分子电解质膜，所述嵌段共聚物含有包含来自芳香族乙烯基化合物的结构单元且具有离子传导性基团的聚合物嵌段和柔性聚合物嵌段(参照专利文献2)。该高分子电解质膜柔软且不易破裂。

此外，上述具有离子传导性基团的聚合物嵌段与柔性聚合物嵌段呈微相分离而形成离子传导性通道，因此离子传导性优良。

另一方面，在以氢气为燃料的燃料电池中，为了高输出化而要求提高使用温度，为了应对该要求，研究了高分子电解质膜对热水(例如90℃以上)的耐久性(耐热水性)，具体而言，研究了热水所引起的高分子电解质膜的溶出的抑制、与此相伴的在高温下的长时间运转中的电压下降的抑制。

例如，已知以上述柔性聚合物嵌段作为来自乙烯基类化合物的结构单元，以将该柔性聚合物嵌段用1,2-聚丁二烯等交联而得到的嵌段共聚物作为主成分，由此，高分子电解质膜的耐热水性提高(参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-93114号公报

专利文献2：国际公开第2006/070929号

专利文献3：国际公开第2012/043400号

发明内容

发明所要解决的问题

然而，针对固体高分子型燃料电池的更进一步的高输出化，耐热水性还有改善的余地。

因此，本发明的目的在于提供包含非氟系材料的、柔软、不易破裂且耐热水性优良的高分子电解质膜。

用于解决问题的方法

根据本发明，上述目的通过提供一种高分子电解质膜而实现，所述高分子电解质膜利用分子中具有2个以上的芳香环且该芳香环中的1个以上氢原子被羟基取代的交联剂(X)(以下简称为“交联剂(X)”)使嵌段共聚物(Z)交联而得到，所述嵌段共聚物(Z)含有包含来自芳香族乙烯基化合物的结构单元且具有离子传导性基团的聚合物嵌段(A)(以下简称为“聚合物嵌段(A)”)和包含来自不饱和脂肪族烃的结构单元且不具有离子传导性基团的非晶态的聚合物嵌段(B)(以下简称为“聚合物嵌段(B)”)。

发明效果

根据本发明，能够提供包含非氟系材料、柔软、不易破裂且耐热水性优良的高分子电解质膜。

具体实施方式

[高分子电解质膜]

本发明的高分子电解质膜中，聚合物嵌段(A)和聚合物嵌段(B)形成微相分离结构。其结果是，包含聚合物嵌段(A)的相形成离子传导性通道，因此显示出良好的离子传导性。

另外，此处，“微相分离”是指微观意义上的相分离，更详细地说，是指所形成的相区尺寸为可见光波长以下的相分离。

从机械强度、处理性等观点出发，本发明的高分子电解质膜的膜厚优选为1～500μm的范围，更优选为5～300μm的范围，进一步优选为7～50μm的范围，特别优选为10～30μm，最优选为15～25μm。如果膜厚为1μm以上，则高分子电解质膜的机械强度、燃料的阻断性良好，如果膜厚为500μm以下，则高分子电解质膜的离子传导性良好。

本发明的高分子电解质膜可以为包括利用交联剂(X)使包含聚合物嵌段(A)与聚合物嵌段(B)的嵌段共聚物(Z)交联的至少1层高分子电解质层的多层膜。

(嵌段共聚物(Z))