[发明专利]复合高分子电解质膜及使用其的膜电极复合体、固体高分子型燃料电池

说明书

本发明提供即便在低加湿、低温条件下也具有优异的质子传导性、而且尺寸变化率小、机械强度和化学稳定性优异、并且在制成固体高分子型燃料电池时能够实现高输出、优异的物理耐久性的复合高分子电解质膜及使用其的膜电极复合体、固体高分子型燃料电池。该复合高分子电解质膜的特征在于，是具有复合层的复合高分子电解质膜，所述复合层是含有聚唑的纳米纤维无纺布(A)与含有离子性基团的高分子电解质(B)复合化而成的，所述含有聚唑的纳米纤维无纺布(A)为碱性。

技术领域

本发明涉及具有复合层(其是高分子电解质与纳米纤维无纺布复合化而成的)的复合高分子电解质膜及使用其的膜电极复合体、固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池是通过将氢、甲醇等燃料以电化学方式氧化来获取电能的一种发电装置，近年来作为清洁能源供给源而受到关注。其中，固体高分子型燃料电池的标准工作温度低，为100℃左右，并且能量密度高，因此可期待作为较小规模的分散型发电设施、汽车或船舶等移动物体的发电装置而广泛应用。另外，作为小型移动设备、便携式设备的电源也受到关注，可期待代替镍氢电池、锂离子电池等二次电池而装载于手机、个人电脑等。

燃料电池通常以电池单元(cell)为单位而构成，所述电池单元如下形成，即，由发生承担发电的反应的阳极和阴极的电极与用作阳极和阴极间的质子传导体的高分子电解质膜构成膜电极复合体(以下有时简称为MEA)，将该MEA用隔膜(separator)夹持而形成电池单元。以往，作为高分子电解质膜，广泛使用了作为全氟磺酸系聚合物的Nafion(注册商标)(Dupont公司制)制的膜。然而，Nafion(注册商标)制的高分子电解质膜虽然通过由团簇结构(cluster structure)带来的质子传导通道而在低加湿条件下显示出高的质子传导性，但另一方面，由于Nafion制的高分子电解质膜是经过多步合成而制造的，所以非常昂贵，此外，还存在因上述团簇结构而导致燃料渗透(crossover)大这样的问题。另外，还被指出使用后的废弃处理或材料的循环再利用困难之类的问题。

为了克服这样的课题，可替代Nafion(注册商标)的廉价且膜特性优异的烃系高分子电解质膜的开发近年越来越活跃(例如专利文献1)。然而，烃系高分子电解质膜存在干湿循环中的尺寸变化大的倾向，为了提高物理耐久性，要求减少尺寸变化。

因此，出于对燃料电池的干湿循环所伴随的电解质膜的尺寸变化进行抑制的目的，尝试了增强材料与高分子电解质材料的复合化。在专利文献2中提出了用含有聚四氟乙烯的多孔材料对电解质膜进行增强而成的复合高分子电解质膜。在专利文献3中提出了用含有聚苯并唑(polybenzazole)系聚合物的多孔材料对电解质膜进行增强而成的复合高分子电解质膜。在专利文献4中，提出了一种复合高分子电解质膜，其使用磺化聚酰亚胺作为高分子电解质材料，出于作为质子输送部位而发挥功能的目的，与掺杂有磷酸的聚苯并咪唑纳米纤维无纺布进行复合化，由此有效地抑制了尺寸变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2006/087995号

专利文献2：日本特开2013-62240号公报

专利文献3：日本特开2004-217715号公报

专利文献4：日本特开2012-238590号公报

发明内容

发明要解决的问题