[发明专利]电解质膜

说明书

本发明的目的在于，提供在不对电解质膜实施物理性处理且表面改性效果不失活的情况下改善与催化剂层的接合性，实现良好的发电性能的电解质膜。为了达到上述目的，本发明的电解质膜包含高分子电解质和非离子性氟系表面活性剂。

技术领域

本发明涉及用于固体高分子型燃料电池等的电解质膜。

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。

燃料电池通常以利用隔膜夹持膜电极复合体(Membrane Electrode Assembly：MEA)而得的电池单元作为单元来构成。MEA是在电解质膜的两面配置催化剂层，并进一步在其两侧配置气体扩散层而得的复合体。MEA由夹持电解质膜而配置于两侧的催化剂层和气体扩散层构成一对电极层，其中的一方为阳极电极，另一方为阴极电极。通过包含氢的燃料气体与阳极电极接触，并且空气与阴极电极接触，从而通过电化学反应产生电力。电解质膜以高分子电解质材料为主来构成。高分子电解质材料还可用于催化剂层的粘结剂。

以往，作为高分子电解质材料，广泛使用了作为氟系高分子电解质的Nafion(注册商标)(Dupont公司制)。Nafion(注册商标)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质子传导性。另一方面，由于Nafion(注册商标)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，在燃料电池工作条件下，重复干湿循环，尤其是电解质膜重复溶胀收缩。此时，存在下述这样的问题：电解质膜被隔膜等束缚，因此，产生褶皱和松弛，由于局部的应力集中而使膜破损，丧失膜的机械强度、物理耐久性。进而，被指出软化点低而无法在高温下使用这样的问题、以及使用后的废弃处理的问题、材料难以再循环这样的问题。为了克服这样的课题，近年来，能够替代Nafion(注册商标)的、廉价且膜特性优异的烃系电解质膜的开发也越发活跃。

另一方面，为了提高燃料电池的发电性能，催化剂层与电解质膜之间的界面的接合性高是重要的。以往，由于催化剂层与电解质膜的界面的接合性不充分，所以在两者的界面中产生的界面电阻增大，存在发电性能下降的课题。因此，为了提高两者的接合性，提出了对电解质膜的表面进行改性的方法、增加与催化剂层的接触面积的方法、以及在电解质膜上直接涂敷催化剂层的方法。

专利文献1中记载了：对电解质膜的表面进行等离子体处理或电晕放电处理而进行改性的方法。专利文献2中记载了：通过在电解质膜的表面设计凹凸结构，从而增加与催化剂层的接触面积的方法。专利文献3中记载了：对电解质膜直接涂敷催化剂层的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-218154号公报

专利文献2：日本特开2005-166401号公报

专利文献3：日本特开2004-146367号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1中存在下述问题：等离子体或电晕放电处理效果的寿命存在限制，改性效果失活。另外，专利文献2中存在下述问题：以设置于膜的表面且膜厚薄的凹部为基点而容易引起膜的断裂，耐久性下降。专利文献3中存在下述问题：在电解质膜上涂敷催化剂层时，电解质膜吸收催化剂层中含有的溶剂而发生溶胀，因此，电解质膜产生褶皱、松弛，耐久性下降。