[发明专利]固体高分子形燃料电池用电解质材料、电解质膜及膜电极接合体

说明书

技术领域

本发明涉及构成固体高分子形燃料电池的电解质膜的电解质材料或催化剂层所含的电解质材料、使用该电解质材料的固体高分子形燃料电池用电解质膜及固体高分子形燃料电池用膜电极接合体。

背景技术

以往，作为构成离子交换膜(例如用于食盐电解或固体高分子形燃料电池的膜)或燃料电池的催化剂层的电解质材料，广泛使用将下式表示的含氟单体与四氟乙烯的共聚物的氟磺酰基(-SO₂F)转换为磺酸基(-SO₃H)而得的聚合物。下式中，Y¹表示氟原子或三氟甲基，n表示1～12的整数，m表示0～3的整数，p表示0或1，且m+p＞0。

CF₂＝CF-(OCF₂CFY¹)_m-O_p-(CF₂)_n-SO₂F

含磺酸基的聚合物(以下也记作磺酸聚合物)是在用于燃料电池的情况下可使发电能量转换效率提高的聚合物，但为了进一步提高性能，作为该磺酸聚合物，要求电阻更低且软化温度高的聚合物。电阻的降低可通过提高含氟磺酰基的单体的比例，增大磺酸聚合物的离子交换容量实现。但是，对于以往的含氟磺酰基的单体，如果要提高用于共聚的含氟磺酰基的单体的比例，则难以使共聚物的分子量足够大，且存在共聚物遇水过度溶胀的问题。由这样的共聚物形成的膜的机械强度和耐久性不足，存在无法实际使用的问题。

因此，为了获得四氟乙烯含量高的膜以维持高离子交换容量并保持强度，考虑使用分子内具有2个磺酸基或氟磺酰基等可转换为磺酸基的前驱基团的单体。

作为这样的单体，专利文献1中揭示了作为具有2个氟磺酰基的单体的以下的化合物。

[FSO₂(CF₂)_a][FSO₂(CF₂)_b]CF-Q^F-CF₂OCF＝CF₂

该专利文献1中记载的化学式中，a表示1～3的整数，b表示1～3的整数，Q^F表示单键或可具有醚性氧原子的碳数1～6的全氟亚烷基。但是，对于使该单体聚合而得的聚合物和燃料电池用电解质材料没有记载。

此外，专利文献2中提出了由以下的单体得到的磺酸聚合物。

(XSO₂)_kCY¹(CF₂)_mO(CFZCF₂O)_nCF＝CF₂

该专利文献2中记载的化学式中，k为2或3，k+1＝3，m为0～5，n为0～5，X为F、Cl、OH、O(M)_1/L(M为1～3价金属，L为该金属的价数)、OR(R为碳数1～5的烷基，前述烷基可以包含除碳或氢以外的元素)或者A-(SO₂Rf)_aB(A为氮或碳，A为氮时为a＝1，A为碳时为a＝2，B为氢或一价的金属，Rf为全氟烷基)，Y¹为F、Cl或CF₃，Z为F、Cl、CF₃、Br或I。

该磺酸聚合物中，多个磺酸基结合于1个碳原子，这样的结构是否长期具有耐久性未知，稳定性存在问题。

专利文献1：国际公开第2005/003062号文本(权利要求17)

专利文献2：国际公开第03/106515号文本(权利要求书)

发明的揭示

本发明的课题在于提供作为离子交换容量高且阻抗小的电解质材料，具有比以往被广泛使用的电解质材料高的软化温度，在高温、低加湿的环境下也显示出良好的性能和良好的耐久性的固体高分子形燃料电池用电解质材料。