[发明专利]固体高分子型燃料电池的电解质膜增强用膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种双轴取向膜，其适合作为固体高分子型燃料电池(以下，有时称为PEFC)的电解质膜的增强部件。更详细地说，本发明涉及一种具有优异的耐热水性和机械强度、适合作为PEFC的电解质膜的增强部件的双轴取向膜。

背景技术

近年来，从环境问题的角度考虑，人们正在积极地进行燃料电池的开发。根据所使用的电解质种类的不同，已知有固体高分子电解质型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等各种燃料电池。在这些燃料电池之中，固体高分子型燃料电池(PEFC)由于反应温度较低，并且电解质的固定容易，因此开辟出作为小型的家庭用电源、便携电源、移动体用电源的用途，特别是积极地推进在汽车用途方面的开发。

PEFC是利用如下现象的燃料电池：当使分子中具有质子(氢离子)交换基团的高分子树脂膜含水至饱和状态时，作为质子导电性电解质发挥功能。PEFC通过由间隔物挟持膜-电极接合体(燃料电池单元)而构成，该膜-电极接合体具有由高分子离子交换膜(阳离子交换膜)制成的高分子电解质膜和分别配置在该电解质的两侧的阳极侧电极和阴极侧电极。供给于阳极侧电极的燃料气体，例如氢，在催化剂电极上被氢离子化，介由被适度加湿的高分子电解质膜向阴极侧电极侧移动。其间产生的电子被取出到外部电路，作为直流电能被利用。由于向阴极侧电极供给氧化剂气体，例如氧气或者空气，因此在该阴极侧电极上，上述氢离子、上述电子和氧发生反应，生成水。

作为高分子电解质膜，使用全氟磺酸树脂膜(例如“Nafion”(杜邦公司的注册商标))，为了减小高分子电解质膜的电阻率以得到较高的发电效率，通常在50～100℃左右的温度条件下运行。该高分子电解质膜被要求电导率的提高和成本的降低，并且由于原材料为极薄的膜状，因此难以处理。

因此，与电极接合时、将多个单电池层叠而组合成电池堆的装配作业时，在其周边部常常产生褶皱。并且，即使在完全没有褶皱等的状态下，电池堆的构成部件之中高分子电解质膜的机械强度最低，这已成为问题。并且，例如，在PEFC中，为了减小气体泄漏、构成部件的电气接触电阻等，经常将电池整体紧固。已有人指出，由于该压力，特别是电解质膜易发生经时劣化，并牵连到电池的耐久性降低。

于是，日本特开平7-65847号公报(专利文献1)提出了如下增强框：该增强框用于机械增强电解质膜，同时使燃料气体、氧化剂气体不会从与电解质膜的边界面泄漏。作为增强框，优选即使在工作温度下也具有所要求的机械强度、耐蚀性等，公开了聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维增强环氧树脂、钛、碳。

此外，日本特开平10-199551号公报(专利文献2)提出了在固定于电解质膜两面的多孔质体的外周端部使用具有气密性的框部件的方案。作为框部件的材料，举出了聚碳酸酯、乙烯丙烯共聚物、聚酯、改性聚苯醚、聚苯硫醚、丙烯腈苯乙烯等。

在日本特开2007-103170号公报(专利文献3)中，作为电解质膜的增强用膜，提出了使用聚萘二甲酸乙二醇酯的双轴取向聚酯膜(以下，有时称为PEN膜)。专利文献3提供了一种框部件，该框部件通过使用PEN膜，在高机械强度和加工温度·使用温度区域方面具有优异的耐热尺寸稳定性，并且在高湿度的使用环境中具有优异的水解性。

日本特开2007-250249号公报(专利文献4)提出了如下方案：在用于燃料电池的密封一体型膜电极接合体中，在密封部件的内部具有刚性高于密封部件的增强部件。作为增强部件的树脂，举出了聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚丙烯、聚酰亚胺。

如此，作为固体高分子型燃料电池的电解质膜增强部件，主要从机械强度方面研究了各种树脂。

另一方面，对增强部件还要求长期可靠性，同时要求不仅具有如现有技术那样的初期的增强强度，而且即使在高温·高湿度的使用环境下也能够长期保持其机械强度的材料。

专利文献1：日本特开平7-65847号公报

专利文献2：日本特开平10-199551号公报

专利文献3：日本特开2007-103170号公报

专利文献4：日本特开2007-250249号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种双轴取向膜，该双轴取向膜在高温·高湿度的使用环境下具有优异的耐热水性，能够长期保持增强效果，并且适合作为固体高分子型燃料电池的电解质膜的增强部件。