[发明专利]阴离子传导性电解质树脂及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有高阴离子传导性并且加工性优良的阴离子传导性电解质树脂及其制造方法。

背景技术

燃料电池通过将燃料和氧化剂提供给电连接的两个电极、并在电化学上使燃料发生氧化，由此将化学能直接转换为电能。与火力发电不同，由于燃料电池不受卡诺循环的限制，因此显示出较高的能量转换效率。燃料电池通常是将单个单元层积多个而构成的，所述单个单元将由一对电极夹持电解质膜的膜·电极接合体作为基本结构。其中，使用固体高分子电解质膜作为电解质膜的固体高分子电解质形燃料电池由于具有容易小型化并且以低温进行工作等优点，因此作为便携式移动体所使用的电源而备受瞩目。

碱燃料电池在以氢为燃料时，在阳极(燃料极)进行式(1)的反应。

H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-…(1)

在所述式(1)中产生的电子经由外部电路在外部负载进行工作后到达阴极(氧化剂极)。并且，在所述式(1)中生成的水主要通过气体扩散层被排到外部，或者经固体高分子电解质膜内从阳极透过到阴极，在阴极中被使用在后述的式(2)的反应中。

另外，在将氧作为氧化剂时，在阴极进行式(2)的反应。

(1/2)O₂+H₂O+2e^-→2OH^-…(2)

在所述式(2)中生成的氢氧根离子在水合后的状态下，经固体高分子电解质膜内通过电渗透从阴极侧向阳极侧移动。如此，燃料电池没有除水以外的排出物，是清洁的发电装置。

以往，作为使用在碱燃料电池上的阴离子传导性电解质树脂，一般使用通过高分子反应而对组合烃系单体而得到的共聚物或者聚合物混合物进行改性而得到的树脂。但是，已知这样的树脂在存在强碱的情况下明显劣化。另外，烃系聚合物由于不具有足够的耐久性，因此例如作为混合在燃料电池中的催化剂层而使用的电解质树脂是不合适的。

为了克服与烃系阴离子传导性电解质树脂有关的上述问题，与使用氟系聚合物的阴离子传导性电解质树脂相关的技术开发在此之前也进行了尝试。

在专利文献1中公开了涉及阴离子交换体聚合物溶液的技术，其特征在于：由将含氟阴离子交换聚合物溶解在含氟含酒精的溶剂中而成的溶液构成，其中含氟阴离子交换聚合物主链由全氟化碳聚合物构成，在侧链末端包含被四级化的氮原子。

专利文献2公开了包含第四级铵基作为阴离子交换基、主链由全氟化碳聚合物构成的阴离子交换膜的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2001-81261号公報；

专利文献2：日本专利文献特公平3-12568号公報。

发明内容

发明所要解决的问题

如所述式(2)所示、在碱燃料电池的阴极侧，必须是作为气体的氧气(O₂)和作为液体的水(H₂O)、并且干预电子(e^-)的传导的固体在纳米级的催化剂反应阶段同时混合存在、反应。因此，在阴极侧为了形成良好的三相界面，需要氧气和水的透过性好并且传导被生成的氢氧根离子、并且还具有用于使电极催化剂层适当地混合的加工性的阴离子传导性电解质树脂。

专利文献1或2都公开了涉及氟系聚合物和含有第4级铵基的基通过共价键连接的阴离子传导性电解质树脂的技术，但是这样的物质不能得到作为适于混合在电极催化剂层并加工的溶液或分散液而具有良好的性质。

并且，专利文献2公开的技术主要是阴离子交换膜的技术，而对作为例如被包含在催化剂层的阴离子传导性电解质树脂所需要的特性的加工性没有记载。

本发明其目的在于提供一种阴离子传导性电解质树脂及其制造方法，具有较高的阴离子传导性并且加工性优良，特别是容易形成电极催化剂层中的离子传导相。

用于解决问题的手段

本发明的阴离子传导性电解质树脂，其特征在于，具有一部分或者全体具有磺酸根(Sulfonato)(-SO₃^-)的全氟化碳电解质聚合物以及具有两个以上持正电荷的基的修饰分子，通过所述全氟化碳电解质聚合物上的磺酸根与所述修饰分子上的持正电荷的1个以上的基发生离子相互作用，所述全氟化碳电解质聚合物被所述修饰分子修饰，所述修饰分子上的持正电荷的剩余的基与阴离子发生离子相互作用。