[发明专利]电解质材料以及使用了此材料的质子传导性电解质膜、膜电极接合体及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及电解质材料以及使用了此材料的质子传导性电解质膜、膜电极接合体及固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池发电效率高，目前期待作为对成为重要课题的地球环境问题及能量问题的解决有贡献的新一代的发电装置。

在该燃料电池中，固体高分子型燃料电池与其它的任一方式相比都是小型且高输出功率，作为小规模现场型、移动体(车载)用、便携用等燃料电池成为新一代的主力。

作为燃料电池的高分子电解质膜，以全氟亚烷基为主骨架，一部分作为在全氟乙烯基醚侧链的末端上具有磺酸基、羧酸基等离子交换基的氟系的高分子电解质膜公知的有“Nafion膜(注册商标)”、“flemion(注册商标)”等。

但是，这些氟系的高分子电解质膜非常昂贵，另外，在现在使用的燃料电池的高分子电解质膜即“Nafion膜(注册商标)”等中，在以超过100℃的条件进行运转时，除了高分子电解质膜的含水率急剧下降之外，高分子电解质膜的软化也变得显著。尤其是在将来期待的直接甲醇型燃料电池中，在将现有的“Nafion膜(注册商标)”这样的氟系质子传导性高分子材料作为电解质使用的情况下，穿过了阳极的甲醇向电解质中扩散而到达阴极，于是会引起在阴极催化剂上与氧化剂(O₂)直接反应这样的短路现象(切断：crossover)，使电池性能显著低下，因此，存在不能充分地发挥性能的问题。

为解决上述问题，目前，进行了各种各样的向成为氟系膜的代替品的耐热性的芳香族聚合物导入用于赋予质子传导性的磺酸基的高分子电解质膜的研究。例如，从高分子电解质膜的耐热性及化学的稳定性的观点考虑，例如在专利文献1～3中公开有使用磺化芳香族聚醚酮类、磺化芳香族聚醚砜类、磺化聚亚苯基类等的高分子电解质膜。

但是，一般公知的是，上述烃系电解质膜为了使质子传导率提高而使离子交换基组成增加时，存在长期耐久性低下的折衷选择的关系。

为解决该问题，如专利文献4及5所记载的那样，研究了由含有离子交换基的亲水部和不含有离子交换基的疏水部构成的嵌段电解质聚合物。

另外，在专利文献6中公开有在成为聚合物的主干的直链部分具有-C-Si-C-结构的质子传导性材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开平6-93114号公报

专利文献2：日本特许第3861367号公报

专利文献3：特开2001-329053号公报

专利文献4：特开2005-112985号公报

专利文献5：特开2007-106986号公报

专利文献6：特开2011-74196号公报

发明内容

发明要解决的课题

仅使用了专利文献4及5记载的聚醚砜系嵌段共聚物及聚醚酮系嵌段共聚物时，质子传导率比氟系电解质膜低。为获得良好的输出功率特性，需要使离子交换基的组成(比例)增加。但是，在增加离子交换基的比例时，引起膨润，尺寸有大的变化，因此，存在长期耐久性差的课题。

另外，专利文献6所记载的在直链部分具有-C-Si-C-结构的聚合物在物理上变脆，因此，需要降低Si的含有率。

本发明的目的是制作离子传导度高、耐水性优异、尺寸变化小、具有柔软性的质子传导性电解质膜，提供输出功率高且耐久性高的固体高分子型燃料电池。

用于解决课题的手段

本发明的电解质材料，其特征在于，包含：在侧链具备具有质子传导性的官能团、和Si或Ti的醇盐的聚乙烯系共聚物。

发明效果

根据本发明，能够获得具有高离子传导性，同时，尺寸变化小、物理稳定性优异的质子传导性电解质膜。

另外，根据本发明，能够提高燃料电池的输出功率，延长寿命。

附图说明

图1是合成的乙烯基磺酸和三乙氧基乙烯基硅烷的共聚物的1H-NMR光谱图；

图2是表示小型发电单元的内部结构的展开立体图。

符号说明：

1：膜电极接合体

2、3：气体扩散层、

4、5：隔板、

6、7：集电板、

8、9：绝缘部件、

10：单元用加热器、

11：密封部件、

100：单元

具体实施方式