高分子电解质、以及使用该高分子电解质的高分子电解质膜、膜-电极接合体和燃料电池制造技术

本发明专利技术提供离子交换容量为１．７ｍｅｑ／ｇ以上，且在用选自Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺、Ｎ－甲基－２－吡咯烷酮、二甲基亚砜、Ｎ，Ｎ－二甲基乙酰胺、环丁砜和γ－丁内酯中的至少一种溶剂制成１质量％溶液时在４０℃的比浓粘度为１６０ｍｌ／ｇ以上的高分子电解质。或提供离子交换容量为１．７ｍｅｑ／ｇ以上，且在用选自Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺、Ｎ－甲基－２－吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种溶剂制成１质量％溶液时在４０℃的比浓粘度为１６０ｍｌ／ｇ以上的高分子电解质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及高分子电解质、以及使用该高分子电解质的高分子电解 质膜、膜-电极接合体和燃料电池。
技术介绍
固体高分子型燃料电池中，质子传导膜使用含有质子传导性的高分 子电解质膜的质子传导膜。近年来，作为住宅用或汽车用等用途的发电 机，期待固体高分子型燃料电池的实用化，需要所述燃料电池以比以往 更高的发电效率运转。要使高效率运转成为可能有提高质子传导膜的质子传导性的方法， 为了确保高的质子传导性，必须将质子传导膜(高分子电解质膜)充分加 湿。另外，燃料电池工作时(发电时)，由于原料气体的反应而生成水， 这也被高分子电解质膜吸收。因此，燃料电池运转时，高分子电解质膜 呈膨润状态。在停止时，不会象工作时那样产生水，因此，高分子电解 质膜随着含水量的降低而收缩。这样，燃料电池中的高分子电解质膜随 着燃料电池的运转、停止而膨胀、收缩。例如，在住宅中使用燃料电池时，推测的运转模式是在电消耗量 多的白天运转燃料电池，在电消耗量少的夜间停止燃料电池。而作为汽 车的动力源使用时'，行走状态与停止状态频繁交替，燃料电池也随之运 转、停止。但是，在上述运转、停止反复进行的使用条件下，高分子电解质反 复膨胀、收缩。这种情况下，由于尺寸变化，高分子电解质膜本身容易 发生破裂等劣化，除此之外还会破坏该高分子电解质膜周边的部件。因 此，以往的燃料电池为了可以高效率运转而在高湿条件下使用时，其耐 久性不足。因此，为了避免上述问题，在日本特开2002-34380号公报中公开了 可以在低加湿条件下运转、随吸水而发生的尺寸变化小的高分子电解质 膜。所述高分子电解质膜的电阻率为20 Q'cm以下，含水时的尺寸变化率为-5%至+5%，低电阻且质子传导性优异，并且含水时尺寸变化小。
技术实现思路
但是，使用上述以往技术的高分子电解质膜时，燃料电池大多无法 发挥充分的输出功率，很难确实地实现高效率的运转。因此，本专利技术鉴于上述情况，目的在于提供高分子电解质，该高分 子电解质可以形成能确实地获得高效率燃料电池、并且伴随着含水的尺 寸变化少的高分子电解质膜。本专利技术的目的还在于提供使用上述高分子 电解质的高分子电解质膜、膜-电极接合体、以及燃料电池。为实现上述目的，本专利技术的高分子电解质的特征在于离子交换容 量为1.7meq/g以上，且用选自N,N-二曱基曱酰胺、N-甲基-2-败咯烷酮、 二甲基亚砜、N，N-二甲基乙酰胺、环丁砜和y-丁内酯中的至少一种溶剂 制成1质量％溶液时在40 °C的比浓粘度为160 mL/g以上。上述以往技术的高分子电解质膜如上所述，膜的电阻率为20Q'cm， 为低电阻。该电阻率是沿着膜的面方向通过交流阻抗法测定的值。但是， 本专利技术人对于在燃料电池中使用的高分子电解质膜进行了详细的研究， 发现为提高燃料电池的运转效率，作为膜的电阻，重要的不是通常测 定的面方向的电阻，而是厚度方向的电阻。这是由于，实际的燃料电池 中，质子不是沿质子传导膜的面方向流动，而是沿膜厚方向流动。高分 子电解质膜中，有在膜的面方向和膜厚方向质子传导性具有各向异性的 高分子电解质膜，在这种高分子电解质膜中，只降低上述面方向的电阻 不能提供充分高效率的燃料电池。与此相对，具有上述构成的本专利技术的高分子电解质可以更确实地形 成不仅膜面方向的电阻小、膜厚方向的电阻也小的高分子电解质膜。因 此，通过使用所述高分子电解质膜，可以容易地提供即使在低加湿状态 下也可以高效率运转的燃料电池。如上所述，包含本专利技术的高分子电解 质的高分子电解质膜可以进行低加湿状态下的燃料电池运转，因此，原 本就不易发生吸水导致的尺寸变化，即使吸收大量水分，其尺寸变化也 极小。因此，具备所述高分子电解质膜的燃料电池即使反复运转、停止， 也不易产生伴随着高分子电解质膜劣化而出现的破坏或性能降低等。从更确实地获得上述效果的角度考虑，本专利技术的高分子电解质更优 选离子交换容量为1.7meq/g以上，且用选自N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-他咯烷酮和二曱基亚砜中的至少一种溶剂制成1质量％溶液时在40匸 的比浓粘度为160 ml/g以上。上述本专利技术的高分子电解质优选含有嵌段共聚物作为离子传导成 分，该嵌段共聚物具有第1链段和第2链段，所述第l链段具有离子交换 基团，所述第2链段基本上不具有离子交换基团。上述嵌段共聚物可以 表现出优异的质子传导性，因此，含有其的高分子电解质可形成膜厚方 向的电阻更小的高分子电解质膜。高分子电解质含有上述嵌段共聚物时，所述嵌段共聚物中，优选第 2链段具有40000以上的重均分子量。此时，将该高分子电解质制成膜的 形态，则可得到所述膜随着吸水、干燥而出现的膜的膨润、收缩(尺寸变 动)显著降低的效果。另外，优选笫l链段的离子交换容量为3.6meq/g以 上。由此，高分子电解质整体的离子交换容量容易在优选范围，可以获 得更好的膜厚方向的质子传导性。上述本专利技术的高分子电解质优选可溶于有机溶剂中。这样的高分子 电解质通过无需进行热交联等繁杂操作的简便的制膜工序，即可以制备 高分子电解质膜。本专利技术还提供包含上述本专利技术的高分子电解质的高分子电解质膜。 这种高分子电解质膜如上所述，膜厚方向的电阻小，并且吸水导致的尺 寸变化小，因此，使用该高分子电解质膜可以获得高效率且耐久性优异 的燃料电池。对于上述本专利技术的高分子电解质膜，以在80°C水的吸附饱和时规定 的面方向的长度为Lw,以在23。C、相对湿度为50%的条件下水的吸附达 到平衡时上述规定的面方向的长度为Ld时，优选(Lw-Ld)/Ld为0.08以下， 且在23 。C膜厚方向的膜电阻为0.1 Q /cn^以下。上述以往技术的高分子电解质膜在含水时的尺寸变化率虽小，但所 述尺寸变化率是常温(25。C)附近的值。但是，燃料电池通常在超过70。C 的温度下运转，上述以往的高分子电解质膜在燃料电池运转时是否也可 充分抑制吸水导致的尺寸变化，尚未明确。而上述本专利技术的高分子电解 质膜在8(TC吸水尺寸变化足够小。因此，所述高分子电解质膜即使在燃 料电池通常所使用的温度域内尺寸变化也小，不易随着燃料电池的运 转、停止而劣化。并且，本专利技术的高分子电解质膜的膜厚方向的膜电阻 极小，因此具有优异的质子传导性。本专利技术还提供使用上述本专利技术的高分子电解质的膜-电极接合体。即，本专利技术的膜-电极接合体的特征在于具备高分子电解质膜、在该高 分子电解质膜上形成的催化剂层，高分子电解质膜含有上述本专利技术的高 分子电解质。本专利技术的膜-电极接合体也可以以具备高分子电解质膜、和 在该高分子电解质膜上形成的催化剂层，催化剂层含有上述本专利技术的高 分子电解质和催化剂为特征。上述膜-电极接合体中，高分子电解质膜和 /或催化剂层含有本专利技术的高分子电解质，因此质子传导性优异，可高效 率地发电，除此之外，随着运转、停止而发生的尺寸变化小，耐久性也 优异。并且，本专利技术还提供具备上述本专利技术的膜-电极接合体的燃料电池。 即，本专利技术的燃料电池的特征在于具备一对隔膜和配置在该一对隔膜 之间的膜-电极接合体，膜-电极接合体是上述本专利技术的膜-电极接合体。 这种膜-电极接合体具备上述本专利技术的膜-电极接合体，因此可高效率发 电，除此之外具有优异的耐久性。附图说明图l是优选的实施方案的燃料电池的截面构成示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
高分子电解质，该高分子电解质的离子交换容量为１．７ｍｅｑ／ｇ以上，且用选自Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺、Ｎ－甲基－２－吡咯烷酮、二甲基亚砜、Ｎ，Ｎ－二甲基乙酰胺、环丁砜和γ－丁内酯中的至少一种溶剂制成１质量％溶液时在４０℃的比浓粘度为１６０ｍｌ／ｇ以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：斋藤伸，岩崎克彦，吉村研，山田贵司，
申请(专利权)人：住友化学株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]