[發明專利]質子傳導性聚合物組合物及其制法、含該質子傳導性聚合物組合物的催化劑墨水及含該催化劑墨水的燃料電池

無效

• 申請號: 200580038417.6
• 申請日: 2005-11-07
• 公開（公告）號: CN101056947A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 山下全廣;北村幸太;坂口佳充
• 申請（專利權）人: 東洋紡織株式會社
• 主分類號: C08L101/12
• 分類號: C08L101/12;C08K3/20;C08K5/00;H01M4/86;H01M8/10
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 樊衛民;郭國清

技術領域

本發明涉及含有芳香環烴類的質子傳導性聚合物和溶劑的質子傳導性聚合物組合物，特別是涉及適用于形成燃料電池電極的催化劑層的質子傳導性聚合物組合物。

背景技術

以高分子固體電解質用作為離子傳導體以取代液體電解質的電化學的裝置的一實例是高分子電解質型燃料電池或水電解槽。而且，高分子電解質型燃料電池是使用氫氣作為燃料的型式的燃料電池，及使用以甲醇為代表的烴類燃料與水的混合溶液作為燃料的型式的燃料電池。作為構成是通過以一對電極夾住具有質子傳導性的電解質膜(在下文中也稱為“高分子電解質膜”、“離子交換膜”、“質子交換膜”、“質子傳導性聚合物膜”等)的電極-電解質膜接合體，以單側電極進行氧化反應，另一側電極進行還原反應，以作為電池或水電解槽來發生作用。

用于此等的高分子電解質膜必須為具有作為陽離子交換膜應有的質子傳導性，同時在化學、熱力學、電化學及力學上為非常穩定的物質。因此，可長期使用者通常是主要使用以美國杜邦公司制造的“Nafion(注冊商標)”為代表例的全氟碳磺酸膜(氟類質子傳導性聚合物)。然而，若Nafion(注冊商標)膜是欲在超過100℃的條件下運轉時，則除膜的含水率將急劇降低以外，膜的軟化也會顯著。因此造成使用溫度須加以限制的問題。此外，當對以甲醇等的烴類液體燃料作為燃料的型式的燃料電池使用氟類質子傳導性聚合物膜時，則有甲醇將滲透膜而導致性能降低的現象顯著，因此成為問題。再者，由于膜的價格昂貴，因此視為實用化的障礙。

為克服如上所述的缺點，已經取代氟類質子傳導性聚合物而對于由在芳香族烴類聚合物導入磺酸基或膦酸基等的質子傳導性官能團的非氟類質子傳導性聚合物所構成的高分子電解質膜加以各種研究。關于聚合物骨架，若考慮到耐熱性或化學的穩定性時，則可將芳香族聚亞芳基類、芳香族聚亞芳基醚酮類或芳香族聚亞芳基醚砜類等的芳香族類化合物視為具有潛力的結構，例如已有將聚芳基醚砜加以磺化的物質(例如薄膜科學期刊(Journal?of?Membrane.Science)(荷蘭)第83冊、第211至220頁(1993年)(非專利文獻1)；美國發明專利申請公開第2002/0091225號專利說明書(參閱專利文獻1))；聚醚醚酮加以磺化的物質(例如日本特開平第6-93114號公報(參閱專利文獻2))等的報告。

如上所述的由非氟類的質子傳導性聚合物所構成的高分子電解質膜，由于其是具有與氟類質子傳導性聚合物膜不同，在高溫下的膜的變形少，使用于以甲醇等液體燃料為燃料的型式的燃料電池時的甲醇的滲透少等的優點，且預期在價格上也比氟類質子傳導性聚合物便宜，因此視為具有前途。將來可寄期望于發展有效利用各聚合物的特質。

使用于通過在上述電解質膜上層壓電極而制得的電極-電解質膜接合體的電極，通常是通過將氟類的質子傳導性聚合物溶解或分散于溶劑等的組合物與適合于燃料電池反應的催化劑加以混合所調制得的催化劑墨水(catalyst?ink)涂布在氣體擴散層或薄膜上，然后脫除溶劑所制得。其后，則將電極轉印于電解質膜，由此可形成電極-電解質膜接合體(例如參閱專利第3,516,055號公報(專利文獻3))。此外，將催化劑墨水直接涂布在電解質膜上或通過噴涂等之間接涂布來形成的方法也正在研究中。

對使用由非氟類質子傳導性聚合物所構成的電解質膜來制造電極-電解質膜接合體的方法加以各種研究。由于非氟類質子傳導性聚合物具有與氟類質子傳導性聚合物不同的性質，因此必須提高電極與電解質膜的粘合性。例如在日本特開第2003-317749號公報(專利文獻4)、日本特開第2003-317750號公報(專利文獻5)、日本特開第2004-55522號公報(專利文獻6)、日本特開第2003-249244號公報(專利文獻7)，則已揭示一種通過在燃料電池用的電極(包括含有金屬催化劑與氟類質子傳導性聚合物的催化劑層)上，將非氟類質子傳導性聚合物溶液加以涂布、干燥以形成電極-電解質膜接合體的方法等，再者，也正在研究適合于此種形成方法的聚合物溶液或分散液(日本特開第2003-317749號公報(參閱專利文獻8))。

無論是任何方法，作為電極-電解質膜接合體重要的是能以適當的方式引導出電極或電解質膜的特性，關于電極，則期望在電極內部的質子或反應氣體的物質遷移能夠順利進行，且能良好地引導出催化劑性能，同時與電解質膜的粘合性也必須為良好的。