[發(fā)明專利]用于燃料電池的功能膜和電解質(zhì)膜及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680006063.1
• 申請(qǐng)日: 2006-02-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101128254A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-02-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高木繁治;小林美咲;齋藤俊哉;吉田勝;淺野雅春;八卷徹也
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 獨(dú)立行政法人日本原子力研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu);豐田自動(dòng)車株式會(huì)社
• 主分類號(hào): B01D67/00
• 分類號(hào): B01D67/00;B01D69/14;H01M8/10;C08J5/22
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所
• 代理人: 林柏楠;劉金輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及利用通過(guò)高能重離子制成的潛徑跡或離子穿透獲得的新型功能膜及其制造方法。此外，本發(fā)明涉及氣體阻隔性能和機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的、用于燃料電池的電解質(zhì)膜及其制造方法。

具體而言，本發(fā)明涉及仿生生物反應(yīng)器、通過(guò)酶固定獲得的生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器、離子傳導(dǎo)性和選擇性優(yōu)異的離子交換膜、用于二次電池和燃料電池的離子交換膜、適合充當(dāng)例如使用電滲析的選擇性氨基酸分離器膜的功能膜，和它們的制造方法。

此外，本發(fā)明涉及固體聚合物電解質(zhì)膜的制造方法，該固體聚合物電解質(zhì)膜用作適用于燃料電池的聚合物離子交換膜。特別地，本發(fā)明涉及用作適用于燃料電池的固體聚合物膜的固體聚合物電解質(zhì)膜，其具有優(yōu)異的氣體阻隔性能和離子交換能力，還涉及其制造方法。

背景技術(shù)

在燃料電池中，將氫或甲醇之類的燃料電化學(xué)氧化，以直接將這類燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，從而提取能量。近年來(lái)，燃料電池正作為清潔電能供給源引起關(guān)注。特別地，使用質(zhì)子傳導(dǎo)膜作為電解質(zhì)的固體聚合物燃料電池可以實(shí)現(xiàn)高的功率密度，且它們可以在低溫下運(yùn)行。因此，固體聚合物燃料電池已經(jīng)被期望用作電車的動(dòng)力供給源。

在這類固體聚合物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)中，單個(gè)電池由夾在一對(duì)具有催化劑層的氣體擴(kuò)散電極之間(并與氣體擴(kuò)散電極接觸)的電解質(zhì)膜構(gòu)成，且在單個(gè)電池的兩面上均設(shè)置有集電器。對(duì)電解質(zhì)膜一面上的氣體擴(kuò)散電極(陽(yáng)極)供應(yīng)氫或甲醇之類的燃料。此外，對(duì)其另一面上的氣體擴(kuò)散電極(陰極)供應(yīng)氧氣或空氣之類的氧化劑。然后，通過(guò)將外部負(fù)載電路與兩個(gè)氣體擴(kuò)散電極相連，可以激活該固體聚合物燃料電池。此時(shí)，陽(yáng)極上生成的質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜移向陰極以與陰極上的氧反應(yīng)，從而生成水。在此，電解質(zhì)膜充當(dāng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移介質(zhì)和氫氣與氧氣之間的隔膜。因此，要求燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)異的氣體阻隔性能，并具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性、強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的所謂功能膜由于下述事實(shí)而成問(wèn)題--即官能團(tuán)以無(wú)規(guī)方式分布在這類膜上，且當(dāng)這類膜具有迷宮或網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)(其中含有官能團(tuán))時(shí)，不能在空間分布或密度方面控制官能團(tuán)。

具體而言，在是例如Nafion(商品名)的市售電解質(zhì)膜、或通過(guò)輻射接枝聚合制成的固體聚合物電解質(zhì)膜的情況下，親水陽(yáng)離子交換基團(tuán)在膜內(nèi)部均勻分布，從而由于過(guò)多濕氣而造成膜的溶脹。因此，分子間的相互作用力衰減，從而發(fā)生氫或甲醇穿過(guò)膜的過(guò)度跨越。此外，Gore，TokuyamaCorp.，等人已經(jīng)嘗試用離子交換樹(shù)脂填充具有非常高孔隙率、并在三個(gè)維度上具有一系列孔的多孔膜，但是不參與陽(yáng)離子交換的離子交換樹(shù)脂的存在導(dǎo)致該膜的過(guò)度溶脹。此外，所用多孔基材僅限于可以成為多孔的包含聚四氟乙烯或聚乙烯的基材。此外，這類基材最初缺乏燃料電池的電解質(zhì)膜所需的氣體阻隔性能。因此，根據(jù)燃料電池所需的特性，所得的這類固體聚合物電解質(zhì)膜的特性不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供用于多種用途、并具有高的功能性以及聚合物膜基材所固有的氣體阻隔性能和機(jī)械強(qiáng)度的功能膜。特別地，本發(fā)明的目的是提供在高質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體阻隔性能和機(jī)械強(qiáng)度方面優(yōu)異、并最適合充當(dāng)燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)膜。

本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用通過(guò)用C、K、N和He之類元素的重離子在特定條件下輻射膜而在含有非傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)粒子的聚合物膜(其包含，例如聚四氟乙烯PTFE)中生成的活性物的接枝聚合可以解決上述問(wèn)題。由此完成了本發(fā)明。

也就是說(shuō)，在第一方面，本發(fā)明是制造功能膜的方法的發(fā)明。該方法包括：離子輻射步驟，其中用高能重離子輻射含有非傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)粒子的聚合物膜基材至10⁴/平方厘米至10¹⁴/平方厘米的程度，從而在膜基材中生成活性物；和在離子輻射步驟之后的接枝聚合步驟，其中添加一種或多種選自由含有有用官能團(tuán)的單體構(gòu)成的A組的單體，以使所述單體與膜基材接枝聚合。因此，可以獲得下述功能膜--其中官能團(tuán)僅被引入潛徑跡，該潛徑跡是由離子輻射造成的受損部位。在此，在離子輻射步驟中，由高能重離子輻射造成的損傷產(chǎn)生的潛徑跡可能穿透膜。

根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)將官能團(tuán)僅引入直徑數(shù)百納米的潛徑跡(其是由高能重離子輻射造成的受損部位)，可以使含非傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)粒子的聚合物膜基材具有官能度。因此，可以保持各個(gè)聚合物膜基材的物理性質(zhì)，此外，可以在位置、空間分布和密度方面控制官能團(tuán)。聚合物膜基材的物理性質(zhì)的例子包括氣體阻隔性能、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。