[發明專利]固體高分子型燃料電池用電極電解質

有效

• 申請號: 200680025534.3
• 申請日: 2006-06-30
• 公開（公告）號: CN101238602A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 樋上誠;I·羅占斯奇;山川芳孝;金岡長之;福田薰;高橋高一郎;新海洋
• 申請（專利權）人: 捷時雅株式會社;本田技研工業株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;C08G61/12;H01M8/10
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 范征

技術領域

本發明涉及包含特定的聚合物組合物的固體高分子型燃料電池用電極電解質、電極糊料、電極以及膜-電極接合體。

背景技術

固體高分子型燃料電池可獲得高功率密度，能在低溫下工作，所以可以小型輕量化，被期待作為汽車用動力源、固定用發電電源、移動設備用發電電源等的實用化。

固體高分子型燃料電池是在質子傳導性的固體高分子電解質膜的兩面設置一對電極，將純氫或改性氫作為燃料氣體向一方的電極(燃料極)供給，將氧氣或空氣作為氧化劑向另一方的電極(空氣極)供給，進行發電的裝置。

所述燃料電池的電極由分散了催化劑成分的電極電解質構成(因此電極也稱電極催化劑層)，燃料極側的電極催化劑層中由燃料氣體產生質子和電子，空氣極側的電極催化劑層中由氧、質子和電子生成水，固體高分子電解質膜使質子進行離子傳導。并且，通過所述電極催化劑層獲取電力。

目前的固體高分子型燃料電池中，作為電極電解質，使用以Nafion(商標)為代表的全氟烷基磺酸類高分子。該材料具有良好的質子傳導性，但價格昂貴，而且在分子內存在大量的氟原子，所以可燃性低，存在使得電極催化劑中所用的鉑等昂貴的貴金屬的回收再利用非常困難的問題。

另一方面，作為替代它的材料，也進行著各種非全氟烷基磺酸類高分子的研究。特別是以發電效率高、在高溫條件下使用為目標，進行著將耐熱性高的芳族磺酸類高分子用作電極電解質的嘗試。

例如，日本專利特開2005-50726號公報(專利文獻1)中揭示了將磺化聚亞芳基聚合物用作電極電解質的技術方案，日本專利特開2004-253267號公報(專利文獻2)中也揭示了使用特定的磺化聚亞芳基的技術方案。

專利文獻1：日本專利特開2005-50726號公報

專利文獻2：日本專利特開2004-253267號公報

發明的揭示

然而，這些目前公知作為電解質的材料在高溫下可能會發生磺酸基的可逆的消去反應或磺酸參與的交聯反應。因此，質子傳導性下降或發生膜的脆化等，存在因燃料電池的發電功率的下降和膜的破裂而導致無法發電的問題。

此外，為了盡可能避免這樣的問題，目前限定燃料電池發電時的上限溫度使用，發電功率存在限制。

本發明是為了解決上述的問題而完成的，發現通過在含磺酸基的聚合物中引入含氮雜環芳族基團，不僅可以提高高溫條件下的磺酸基的穩定性，而且如上所述的磺酸基的消去、磺酸參與的交聯反應得到抑制，可解決上述問題。

另外，該組合物不含氟原子，或者即使含有其含量也大幅減少，發現可以解決如上所述的針對催化劑金屬的回收再利用的問題，從而完成了本發明。

本發明的實施方式如下所示。

[1]包含主鏈為聚亞苯基結構，具備具有磺酸基的側鏈和具有含氮雜環基的側鏈的結構的固體高分子電解質用電極電解質。

[2]如[2]的固體高分子電解質用電極電解質，其中，具有含氮雜環基的側鏈為以下述通式(D)表示的結構。

(式中，Z表示直接結合或選自-O-、-S-的至少1種結構，Y表示選自-CO-、-SO₂-、-SO-、-CONH-、-COO-、-(CF₂)₁-(1為1～10的整數)、-C(CF₃)₂-的至少1種結構，R²⁰表示含氮雜環基。q表示1～5的整數，p表示0～4的整數。)

[3]如[1]或[2]的固體高分子型燃料電池用電極電解質，其中，前述含氮雜環基為衍生自選自包括吡咯、噻唑、異噻唑、唑、異唑、吡啶、咪唑、咪唑啉、吡唑、1，3，5-三嗪、嘧啶、噠嗪、吡嗪、吲哚、喹啉、異喹啉、嘌呤、苯并咪唑、苯并唑、苯并噻唑、四唑、四嗪、三唑、咔唑、吖啶、喹喔啉、喹唑啉的含氮雜環化合物及它們的衍生物的化合物的至少1種基團。

[4]如[1]～[3]的固體高分子型燃料電池用電極電解質，其中，具有磺酸基的側鏈如下述通式(E)所示。