[發明專利]電解質、電解質膜、采用它的膜電極接合體、燃料電池電源及燃料電池電源系統

無效

• 申請號: 200710078908.4
• 申請日: 2007-02-16
• 公開（公告）號: CN101051692A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 小山徹;森島慎;本棒英利
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C08J5/22;C07F9/142;H01M4/86
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 陳昕

技術領域

本發明涉及高耐久性的難溶于甲醇等液體燃料的烴類高分子電解質、烴類高分子電解質膜、采用它的膜電極接合體、燃料電池、燃料電池電源系統。

背景技術

在以甲醇水溶液作為燃料的直接甲醇型燃料電池(DMFC)中，供給的甲醇在陽極與水反應變成質子，在高分子電解質膜中移動，與供給陰極的氧反應，生成水。伴隨著此反應，電子在連系電極間的外部電路移動，得到電能。燃料電池本體的電極反應，可用化學式表示如下：

陽極電極(CH₃OH供給側)：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-?(1)

陰極電極(O₂供給側)：3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O????????(2)

全部電池：CH₃OH+3/2O₂→CO₂+3H₂O??????????????????(3)

全部電池：2H₂+O₂→2H₂O????????????????????????????(4)

另外，以氫作燃料的固體高分子型燃料電池(PEFC)，供給的氫在陽極變成質子，在高分子電解質膜中移動，與供給陰極的氧反應，生成水。伴隨著反應，電子在連系電極間的外部電路移動，得到電能。燃料電池本體的電極反應，可用化學式表示如下：

陽極電極(H₂供給側)：H₂→2H⁺+2e^-??????????????????(5)

陰極電極(O₂供給側)：O₂+4H⁺+4e^-2H₂O??????????????(6)

全部電池：2H₂+O₂→2H₂O?????????????????????????????(7)

作為高分子電解質膜，可以采用聚全氟磺酸等為代表的氟類電解質膜，或為了賦予質子傳導性而導入的磺酸基或磺基烷基的以工程塑料為代表的烴類電解質膜。作為高分子電解質膜的烴類電解質膜，由于具有成本低或燃料的交叉(crossover)少的優點，進行著實用化的研究開發。

在實際的燃料電池中，除這些主電極反應外，在陽極發生式(8)所示的2電子還原反應，生成過氧化氫：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂??????????????????????????????(8)

從配管等流出的Fe²⁺、Cu⁺等金屬離子成為催化劑，該過氧化氫按式(9)所示，生成羥基自由基(·OH)。

H₂O₂→2·OH??(9)

生成的羥基自由基在短時間內使高分子電解質膜老化，引起膜厚的減少或膜的破裂。結果是，燃料及氧的交叉增加，引起燃燒反應，電解質膜的破損加大。當采用烴類電解質膜作為電解質膜時，從陽極側開始老化，數千小時后，PEFC的輸出功率性能降低，不可能進行發電。

其實，已有人提出了以下方法：把生成的過氧化氫在變成有害的羥基自由基前進行分解的過氧化氫分解劑或捕獲生成的Fe²⁺、Cu⁺等金屬離子的捕獲劑，添加至高分子電解質膜，或添加至電極，或介入高分子電解質膜與電極之間的方法(專利文獻1等)。

[專利文獻1]特開2001-118591號公報

發明內容

本發明人發現了以下課題：通過采用烴類電解質膜的DMFC，從供給燃料開始數百小時輸出功率電壓降低，變成實質上不能發電。當進行燃料電池的不良解析時發現，陰極側的電解質膜的厚度變薄或發生破損。電解質膜的厚度變薄或發生破損從陰極側電極的電解質膜開始，呈現電流密度愈高，其程度愈大的傾向。