[發(fā)明專利]電解質(zhì)膜

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201980020613.2
• 申請(qǐng)日: 2019-03-19
• 公開（公告）號(hào): CN111886734A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 國(guó)田友之;梅田浩明;井上達(dá)廣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東麗株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M8/1044
• 分類號(hào): H01M8/1044;C08G61/10;C08G65/48;H01B1/06;H01M4/86;H01M8/10;H01M8/102;H01M8/1051;H01M8/106
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 焦成美

本發(fā)明的目的在于，提供在不對(duì)電解質(zhì)膜實(shí)施物理性處理且表面改性效果不失活的情況下改善與催化劑層的接合性，實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)電性能的電解質(zhì)膜。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的電解質(zhì)膜包含高分子電解質(zhì)和非離子性氟系表面活性劑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于固體高分子型燃料電池等的電解質(zhì)膜。

背景技術(shù)

燃料電池是通過將氫、甲醇等燃料以電化學(xué)方式氧化來獲取電能的一種發(fā)電裝置，近年來作為清潔能源供給源而受到關(guān)注。其中，固體高分子型燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度低，為100℃左右，并且能量密度高，因此可期待作為較小規(guī)模的分散型發(fā)電設(shè)施、汽車或船舶等移動(dòng)物體的發(fā)電裝置而廣泛應(yīng)用。另外，作為小型移動(dòng)設(shè)備、便攜式設(shè)備的電源也受到關(guān)注，可期待代替鎳氫電池、鋰離子電池等二次電池而裝載于手機(jī)、個(gè)人電腦等。

燃料電池通常以利用隔膜夾持膜電極復(fù)合體(Membrane Electrode Assembly：MEA)而得的電池單元作為單元來構(gòu)成。MEA是在電解質(zhì)膜的兩面配置催化劑層，并進(jìn)一步在其兩側(cè)配置氣體擴(kuò)散層而得的復(fù)合體。MEA由夾持電解質(zhì)膜而配置于兩側(cè)的催化劑層和氣體擴(kuò)散層構(gòu)成一對(duì)電極層，其中的一方為陽(yáng)極電極，另一方為陰極電極。通過包含氫的燃料氣體與陽(yáng)極電極接觸，并且空氣與陰極電極接觸，從而通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。電解質(zhì)膜以高分子電解質(zhì)材料為主來構(gòu)成。高分子電解質(zhì)材料還可用于催化劑層的粘結(jié)劑。

以往，作為高分子電解質(zhì)材料，廣泛使用了作為氟系高分子電解質(zhì)的Nafion(注冊(cè)商標(biāo))(Dupont公司制)。Nafion(注冊(cè)商標(biāo))通過由團(tuán)簇結(jié)構(gòu)(cluster structure)帶來的質(zhì)子傳導(dǎo)通道而在低加濕條件下顯示出高質(zhì)子傳導(dǎo)性。另一方面，由于Nafion(注冊(cè)商標(biāo))是經(jīng)過多步合成而制造的，所以非常昂貴，此外，還存在因上述團(tuán)簇結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致燃料滲透(crossover)大這樣的問題。另外，在燃料電池工作條件下，重復(fù)干濕循環(huán)，尤其是電解質(zhì)膜重復(fù)溶脹收縮。此時(shí)，存在下述這樣的問題：電解質(zhì)膜被隔膜等束縛，因此，產(chǎn)生褶皺和松弛，由于局部的應(yīng)力集中而使膜破損，喪失膜的機(jī)械強(qiáng)度、物理耐久性。進(jìn)而，被指出軟化點(diǎn)低而無法在高溫下使用這樣的問題、以及使用后的廢棄處理的問題、材料難以再循環(huán)這樣的問題。為了克服這樣的課題，近年來，能夠替代Nafion(注冊(cè)商標(biāo))的、廉價(jià)且膜特性優(yōu)異的烴系電解質(zhì)膜的開發(fā)也越發(fā)活躍。

另一方面，為了提高燃料電池的發(fā)電性能，催化劑層與電解質(zhì)膜之間的界面的接合性高是重要的。以往，由于催化劑層與電解質(zhì)膜的界面的接合性不充分，所以在兩者的界面中產(chǎn)生的界面電阻增大，存在發(fā)電性能下降的課題。因此，為了提高兩者的接合性，提出了對(duì)電解質(zhì)膜的表面進(jìn)行改性的方法、增加與催化劑層的接觸面積的方法、以及在電解質(zhì)膜上直接涂敷催化劑層的方法。

專利文獻(xiàn)1中記載了：對(duì)電解質(zhì)膜的表面進(jìn)行等離子體處理或電暈放電處理而進(jìn)行改性的方法。專利文獻(xiàn)2中記載了：通過在電解質(zhì)膜的表面設(shè)計(jì)凹凸結(jié)構(gòu)，從而增加與催化劑層的接觸面積的方法。專利文獻(xiàn)3中記載了：對(duì)電解質(zhì)膜直接涂敷催化劑層的方法。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2009-218154號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開2005-166401號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本特開2004-146367號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明所要解決的課題

但是，專利文獻(xiàn)1中存在下述問題：等離子體或電暈放電處理效果的壽命存在限制，改性效果失活。另外，專利文獻(xiàn)2中存在下述問題：以設(shè)置于膜的表面且膜厚薄的凹部為基點(diǎn)而容易引起膜的斷裂，耐久性下降。專利文獻(xiàn)3中存在下述問題：在電解質(zhì)膜上涂敷催化劑層時(shí)，電解質(zhì)膜吸收催化劑層中含有的溶劑而發(fā)生溶脹，因此，電解質(zhì)膜產(chǎn)生褶皺、松弛，耐久性下降。