一种用于聚合物燃料电池的电解质多层膜，其由至少两层聚合物电解质膜的层压物组成，所述聚合物电解质膜中的至少一层包含嵌段共聚物（Ⅰ），所述嵌段共聚物（Ⅰ）包含聚合物嵌段（Ａ）和柔性聚合物嵌段（Ｂ）作为它的构成部分，所述聚合物嵌段（Ａ）具有芳香乙烯基化合物单元作为主要单元，并且在聚合物嵌段（Ａ）上具有离子传导基团；以及膜电极组件和聚合物电解质燃料电池。该多层膜是经济的和环境温和的，同时具有高的离子传导性和高的甲醇阻隔性能。就其目标而言，优选至少两层构成性电解质膜包含嵌段共聚物（Ⅰ），和／或至少一层构成性电解质膜具有０．７ｍｅｑ／ｇ以上的离子交换容量并且至少一层构成电解质膜具有小于０．７ｍｅｑ／ｇ的离子交换容量。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种聚合物电解质膜，及其中均使用该聚合物电解质 膜的膜-电极组件和燃料电池，该聚合物电解质膜不但具有高质子传导 性而且具有高的甲醇阻隔性能(methanol barrier property),且优选用在 直接甲醇燃料电池中。
技术介绍
聚合物电解质燃料电池一般构成如下。首先，在具有离子传导性 的聚合物电解质膜的两侧上，分别形成包含负载在碳粉末上的铀族金 属催化剂和离子传导性粘合剂的催化剂层，所述粘合剂包含聚合物电 解质。在催化剂层的外侧上，分别形成作为燃料气体和氧化剂气体可 以通过的多孔性材料的气体扩散层。碳纸、碳布等可用作气体扩散层。 催化剂层与气体扩散层的集成组合称为气体扩散电极，并且其中一对 气体扩散电极粘结到电解质膜上使得催化剂层可以分别面向电解质膜 的结构称为膜电极组件(MEA)。在膜电极组件的两侧上，放置具有导电 性和气密性的隔膜。在膜电极组件与隔膜的接触部分或者在隔膜内部 分别形成将燃料气体或氧化剂气体(例如空气)供应到电极表面上的气 体通道。通过将燃料气体如氢或甲醇供应到一个电极(燃料电极)和将含 有氧的氧化剂气体如空气供应到另一个电极(氧电极)开始发电。g卩，在燃料电极使燃料气体离子化以形成质子和电子，质子通过电解质膜并 迁移到氧电极，电子经过通过使两个电极连接而形成的外部电路迁移 到氧电极中，它们与氧化剂气体反应形成水。这样，燃料气体的化学 能直接转换成可以取出的电能。在甲醇不经重整而直接供应到燃料电池的阳极中的直接甲醇燃料 电池中，具有约175nm膜厚度的由Nafion lH(杜邦公司(D叩ont Co.)的注册商标，此后相同)表示的全氟碳磺酸聚合物电解质膜目前一般用 作电解质膜，已经开发它作为用于移动设备如便携式电话和笔记本型 个人计算机的电源。尽管这些电解质膜具有膜的电阻低这样的优点，但是要指出容易发生作为燃料的甲醇从一个电极侧渗透电解质膜到另 一个电极侧(甲醇渗透)的现象，从而降低发电效率。因此，已经研究了具有小甲醇渗透性的非全氟碳磺酸聚合物电解 质膜(专利文献l、专利文献2、非专利文献l)。专利文献1和专利文献2中描述的工程塑料聚合物电解质膜不容 易形成离子通道，这不同于全氟碳磺酸聚合物电解质膜的情况，并且 可以降低甲醇渗透性。然而，它们具有膜的电阻相对高的缺点，并且 当通过增加引入的离子基团的量降低膜的电阻时，趋于容易溶胀。另 外，还知道趋于发生膜与电极之间的不完全粘合的缺点。因此，事情 目前的状态是工程塑料聚合物电解质膜作为用在直接甲醇燃料电池中 的电解质膜未表现出充分的性能。非专利文献1中描述，与全氟碳磺酸聚合物电解质膜相比，磺化的聚苯乙烯-嵌段-聚异丁烯-嵌段-聚苯乙烯三嵌段共聚物(磺化的SiBuS) 也具有较高的甲醇阻隔性能，但是事情目前的状态是还没有得到用于直接甲醇燃料电池的具有满意性能的电解质膜。专利文献l: JP-A-2003-288916 专利文献2: JP-A-2003-331868 非专利文献J. Membrane Science 217 (2003) 22
技术实现思路
本专利技术要解决的问题本专利技术的目的是提供同时具有高离子传导性、甲醇阻隔性能和对 电极的良好粘合性的聚合物电解质膜，以及其中均使用该聚合物电解质膜的膜电极组件和聚合物电解质燃料电池。 解决问题的方法为解决上述问题本专利技术的专利技术人进行了细致的研究，结果，他们 发现包含聚合物电解质膜层压物的多层电解质膜可以解决上面的问 题，所述聚合物电解质膜至少一层是由特定嵌段共聚物组成或含有它 作为主要组分的电解质膜，并完成了本专利技术。因而，本专利技术涉及用于聚合物电解质燃料电池的多层电解质膜， 其由至少两层聚合物电解质膜的层压物组成，该聚合物电解质膜的至 少一层包含嵌段共聚物(I)，所述嵌段共聚物(I)包含聚合物嵌段(A)和柔 性聚合物嵌段(B)作为它的构成部分，所述聚合物嵌段(A)具有芳香乙烯 基化合物单元作为主要单元，并且在聚合物嵌段(A)上具有离子传导基 团。考虑到本专利技术的目的，优选构成性电解质膜中的至少两层包含嵌 段共聚物(I)，与此独立地，优选当构成性电解质膜的数目是二时，它 们具有相互不同的离子交换容量，以及当构成性电解质膜的数目是三 或更大时，它们中的至少两层具有相互不同的离子交换容量。另外，与这些独立地，优选构成性电解质膜中的至少一层具有0.7 m叫/g或更 大的离子交换容量，并且构成性电解质膜中的至少一层具有小于0.7 meq/g的离子交换容量，具体地，优选构成性电解质膜中的至少一层包 含嵌段共聚物(I)且具有0.7meq/g或更大的离子交换容量，并且构成性 电解质膜中的至少一层包含嵌段共聚物(I)且具有小于0.7 m叫/g的离子 交换容量。在本专利技术的多层电解质膜中，构成至少一层聚合物电解质膜的嵌 段共聚物(I)中的聚合物嵌段(A)和聚合物嵌段(B)具有它们相互微相分 离并且聚合物嵌段(A)自身和聚合物嵌段(B)自身分别聚集的性能，由于 聚合物嵌段(A)具有离子传导基团，离子通道通过聚合物嵌段(A)自身的聚集形成，并充当质子的路径。通过聚合物嵌段(B)的存在，嵌段共聚 物表现出弹性，并整体地变得柔软，并且在膜电极组件和聚合物电解 质燃料电池的制备中，可成型性(组装性、粘合性、牢固性等)得到改进。柔性聚合物嵌段(B)由烯烃单元、共轭二烯单元等构成。本专利技术也涉及各自使用该多层电解质膜的膜电极组件和燃料电池。本专利技术的效果本专利技术的多层电解质膜、膜电极组件和聚合物电解质燃料电池是 经济的、环境温和的，不仅具有高的离子传导性而且具有高的甲醇阻 隔性能，特别是在直接甲醇燃料电池中表现出优异的性能。本专利技术的 多层电解质膜也具有优异的粘合性和可成型性。具体实施例方式下面详细地描述本专利技术。构成本专利技术的用于聚合物电解质燃料电 池的多层电解质膜的构成性电解质膜中的至少一层的嵌段共聚物(I)具有聚合物嵌段(A)作为构成部分中的一种，聚合物嵌段(A)具有芳香乙烯 基化合物单元作为主要单元(等同于主要重复单元)且具有至少一个离子传导基团。聚合物嵌段(A)具有芳香乙烯基化合物单元作为主要单元。作为给 出该单元的芳香乙烯基化合物，可以提及a碳是叔碳的芳香乙烯基化 合物和a碳是季碳的芳香乙烯基化合物，并且可以使用它们中的任何 一种，但是特别优选a碳是季碳的芳香乙烯基化合物，因为它们对发 电期间形成的自由基具有较好的抵抗性(抗自由基性)。作为a碳是叔碳 的芳香乙烯基化合物，可以提及苯乙烯、乙烯基萘、乙烯基蒽、乙烯 基芘、乙烯基吡啶等。作为a碳是季碳的芳香乙烯基化合物，可以提 及键合到ce碳是叔碳的芳香乙烯基化合物的a碳上的氢原子被具有1~4 个碳原子的烷基(甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基等)、具有1 4个碳原子的卤代烷基(氯甲基、2-氯乙基、3-氯丙基 等)或苯基等取代的芳香乙烯基化合物。键合到芳香乙烯基化合物的芳环上的氢原子可以被1 3个取代基 取代，作为取代基，可以各自独立地提及各自具有1~4个碳原子的垸 基(甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基等)、各自 具有1 4个碳原子的卤代垸基(氯甲基、2-氯乙基、3-氯丙基等)等。作为a碳是叔碳的芳香乙烯基化合物的优选的具体实本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于聚合物电解质燃料电池的多层电解质膜，其由至少两层聚合物电解质膜的层压物组成，所述聚合物电解质膜中的至少一层包含嵌段共聚物（Ｉ），所述嵌段共聚物（Ｉ）包含聚合物嵌段（Ａ）和柔性聚合物嵌段（Ｂ）作为它的构成部分，所述聚合物嵌段（Ａ）具有芳香乙烯基化合物单元作为主要单元，并且在聚合物嵌段（Ａ）上具有离子传导基团。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：小野友裕，中井慎二，川崎雅洋，仲野武史，大木弘之，
申请(专利权)人：株式会社可乐丽，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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