燃料电池用电解质膜制造技术

一种燃料电池用电解质膜，其包括质子导电材料（１００），在该质子导电材料（１００）中，表面上具有通孔的中空无机细粒子（２）填充有电解质树脂（１）和非质子导电聚合物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池用电解质膜。
技术介绍
燃料电池通过将燃料和氧化剂供应至两个电连接的电极，并且电 化学诱导燃料的氧化而直接将化学能转变成电能。与热力发电相比，燃料电池不会受卡诺(Carnot)循环的局限性影响，因此表现出高的能量 转换效率。燃料电池通常通过堆叠多个包含作为基本结构的膜电极组 件(MEA)的单元电池而构成，在所述膜电极组件中电解质膜被夹在一对 电极中间。在这些燃料电池中，使用固体聚合物电解质膜作为电解质 膜的固体聚合物电解质型(PEFC)燃料电池作为特别是用于便携式器件 和可移动物体的电源引起关注，因为这种燃料电池具有许多优点，包 括易于小型化和在低温下的可操作性。在固体聚合物电解质型燃料电池中，当用氢作为燃料时，由下面 方程式(l)表示的反应在阳极(燃料电极)进行。H2">2H+ + 2e-...(l)根据方程式(l)产生的电子通过外电路在外部负载中进行工作，然 后到达阴极(氧化剂电极)。根据方程式(l)产生的质子通过电渗透从 阳极移向阴极，其在固体聚合物电解质膜内处于与水水合的状态。此外，当氧用作氧化剂时，由下面方程式(2)表示的反应在阴极进行。2H十+ (1/2)02 + 2e- — H20...(2)在阴极产生的水主要经过气体扩散层并且被排放到外部。因此， 燃料电池是干净的发电装置，除水之外不产生废物。能在通常使用的固体聚合物电解质膜型燃料电池的温度范围内运 行的聚合物电解质膜由有机聚合物型质子导电材料组成，所述质子导 电材料在基本骨架或主链中具有聚合物。尺寸变化，例如在吸水和排 水以及热诱导蠕变或热收縮发生期间膜的膨胀和收縮，是与这种聚合 物导电材料相关的问题。在燃料电池的运行环境中，已经知道由于负 载或外部环境，水和热平衡频繁变化，并且由这种变化引起的膜的尺 寸变化能縮短电解质的使用寿命。该现象是一个非常严重的、与目前 可用的有机聚合物型聚合物导电材料有关的问题。另一方面，已经提出结合无机质子导体和非质子导电聚合物的电 解质膜，该电解质膜不同于上述使用有机聚合物型质子导电材料的电 解质膜。为了甚至在等于或高于IO(TC (其为含氟电解质膜的耐热性极 限)的温度下维持稳定的质子传导率和机械强度，日本专利申请特开 2002-28905l(JP-A-2002-289051)公开了包括由水合氧化鸽或水合氧化 锡代表的水合金属氧化物和非质子导电聚合物的质子导电膜。当用作燃料电池用电解质膜时，在JP-A-2002-289051中公开的质 子导电膜在高温和低湿度条件下具有稳定的质子传导率。然而，与 Nafion (其为相关领域的有机聚合物)相比，在对于燃料电池而言发电 效率为最好的运行条件(温度、湿度)下，所述质子传导率的值本身 是不足的。此外，JP-A-2002-289051的专利技术不涉及电解膜的尺寸稳定性。
技术实现思路
本专利技术提供一种电解质膜，其中由水和热平衡的变化引起的尺寸 变化通过混合维持质子导电容量的质子导电材料而被抑制，并且不损失机械性能和形状。根据该实施方式的燃料电池用电解质膜包括质子导电材料，其中 在粒子表面上具有通孔的中空无机微粒子用电解质树脂和非质子导电 聚合物填充。在这种构型的燃料电池用电解质膜中，在包含在该电解质膜中的 质子导电材料中，作为电解质树脂末端基团的非常大量的质子导电基 团从位于无机微粒子表面上的通孔露出，从而确保了高的质子传导率， 其中所述电解质树脂填充在用作质子导电材料外壳的无机微粒子的空 穴中。此外，因为所述电解质树脂被限定在固定粒子尺寸的无机微粒 子中，所以不发生质子导电材料的膨胀和收縮。因此，在该电解质膜 中，由水和热平衡引起的尺寸变化被抑制。另外，即使当假定高流动 性状态使得通常发生大量质子导电基团被引入电解质树脂结构时，由 于根据该实施方式电解质树脂被保留在无机微粒子的空穴中，所以质 子导电材料的形状保持能力和质子传导率均增加。此外，通过使用证 明没有水诱导膨胀和收縮的非质子导电聚合物作为薄膜形成用粘结剂 树脂，会更有效地抑制由水和热平衡引起的尺寸变化。由于非质子导 电聚合物不限制为特定的聚合物，所以聚合物选择的自由度高并且可 选择适当类型的聚合物，因此能够根据燃料电池的应用和目的获得最 佳的电解质膜。在根据该实施方式的燃料电池用电解质膜中，假设质子导电材料 和非质子导电聚合物的总含量为100体积份，那么质子导电材料的含量可为30 90体积份，而非质子导电聚合物的含量可为70 10体积份。此外，质子导电材料的含量可为40~70体积份，而非质子导电聚 合物的含量为60 30体积份。再者，质子导电材料的含量可为40 60体积份，而非质子导电聚合物的含量为60~40体积份。此外，在根据该实施方式的燃料电池用电解质膜中，位于无机微粒子内的电解质树脂可具有Si-O骨架。位于无机微粒子内的电解质树脂可以是其中的Si-0骨架通过单体 聚合而形成的聚合物。该单体可为烃氧基硅垸化合物或硅烷醇化合物。在根据该实施方式的燃料电池用电解质膜中，所述无机粒子可为 Si02、倍半硅氧烷或沸石。在根据该实施方式的燃料电池用电解质膜中，所述质子导电材料 可具有大于所述无机微粒子的离子交换容量。在根据该实施方式的燃料电池用电解质膜中，所述质子导电材料 的离子交换容量可等于或大于0.5毫当量/克。在根据实施方式的燃料电池用电解质膜中，所述质子导电材料的 平均粒度可为0.05~10/mi。所述非质子导电聚合物可为基于烃的聚合物或含氟聚合物。附图说明通过参考附图和下列对优选实施方式的描述，本专利技术的上述和进 一步的目的、特征和优点将变得明显，其中相同的标号代表相同的要 素，并且其中图1为粉末状质子导电材料的截面图，其示意性地阐明了该实施 方式的质子导电材料；以及图2的图阐明了根据该实施方式的燃料电池用电解质膜在不同相 对湿度值下的质子传导率，并且与Nafion膜获得的结果相对比。具体实施例方式根据该实施方式的质子导电材料将参考附图在下面进行更详细的 描述。图1为粉末状质子导电材料的截面图，其示意性地阐明了该实 施方式的质子导电材料。示意性地阐明了电解质树脂结构式的截面放 大图表示在该图右下部分的圆圈中。在该图右下部分的圆圈中连接硅原子和磺酸基(-S03H)的折线代表垸基链。质子导电材料100包括电解 质树脂1和无机微粒子2，并且该中空无机微粒子2被电解质树脂1填 充。该无机微粒子2具有大量通孔，并且电解质树脂1通过无机微粒 子表面上的通孔露出。如示意性表示在图1右下部分的圆圈中的结构式所显示，电解质 树脂1具有Si-0骨架。该电解质树脂1具有诸如磺酸基的质子导电基 团。如图1右下部分的圆圈中所示，所述磺酸基通过无机微粒子2的 通孔暴露在质子导电材料100的表面。其中Si-O骨架例如通过单体的聚合而形成的聚合物可被用作具有 Si-0骨架的电解质树脂。对于这种聚合物，当电解质树脂通过将作为 电解质树脂用原料的单体填充到无机微粒子中并且聚合而被合成时， 可容易地引起聚合反应。此外，所述单体具有对于无机微粒子的高亲 和力并且可容易地被填充。因此，该质子导电材料可被高速合成。另 外，由于所述电解质树脂具有强的高分子链诸如Si-O骨架，所以质子 导电基团不会泄漏到质子导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用电解质膜，其特征在于包含：　质子导电材料（１００），其中，表面上具有通孔的中空无机微粒子（２）填充有电解质树脂（１）；以及　非质子导电聚合物。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：藤波达雄，间濑拓也，高见昌宜，
申请(专利权)人：国立大学法人静冈大学，丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]