專利名稱：高分子電解質(zhì)、交聯(lián)高分子電解質(zhì)、高分子電解質(zhì)膜及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高分子電解質(zhì)、交聯(lián)高分子電解質(zhì)、高分子電解質(zhì)膜及其用途。
背景技術(shù)：
高分子電解質(zhì)用于固體高分子型燃料電池的高分子電解質(zhì)膜。固體高分子型燃料 電池(以下簡稱為“燃料電池”)作為新一代能源之一，在電子儀器產(chǎn)業(yè)或汽車產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域 中有望獲得較大發(fā)展。其中，以甲醇為燃料的直接甲醇型燃料電池(以下簡稱為“DMFC”) 可實現(xiàn)小型化，因此作為個人計算機或便攜儀器的電源等用途受到關(guān)注。DMFC是以甲醇水溶液作為燃料供給燃料極。此時，發(fā)生電化學氧化，生成質(zhì)子和電 子。該質(zhì)子在高分子電解質(zhì)膜內(nèi)向供給氧的空氣極一側(cè)移動。而在燃料極生成的電子經(jīng)由 與電池連接的負載，流向空氣極，在空氣極，氧與質(zhì)子和電子反應(yīng)生成水。因此，對于高分子 電解質(zhì)膜，人們迫切需求質(zhì)子傳導性優(yōu)異的膜。另外，在燃料極和空氣極之間的高分子電解 質(zhì)膜如果對甲醇的阻擋性(甲醇阻擋性)低，則發(fā)生甲醇透過該高分子電解質(zhì)膜向空氣極 移動的甲醇滲透(以下稱為“MC0”)的現(xiàn)象。這樣發(fā)生MC0，則有發(fā)電性能降低或甲醇由空 氣極泄漏，電池本身受損傷的問題。因此，作為在直接甲醇型燃料電池中使用的高分子電解 質(zhì)膜，人們迫切希望甲醇阻擋性優(yōu)異的膜。固體高分子型燃料電池中使用的高分子電解質(zhì)膜主要使用以Nafion(杜邦公司 的注冊商標)為代表的全氟系高分子電解質(zhì)膜。近年來，高性能烴系高分子電解質(zhì)膜的開 發(fā)日益活躍，使甲醇阻擋性提高的烴系交聯(lián)高分子電解質(zhì)膜的應(yīng)用得到研究。例如有人提 出一種交聯(lián)高分子電解質(zhì)膜，該高分子電解質(zhì)膜含有通過使高分子電解質(zhì)膜中的磺酸基之 間脫硫酸縮合來進行交聯(lián)的高分子電解質(zhì)(例如日本特表2000-501223號公報)。

發(fā)明內(nèi)容
但是，通常甲醇阻擋性與質(zhì)子傳導性互相排斥。上述全氟系高分子電解質(zhì)膜的質(zhì) 子傳導性比較優(yōu)異，但是在甲醇阻擋性方面不足。另外，上述交聯(lián)高分子電解質(zhì)膜中，甲醇 阻擋性優(yōu)異，但是質(zhì)子傳導性不足。因此，人們迫切希望同時實現(xiàn)高質(zhì)子傳導性和甲醇阻擋 性的高分子電解質(zhì)膜。本發(fā)明的目的是提供可應(yīng)用于同時實現(xiàn)高質(zhì)子傳導性和甲醇阻擋性的高分子電 解質(zhì)膜的高分子電解質(zhì)、以及交聯(lián)高分子電解質(zhì)、該高分子電解質(zhì)膜及其用途。本發(fā)明人為實現(xiàn)上述目的進行了深入地研究，結(jié)果完成了本發(fā)明。S卩，本發(fā)明提供下述[1]_[5]的高分子電解質(zhì)。[1]高分子電解質(zhì)，其特征在于在分子內(nèi)含有下式(1)所示的重復(fù)單元，并且分子內(nèi)含有離子交換基團。
權(quán)利要求
1.高分子電解質(zhì)，其特征在于在分子內(nèi)含有下式(1)所示的重復(fù)單元，并且分子內(nèi)含 有離子交換基團，
2.權(quán)利要求1的高分子電解質(zhì)，其中，上式(1)所示的重復(fù)單元是下式( 所示的重復(fù) 單元，
3.權(quán)利要求1或2的高分子電解質(zhì)，其中，上述高分子電解質(zhì)是具有0.1-20%質(zhì)量上 式(1)所示的重復(fù)單元的高分子電解質(zhì)。
4.權(quán)利要求1-3中任一項的高分子電解質(zhì)，該高分子電解質(zhì)含有上式(1)所示的重復(fù) 單元、具有離子交換基團的重復(fù)單元和不具有離子交換基團的重復(fù)單元。
5.權(quán)利要求4的高分子電解質(zhì)，其中，上述上式(1)所示的重復(fù)單元、上述具有離子交 換基團的重復(fù)單元和上述不具有離子交換基團的重復(fù)單元的鍵合方式是無規(guī)。
6.高分子電解質(zhì)，其特征在于該高分子電解質(zhì)是含有具離子交換基團的鏈段和實質(zhì) 上不具有離子交換基團的鏈段的嵌段共聚物，上述具離子交換基團的鏈段具有交聯(lián)性的取 代基。
7.權(quán)利要求6的高分子電解質(zhì)，其中，上述具離子交換基團的鏈段的主鏈具有芳族基團。
8.權(quán)利要求6或7的高分子電解質(zhì)，其中，上述交聯(lián)性的取代基是熱交聯(lián)性的取代基。
9.權(quán)利要求8的高分子電解質(zhì)，其中，上述熱交聯(lián)性的取代基是下式(Al)所示的取代基，
10.權(quán)利要求6-9中任一項的高分子電解質(zhì)，其中，上述具離子交換基團的鏈段含有下 式(Ia)所示的重復(fù)單元，
11.權(quán)利要求10的高分子電解質(zhì)，其中，上式(Ia)所示的重復(fù)單元是下式(Ib)所示的重復(fù)單元，
12.權(quán)利要求10的高分子電解質(zhì)，其中，上式(Ia)所示的重復(fù)單元是下式(Ic)所示的重復(fù)單元，式中，
13.權(quán)利要求10-12中任一項的高分子電解質(zhì)，其中，上述高分子電解質(zhì)是具有 0. 1-20%質(zhì)量上式(Ia)所示的重復(fù)單元的高分子電解質(zhì)。
14.權(quán)利要求10-13中任一項的高分子電解質(zhì)，其中，上述具離子交換基團的鏈段具有 上式(Ia)所示的重復(fù)單元和下式(7)所示的重復(fù)單元，
15.權(quán)利要求6-14中任一項的高分子電解質(zhì)，其中，上述實質(zhì)上不具有離子交換基團的鏈段含有下式(8)所示的重復(fù)單元，式中，Ar5是可具有取代基的芳族基，X3表示直接鍵或2價基團。
16.交聯(lián)高分子電解質(zhì)，該交聯(lián)高分子電解質(zhì)是將權(quán)利要求1-15中任一項的高分子電 解質(zhì)以50-300°C的溫度進行熱處理，或者用1000-30000mJ/cm2的照射線量進行光處理，使 其交聯(lián)而成。
17.交聯(lián)高分子電解質(zhì)，該交聯(lián)高分子電解質(zhì)是將權(quán)利要求1-15中任一項的高分子電 解質(zhì)以50-300°C的溫度進行熱處理，使其交聯(lián)而成。
18.權(quán)利要求16或17的交聯(lián)高分子電解質(zhì)，其中，設(shè)交聯(lián)高分子電解質(zhì)的離子交 換容量為A(meq/g)、使該交聯(lián)高分子電解質(zhì)交聯(lián)之前的高分子電解質(zhì)的離子交換容量為 B(meq/g)時，滿足以下數(shù)式(1’ )和數(shù)式(2’ )的關(guān)系，0.8 ≤ A/B(1，)
19.高分子電解質(zhì)膜，該高分子電解質(zhì)膜含有權(quán)利要求1-15中任一項的高分子電解質(zhì) 和/或權(quán)利要求16-18中任一項的交聯(lián)高分子電解質(zhì)。
20.催化劑組合物，該催化劑組合物含有權(quán)利要求1-15中任一項的高分子電解質(zhì)和/ 或權(quán)利要求16-18中任一項的交聯(lián)高分子電解質(zhì)和催化劑物質(zhì)。
21.膜-電極組件，該膜-電極組件具備權(quán)利要求19的高分子電解質(zhì)膜和/或由權(quán)利 要求20的催化劑組合物得到的催化劑層。
22.燃料電池，該燃料電池具備一對隔板和配置在該一對隔板之間的膜-電極組件，其 中該膜-電極組件是權(quán)利要求21的膜-電極組件。
全文摘要
本發(fā)明提供高分子電解質(zhì)、交聯(lián)高分子電解質(zhì)、高分子電解質(zhì)膜及其用途。高分子電解質(zhì)是在分子內(nèi)含有下式(1)所示的重復(fù)單元，并且分子內(nèi)含有離子交換基團，式中，Ar是可具有取代基的芳族基，R1是氫原子或有機基團，X是直接鍵或2價基團，n表示1-3的整數(shù)，n為2以上時，多個R1互相可以相同或不同。
文檔編號H01B1/06GK102047345SQ200980120629
公開日2011年5月4日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者山田貴司, 長谷川博彥 申請人:住友化學株式會社