TWI474546B - 聚合物電解質之組成物，電解質膜，膜電極組件以及燃料電池 - Google Patents

聚合物電解質之組成物，電解質膜，膜電極組件以及燃料電池 Download PDF

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Description

聚合物電解質之組成物，電解質膜，膜電極組件以及燃料電池 相關申請案之交互參照
此申請案聲明2012年3月16日向韓國智慧財產局提出申請之韓國專利申請案第10-2012-0027059號之優先權和權利，茲將該案全文以引用方式納入本文中。
本申請案係關於聚合物電解質之組成物、電解質膜、膜電極組件、及燃料電池，且更特別地，係關於對於聚合物之溶解性極佳的聚合物電解質之組成物、使用彼之電解質膜等。
固態聚合物型燃料電池(下文中有時稱為“燃料電池”)是一種產生電力的裝置，其使用燃料氣體(其例子包括氫)與氧的化學反應而產生電力，且極預期其在電器工業、汽車工業之類的領域中扮演新一代能源的角 色。燃料電池由具有兩個觸媒層和插入此二個觸媒層之間的聚合物電解質膜之基礎單元所構成。簡短描述作為典型燃料電池之使用氫作為燃料氣體之燃料電池產生電力的機構時，氫在一個觸媒層上離子化以製造氫離子，所製得的氫離子被傳導(離子傳導)通過聚合物電解質膜而到達其他觸媒層，氫離子於其中與氧反應而形成水。此時，當兩個觸媒層連接至外部電路時，電流流動以將電力供應至外部電路。聚合物電解質膜的離子傳導係藉由離子與水一起移動通過聚合物電解質膜中的親水性通道而製造，因此，須使聚合物電解質膜維持濕潤狀態，以有效率地製造離子性傳導。此產生電力的機構使得構成燃料電池的聚合物電解質膜的潤濕狀態根據燃料電池的起始和終止而改變。聚合物電解質膜的潤濕狀態改變時，聚合物電解質膜在因吸水/乾燥而交替地溶脹和收縮，並因此，有時在聚合物電解質膜和觸媒層之間的界面發生微觀損壞。極端的情況中，也會造成燃料電池失效。因此，要求燃料電池中使用的聚合物電解質膜能夠有效地於低吸水比時製造離子性傳導，以進一步降低因為吸水和乾燥而導致的溶脹和收縮(吸水造成的尺寸變化)。
此分析中，嘗試使用溶液鑄造法，自嵌段型共聚物聚合物電解質製造聚合物電解質膜之方法。
 發明總論
此申請案試圖改善藉溶液鑄造法製造的電解質膜的問題，且特別地，藉由介於具有不同化學性質的嵌段之間的排斥性，簡單地形成相分離結構並控制相分離結構，而有效地在聚合物電解質膜中形成親水性通道。
據此，此申請案的一個課題是提出一種聚合物電解質之組成物，其包括能夠調整聚合物之溶解性的溶劑。
此申請案的另一課題是提出以該聚合物電解質之組成物製得的電解質膜。
此申請案的又另一課題是提出包括電解質膜之膜電極組件。
此申請案的又另一課題是提出包括該膜電極組件之燃料電池。
此申請案所解決的問題未限於前述技術問題，由以下的描述，嫻於此技術者充分瞭解此處未提及的其他技術問題。
此申請案的例示具體實施例提出聚合物電解質之組成物，其包括第一溶劑、化學式不同於第一溶劑的第二溶劑、及與第一溶劑和第二溶劑反應的聚合物，其中，聚合物包括藉第一反應能而與第一溶劑反應及藉第二反應能而與第二溶劑反應之官能基，且第二反應能小於第一反應能。
此申請案的另一例示具體實施例提出以該聚合物電解質之組成物製得的聚合物電解質膜。
此申請案的又另一例示具體實施例提出包括該電介質膜的膜電極組件。
此申請案的又另一例示具體實施例提出包括該膜電極組件的燃料電池。
其他例示具體實施例的特定細節含括於詳細描述和附圖中。
此申請案提出對於聚合物具有極佳溶解性的聚合物電解質之組成物。據此，可形成有效的形態，藉此提出具有改良的陽離子傳導性之電解質膜。亦提出包括電解質膜的膜電極組件和燃料電池。
圖1說明燃料電池於70℃和RH 100%測得的效能數據。
圖2說明燃料電池於70℃和RH 50%測得的效能數據。
參考下文詳細描述的例示具體實施例及附圖，將瞭解此申請案的優點和特徵及達成這些的方法。但是，此申請案未限於下文揭示的例示具體實施例，但可實施彼此不同的各種形式。例示具體實施例僅用以使得此申請案之揭示趨於完整及完整地告知嫻於此技術者此申請案含括的範圍、本發明之範圍，且此申請案僅由申請專利範 圍之範圍界定。附圖中標記的構件之尺寸和相對尺寸可經誇大以便於描述。
除非另外定義，否則本說明書中所使用的所有用語(包括技術和科學用語)可以嫻於此申請案所涵蓋之技術的人士一般瞭解的意義使用。將進一步瞭解，除非明確和特定界定，否則字典一般使用的界定用語不應以理想化或過度方式加以闡述。
下文中，將參考圖1和圖2，描述根據此申請案之例示具體實施例的聚合物電解質之組成物、聚合物電解質膜、膜電極組件、和燃料電池。
根據此申請案之例示具體實施例之聚合物電解質之組成物可包括第一溶劑、第二溶劑、和聚合物。
此聚合物可為包括親水性嵌段和疏水性嵌段的嵌段型共聚物。
親水性嵌段是指具有離子交換基作為官能基的嵌段。此處，官能基可為選自-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、和-PO3 2- 2M+ 中之至少一者。此處，M是金屬元素。即，官能基可為親水性。
此親水性嵌段的重量平均分子量由1,000至至500,000(克/莫耳)，和疏水性嵌段的重量平均分子量由1,000至500,000(克/莫耳)。
此處，“具有離子交換基的嵌段”是指當以相對於構成對應嵌段的一個結構單元之離子交換基的數目表示時，具有平均為0.5或更高數目之嵌段，較佳地，嵌段 於每一個結構單元具有平均為1.0或更高數目。
疏水性嵌段是指實質上不具有離子交換基的聚合物嵌段。
此處，“實質上不具有離子交換基的聚合物嵌段”是指當以相對於構成對應嵌段的一個結構單元之離子交換基的數目表示時，具有平均為低於0.1數目之嵌段，具有平均為0.05或更低數目之嵌段較佳，不具有離子交換基的嵌段更佳。
同時，此申請案中，“嵌段型共聚物”是指除了親水性嵌段和疏水性嵌段形成主鏈結構的共聚反應模式者以外，包括接枝聚合反應的共聚模式之共聚物(其中一側上的嵌段形成主鏈結構和另一側上的嵌段形成側鏈結構)。同時，此申請案中使用的聚合物不限於前述嵌段型共聚物，也可以使用包括以氟為基礎的元素之聚合物。此時，包括以氟為基礎的元素之聚合物亦可包括官能基，且此官能基可為親水性。例如，官能基可為選自-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、和-PO3 2- 2M+ 中之至少一者。此處，M可為金屬元素。
此申請案中，式中表示的O、N、S、Si、和H分別是指氧、氮、硫、矽、和氫。
此申請案中使用的嵌段型共聚物聚合物可為，例如，包括藉以下式1表示的重覆單元和以下式2表示的重覆單元之嵌段型共聚物，但不限於此。
式1和2中，A、C和V彼此相同或不同，且各自獨立地藉以下式1-1至1-3中之一表示。
式1-1至1-3中，X1 是直接鏈結，或-C(Z1 )(Z2 )-、-CO-、-O-、-S-、-SO2 -、和-Si(Z1 )(Z2 )-之一，Z1 和Z2 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫、烷基、三氟甲基(-CF3 )、和苯基中之一，S1 和S2 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，和b和c彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數。
S3 至S6 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽 烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，和d、e、f和g彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數。
S7 至S10 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，和h、i、j和k彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數。
式1-1可藉以下式1-1-1表示。
式1-1-1中，X1 、S1 、S2 、b、和c與式1-1 中者相同。
式1-2可藉以下式1-2-1表示。
式1-2-1中，S3 至S6 、d、e、f、和g與式1-2中者相同。
式1-3可以下式1-3-1表示。
式1-3-1中，S7 至S10 、h、i、j、和k與式1-3中相同。
式1和2中，A、C和V彼此相同或不同且可為 選自 中之至少一者，而R1 和R2 彼 此相同或不同且各自獨立地為硝基(-NO2 )或三氟甲基(-CF3 )。
式1和2中，A、C和V彼此相同或不同且可為 ，而R1 和R2 彼此相同或不同且各 自獨立地為硝基(-NO2 )或三氟甲基(-CF3 )。
式1中，U可以下式2-1至2-4中之一表示。
式2-1至2-4中，X2 是直接鏈結、或-CO-或-SO2 -，q和r彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，s、t、u和v彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，w和x彼此相同或不同，且各自獨立地為0至3的整 數，y’彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，T1 至T9 彼此相同或不同，其中的至少一者各自獨立地選自-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、或-PO3 2- 2M+ ，M是金屬元素，其他者是彼此相同或不同且獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基。
式2-1可以下式2-1-1表示。
式2-1-1中，X2 、T1 、T2 、q、和r與式2-1中者相同。
式2-2可以下式2-2-1表示：
式2-2-1中，T3 至T6 、s、t、u、和v與式2-2中者相同。
式2-3可以下式2-3-1至2-3-3中之一表示。
式2-3-1至2-3-3中，T7 、T8 、w、和x與式2-3中者相同。
式2-4-1中，T9 和y與式2-4中者相同。
式1中，U可為選自 中之至少 一者，Q1 和Q2 彼此相同或不同，且各自獨立地為-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、和-PO3 2- 2M+ ，和M是金屬元素。
式1中，U是選自以下之至少一者： Q1 和Q2 彼此相同或不同地為至少一選自氫、-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、和 -PO3 2- 2M+ ，和M是金屬元素。
式1和2中，B是完全以氟為基礎的化合物或部分以氟為基礎的化合物，或是藉以下式3-1至3-3之一表示者。
式3-1至3-3中，X3 至X5 彼此相同或不同，且各自獨立地為直接鏈結、或-CO-或-SO2 -， Y1 是直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，E1 至E4 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，α、β和ψ彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，ε是0至3的整數，X6 是直接鏈結、或-CO-或-SO2 -，Y2 是直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，E5 和E6 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基， ζ是0至3的整數，θ是0至4的整數，X7 是直接鏈結、或-CO-或-SO2 -，Y3 是直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，E7 和E8 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，λ 是0至3的整數，Π是0至4的整數，和W是藉以下的式1中之[式4]表示的重覆單元，和以下的式2中之[式5]表示的重覆單元。
式4中，m’是1至10,000的整數，而A和U 之定義與式1中的A和U相同，和式5中，n’是1至100,000的整數，而C和V之定義與式2中的C和V相同。
式3-1可以下式3-1-1表示。
式3-1-1中，X3 至X5 、Y1 、E1 至E4 、W、α、β、ψ、和ε與式3-1中者相同。
式3-2可以下式3-2-1表示。
式3-2-1中，X6 、Y2 、E5 、E6 、W、ζ、和θ與式3-2中者相同。
式3-3可以下式3-3-1表示。
式3-3-1中，X7 、Y3 、E7 、E8 、W、λ、和Π與式3-3中者相同。
式1和2中，B可為選自以下者之一
Y1 至Y3 彼此相同或不同，且各自獨立地為直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，W是藉以下的式1中之[式4]表示的重覆單元、和以下的式2中之[式5]表示的重覆單元，
式4中，m’是1至10,000的整數，而A和U之定義與式1中的A和U相同，和式5中，n’是1至100,000的整數，而C和V之定義與式2中的C和V相同。
式1中，a和a’是大於0的整數，和a：a’是1,000：1至5：1，和式2中，z和z’是大於0的整數且z：z’是1,000：1 至5：1。
式1中，m是1至10,000的整數，和式2中，n是1至100,000的整數。
在嵌段型共聚物聚合物中之式1的嵌段和式2的嵌段可以接枝形交替排列或無規排列。m可為無規排列於嵌段型共聚物聚合物中之式1的重覆單元的數目的總和。n可為無規排列於嵌段型共聚物聚合物中之式2的重覆單元的數目的總和。
取代基的例子將述於下文中，但不限於此。
本說明書中，芳基可為單環或多環，且未特別限制碳原子數，但較佳地為6至60。芳基的特定例子包括單環芳基(如苯基、聯苯基、三苯基(triphenyl)、聯三苯基(terphenyl)、二苯乙烯基等)和多環芳基(如萘基、聯萘基、蒽基、菲基、芘基(pyrenyl group)、苝基(perlenyl group)、並四苯基(tetracenyl group)、基(chrysenyl group)、茀基(fluorenyl group)、苊基(acenaphthacenyl group)、聯三伸苯基(triphenylene group)、苯并苊基(fluoranthene group)等)，但不限於此。
本說明書中，烷基可為直鏈或支鏈，且未特別限制碳原子數，但較佳地為1至50。其特定例子包括甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、三級丁基、戊基、己基、庚基等，但不限於此。
本說明書中，烯基可為直鏈或支鏈，且未特 別限制碳原子數，但較佳地為2至50。其特定例子包括經芳基(如1,2-二苯乙烯基(stylbenyl group)、苯乙烯基(styrenyl group)等)取代的烯基，但不限於此。
本說明書中，烷氧基可為直鏈或支鏈，且未特別限制碳原子數，但較佳地為1至50。
本說明書中，未特別限制環烷基，但較佳地具有3至60個碳原子且特別佳地為環戊基和環己基。
本說明書中，鹵基的例子包括氟、氯、溴、或碘。
本說明書中，茀基的結構中，兩個環狀有機化合物經由一個原子彼此鏈接，且其例子包括
本說明書中，茀基包括開放的茀基，且此開放的茀基的結構中，兩個環狀化合物經由一個原子彼此鏈接且一個環狀化合物的鏈接破裂，其例子包括
本說明書中，未特別限制胺基的碳原子數，但較佳地為1至50。胺基的特定例子包括甲胺基、二甲胺基、乙胺基、二乙胺基、苯胺基、萘胺基、聯苯胺基、蒽胺基、9-甲基-蒽胺基、二苯胺基、苯基萘胺基、二甲 苯胺基、苯基甲苯胺基、三苯胺基等，但不限於此。
本說明書中，未特別限制芳胺基的碳原子數，但較佳地為6至50。芳胺基的例子包括經取代或未經取代的單環狀二芳胺基、經取代或未經取代的多環狀二芳胺基、或經取代或未經取代的單環狀和多環狀二芳胺基。
本說明書中，“經取代或未經取代的”是指基團經一或多個選自氘、鹵基、烷基、烯基、烷氧基、環烷基、矽烷基、芳烯基、芳基、硼基、烷胺基、芳烷胺基、芳胺基、咔唑基、芳胺基、芳基、茀基、腈基、硝基、羥基、和氰基的取代基取代，或者沒有取代基。
本說明書中，“”是指鍵結至相鄰取 代基的基團。
本說明書中，金屬元素可為鹼金屬、鹼土金屬、鑭族金屬、錒族金屬、過渡金屬、或後過渡金屬(post-transition metal)。
鹼金屬可為Li、Na、K、Rb、Cs或Fr。鹼土金屬可為Be、Mg、Ca、Sr或Ba。鑭族金屬可為La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、和Lu。
錒族金屬可為Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、或Lr。
過渡金屬可為Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt、Ds、Rg、或Cn。
後過渡金屬可為Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Se、In、Sn、Sb、Te、Tl、Pb、Bi、或Po。
本說明書中，部分以氟為基礎是指氟原子僅引至連接至聚合物的主鏈之部分側鏈中。
本說明書中，完全以氟為基礎是指氟原子引入主鏈的所有側鏈中。
例如，具有-(-CF2 -CF2 )n -結構的共聚物(如PTFE)可被歸類為完全以氟為基礎者，而具有-(-CH2 -CF2 )n -結構的共聚物(如PVDF)可被歸類為部分以氟為基礎者。在共聚物由二或更多種聚合物形成的情況中，共聚物中所用的聚合物中之一或多種聚合物包括一或多個氟原子且與未包括一或多個氟原子的聚合物同時用於共聚物中時，此共聚物可被歸類為部分以氟為基礎者。
嵌段型共聚物可為選自聚苯乙烯(PS)、聚異戊二烯(PI)、聚烯、聚環氧烷、聚(甲基)丙烯酸烷酯、聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)、聚(4-乙烯基吡啶)(P4VP)、聚(甲基)丙烯酸(PAA)、聚烷基(甲基)丙烯酸、聚二烷基矽氧烷、聚丙烯醯胺(PAM)、聚(ε-己內酯)(PCL)、聚乳酸(PLA)、和聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)(意指伸烷基或烷基具1至20個碳原子)中之至少一者。
未特別限定第一溶劑，只要溶劑為與聚合反應以溶解聚合物的材料即可。此第一溶劑作為根據此申請案之例示具體實施例之聚合物電解質組成物中的主要溶劑。
例如，第一溶劑可為選自N,N’-二甲基乙醯胺(DMAc)、N-甲基吡咯啶酮(NMP)、二甲亞碸(DMSO)、和N,N-二甲基甲醯胺(DMF)中之至少一者。
第二溶劑的化學式不同於第一溶劑，特別地，可以與聚合物的一或多個親水性官能基反應以溶解聚合物。第二溶劑幫助第一溶劑溶解聚合物。例如，第二溶劑可為水或甘油，且不限於此，只要第二溶劑為具有羥基的材料即可。
在此申請案的聚合物電解質組成物中，第一溶劑和第二溶劑的重量比以第二溶劑/第一溶劑表示時，其範圍較佳地為1/99至10/90，且更佳地為3/97至8/92。
第二溶劑/第一溶劑的值低於1/99時，即使添加第二溶劑，難以藉第二溶劑提高聚合物之溶解性。同時，第二溶劑/第一溶劑的值超過10/90時，第一溶劑(主要溶劑)的量太少，使得聚合物無法完全溶解，並因此，難製造溶解的聚合物電解質組成物。據此，難藉鑄造法形成電解質膜。即，組成物須均勻地塗覆在基板上以藉鑄造法形成電解質膜，但當聚合物電解質組成物未溶解時，組 成物無法均勻塗覆，並因此，形成的電解質膜不均勻。
同時，聚合物的親水性官能基可藉第一反應能與第一溶劑反應，且可藉第二反應能與第二溶劑反應。此申請案中，反應能是指介於參考單體和溶劑之間的安定化能量。更特定言之，反應能是指參考單體和溶劑各自存在時的能量值和單體與待安定的溶劑反應時的能量值之間的差。
例如，假設聚合物為具有親水性嵌段和疏水性嵌段的嵌段型共聚物，第一溶劑是二甲亞碸(DMSO)，和第二溶劑是水。此時，假設聚合物的親水嵌段包括，例如，磺酸基-SO3 K。
參照以下表1，顯示包括磺酸基-SO3 K的單體和溶劑之反應能，作為第一溶劑的二甲亞碸與包括磺酸基-SO3 K的單體(其含括於聚合物的親水性嵌段中)反應，安定化的第一反應能為-5.6千卡/莫耳。同時，作為第二溶劑的水反應，安定化的第二反應能為-6.3千卡/莫耳。即，得知介於第二溶劑和聚合物的官能基(磺酸基-SO3 K)之間的反應能(第二反應能)小於第一溶劑和聚合物的官能基(磺酸基-SO3 K)之間的反應能(第一反應能)。據此，相較於第一溶劑，第二溶劑更容易與聚合物的官能基反應，且第二溶劑與官能基反應而形成錯合物。據此，此申請案之聚合物電解質組成物可包括藉由令親水性嵌段與第二溶劑反應而得到的錯合物。
表1的反應能值係藉由使用Gaussian,Inc.生產的程式Gaussian 09的化學計算功能計算而得。
即，磺酸基-SO3 K可與水反應而形成磺酸-水錯合物。第二溶劑是甘油時，形成磺酸-甘油錯合物。
同時，聚合物係包括親水性嵌段和疏水性嵌段的嵌段型共聚物時，第一溶劑中的疏水性嵌段可具有第一變數(δ1)。藉由令親水性嵌段的官能基與第二溶劑反應而形成的錯合物亦可在第一溶劑中具有第二變數(δ2)。
關於材料的構成元素之間的聚集程度，變數δ顯示材料的構成元素之間的聚集程度，且可以下等式1表示。
[等式1]δ=(溶質的自身混合能量)-(溶劑的溶劑化能量)-△Gfus
式1中，△Gfus 是溶質熔化時的標準Gibbs自 由能，且單體的自身混合能量、溶劑的溶劑化能量及△Gfus 的單位是千卡/莫耳。
溶質的自身混合能量是存在的溶質以液相混於溶劑(與溶質相同)中時的化學勢。
溶質的自身混合能量值越小，溶質越安定。溶劑的溶劑化能量是存在的溶質以液相混於溶劑(不同於溶質的材料，或二或更多種包括溶質材料之混合物)中時的化學勢。
溶劑的溶劑化能量值越小，溶劑越安定。溶質的△Gfus (熔解的標準Gibbs自由能)為處於固態的溶質於25℃熔化所須的能量值。
溶質的△Gfus 為正值時，溶劑和溶質之混合為吸熱反應，當△Gfus 為負值時，溶劑和溶質之混合為放熱反應。
變數δ是介於溶質的自身混合能量值之間的差值，此將溶劑的標準Gibbs自由能和溶劑化能量列入考慮，變數δ值越大，溶質溶於選定溶劑中之溶解性越好。
藉混合之前和之後的能量差，可藉實驗測定溶質的自身混合能量、溶質的溶劑化能量、和△Gfus ，或者使用能夠預測熱動力模式的電腦程式計算溶質的自身混合能量、溶質的溶劑化能量、和△Gfus 。
同時，由變數δ的觀點，根據此申請案之例示具體實施例之聚合物電解質組成物可符合以下等式2的條件。
[等式2]δ 2-δ 1>0
變數δ1是等式1中的計算值，其中溶劑為構成疏水性嵌段的單體而溶劑是第一溶劑，而變數δ2是等式1中的計算值，其中溶質為藉由令親水性嵌段的官能基與第二溶劑反應而得的親水性嵌段錯合物而溶劑是第一溶劑。
疏水性嵌段、親水性嵌段、第一溶劑、和第二溶劑滿足等式2(此藉等式1計算)的條件時，已經與第二溶劑反應的親水性嵌段錯合物可以比疏水性嵌段更有效地溶於第一溶劑中。即，聚合物的親水性嵌段錯合物的第二變數(δ2)大於疏水性嵌段的第一變數(δ1)時，聚合物(其溶於第一和第二溶劑中)更能完全溶解。即，第二溶劑與親水性嵌段之反應優於第一溶劑，且第一溶劑溶解親水性嵌段優於疏水性嵌段。
此親水性嵌段所具有的官能基在第一溶劑中的溶解性不及疏水性嵌段，並因此而較不溶於第一溶劑中。藉此，難使得組成物溶解。此申請案可完全改良聚合物於第一溶劑中之溶解性，此藉由另使用與親水性嵌段的官能基反應而形成在第一溶劑之溶解性相對高於疏水性嵌段之錯合物的第二溶劑而達成。據此，藉由使用由第一溶劑和第二溶劑所組成的錯合物非均相溶劑，改良聚合物在溶劑中之溶解性。
同時，藉由使用此申請案之聚合物電解質組 成物形成電解質膜。此電解質膜可藉鑄造法形成。
溶液鑄造法係在承載的基板上形成聚合物電解質膜的成膜法，其藉由將此申請案的聚合物電解質組成物鑄造塗覆(形成鑄膜)在承載的基板(如玻璃基板、聚對酞酸乙二酯(PET)膜等)上以形成塗膜，及自塗膜移除揮發性組份(如溶劑等)的方式進行。藉由剝除等的方式移除承載的基板，可得到聚合物電解質膜。
同時，使用此申請案之聚合物電解質組成物製造電解質膜，及使用該電解質膜，可形成膜電極組件(MEA)。
膜電極組件(MEA)包括：陰極；陽極；和置於陰極和陽極之間的電解質膜，其中電解質膜係根據此申請案的前述電解質膜。
膜電極組件(MEA)是指電極(陰極和陽極)之組件，其中發生燃料和空氣的電化學觸媒反應，氫離子之轉移發生於聚合物膜中，且是電極(陰極和陽極)黏著至電解質膜的單一積體型單元。
此申請案之膜電極組件係使陽極的觸媒層和陰極的觸媒層與電解質膜接觸的形式，且可藉此技術已知的典型方法製造。例如，膜電極組件之製法可為：在陰極；陽極；和置於陰極和陽極之間的電解質膜彼此緊密黏著時，於100℃至400℃進行熱壓。
此申請案提出包括膜電極組件(MEA)之燃料電池。此燃料電池可藉此技術已知的典型方法製造，其 使用此申請案之膜電極組件(MEA)。例如，藉前述製得的膜電極組件(MEA)和雙極板之建構，可製得此燃料電池。
本發明之燃料電池包括疊層、燃料供應單元、和氧化劑供應單元。
當含括二或更多個膜電極組件時，此疊層包括一或二或更多個本發明之膜電極組件和插入二或更多個膜電極組件之間的雙極板。雙極板用以將自外部供應的燃料和氧化劑轉移至膜電極組件，並作為使陽極與陰極串接的傳導器。
燃料供應單元用以將燃料供應至疊層，且可由用以儲存燃料的燃料槽和用以將儲存於燃料槽中的燃料供應至疊層的幫浦所構成。氫或處於氣態或液態的烴可作為燃料，烴燃料的例子包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、或天然氣，但不限於此。
氧化劑供應單元用以將氧化劑供應至疊層。
基本上以空氣作為氧化劑，藉幫浦射入時，可使用氧或空氣。
可以使用聚合物電解質燃料電池、直接液體燃料電池、直接甲醇燃料電池、直接甲酸燃料電池、直接乙醇燃料電池、直接二甲醚燃料電池等作為燃料電池。
下文中，將藉實例詳細說明此申請案。但是，以下實例僅用以說明此申請案，且此申請案不為以下實例所限。
[實例1] 製造例1. 以烴為基礎之磺酸化的嵌段型共聚物之形成
氫醌磺酸鉀鹽(0.9當量)、4,4’-二氟二苯基酮(0.97當量)、和3,5-雙(4-氟苯甲醯基)苯基(4-氟苯基)甲酮(0.02當量)置於配備Dean-Stark收集器和冷凝器的1升圓底瓶中，在二甲亞碸(DMSO)和苯溶劑中，使用碳酸鉀作為觸媒，在氮氣氛中製造混合物。之後，反應混合物在油浴中於140℃攪拌4小時，以使得共沸混合物吸附至Dean-Stark收集器的分子篩，之後於苯回流時移出混合物，之後將反應溫度提高至180℃，進行20小時的縮合聚合反應。反應完全之後，反應物的溫度降至60℃，之後，4,4’-二氟二苯基酮(0.2275當量)、9,9-雙(羥基苯基)氟(0.335當量)和5-雙(4-氟苯甲醯基)苯基(4-氟苯基)甲酮(0.005當量)置於相同的瓶中，使用DMSO和苯，在氮氣氛下，使用碳酸鉀作為觸媒，重啟反應。之後，反應混合物再度於油浴中於140℃攪拌4小時以使得共沸混合物吸附至Dean-Stark收集器的分子篩，之後於苯回流時移出混合物，之後將反應溫度提高至180℃，進行20小時的縮合聚合反應。之後，反應物的溫度降至室溫，進一步添加DMSO以稀釋此產物，之後，經稀釋的產物倒入過量的甲醇中以自溶劑分離共聚物。然後，使用水移除過量的碳酸鉀，藉過濾得到的共聚物在真空爐中於80℃乾燥12小時或更久，以製造支化之磺酸化 的多嵌段型共聚物，其中疏水性嵌段和親水性嵌段藉化學鍵彼此交替連接。
製造例2. 聚合物電解質組成物之製造
製得38克二甲亞碸作為第一溶劑和2克水作為第二溶劑，其混合並攪拌2小時以製造非均相溶劑。之後，10克製造例1中製得之以烴為基礎之磺酸化嵌段型共聚物溶於此非均相溶劑中，以BORU玻璃濾器(孔尺寸3)過濾以移除灰塵等，之後製得聚合物電解質組成物溶液。
製造例3. 電解質膜之製造
使用在膜施用器的水平板上的刮刀，在無塵的工作台中，使用製造例2中製得的溶液將聚合物膜鑄造在基板上，之後，此膜維持於50℃ 2小時以進行溫和烘烤。之後，膜置於設定於100℃的烤箱中並乾燥24小時以形成包括製造例2中製得之聚合物電解質組成物的電解質膜。
製造例4. 膜電極組件之製造
根據已知的製造法，使用製造例3的電解質膜，製造膜電極組件，所製得的膜電極組件施用於氫燃料電池和直接甲醇燃料電池。
[實例2]
藉由使用與實例1中相同的材料和方法，但使用甘油作為第二溶劑，製造以烴為基礎之磺酸化的嵌段型共聚物、聚合物電解質組成物、膜電極組件、和燃料電池。
[比較例1]
藉由使用與實例1中相同的材料和方法，但使用甲醇作為第二溶劑，製造以烴為基礎之磺酸化的嵌段型共聚物、聚合物電解質組成物、膜電極組件、和燃料電池。
[比較例2]
藉由使用與實例1中相同的材料和方法，但使用乙二醇作為第二溶劑，製造以烴為基礎之磺酸化的嵌段型共聚物、聚合物電解質組成物、膜電極組件、和燃料電池。
[實驗實例1]
當使用COSMOlogic,Inc.生產的程式COSMOtherm計算溶質的自身混合能量、溶劑的溶劑化能量、和△Gfus 時，藉等式1計算實例1和2及比較例1和2中製造的聚合物電解質組成物的第一變數(δ1)和第二變數(δ2)。當溶劑為二甲亞碸和溶質為磺酸化的多嵌段 型共聚物的疏水性嵌段的單體時，第一變數(δ1)為等式1中的計算值，而當溶劑為二甲亞碸和溶質為藉由令磺酸化的多嵌段型共聚物的親水性嵌段與第二溶劑(實例1：水，實例2：甘油，比較例1：甲醇，和比較例2：乙二醇)反應而得的親水性嵌段錯合物時，第二變數(δ2)是等式1的所得值。
測得的第一變數(δ1)、第二變數(δ2)、和根據等式2的所得值示於表2。
以下表2中的所得值係藉由使用程式COSMOtherm計算。
由結果可知道，實例1和2中之δ2-δ1值皆大於0，而比較例1和2中的δ2-δ1值皆小於0。即，當第二溶劑與第一溶劑混合時，實例1和2具有與第二溶劑反應的親水性嵌段錯合物在第一溶劑中的溶解性之提高勝過於疏水性嵌段在第一溶劑中之溶解性的結果，而比較例1和2無法得到此結果。據此，知道在以烴為基礎之磺酸化的嵌段型共聚物中，實例1和2中之親水性嵌段錯合物在溶劑中的溶解性相對上優於疏水性嵌段，而比較例1和2 則未能得到這樣的結果。
[實驗實例2]
評估包括實例1和2及比較例1和2中製得之電解質膜的燃料電池。圖1說明燃料電池於70℃和RH 100%測得的效能數據，而圖2說明燃料電池於70℃和RH 50%測得的效能數據。
參照圖1，得知於0.6伏特處，實例1和2分別顯示電流密度約1,200毫安培/平方公分和電流密度約1,100毫安培/平方公分。亦得知於0.6伏特處，比較例1和2分別顯示電流密度約1,020毫安培/平方公分和電流密度約1,050毫安培/平方公分。
參照圖2，得知於0.6伏特處，實例1和2分別顯示電流密度約1,100毫安培/平方公分和電流密度約1,000毫安培/平方公分。反之，得知於0.6伏特處，比較例1和2分別顯示電流密度約900毫安培/平方公分和電流密度約850毫安培/平方公分。即，得知包括藉使用此申請案之聚合物電解質組成物製造的電解質膜之燃料電池具有極佳效能。
已經以參考附圖的方式描述此申請案的例示具體實施例，但此申請案不限於例示具體實施例且可以各種形式製造，且嫻於此技術者將瞭解，在此申請案涵蓋的範圍內，此申請案的例示具體實施例可以未背離此申請案的技術精神或基本特徵之其他特定形式實施。因此，將意識到前述例示具體實施例僅用於說明，而非造成限制。

Claims (18)

  1. 一種聚合物電解質之組成物，包含：第一溶劑；第二溶劑，其不同於第一溶劑；和聚合物，其與第一溶劑和第二溶劑反應，其中聚合物包含藉第一反應能而與第一溶劑反應及藉第二反應能而與第二溶劑反應之官能基，且第二反應能小於第一反應能，及其中聚合物係包含親水性嵌段和疏水性嵌段的嵌段型共聚物，第一溶劑係選自N,N’-二甲基乙醯胺(DMAc)、N-甲基吡咯啶酮(NMP)、二甲亞碸(DMSO)、和N,N-二甲基甲醯胺(DMF)中之至少一者，第二溶劑與親水性嵌段之反應優於第一溶劑，且反應能是指參考單體和溶劑各自存在時的能量值和單體與待安定的溶劑反應時的能量值之間的差。
  2. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中親水性嵌段具有的重量平均分子量由1,000至500,000(克/莫耳)，和疏水性嵌段具有的重量平均分子量由1,000至500,000(克/莫耳)。
  3. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中官能基具親水性。
  4. 如申請專利範圍第3項之組成物，其中官能基係選自-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、 -PO3 H- M+ 、和-PO3 2- 2M+ 中之至少一者，且官能基中的M是金屬元素。
  5. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中親水性嵌段與第二溶劑之反應優於與第一溶劑之反應。
  6. 如申請專利範圍第1項之組成物，其另包含：藉由令第二溶劑與官能基反應而形成之錯合物。
  7. 如申請專利範圍第6項之組成物，其中疏水性嵌段、親水性嵌段、第一溶劑、和第二溶劑滿足藉以下等式1計算的以下等式2：[等式1]δ=(溶質的自身混合能量)-(溶劑的溶劑化能量)-△Gfus 式1中，△Gfus 是溶質熔化時的標準Gibbs自由能，且溶質的自身混合能量、溶劑的溶劑化能量及△Gfus 的單位是千卡/莫耳，[等式2]δ 2-δ 1>0變數δ 1是等式1的計算值，其中溶質係構成疏水性嵌段的單體且溶劑是第一溶劑，和變數δ 2是等式1的計算值，其中溶質係親水性嵌段錯合物，其藉由令親水性嵌段的官能基與第二溶劑反應而得，且溶劑是第一溶劑。
  8. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中第一溶劑溶解親水性嵌段較優於疏水性嵌段。
  9. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中第二溶劑是水或甘油。
  10. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中嵌段型共聚物包含以下式1表示的重覆單元和以下式2表示的重覆單元： 式1中，a和a’是大於0的整數且a：a’是1,000：1至5：1和m是1至10,000的整數，和式1和2中，A、C和V彼此相同或不同，且各自獨立地藉以下式1-1至1-3中之一表示， 式1-1至1-3中，X1 是直接鏈結，或-C(Z1 )(Z2 )-、-CO-、-O-、-S-、-SO2 -、和-Si(Z1 )(Z2 )-之一，Z1 和Z2 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫、烷基、三氟甲基(-CF3 )、和苯基中之一，S1 和S2 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取 代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，b和c彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，S3 至S6 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，d、e、f和g彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，S7 至S10 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，和h、i、j和k彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4 的整數，式2中，z和z’是大於0的整數且z：z’是1,000：1至5：1，n是1至100,000的整數，和U藉以下式2-1至2-4之一表示， 式2-1至2-4中，X2 是直接鏈結、或-CO-或-SO2 -，q和r彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，s、t、u和v彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，w和x彼此相同或不同，且各自獨立地為0至3的整數，y彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，T1 至T9 彼此相同或不同，其中的至少一者各自獨立地為-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、或-PO3 2- 2M+ ，M是金屬元素，其他者是氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未 經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，式1和2中，B是完全以氟為基礎的化合物或部分以氟為基礎的化合物，或是藉以下式3-1至3-3之一表示者， 式3-1至3-3中，X3 至X5 彼此相同或不同，且各自獨立地為直接鏈結、或-CO-或-SO2 -， Y1 是直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，E1 至E4 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，α、β和ψ彼此相同或不同，且各自獨立地為0至4的整數，ε是0至3的整數，X6 是直接鏈結、或-CO-或-SO2 -，Y2 是直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，E5 和E6 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基， ζ是0至3的整數，θ是0至4的整數，X7 是直接鏈結、或-CO-或-SO2 -，Y3 是直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，E7 和E8 彼此相同或不同，且各自獨立地為氫；氘；鹵基；氰基；腈基；硝基；羥基；經取代或未經取代的烷基；經取代或未經取代的環烷基；經取代或未經取代的烷氧基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的矽烷基；經取代或未經取代的硼基；經取代或未經取代的胺基；經取代或未經取代的烷胺基；經取代或未經取代的芳烷胺基；經取代或未經取代的芳胺基；經取代或未經取代的雜芳胺基；經取代或未經取代的芳基；經取代或未經取代的茀基；或經取代或未經取代的咔唑基，λ是0至3的整數，Π是0至4的整數，和W是藉以下的式1中之[式4]表示的重覆單元，和以下的式2中之[式5]表示的重覆單元， 式4中，m’是1至10,000的整數，而A和U之定義 與式1中的A和U相同，和式5中，n’是1至100,000的整數，而C和V之定義與式2中的C和V相同。
  11. 如申請專利範圍第10項之組成物，其中A、C和V彼此相同或不同，且係選自以下之至少一者： R1 和R2 彼此相同或不同，且各自獨立地為硝基(-NO2 )或三氟甲基(-CF3 )。
  12. 如申請專利範圍第10項之組成物，其中U是選自以下之至少一者： Q1 和Q2 彼此相同或不同，且各自獨立地為-SO3 H、-SO3 - M+ 、-COOH、-COO- M+ 、-PO3 H2 、-PO3 H- M+ 、或-PO3 2- 2M+ ，和M是金屬元素。
  13. 如申請專利範圍第10項之組成物，其中B選自以下者之一： Y1 至Y3 彼此相同或不同，且各自獨立地為直接鏈結、或C1 至C60 伸烷基，和W是藉以下的式1中之[式4]表示的重覆單元、和以 下的式2中之[式5]表示的重覆單元， 式4中，m’是1至10,000的整數，而A和U之定義與式1中的A和U相同，和式5中，n’是1至100,000的整數，而C和V之定義與式2中的C和V相同。
  14. 如申請專利範圍第1項之組成物，其中第一溶劑和第二溶劑的重量比以第二溶劑/第一溶劑表示，且是在1/99至10/90的範圍內。
  15. 一種電解質膜，其由如申請專利範圍第1至14項中任一項之聚合物電解質之組成物形成。
  16. 一種膜電極組件，其包含：陰極；陽極；和置於陰極和陽極之間的電解質膜，其中電解質膜係如申請專利範圍第15項之電解質膜。
  17. 一種聚合物電解質型燃料電池，包含：包含一或二或更多個如申請專利範圍第16項之膜電 極組件和插入膜電極組件之間的雙極板之疊層；用以供應燃料至疊層的燃料供應單元；和用以將氧化劑供應至疊層的氧化劑供應單元。
  18. 一種製備聚合物電解質膜之方法，該方法包含：形成聚合物；藉由使用聚合物、第一溶劑和第二溶劑而製備聚合物電解質之組成物；和使用聚合物電解質之組成物形成電解質膜，其中該聚合物係包含藉第一反應能而與第一溶劑反應及藉第二反應能而與第二溶劑反應之官能基之聚合物，且第二反應能小於第一反應能，其中上述聚合物、第一溶劑、第二溶劑與反應能係如申請專利範圍第1項定義。
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