碳系烧成体及其络合物、以及使用了该碳系烧成体的燃料电池制造技术

本发明专利技术中，以具有导电性的碳材料为原料，得到保持和/或提高其导电性的稳定的形态，在用于燃料电池的催化剂层时，提高发电特性。本发明专利技术为具有酚羟基的芳香族化合物与具有导电性的碳材料的混合物的烧成体等。性的碳材料的混合物的烧成体等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳系烧成体及其络合物、以及使用了该碳系烧成体的燃料电池


[0001]本专利技术涉及碳系烧成体及其络合物、以及使用了该烧成体的燃料电池。

技术介绍

[0002]碳材料的炭黑是由无定形碳质构成的亚微米的微粒，有橡胶增强剂、树脂着色剂、印刷油墨、涂料、电极材料等用途(非专利文献1)。在炭黑中，能够以较少的添加量赋予导电性的炭黑被称为导电性炭黑，因其制造法、原料，已知有例如乙炔黑、油炉法炭黑、VULCAN、科琴黑、科琴黑EC等种类(非专利文献2)。
[0003]已知的是，碳材料的炭黑在高温下进行制造或活化处理，因此炭黑表面上的官能团的一部分脱离而进行石墨化，从而获得高导电性(非专利文献3)。
[0004]碳材料的碳纳米管是由碳同位素的sp2碳所构成的圆筒状的六边形网面构成的，存在单层的碳纳米管和多层的碳纳米管。例如，作为以工业规模制造和销售的碳纳米管，已知有气相成长碳纤维的碳纳米管，其导电性优异(非专利文献4)。现有技术文献非专利文献
[0005]非专利文献1：碳材料学会编、新
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碳材料入门、“2.8炭黑”、REALIZE Science&Engineering Co.,Ltd、1996年、129页
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135页非专利文献2：碳材料学会连载讲座编辑委员会编、碳材料实验技术(制造/合成篇)、[第三章3
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3导电性炭黑“科琴黑EC”]、2013年、173页
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179页非专利文献3：碳材料学会连载讲座编辑委员会编、碳材料实验技术(制造/合成篇)、“第三章3
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1炭黑”、2013年、156页
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167页非专利文献4：碳材料学会连载讲座编辑委员会编、碳材料实验技术(制造/合成篇)、[第二章2
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3气相成长碳纤维的制造法和用途]、2013年、87页
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91页

技术实现思路

专利技术所要解决的技术问题
[0006]对于具有导电性的碳材料而言，例如导电性炭黑的情况下，通过高温烧成使其表面官能团和缺损部分减少，由此提高导电性，因此炭黑的表面官能团的量少。另外，由于碳材料的碳纳米管由sp2碳构成，因此碳纳米管表面上的官能团集中在管的边缘部位或少许的缺损部位，其存在量很少。
[0007]因此，为了在不使原本的导电性的功能劣化的情况下通过炭黑和碳纳米管的表面官能团进行其它功能的赋予或功能的增强这样的改善，可以通过有机合成方法等进行化学修饰、将其它材料利用吸附而导入炭黑表面的方法等来实现，但难以进行实用上具有意义的改善。例如，在化学修饰的情况下，关于能够导入的官能团的量，由于原本具有导电性的碳材料的表面的官能团的存在量少而存在极限；使用共价键将其它官能团导入到由sp2碳
构成的表面的情况下，取决于导入量，但大多会导致本来具有的导电性的功能降低。另外，在具有导电性的碳材料表面吸附其它材料的方法为物理吸附，因此吸附容易脱离，常常无法保持材料的特性而使其降低。
[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于，以具有导电性的碳材料为原料，得到保持和/或提高其导电性的稳定形态，在用于燃料电池的催化剂层时，提高发电特性。用于解决技术问题的手段
[0009]本专利技术人等反复进行了研究，结果发现，通过进行将以往的具有导电性的碳材料与具有酚羟基的芳香族化合物的混合物烧成的反应，得到新型的烧成体，若该烧成体被用作例如燃料电池的催化剂层的电解质和/或催化剂载体以及固体电解质膜的电解质，则在催化剂层中质子传导性、电子传导性、水输送和透气性提高，发挥优异的发电特性。
[0010]本专利技术人等反复进行了研究，结果发现，若由下述制造方法得到的烧成体被用作例如燃料电池的催化剂层的电解质和/或催化剂载体以及固体电解质膜的电解质，则在催化剂层中质子传导性、电子传导性、水输送和透气性提高，发挥优异的发电特性，所述制造方法为：在具有酚羟基的芳香族化合物的熔点以上将现有的具有导电性的碳材料与具有酚羟基的芳香族化合物的混合物烧成而复合化；或在得到具有导电性的碳材料与具有酚羟基的芳香族化合物的有机溶剂溶液的混合物后，在特定的温度下进行烧成而复合化。
[0011]进而，本专利技术人等反复进行了研究，结果发现，通过进行向上述烧成体导入稀土金属离子的反应，得到稀土金属离子与烧成体的络合物，该络合物使质子传导性和电子传导性提高，发挥优异的发电特性。
[0012]本专利技术例如为以下的[1]～[20]。[1]一种碳系烧成体，其是具有酚羟基的芳香族化合物与具有导电性的碳材料的混合物的碳系烧成体。[2]根据[1]所述的碳系烧成体，其中，具有酚羟基的芳香族化合物为具有2～6个酚羟基的芳香族化合物。[3]根据[1]或[2]所述的碳系烧成体，其中，具有导电性的碳材料为选自由科琴黑、科琴黑EC和碳纳米管组成的组中的至少一种。[4]一种碳系烧成体的制造方法，其是根据[1]～[3]中任一项所述的碳系烧成体的制造方法，其具有得到具有酚羟基的芳香族化合物的熔融液或有机溶剂溶液与具有导电性的碳材料的混合物的工序。[5]根据[4]所述的碳系烧成体的制造方法，其具有：工序1，得到具有酚羟基的芳香族化合物与具有导电性的碳材料的混合物的工序；以及工序2，在具有酚羟基的芳香族化合物的熔点以上的温度下将工序1中得到的混合物烧成的工序。[6]根据[4]所述的碳系烧成体的制造方法，其具有：工序1，得到具有酚羟基的芳香族化合物的有机溶剂溶液与具有导电性的碳材料的混合物的工序；以及工序2，在150℃～600℃的温度范围下将工序1中得到的混合物烧成的工序。[7]一种络合物，其是[1]～[3]中任一项所述的烧成体与稀土金属离子的络合物，
其中，所述络合物是稀土金属离子与所述烧成体的取代基络合而形成的。[8]根据[7]所述的络合物，其中，所述稀土金属离子的金属种类为选自由钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥组成的组中的至少一种。[9]根据[7]或[8]的络合物，其中，所述烧成体的取代基为选自由源自具有导电性的碳材料的羟基、羧基、羰基、甲酰基、磺酸基、氧基磺酸基、羧酸酐结构、色烯结构、内酯结构、酯结构及醚结构以及源自具有酚羟基的芳香族化合物的羟基组成的组中的至少一种。[10]一种络合物的制造方法，其是[7]～[9]中任一项所述的络合物的制造方法，其中，使稀土金属化合物与权利要求1～3中任一项所述的烧成体在溶剂中反应。[11]根据[10]所述的制造方法，其中，所述稀土金属化合物为选自由CeBr3、CeCl3·
7H2O、CeF3、CeF4、CeI3、EuBr3·
xH2O、EuCl2、EuCl3、EuCl3·
6H2O、EuF3、EuI2、NdBr3、NdCl3、NdCl3·
6H2O、NdF3、NdI2、NdI3、SmBr3、SmCl3、SmCl3·
6H2O、SmI2、SmI3、Ce(NH4)2(NO3)6、Ce(NO3)3·
6H2O、Nd(NO3)3·
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种碳系烧成体，其特征在于，其是具有酚羟基的芳香族化合物与具有导电性的碳材料的混合物的碳系烧成体。2.根据权利要求1所述的碳系烧成体，其中，具有酚羟基的芳香族化合物为具有2～6个酚羟基的芳香族化合物。3.根据权利要求1或2所述的碳系烧成体，其中，具有导电性的碳材料为选自科琴黑、科琴黑EC和碳纳米管中的至少1种。4.权利要求1～3中任一项所述的碳系烧成体的制造方法，其具有以下工序：得到具有酚羟基的芳香族化合物的熔融液或有机溶剂溶液与具有导电性的碳材料的混合物。5.根据权利要求4所述的碳系烧成体的制造方法，其中，所述制造方法具有：工序1，其中，得到具有酚羟基的芳香族化合物与具有导电性的碳材料的混合物；以及工序2，其中，在具有酚羟基的芳香族化合物的熔点以上的温度下将工序1中得到的混合物烧成。6.根据权利要求4所述的碳系烧成体的制造方法，其中，所述制造方法具有：工序1，其中，得到具有酚羟基的芳香族化合物的有机溶剂溶液与具有导电性的碳材料的混合物；以及工序2，其中，在150℃～600℃的温度范围内将工序1中得到的混合物烧成。7.一种络合物，其特征在于，其是权利要求1～3中任一项所述的烧成体与稀土金属离子的络合物，其中，所述络合物是稀土金属离子与所述烧成体的取代基络合而形成的。8.根据权利要求7所述的络合物，其中，所述稀土金属离子的金属种类为选自钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的至少1种。9.根据权利要求7或8所述的络合物，其中，所述烧成体的取代基为选自源自具有导电性的碳材料的羟基、羧基、羰基、甲酰基、磺酸基、氧基磺酸基、羧酸酐结构、色烯结构、内酯结构、酯结构及醚结构、以及源自具有酚羟基的芳香族化合物的羟基中的至少1种。10.权利要求7～9中任一项所述的络合物的制造方法，其特征在于，使稀土金属化合物与权利要求1～3中任一项所述的烧成体在溶剂中反应。11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述稀土金属化合物为选自CeBr3、CeCl3·
7H2O、CeF3、CeF4、CeI3、EuBr3·
xH2O、EuCl2、EuCl3、EuCl3·
6H2O、EuF3、EuI2、NdBr3、NdCl3、NdCl3·
6H2O、NdF3、NdI2、NdI3、SmBr3、SmCl3、SmCl3·...

【专利技术属性】
技术研发人员：近藤章一，加藤博和，菊池隆正，志贺纪仁，
申请(专利权)人：日产化学株式会社，
类型：发明
国别省市：