使用质子传导性凝胶的燃料电池及其制造方法以及发电方法技术

本发明专利技术的目的是提供一种在１００℃以上的温度范围内进行工作的燃料电池以及这样的燃料电池的制造方法。本发明专利技术的燃料电池具备质子传导性凝胶、阳极、阴极，所述质子传导体被夹持于所述阳极与所述阴极之间，所述质子传导性凝胶由ＳｎＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ以及Ｈ３ＰＯ４构成，在将由ＮＨ３／ＳｎＯ２所表示的摩尔比作为Ｘ且将由Ｐ／Ｓｎ所表示的摩尔比作为Ｙ的情况下，Ｘ为０．２以上且５以下且Ｙ为１．６以上且３以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能够在100°C以上的温度范围进行工作的燃料电池，特别涉及使用在 100°C以上的温度范围内在重量稳定性和质子传导性方面优异的均质的固体电池材料的燃 料电池和像那样的燃料电池的制造方法以及发电方法。
技术介绍
近年以来作为CO2排放少的发电手段，燃料电池正在被实用化。人们提出了几 种燃料电池，而其中作为代表性的方式的被称作为PEFC(高分子电解质型燃料电池)的 燃料电池的开发盛行。PEFC具有将高分子电解质膜夹入在担载了 Pt等催化剂的电极(阳极以及阴极) 之间的构造。通过将氢提供给阳极且将含氧气体提供给阴极，从而在阳极上氢被催化剂 分离成质子和电子。所生成的质子与H2O —起以氧鐺离子H3O+的形式被输送，并被提供给高分子电 解质膜。在高分子电解质膜中只有质子进行移动，在阴极的催化剂上质子和氧以及电子 形成所谓三相界面，并通过发生由氧以及质子生成水的反应而使燃料电池发电。即，在 燃料电池的发电过程中，只有质子在高分子电解质膜中进行移动且不让氢、氧以及电子 透过至相反侧的电极这一点是重要的。如以上所述，在以PEFC为代表的通过质子输送进行发电的燃料电池中，质子传 导体对于电极以及电解质膜中的质子输送来说起到较大的作用。因此，随着燃料电池的 开发，质子传导体的开发也盛行起来。但是，PEFC的发电效率仍还较低。因此，为了提高PEFC的发电效率，提高在 电极上的催化剂的反应效率以及提高高分子电解质膜中的质子传导是至关重要的。特别 是催化剂的反应效率较大程度上要依赖于反应温度，所以提升发电效率的最有效手段是 使PEFC的催化剂的反应温度上升，即，使PEFC的工作温度上升。然而，高分子电解质膜中的质子输送机理是介由存在于高分子链中的H2O的氧 鐺离子(H3O+)传导，所以在大气压条件下以100°C以上的温度由PEFC来发电是困难的。 这是因为水在大气压以及100°C的条件下发生气化，所以以100°C以上的温度条件使高分 子电解质膜中的H2O稳定地存在是困难的。另一方面，磷酸型燃料电池(PAFC)被部分实用化。PAFC使用磷酸作为电解 质，所以有可能在200°C左右的温度条件下进行发电。但是，PAFC使用酸性液体磷酸， 所以存在着有必要对腐蚀以及漏液等进行对策的特有的问题。这样，在100°C 300°C程度的被称之为中温度区域的温度范围内使燃料电池工 作是有用的。但是，问题在于对于燃料电池来说最适合的质子传导体还不存在。质子传导体大致分为以H2O为媒介的质子传导体(即，利用H3O+的传导的质子 传导体)和不以水为媒介而传导H+的质子传导体。以H2O为媒介的质子传导体中，难以使传导介质H2O在100°C以上的温度区域中稳定地存在。另一方面，作为只对H+进行传 导的质子传导体，已知有如SrZri_xYx03类那样的钙钛矿(perovskite)型氧化物。但是， 由钙钛矿型氧化物构成的质子传导体其显示质子传导的温度为400°C以上，所以工作温度 会变得过高。这样，在300°C以下的温度区域内稳定存在的不以H2O为媒介的质子传导体基本 没有。特别是，为了实现在100°c 200°C的温度区域进行工作的燃料电池，如何使H2O 稳定地存在于质子传导体中将成为一个重大的问题。在燃料电池中的燃料(H2、O2)的透过将导致发电效率的降低。因此，质子传导 体要求如致密的膜和凝胶那样具有较低的气体透过性。同样，从与电极的亲和性以及密 合性的观点出发，也优选致密的膜或者凝胶。另外，一直以来，人们已提出了各种在100°C以上的温度条件下显示质子传导性 的材料。例如，根据非专利文献1，氧化锡水合物(SnO2 · IiH2O)具有良好的质子传导 性。将水溶性物质SnCl4溶解于水，接着添加等量的NH4OH,从而形成Sn(0H)4。对所 获得的沉淀Sn(OH)4进行充分水洗以除去NH4+以及Cl—离子，接着在110°C下加热，从 而获得SnO2 · ηΗ20粉末。在非专利文献1中，使用SnCl4作为水溶性的Sn化合物，用NH4OH进行中 和，从而形成氢氧化物盐Sn(OH)4,之后，再通过干燥而获得SnO2的水合物。还有， Sn(OH)4以及SnO2 · ηΗ20为非水溶性。非专利文献1记载了 SnO2 · ηΗ20的粉末包含吸附的水和结合的水，如果对室 温 500°C的重量变化进行研究，则在25°C 130°C的温度范围内吸附水会发生脱离，而 后所结合的水在150°C 350°C的温度范围内发生脱离。如果以升温至350°C时的重量为 基础，那么温度上升至200°C的时候50%以上的水分将发生脱离。非专利文献1所公开的SnO2 · IiH2O为粉末状。如果除去了容易脱离的附着水， 那么在η = 2的情况下，相对于粉末整体的H2O量为20wt%左右。为了在100°C以上的温度范围内保持保水能力，专利文献1提出了使氧化锡水合 物、即SnO2 · IiH2O与多孔性陶瓷颗粒进行复合而获得的复合体。专利文献1公开了 例 如，通过将多孔性陶瓷颗粒分散于SnO2 · IiH2O基体(matrix)中，从而将由陶瓷颗粒的孔 所供给的水分提供给水合物，由此，即使是在100°C以上的温度范围内，与SnO2 · IiH2O 单一的情况相比较保水能力也会有所提高。因此，专利文献1中所公开的传导体是粉末以及其成型体，相对于与非专利文 献1同样的H2O含有率的多孔性颗粒内所吸附的H2O的比例成为所吸附的H2O量相对于 H2O整体的比例。专利文献2公开了一种固体电解质膜，其是层状磷酸化合物(Sn(HPO4)2 · IiH2O 等)，其特征在于Sn/P的摩尔比为0.3 0.8。专利文献2公开了 结晶性磷酸锡在150°C 下显示出10_2 10_3S/cm程度的高质子传导率。据专利文献2所述，层状磷酸化合物为粉末状。非专利文献2公开了纳米颗粒SnO2和磷酸(H3PO4)的混合物在热稳定性方面优 异。再有，该文献还进一步公开了通过使磷酸混合于纳米颗粒SnO2中从而提高保水能力。也就是说，该文献公开了 SnO2-H3PO4之间的网络显示出高保水能力。专利文献3公开了一种质子传导体，其在选自氧化锡、氧化钒、氧化钨以及氧 化锰中的一种金属氧化物纳米多孔材料的细孔表面或者细孔构造的内部，具备P2O5或者 磷酸基团。根据专利文献3，通过将P2O5或者磷酸基团形成于细孔中，从而使P2O5或者 磷酸基团以范德华力以上的结合力与水相结合。专利文献3所公开的质子传导体为粉末状。S卩，为了提高保水能力，通过将P2O5 或者磷酸基团掺入到纳米多孔材料的细孔中来提高保水能力。通过构筑起由氧化物的细 孔、P2O5或者磷酸基团以及H2O构成的网络，来提高保水能力。根据专利文献3所述， 专利文献3所公开的网络比非专利文献2所公开的SnO2-H3PO4的网络在保水能力方面更 加优异。专利文献4公开了作为使用SnO2的凝胶状物质的使用Sn02、Sb以及NH3的凝 胶。根据专利文献4，在制造具有SnO2电子传导性的材料的过程中生成凝胶。如以上所述，已提出了很多用于使燃料电池在100°C以上的温度下进行工作的质 子传导体。作为在200°C左右的温度范围内进行工作的燃料电池而被实用化的例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其特征在于：　　具备：　　质子传导性凝胶、阳极和阴极，　　所述质子传导体被夹持于所述阳极与所述阴极之间，　　所述质子传导性凝胶由ＳｎＯ↓［２］、ＮＨ↓［３］、Ｈ↓［２］Ｏ以及Ｈ↓［３］ＰＯ↓［４］构成，　　在将由ＮＨ↓［３］／ＳｎＯ↓［２］所表示的摩尔比作为Ｘ且将由Ｐ／Ｓｎ所表示的摩尔比作为Ｙ的情况下　　Ｘ为０．２以上且５以下，并且Ｙ为１．６以上且３以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2009-5-11 2009-1142881.一种燃料电池，其特征在于 具备质子传导性凝胶、阳极和阴极，所述质子传导体被夹持于所述阳极与所述阴极之间，所述质子传导性凝胶由Sn02、NH3、H2O以及H3PO4构成，在将由NH3/Sn02所表示的摩尔比作为X且将由P/Sn所表示的摩尔比作为Y的情况下，X为0.2以上且5以下，并且Y为1.6以上且3以下。2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述质子传导性凝胶在100°C以上且200°C以下的温度范围内具有10_3S/cm以上的传导率。3.一种燃料电池的制造方法，其特征在于 该燃料电池具备质子传导性凝胶、阳极以及阴极， 所述制造方法按顺序具备下列工序将H3PO4混合于由Sn02、NH3以及H2O构成的溶液中从而获得所述质子传导性凝胶 的工序，在此，在将由NH3/Sn02所表示的摩尔比作为X且将由P/Sn所表示的摩尔比作 为Y的情况下，X为0.2以上且5以下，并且Y为1.6以上...

【专利技术属性】
技术研发人员：大塚隆，小森知行，表笃志，钱谷勇磁，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP