[發明專利]質子傳導體以及使用該質子傳導體的電極和燃料電池

有效

• 申請號: 200680008035.3
• 申請日: 2006-03-14
• 公開（公告）號: CN101138116A
• 公開（公告）日: 2008-03-05
• 發明（設計）人: 北倏伸彥;山本泰右;岡田行廣
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M8/10;H01B1/06
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 陳建全

技術領域

本發明涉及至少具有質子傳導性的質子傳導體、以及使用該質子傳導體的電極和燃料電池。特別地，本發明的質子傳導體在無加濕的條件以及室溫～200℃的溫度下，具有改善的電極特性。

背景技術

近年來，正在推進為了使燃料電池實用化的應用開發。作為燃料電池的用途，可以列舉出家庭用電源以及分散型電源等發電系統、將它們與廢熱利用技術組合的聯合發電系統、汽車等移動物體的驅動用電源以及電子設備等移動終端用電源等。

作為與這些用途相關聯而開發的燃料電池，有希望是固體高分子型燃料電池，它將固體高分子電解質膜用作電解質膜，可以在室溫～80℃左右的溫度范圍工作。

為了這些燃料電池的實用化，燃料電池系統需要更加小型化，為此，在無加濕的條件以及室溫～200℃的溫度范圍使燃料電池工作是有效的。究其原因，這是因為如果能夠使燃料電池在無加濕的條件下工作，則可以省略燃料電池系統的加濕器。另外，還因為如果能夠從室溫驅動燃料電池，則與在室溫下不能工作的情況相比，可以減輕啟動時加熱器的負荷，從而可以使加熱器小型化或予以省略。再者，還因為如果能夠將目前為80℃左右的工作溫度范圍提高到高于80℃，則燃料電池的發電輸出增加，與此相對應，可以使發電部小型化。

這樣一來，如果能夠使燃料電池在無加濕的條件以及室溫～200℃的溫度范圍工作，則燃料電池系統可以更加小型化。

關于燃料電池的構成要素之一的質子傳導體的材料，在此就現有技術進行說明。

目前，最一般地用作固體高分子型燃料電池的電解質膜的是以美國杜邦(Du?Pont)公司生產的Nafion(注冊商標)為代表的在側鏈具有強酸性官能團的氟系聚合物，即全氟磺酸聚合物。該全氟磺酸聚合物通過加濕，在室溫～100℃以下的溫度范圍內，發揮出10-1S/cm左右的非常高的質子傳導性(導電率或質子傳導率)。

然而，加濕是必不可少的，而且在100℃以上的溫度下，導電率大大降低，所以存在不能使用的問題。這是因為：全氟磺酸聚合物通過加濕而使其內部含有水，該水形成離子的傳導路徑，但在100℃以上的溫度下，該水發生蒸發，從而使離子的傳導路徑消失。

下面就以質子傳導體的開發為目標的具體努力進行說明，以期該質子傳導體能夠在無加濕的條件且在室溫～200℃左右的廣泛的溫度范圍穩定地發揮作用。

為了實現在無加濕條件下的工作，必須使用除水以外的質子傳導介質。作為這樣的質子傳導介質的候選者，可以列舉出具有質子傳導性的有機化合物即雜環狀有機化合物。具體地說，咪唑、吡唑以及它們的衍生物等是有名的。

但是，這些有機化合物還存在以下的問題。例如咪唑，它具有90℃的熔點，在熔點以上的溫度下發生熔融而變為液體，顯示出高達10-3S/cm以上的質子傳導性。但是，在低于熔點的溫度下成為固體的結晶，將使質子傳導性大大降低1～2個數量級或更多(例如參照非專利文獻1)。也就是說，咪唑雖然可以在無加濕的條件下發揮作用，但具有工作溫度的限制，存在其功能在室溫～90℃大大降低的問題。

這樣一來，以咪唑為代表的雜環狀有機化合物雖然可以在無加濕的條件下作為質子傳導體發揮作用，但具有其功能在熔點以下大大降低的問題。而且該問題也是具有熔點、且在低于熔點的溫度下成為固體結晶的質子傳導體所共同存在的問題。

為了解決這樣的問題，例如已經提出了將雜環狀有機化合物保持在酸性高分子膜中的方案(例如專利文獻1和2)。例如已經提出了將雜環狀有機化合物即咪唑保持在具有酸性基的高分子即聚磷酸乙烯酯或磺化聚醚酮膜中而得到的質子傳導體。另外，還提出了使具有質子傳導性的化合物即硫酸氫銫和多孔質二氧化硅復合而制造質子傳導體的方法(例如專利文獻3和4)。

下面就燃料電池的電極進行說明。

燃料電池的電極主要由催化劑、質子傳導體以及電子傳導體這3個要素構成。例如可以列舉出由附載催化劑的碳粒子和作為質子傳導體的全氟磺酸聚合物混合而成的電極。在設計這樣的電極時，一般認為重要的是提高催化劑粒子和質子傳導聚合物的接觸面積，并考慮供給反應氣體的氣體通道的形成(例如非專利文獻2和專利文獻5)。

在非專利文獻2和專利文獻5中，公開了重要的是通過控制催化劑粒子的量與質子傳導性聚合物的量之比、和電極中的孔隙結構，以防止催化劑粒子的凝集，并提高催化劑粒子和質子傳導性聚合物的接觸面積。具體地說，公開了為了防止催化劑粒子的凝集，并用質子傳導性聚合物覆蓋催化劑粒子的表面，必須在電極內的直徑為0.04～1.0μm的微孔部導入質子傳導性聚合物。