[發明專利]質子導體材料及其制備方法和應用及中溫燃料電池

有效

• 申請號: 201710130787.7
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN106887625B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 孫春文
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016;C01B25/45
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 陳靜;嚴政

本發明涉及燃料電池電解質領域，公開了質子導體材料及其制備方法和應用及中溫燃料電池，該質子導體材料的化學式為(NH₄)₂A_1?xB_xP₄O₁₃，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4。本發明提供的質子導體材料在中溫(150～400℃)范圍內工作時，質子電導率均顯著高于4×10^?2S/cm，能夠實現在中溫燃料電池中的應用。

技術領域

本發明涉及燃料電池電解質領域，具體涉及一種質子導體材料、一種制備質子導體材料的方法以及由該方法制備得到的質子導體材料、質子導體材料作為中溫質子導體燃料電池或電解池的電解質材料的應用、質子導體材料在傳感器中的應用以及一種中溫燃料電池。

背景技術

近年來，由于燃料電池具有能量轉化效率高、低排放等優點，其引起了世界范圍的廣泛關注。特別是，在2014年日本豐田等幾個汽車公司將燃料電池汽車推向了市場。

但是，現有的聚合物電解質膜燃料電池(PEMFCs)一般均使用質子導體的作為電解質，這種類型的燃料電池必須在低于水的沸點(100℃)的溫度下工作。在低溫下工作，如果使用含碳的氣體或液體作為燃料，CO毒化催化劑將成為一個嚴重的問題。此外，還要求高的貴金屬催化劑負載量來補償催化劑在這一溫度范圍低的催化活性以及減輕CO對催化劑的毒化問題。

另外，聚合物電解質膜燃料電池或直接醇燃料電池在較高溫度下運行，具有很多優點，例如，較快的電極反應動力學，燃料中雜質對電池性能的影響會較小。

因此，最近二十年國際上興起了研發中溫(150～400℃)下工作的固態質子導體的熱潮。實現中溫燃料電池要求質子電導率高于10^-2S/cm。

聚磷酸銨是一種潛在的中溫電解質。但是，純的聚磷酸銨在200℃以上的溫度下不穩定。文獻中報道，通過加入高度分散的第二相形成復合材料，例如，添加Al₂O₃、TiO₂、SiO₂等是一種提高材料離子電導率和穩定性的有效方法。

目前，基于質子導體在高溫下工作的燃料電池或傳感器主要使用陶瓷導體BaZr_0.8Y_0.2O_3-δ(BZY)和BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.2O_3-δ(BCZY)，而在低溫下工作的燃料電池主要使用美國杜邦公司生產的聚合物電解質很少看到報道能夠在中溫范圍內(150-400℃)工作并且性能優異的質子導體電解質材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠在中溫范圍內(150-400℃)工作，且性能優異的質子導體電解質材料。

本發明的發明人在研究中發現，化學式為(NH₄)₂A_1-xB_xP₄O₁₃，并且A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4時，由此獲得的質子導體電解質材料在中溫(150～400℃)范圍內工作時，質子電導率均顯著高于4×10^-2S/cm，從而能夠實現在中溫燃料電池中的應用。據此，發明人完成了本發明的方案。