JP6139177B2 - プロトン伝導体、プロトン伝導体の製造方法、及び燃料電池 - Google Patents
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Description
第二級アミンとしては、例えば、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン等のジ低級アルキルアミン、N−メチルアニリン、N−メチルトルイジン等の芳香族二級アミン等が挙げられる。
(実施例1)
酸化亜鉛210mg、85%リン酸530μL、及びイミダゾール350mgを乳鉢に量り取り、大気雰囲気下、常温で15分間攪拌混合した。その後、80℃で15時間乾燥させて、白色粉末(プロトン伝導体)を得た。
また、プロトン伝導体に対し、粉末X線回折測定を行い、格子パラメータを測定した。粉末X線回折測定の条件は以下のとおりである。
測定範囲:5°≦2θ≦40°
ステップ幅:0.04°
なお、実施例1におけるイオン伝導率及び格子パラメータの測定結果は後述する表2に示す。
(実施例2〜17)
金属イオンの種類、プロトン配位性分子の種類、及び配合比率を種々に変え、表1に示す水準のプロトン伝導体および単セルを実施例1と同様にして作製した。これらについて、前記実施例1と同様に、X線結晶構造解析、イオン伝導率の測定、及び格子パラメータの測定を行った。イオン伝導率及び格子パラメータの測定結果を表2に示す。表2に示すイオン伝導率は、それぞれこの表に記載の温度(「測定温度」の欄)における値である。また、一部のプロトン伝導体のイオン伝導率を図5、6に示す。また、実施例6についてのX線結晶構造解析の結果を図4に示す。
(1)実施例1〜17のプロトン伝導体は、上述したように、高温下においても、高いイオン伝導率を有する。そのため、実施例1〜17のプロトン伝導体から成る電解質を備えた燃料電池は、高温(例えば100℃以上)の条件でも使用できる。そのことにより、燃料電池の温度を高温として、電極触媒の被毒抑制をすることができる。また、燃料電池の温度を高温とすることで、排熱効率を向上させることができる。
(実施例18)
酸化亜鉛420mg、85%リン酸水溶液1.06mL、イミダゾール140mg、及び添加材料である酸化チタン粉末255mgを秤量し、メノウ乳鉢を用いて、大気雰囲気下、常温で15分撹拌混合した。その後、80℃で15時間乾燥させて、白色粉末(10wt%TiO2を含むプロトン伝導体)を得た。
(実施例19〜34)
基本的には、前記実施例18と同様にして、添加材料を含むプロトン伝導体を製造した。ただし、前記実施例18とは、添加材料の種類、粒径、及び添加量のうちのいずれか1以上を変更した。実施例19〜34の組成を表3に示す。
(参考例)
前記実施例18と同じ組成を有するが、添加材料を後から添加する方法で、プロトン伝導体を製造した。すなわち、酸化亜鉛420mg、85%リン酸水溶液1.06mL、及びイミダゾール140mgを秤量し、メノウ乳鉢を用いて、大気雰囲気下、常温で15分撹拌混合した。その後、80℃で15時間乾燥させて、白色粉末を得た。この白色粉末と、添加材料である酸化チタン粉末255mgとを混合して、参考例のプロトン伝導体を得た。
また、図9において、「TiO2」は実施例18を意味し、「SiO2」は実施例19を意味し、「Ai2O3」は実施例20を意味する。
また、図11において、「10wt%」は実施例18を意味し、「20wt%」は実施例23を意味し、「5wt%」は実施例24を意味する。
また、実施例18のプロトン伝導体は、参考例のプロトン伝導体と比較して、高温(例えば100℃以上)におけるイオン伝導率が一層高かった。
Claims (14)
- 金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含み、
前記オキソアニオン及び/又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成していることを特徴とするプロトン伝導体。 - 前記オキソアニオンが単量体であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導体。
- 前記オキソアニオンが、リン酸イオン、リン酸水素イオン、及びリン酸ニ水素イオンから成る群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のプロトン伝導体。
- 前記プロトン配位性分子が、イミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、及びこれらの誘導体から成る群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導体。
- 前記プロトン配位性分子が、一般式R-NH2で表される第一級アミン、一般式R1(R2)-NHで表される第二級アミン、一般式R1(R2)(R3)-Nで表される第三級アミン、炭素直鎖ジアミン、飽和環状アミン、及び飽和環状ジアミンから成る群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導体。
(R、R1、R2、R3は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基、脂環式炭化水素基、及び複素環基のうちのいずれかを示す。) - 前記金属イオンが、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンから成る群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のプロトン伝導体。
- さらに、金属酸化物、有機ポリマー、及びアルカリ金属イオンから成る群から選ばれる1種以上である添加材料を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導体。
- 前記金属酸化物が、SiO2、TiO2、Al2O3、WO3、MoO3、ZrO2、及びV2O5から成る群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項7に記載のプロトン伝導体。
- 前記有機ポリマーが酸性官能基を有することを特徴とする請求項7又は8に記載のプロトン伝導体。
- 前記酸性官能基が、カルボキシル基、スルホン酸基、及びホスホン酸基のいずれかであることを特徴とする請求項9に記載のプロトン伝導体。
- 前記アルカリ金属イオンが、Li、Na、K、Rb、及びCsから成る群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載のプロトン伝導体。
- 前記金属イオンを含む金属化合物、前記オキソアニオン、及び前記プロトン配位性分子を200℃以下の温度において混合することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導体の製造方法。
- 前記金属イオンを含む金属化合物、前記オキソアニオン、前記プロトン配位性分子、及び前記添加材料を200℃以下の温度において混合することを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載のプロトン伝導体の製造方法。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載のプロトン伝導体から成る電解質を有する燃料電池(7)。
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