[发明专利]质子传导体以及使用该质子传导体的电极和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及至少具有质子传导性的质子传导体、以及使用该质子传导体的电极和燃料电池。特别地，本发明的质子传导体在无加湿的条件以及室温～200℃的温度下，具有改善的电极特性。

背景技术

近年来，正在推进为了使燃料电池实用化的应用开发。作为燃料电池的用途，可以列举出家庭用电源以及分散型电源等发电系统、将它们与废热利用技术组合的联合发电系统、汽车等移动物体的驱动用电源以及电子设备等移动终端用电源等。

作为与这些用途相关联而开发的燃料电池，有希望是固体高分子型燃料电池，它将固体高分子电解质膜用作电解质膜，可以在室温～80℃左右的温度范围工作。

为了这些燃料电池的实用化，燃料电池系统需要更加小型化，为此，在无加湿的条件以及室温～200℃的温度范围使燃料电池工作是有效的。究其原因，这是因为如果能够使燃料电池在无加湿的条件下工作，则可以省略燃料电池系统的加湿器。另外，还因为如果能够从室温驱动燃料电池，则与在室温下不能工作的情况相比，可以减轻启动时加热器的负荷，从而可以使加热器小型化或予以省略。再者，还因为如果能够将目前为80℃左右的工作温度范围提高到高于80℃，则燃料电池的发电输出增加，与此相对应，可以使发电部小型化。

这样一来，如果能够使燃料电池在无加湿的条件以及室温～200℃的温度范围工作，则燃料电池系统可以更加小型化。

关于燃料电池的构成要素之一的质子传导体的材料，在此就现有技术进行说明。

目前，最一般地用作固体高分子型燃料电池的电解质膜的是以美国杜邦(Du Pont)公司生产的Nafion(注册商标)为代表的在侧链具有强酸性官能团的氟系聚合物，即全氟磺酸聚合物。该全氟磺酸聚合物通过加湿，在室温～100℃以下的温度范围内，发挥出10-1S/cm左右的非常高的质子传导性(导电率或质子传导率)。

然而，加湿是必不可少的，而且在100℃以上的温度下，导电率大大降低，所以存在不能使用的问题。这是因为：全氟磺酸聚合物通过加湿而使其内部含有水，该水形成离子的传导路径，但在100℃以上的温度下，该水发生蒸发，从而使离子的传导路径消失。

下面就以质子传导体的开发为目标的具体努力进行说明，以期该质子传导体能够在无加湿的条件且在室温～200℃左右的广泛的温度范围稳定地发挥作用。

为了实现在无加湿条件下的工作，必须使用除水以外的质子传导介质。作为这样的质子传导介质的候选者，可以列举出具有质子传导性的有机化合物即杂环状有机化合物。具体地说，咪唑、吡唑以及它们的衍生物等是有名的。

但是，这些有机化合物还存在以下的问题。例如咪唑，它具有90℃的熔点，在熔点以上的温度下发生熔融而变为液体，显示出高达10-3S/cm以上的质子传导性。但是，在低于熔点的温度下成为固体的结晶，将使质子传导性大大降低1～2个数量级或更多(例如参照非专利文献1)。也就是说，咪唑虽然可以在无加湿的条件下发挥作用，但具有工作温度的限制，存在其功能在室温～90℃大大降低的问题。

这样一来，以咪唑为代表的杂环状有机化合物虽然可以在无加湿的条件下作为质子传导体发挥作用，但具有其功能在熔点以下大大降低的问题。而且该问题也是具有熔点、且在低于熔点的温度下成为固体结晶的质子传导体所共同存在的问题。

为了解决这样的问题，例如已经提出了将杂环状有机化合物保持在酸性高分子膜中的方案(例如专利文献1和2)。例如已经提出了将杂环状有机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质子传导体。另外，还提出了使具有质子传导性的化合物即硫酸氢铯和多孔质二氧化硅复合而制造质子传导体的方法(例如专利文献3和4)。

下面就燃料电池的电极进行说明。

燃料电池的电极主要由催化剂、质子传导体以及电子传导体这3个要素构成。例如可以列举出由附载催化剂的碳粒子和作为质子传导体的全氟磺酸聚合物混合而成的电极。在设计这样的电极时，一般认为重要的是提高催化剂粒子和质子传导聚合物的接触面积，并考虑供给反应气体的气体通道的形成(例如非专利文献2和专利文献5)。

在非专利文献2和专利文献5中，公开了重要的是通过控制催化剂粒子的量与质子传导性聚合物的量之比、和电极中的孔隙结构，以防止催化剂粒子的凝集，并提高催化剂粒子和质子传导性聚合物的接触面积。具体地说，公开了为了防止催化剂粒子的凝集，并用质子传导性聚合物覆盖催化剂粒子的表面，必须在电极内的直径为0.04～1.0μm的微孔部导入质子传导性聚合物。