[发明专利]质子传导无机薄膜、其形成方法及包括其的燃料电池

说明书

技术领域

本公开内容的方面涉及质子传导无机薄膜、形成该质子传导无机薄膜的方法、和包括该质子传导无机薄膜的燃料电池。

背景技术

根据所使用的电解质和燃料的类型，燃料电池可分类为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、或固体氧化物燃料电池(SOFC)。

由于SOFC高的电效率和采用包括较低纯度的气态燃料的多种燃料的可操作性，已知它们适于用在分散电源中。然而，由于在高温下运行，SOFC需要由对高温环境耐久的高价格材料形成，且不容易从开启迅速地转换为关闭，反之亦然。在这种意义上，SOFC不适于多种应用，如便携式或车辆电源。因此，正在积极地进行对于在低温下运行SOFC的研究。

在非增湿条件中在100℃或更高的温度下运行的PEMFC与可在低温下运行的那些相比，不需要增湿器，并已知在水供应的控制方面是便利的且在系统运行方面是高度可靠的。而且，这样的PEMFC可变得对一氧化碳(CO)中毒更耐久，且因而可为此使用简化的重整器，所述一氧化碳中毒由于它们在高温下运行可对于燃料电极发生。这些优势意味着PEMFC正日益增加地引起注意用在这样的高温、非增湿系统中。

连同如上所述的降低SOFC的运行温度和提高PEMFC的运行温度的当前趋势一起，可在中等温度范围内运行的燃料电池正引起更多的注意。

然而，迄今已开发的燃料电池的电解质膜未在中等温度下呈现令人满意的质子传导性，且因而仍需要进一步的改进。

发明内容

本发明的方面提供具有良好的质子传导性的质子传导无机薄膜、形成该质子传导无机薄膜的方法、和包括该质子传导无机薄膜且具有改善的效率的燃料电池。

本发明的一个方面提供质子传导无机薄膜，其包括由下式1表示的无机质子导体：

式1

M¹_1-aM²_aP_xO_y，其中

M¹为四价金属元素；

M²为选自一价金属元素、二价金属元素和三价金属元素的至少一种金属；

0≤a＜1；

x为1.5-3.5的数；和

y为5-13的数。

本发明的另一方面提供形成所述质子传导无机薄膜的方法，该方法包括在基底上气相沉积由下式1表示的无机质子导体：

式1

M¹_1-aM²_aP_xO_y，其中

M¹为四价金属元素；

M²为选自一价金属元素、二价金属元素和三价金属元素的至少一种金属；

0≤a＜1；

x为1.5-3.5的数；和

y为5-13的数。

本发明的另一方面提供包括所述质子传导无机薄膜的燃料电池。

本发明的另外的方面和/或优点将部分地在下面的描述中阐明，且部分地将从该描述中明晰，或者可通过本发明的实践获知。

附图说明

本发明的这些和/或其它方面和优点将从结合附图考虑的实施方式的以下描述变得明晰和更易理解，在附图中：

图1为根据本发明实施方式的燃料电池的分解透视图；

图2为图1的燃料电池的膜电极组件(MEA)的横截面图；

图3为实施例1的实施方式的Sn_0.9In_0.1P₂O₇(SIPO)电解质膜的扫描电子显微镜(SEM)图像；

图4为根据实施例2形成的SIPO质子传导无机薄膜的透射电子显微镜(TEM)图像；

图5为显示实施例2的燃料电池的开路电压(OCV)特性的图；

图6为显示实施例2的燃料电池的电流密度-电压特性和功率密度的图；

图7A和7B为实施例2和对比例1的燃料电池的OCV对电解质膜厚度的图；

图8A和8B为实施例2和对比例1的燃料电池的面比电阻(ASR)对电解质膜厚度的图；

图9为根据实施例3形成的SIPO质子传导无机薄膜的横截面SEM图像；