[发明专利]离子传导性材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子传导性材料(离子传导体)及其制造方法，特别是涉及质子传导性良好的离子传导性材料及其制造方法。

背景技术

燃料电池由于其发电效率的理论值高、且可利用其废弃热，因此与最先进的火力发电等相比，可在大幅度减少二氧化碳的同时供给充分的电、热。另外，作为家庭用、车载用等小规模发电用途，以全氟烷基磺酸系聚合物(注册商标Nafion)等为代表的固体高分子燃料电池备受瞩目。但是，现在上述固体高分子燃料电池的工作温度在80℃左右这样低的值，因此存在发电效率(～33％左右)低的问题。

另外，磷酸型燃料电池虽然也实现了实用化，但是也存在工作温度为200℃左右、且制造成本高的问题。进而，固体氧化物型燃料电池的工作温度为1000℃左右，非常高，因此，也存在燃料电池的构成部件不能使用便宜的不锈钢等的问题。根据上述这些情况，谋求在与图1所示的GAP部分对应的温度区域、即200～500℃的中温区域能够良好地工作的燃料电池。予以说明，若燃料电池的工作温度上升至500℃左右，则可以说能够达成超过50％的综合效率。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2002-097272号公报

【非专利文献】

【非专利文献1】T.Norby、Solid State Ionics、125、1、1990

【非专利文献2】阿部良弘、NEW GLASS、Vol.12、No.3、1997、p28

发明内容

为了使工作温度上升至500℃左右，在该温度区域中显示高的质子传导性或氧离子传导性的电解质的开发是不可缺少的。但是，在200～500℃的中温度区域中，事实上还没有报道过具有实用的电传导度的离子传导性材料(参照非专利文献1)。

在这样的状况下，作为在中温度区域工作的离子传导性材料、特别是质子传导性材料的候补，目前正在探讨磷酸盐玻璃(参照专利文献1、非专利文献2)。

但是，专利文献1、非专利文献2中记载的磷酸盐玻璃通过溶胶-凝胶法制作，因此，使用时需要加湿，而且耐热性低，在成型性(特别是向薄膜形状的成型性)、化学耐久性方面存在问题。

在此，本发明所解决的技术问题就在于，首创一种即使不加湿，在200～500℃的中温度区域也具有良好的离子传导性，且成型性、长期稳定性优良的离子传导性材料、特别是质子传导性材料。

解决问题的手段

本发明人等深入研究的结果，发现将P₂O₅、SiO₂、碱金属氧化物的含量限制在规定的范围内，并将其用于离子传导性材料中，可解决上述技术问题，最终提出了本发明这样的方案。即，本发明的离子传导性材料的特征在于，作为组成，以摩尔％表示，含有P₂O₅15～80％、SiO₂0～70％、R₂O(Li₂O、Na₂O、K₂O、Rb₂O、Cs₂O及Ag₂O的总称)5～35％。

本发明的离子传导性材料含有P₂O₅15～80％、SiO₂0～70％、R₂O5～35％。由此，即使不进行加湿，在200～500℃的中温度区域也可显示良好的离子传导性，与此同时也能够提高长期稳定性。另外，由此熔融性也变得良好，从而可通过熔融法容易地制作离子传导性材料，其结果是可提高成型性、均质性、致密性。

本发明的离子传导性材料优选在作为R₂O成分的Li₂O、Na₂O、K₂O、Rb₂O、Cs₂O及Ag₂O中，至少含有2种以上。由此，利用混合碱效果，可抑制碱离子的离子传导，因而质子传导的比例增加，其结果是，可容易地应用于燃料电池的电解质中。在此，本发明的离子传导性材料中含有的2种以上的R₂O成分的含量优选分别为约0.1摩尔％以上。