[发明专利]质子导体材料及其制备方法和应用及中温燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池电解质领域，公开了质子导体材料及其制备方法和应用及中温燃料电池，该质子导体材料的化学式为(NH₄)₂A_1‑xB_xP₄O₁₃，其中，A为Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一种或两种以上的元素，B为Al、In、Si、Ge和Sn中的一种或两种以上的元素，且0≤x≤0.4。本发明提供的质子导体材料在中温(150～400℃)范围内工作时，质子电导率均显著高于4×10^‑2S/cm，能够实现在中温燃料电池中的应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池电解质领域，具体涉及一种质子导体材料、一种制备质子导体材料的方法以及由该方法制备得到的质子导体材料、质子导体材料作为中温质子导体燃料电池或电解池的电解质材料的应用、质子导体材料在传感器中的应用以及一种中温燃料电池。

背景技术

近年来，由于燃料电池具有能量转化效率高、低排放等优点，其引起了世界范围的广泛关注。特别是，在2014年日本丰田等几个汽车公司将燃料电池汽车推向了市场。

但是，现有的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)一般均使用质子导体的作为电解质，这种类型的燃料电池必须在低于水的沸点(100℃)的温度下工作。在低温下工作，如果使用含碳的气体或液体作为燃料，CO毒化催化剂将成为一个严重的问题。此外，还要求高的贵金属催化剂负载量来补偿催化剂在这一温度范围低的催化活性以及减轻CO对催化剂的毒化问题。

另外，聚合物电解质膜燃料电池或直接醇燃料电池在较高温度下运行，具有很多优点，例如，较快的电极反应动力学，燃料中杂质对电池性能的影响会较小。

因此，最近二十年国际上兴起了研发中温(150～400℃)下工作的固态质子导体的热潮。实现中温燃料电池要求质子电导率高于10^-2S/cm。

聚磷酸铵是一种潜在的中温电解质。但是，纯的聚磷酸铵在200℃以上的温度下不稳定。文献中报道，通过加入高度分散的第二相形成复合材料，例如，添加Al₂O₃、TiO₂、SiO₂等是一种提高材料离子电导率和稳定性的有效方法。

目前，基于质子导体在高温下工作的燃料电池或传感器主要使用陶瓷导体BaZr_0.8Y_0.2O_3-δ(BZY)和BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.2O_3-δ(BCZY)，而在低温下工作的燃料电池主要使用美国杜邦公司生产的聚合物电解质很少看到报道能够在中温范围内(150-400℃)工作并且性能优异的质子导体电解质材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在中温范围内(150-400℃)工作，且性能优异的质子导体电解质材料。

本发明的发明人在研究中发现，化学式为(NH₄)₂A_1-xB_xP₄O₁₃，并且A为Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一种或两种以上的元素，B为Al、In、Si、Ge和Sn中的一种或两种以上的元素，且0≤x≤0.4时，由此获得的质子导体电解质材料在中温(150～400℃)范围内工作时，质子电导率均显著高于4×10^-2S/cm，从而能够实现在中温燃料电池中的应用。据此，发明人完成了本发明的方案。