CN109786794B - 一种高电导率的电解质材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种高电导率的电解质材料及其制备方法。电解质材料为H3PW12O40‑xH3PO4，所述H3PW12O40‑xH3PO4的制备方法包括如下步骤：（一）、将H3PW12O40·xH2O和H3PO4溶解于去离子水中形成透明溶液；（二）、将步骤一中得到的透明溶液加热蒸干多余的水分，直至变为白色粉末；（三）、将步骤二中所得白色粉末干燥2小时得到H3PW12O40‑xH3PO4。所述H3PW12O40·xH2O和H3PO4摩尔比为1:1至1:3。无水磷钨杂多酸‑磷酸配合物热解温度在150度，升温后也不会因为温度的升高而导致其内的电阻急剧上升，从而保持电解质在高温下持续有效工作，同时也免去了另设的控温、增湿、加压部件，节约了成本。

Description

一种高电导率的电解质材料及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种高电导率的电解质材料及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池堆（PEMFC）其单电池结构由气体扩散组件、电极和质子交换膜电解质构成。由于质子交换膜电解质的工作温度较低（一般低于120℃），整个电池的工作面临许多瓶颈问题：首先，严重依赖贵金属催化剂（铂、钯等）作为电极的活性物质，提高了电池的成本。其次，燃料纯度要求高。再次，需要复杂的散热装置等。这些瓶颈问题的存在不利于燃料电池的大规模应用。一种行之有效的方法就是开发工作温度较高的燃料电池（工作温度150℃至300℃），即中温燃料电池，这也是国内外研究的主要趋势。中温燃料电池由于其工作温度较高，可以容许非贵金属作为电极的活性物质，进而也可以提高电极对燃料杂质的耐毒性，降低对燃料的纯度要求。更为重要的是，电池堆的较高工作温度可以与环境形成较大的温差，有利于提高电池的散热效率，避免使用昂贵且复杂的散热装置。
中温燃料电池首要解决的关键问题是电解质材料，而目前在中温范围内具有高质子或氧离子传导率的材料十分匮乏。传统的质子交换膜材料如Nafion在中温条件下电阻急剧上升导致电池内电阻过大而无法工作，需要增加压强和相对湿度来解决，而这又将增加电池的成本和复杂性。且为保证工作效率现有的电解质材料的工件条件必须低于100度，需要很精细的控温设备，成本高且控制难度大。因此寻找可以在无水环境下具有高传导率的材料将会促进燃料电池的大规模应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种高电导率的电解质材料及其制备方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种高电导率的电解质材料及其制备方法，电解质材料为无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物，所述无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物的制备方法包括如下步骤：
（一）、将有水的磷钨杂多酸和磷酸溶解于去离子水中形成透明溶液，所述有水的磷钨杂多酸与磷酸的摩尔比为1：1-3；
（二）、将步骤一中得到的透明溶液加热蒸干多余的水分，直至变为白色粉末，所述加热温度≥200℃；
（三）、将步骤二中所得白色粉末干燥2小时得到无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物。
有水的磷钨杂多酸热解温度低，在80度以下，水易析出，稳定性差，电导率随温度升高也急剧下降，且需要大量的水，易腐蚀设备，而本申请采用有水的磷钨杂多酸与 磷酸制得的无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物热解温度高，稳定性好，电导率好，无水，腐蚀性小，使用寿命长。
作为优选，所述步骤二中加热温度为200℃。
作为优选，所述步骤二中加热蒸发期间不断搅拌。
作为优选，所述步骤三中的干燥温度为100-140℃，干燥时间为1-3小时。
作为优选，所述步骤三中的干燥温度为100℃。
作为优选，将所述步骤三制得的干燥的无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物粉末进行热压制得固块状的电解质材料。
作为优选，所述热压的温度为110-130℃，热压的压强为4-8兆帕。
作为优选，所述热压的温度为120℃，热压的压强为5兆帕。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、为保证电解质温度升高后持续有效工作，现有的中温材料需在潮湿环境下有效工作，增湿系统的增加给实际生产带来更高难度，而本申请将无水磷钨杂多酸-磷酸配合物作为电解质材料，可以有效地克服该缺点。无水磷钨杂多酸-磷酸配合物热解温度在150度，升温后也不会因为温度的升高而导致其内的电阻急剧上升，从而保持电解质在高温下持续有效工作，同时也免去了另设的控温、增湿、加压部件，节约了成本。将本申请的电解质材料应用燃料电池后无需过度依赖贵金属催化剂（铂、钯等）作为电极的活性物质，从而从另一方面降低了电池的成本。
2、本申请应用到燃烧电池后可提高燃料电池电极对一氧化碳的抗毒性，具体为低温下铂催化剂很容易被一氧化碳中毒，高温下中毒性会极大改善，我们的电解质可以工作在高温下，对催化剂抗中毒有利。
2、本申请制备方法要求条件低，步骤简单、操作方便，成本低。
3、本申请利于燃料电池大规模应用于多领域。
附图说明
图1是材料的X射线粉末衍射图；
图2是材料的扫描电镜照片；
图3是材料的质子电导率。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例一：
将有水的磷钨杂多酸溶解于去离子水中形成透明溶液；将该溶液加热到200℃蒸干多余的水分，蒸发期间不断搅拌直至出现白色粉末；将所得白色粉末在90℃干燥2小时。
将该样品进行XRD测试及电镜扫描，得到的结果分别如1、图2所示，从中我们可以看出，所得样品为对称立方的单一相，且具有无序的微观结构。从图3中可见电导率最不理想。
实施例二：
与上述实施例不同处在于有水的磷钨杂多酸和 H3PO4按摩尔比1:1溶解于去离子水中形成透明溶液；将上述溶液加热到200℃蒸干多余的水分，蒸发期间不断搅拌直至出现白色粉末；将所得白色粉末在100℃干燥3小时。
将该样品进行XRD测试及电镜扫描，得到的结果分别如1、图2和图3所示，从中我们可以看出，所得样品为对称立方的单一相，向小角度偏移，说明晶胞增大，磷酸成功嵌入，微观结构变得有序。图3中可见电导率有明显提升。
实施例三：
与上述实施例不同处在于有水的磷钨杂多酸和 H3PO4按摩尔比1:2溶解于去离子水中形成透明溶液；将上述溶液加热到200℃蒸干多余的水分，蒸发期间不断搅拌直至出现白色粉末；将所得白色粉末在120℃干燥2小时。
将该样品进行XRD测试及电镜扫描，得到的结果分别如1、图2和图3所示，从中我们可以看出，所得样品为对称立方的单一相，向小角度进一步偏移，说明晶胞进一步增大，更多磷酸成功嵌入，微观结构变得有序。图3中可见电导率较好。
实施例四：
与上述实施例不同处在于有水的磷钨杂多酸和 H3PO4按摩尔比1:3溶解于去离子水中形成透明溶液；将上述溶液加热到200℃蒸干多余的水分，蒸发期间不断搅拌直至出现白色粉末；将所得白色粉末在140℃干燥1小时。
将该样品进行XRD测试及电镜扫描，得到的结果分别如图1、图2和图3所示，从中我们可以看出，所得样品为对称立方的单一相，向小角度进一步偏移，说明晶胞进一步增大，更多磷酸成功嵌入，微观结构变得有序，导电率也是最佳。图3中可见温度越高，电导率变化小，保持较高电导率。
实施例五：
与上述实施例不同处在于将所述步骤三制得的干燥的无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物粉末进行热压制得固块状的电解质材料。所述热压的温度为120℃，热压的压强为5兆帕。
实施例六：
与上述实施例不同处在于将所述步骤三制得的干燥的无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物粉末进行热压制得固块状的电解质材料。所述热压的温度为110℃，热压的压强为8兆帕。
实施例七：
与上述实施例不同处在于将所述步骤三制得的干燥的无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物粉末进行热压制得固块状的电解质材料。所述热压的温度为130℃，热压的压强为4兆帕。
通过热压步骤可直接制得需用的标准规格的电解质片材，也可以制得较块材进行然后进行分割。
本申请中步骤二中加热温度为≥200℃。通过多次实验得到在上述范围内加热温度和干燥温度的变化对实验数据影响较小，故本申请设定了加热温度200℃为实施例一至四的温度条件，对影响成品较明显的摩尔比进行调整后再将成品进行XRD测试及电镜扫描。本申请的干燥时间为多次反复实验所得，是为了便于批量规范化标准化生产、提高生产可控性而总结得出。但也并不局限于上述范围，弄干即可。
从附图1说明磷酸引入后晶包变大，说明磷酸进入材料晶格，形成新材料。附图2是材料的扫描电镜照片，体现材料的形貌，可以看出实施例一材料保持晶体形貌，实施例2-3材料是粒状的。图3是对材料进行了质子导电率实验所得数据。

Claims (8)

1.一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：电解质材料为无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物，所述无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物的制备方法包括如下步骤：
（一）、将有水的磷钨杂多酸和磷酸溶解于去离子水中形成透明溶液，所述有水的磷钨杂多酸与磷酸的摩尔比为1：1-3；
（二）、将步骤一中得到的透明溶液加热蒸干多余的水分，直至变为白色粉末，所述加热温度≥200℃；
（三）、将步骤二中所得白色粉末干燥得到无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物。
2.根据权利要求 1所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中加热温度为200℃。
3.根据权利要求 1所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中加热蒸发期间不断搅拌。
4.根据权利要求 1所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的干燥温度为100-140℃，干燥时间为1-3小时。
5.根据权利要求 4所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的干燥温度为100℃。
6.根据权利要求 1所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：将所述步骤三制得的干燥的无水的磷钨杂多酸-磷酸配合物粉末进行热压制得固块状的电解质材料。
7.根据权利要求 6所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：所述热压的温度为110-130℃，热压的压强为4-8兆帕。
8.根据权利要求 7所述一种高电导率的电解质材料的制备方法，其特征在于：所述热压的温度为120℃，热压的压强为5兆帕。
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