JP2009193684A - プロトン伝導体の製造方法および燃料電池の製造方法 - Google Patents

プロトン伝導体の製造方法および燃料電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 水への溶解が抑制されたプロトン伝導体の製造方法および燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】 プロトン伝導体（１０）の製造方法は、ＳｎＰ２Ｏ７からなるプロトン伝導体（１０）を水またはアルコール（２０）で洗浄する工程を含む。燃料電池（６０）の製造方法は、ＳｎＰ２Ｏ７からなるプロトン伝導体（１０）を水またはアルコール（２０）で洗浄する工程と、洗浄工程後に、プロトン伝導体（１０）の一方の面にアノード（４０）を配置し、他面にカソード（５０）を配置する工程と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロトン伝導体の製造方法および燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
この燃料電池の電解質膜として、プロトン伝導体が開発されている。例えば、プロトン伝導体としてＳｎＰ２Ｏ７を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ＳｎＰ２Ｏ７は、２００℃程度の中低温域で高いプロトン導電率を有することで知られている。
特開２００５−２９４２４５号公報
しかしながら、ＳｎＰ２Ｏ７は潮解性を有する。この場合、燃料電池の発電反応で生じる水によって電解質が溶解するおそれがある。
本発明は、水への溶解が抑制されたプロトン伝導体の製造方法および燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るプロトン伝導体の製造方法は、ＡサイトがＳｎを含みかつＢサイトがＰであるＡＢ２Ｏ７型の電解質からなるプロトン伝導体を水またはアルコールで洗浄する工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係るプロトン伝導体の製造方法においては、結晶構造からはじき出された余剰なＰが形成するアモルファスＰｘＯｙが除去される。それにより、プロトン伝導体の潮解が抑制される。
本発明に係る燃料電池の製造方法は、ＡサイトがＳｎを含みかつＢサイトがＰであるＡＢ２Ｏ７型の電解質からなるプロトン伝導体を水またはアルコールで洗浄する工程と、洗浄工程後に、プロトン伝導体の一方の面にアノードを配置し、他面にカソードを配置する工程と、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法においては、結晶構造からはじき出された余剰なＰが形成するアモルファスＰｘＯｙが除去される。それにより、プロトン伝導体の潮解が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電性能低下が抑制される。
本発明によれば、水への溶解が抑制されたプロトン伝導体の製造方法および燃料電池の製造方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１および図２を参照しつつ、本発明の第１の実施の形態に係るプロトン伝導体および燃料電池の製造方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体１０を準備する。プロトン伝導体１０の形状は特に限定されないが、例えば粉末状である。このプロトン伝導体１０は、ＡＢ２Ｏ７型の電解質からなる。Ａサイトは主としてＳｎ（＋４価）であり、ＢサイトはＰ（＋５価）である。ＳｎＰ２Ｏ７は、例えば、Ｈ３ＰＯ４水溶液にＳｎＯ２を添加して焼成することにより得られる。
図２にＳｎＰ２Ｏ７の結晶構造を示す。図２に示すように、ＳｎＰ２Ｏ７は、正八面体構造のＰＯ８が立方格子の各格子点および各面心に配置され、正四面体構造のＳｎＯ４が各ＰＯ８を接続するように配置された構造を有する。Ａサイトの一部は、４価よりも小さい価数を有する金属によって置換されている。例えば、Ａサイトの一部はＡｌ（＋３価）によって置換されている。この場合、電気中性（価数補償）の原理を保つために電子ホールが形成され、水蒸気とホールとの相互作用によってプロトン伝導体１０にプロトンが導入される。したがって、プロトン伝導体１０内においてプロトン濃度が増加し、プロトン伝導体１０のプロトン導電率が向上する。
ここで、ＰはＳｎＰ２Ｏ７の結晶構造内に取り込まれている。しかしながら、ＳｎＰ２Ｏ７の結晶からはじき出された余剰Ｐが存在することがある。この場合、この余剰Ｐは、プロトン伝導体１０内においてアモルファス状のＰｘＯｙを形成する（ｘおよびｙは任意の値）。このアモルファス状のＰｘＯｙは潮解性を有することから、プロトン伝導体１０が水へ溶解することがある。
そこで、本実施の形態においては、図１（ｂ）に示すように、プロトン伝導体１０を水またはアルコールの洗浄液２０で洗浄する。この場合、アモルファスＰｘＯｙを予め除去することができる。アモルファスＰｘＯｙは室温でも水またはアルコールに溶解しやすいので、洗浄液２０の温度および洗浄時間は特に限定されない。洗浄液２０に用いるアルコールは、高い蒸気圧を有していることが好ましい。プロトン伝導体１０を乾燥させやすいからである。したがって、洗浄液２０に用いるアルコールとして、メタノール、エタノール、プロパノール（ＩＰＡ）等を用いることが好ましい。
次に、図１（ｃ）に示すように、洗浄後のプロトン伝導体１０をろ過して乾燥させる。このプロトン伝導体１０には、余剰Ｐが実質的に存在しないことから、ＰｘＯｙの形成が抑制される。それにより、プロトン伝導体１０の潮解が抑制される。
次いで、図１（ｄ）に示すように、プロトン伝導体１０を用いて電解質膜３０を得る。例えば、プロトン伝導体１０を焼結させることによって、電解質膜３０を得ることができる。次に、図１（ｅ）に示すように、電解質膜３０の一面にアノード電極４０を配置し、電解質膜３０の他面にカソード電極５０を配置する。それにより、燃料電池６０が完成する。アノード電極４０およびカソード電極５０は、触媒活性および導電性を有する材料からなり、例えば白金等の貴金属からなる。
続いて、燃料電池６０の動作について説明する。まず、アノード電極４０には、水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスに含まれる水素は、アノード電極４０と電解質膜３０との境界においてプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜３０を伝導してカソード電極５０に到達する。カソード電極５０には、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス中の酸素とカソード電極５０に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作により、燃料電池６０による発電が行われる。
この発電に伴い、水が生成される。本実施の形態においては、洗浄工程においてアモルファスＰｘＯｙが除去されていることから、生成された水に起因する電解質膜３０の潮解が抑制される。その結果、燃料電池６０の発電性能低下が抑制される。
以下、上記実施の形態に係る製造方法によりプロトン伝導体を作製し、その特性について調べた。
（実施例１）
実施例１においては、上記実施の形態に係る製造方法によりプロトン伝導体を作製した。まず、１２％Ｈ３ＰＯ４水溶液にＳｎＯ２およびＡｌ（ＯＨ）３を添加し、３００℃の温度下で混合した。この混合物を、６５０℃の温度条件で２．５時間焼成してＳｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐ２Ｏ７の粉末を作製した。その後、得られた粉末を水中に入れて室温で１時間攪拌した後にろ過し、８０℃で乾燥させて１．０ｇのプロトン伝導体を得た。
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、Ｓｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐ２Ｏ７からなるプロトン伝導体を１．０ｇ作製した。ただし、洗浄の際には水ではなくてエタノールを用いた。
（比較例）
洗浄工程を省略した他は実施例１と同様の方法により、Ｓｎ０．９５Ａｌ０．０５Ｐ２Ｏ７からなるプロトン伝導体を１．０ｇ作製した。
（分析）
上記各実施例および比較例に係るプロトン伝導体に対して潮解試験を行った。具体的には、７５℃の飽和水蒸気雰囲気中に各プロトン伝導体を５時間放置し、放置前後における各プロトン伝導体の重量変化を測定した。結果を表１に示す。表１に示すように、比較例に係るプロトン伝導体においては、重量が０．１００１ｇ増加した。これは、アモルファスＰｘＯｙが潮解したからであると考えられる。一方、実施例１，２に係るプロトン伝導体においては、重量変化がなかった。したがって、あらかじめ水またはアルコールを用いて洗浄することによって、プロトン伝導体の潮解を抑制できることがわかった。
Figure 2009193684
プロトン伝導体および燃料電池の製造方法について説明する製造工程図である。 ＳｎＰ２Ｏ７の結晶構造を示す図である。
符号の説明
１０ 電解質
２０ 洗浄液
３０ 電解質膜
４０ アノード電極
５０ カソード電極
６０ 燃料電池

Claims (2)

  1. ＡサイトがＳｎを含みかつＢサイトがＰであるＡＢ２Ｏ７型の電解質からなるプロトン伝導体を水またはアルコールで洗浄する工程、を含むことを特徴とするプロトン伝導体の製造方法。
  2. ＡサイトがＳｎを含みかつＢサイトがＰであるＡＢ２Ｏ７型の電解質からなるプロトン伝導体を水またはアルコールで洗浄する工程と、
    前記洗浄工程後に、前記プロトン伝導体の一方の面にアノードを配置し、他面にカソードを配置する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011082156A (ja) * 2009-10-09 2011-04-21 Samsung Electronics Co Ltd 無機プロトン伝導体及びその製造方法

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