JP2010153109A

JP2010153109A - 電解質

Info

Publication number: JP2010153109A
Application number: JP2008327886A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hibino; 高士日比野; Pilwon Heo; 弼源許; Keisuke Nagasaka; 圭介永坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】燃料電池等において使用した場合に、従来のＡｌやＩｎをドープしたＳｎＰ₂Ｏ₇を使用した場合と比較して、耐久性の向上が可能な電解質を提供する。
【解決手段】組成式Ｓｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇（ａ＋ｂ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、Ｍは、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１種のカチオン）で表されることを特徴とする電解質。
【選択図】なし

Description

本発明は、プロトン伝導性を示す電解質に関する。

燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、使用する電解質の種類に応じて種々のタイプに分類されるが、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。

固体高分子型燃料電池に代表されるプロトン伝導性電解質膜を用いた燃料電池では、下記式（１）に対して触媒活性を有する電極触媒を備えたアノードと、下記式（２）に対して触媒活性を有する電極触媒を備えたカソードとが、電解質膜表面に形成され、アノード側に水素ガス、カソード側に空気（酸素）を供給することで、発電する。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（１）
２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・（２）

一般的なプロトン伝導性電解質としては、従来、ナフィオン（デュポン社製）等に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂や、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等にスルホン酸基やリン酸基等のプロトン伝導性基を導入した高分子電解質樹脂が用いられている。
これら高分子電解質樹脂、特にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、湿潤状態において高いプロトン伝導性を発現するため、高分子電解質樹脂を用いて構成された燃料電池では、電解質膜や電極を高い湿潤状態に保持することが重要である。このような理由から、高分子電解質樹脂を用いた固体高分子電解質型燃料電池の作動温度は、８０〜１００℃程度である。しかしながら、８０〜１００℃程度の低温度域における燃料電池の作動には、廃熱効率が悪い、白金電極触媒が燃料中の一酸化炭素により被毒される、排水性が低い、等の問題がある。

そこで、１００〜３００℃のような中温度域での発電が可能なプロトン伝導性電解質を用いた燃料電池が注目されている。中温度域発電が可能な燃料電池は、ナフィオン等の低温度域発電型燃料電池と比較して以下のような点で優れている。すなわち、廃熱効率がよい、燃料極の白金触媒の一酸化炭素による被毒の回避が可能（一酸化炭素耐性が高い）であり、ＣＯ除去ユニットが不要、電極反応速度が大きく、白金使用量の低減が可能、排水性が高い、等の優位性を有している。

本発明者らは、２５０℃のような中温度域で、且つ、無加湿条件で、良好なプロトン伝導性を発現する物質としてＳｎＰ₂Ｏ₇に注目し、研究開発を進めている。ＳｎＰ₂Ｏ₇にＩｎやＡｌ等の金属をドープさせることで、良好なプロトン伝導性を発現することが確認されている。
また、特許文献１には、Ｍ（長周期型周期律表第４Ａ族および第４Ｂ族の元素からなる群より選ばれる１種以上の元素）、ＰおよびＯを含有する化合物であって、Ｍの一部を、ダンピング元素Ｊ¹（長周期型周期律表第３Ａ族、第３Ｂ族、第５Ａ族および第５Ｂ族の元素からなる群より選ばれる１種以上の元素）で置換されてなる金属リン酸塩が開示されている。
また、特許文献２には、親水性イオン伝導性物質としてＳｎＰ₂Ｏ₇にドーピングされたホスフェートを用いた燃料電池用のカソード電極構造が記載されている。

特開２００８−５３２２５号公報特開２００７−１９４１８２号公報

本発明者らは、鋭意検討した結果、特許文献１等に開示されている、ＡｌやＩｎをドープしたＳｎＰ₂Ｏ₇を電解質として使用する燃料電池は、耐久性が悪く、長期間にわたって性能を維持することができないという知見が得られた。

本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、燃料電池等において使用した場合に、従来のＡｌやＩｎをドープしたＳｎＰ₂Ｏ₇を使用した場合と比較して、耐久性の向上が可能な電解質を提供することを目的とする。

本発明の電解質は、組成式Ｓｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇（ａ＋ｂ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、Ｍは、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１種のカチオンである）で表されることを特徴とするものである。
本発明者らが検討したところ、アルカリ土類金属のカチオンをドープしたＳｎＰ₂Ｏ₇は、上記したようなＡｌやＩｎをドープしたＳｎＰ₂Ｏ₇と比較して、酸強度が低く、燃料電池等において使用した際に、耐久性が向上することが見出された。

耐久性及びプロトン伝導性の観点から、前記組成式において、前記Ｍは、Ｍｇカチオンであることが好ましい。

また、プロトン伝導性の観点から、前記組成式において、前記ＭがＭｇカチオンの場合、０．０５≦ｂ≦０．１２であることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池等において使用した場合に、ＡｌやＩｎをドープしたＳｎＰ₂Ｏ₇を使用する場合と比較して、該燃料電池等の耐久性を向上させることが可能な電解質を得ることができる。

本発明の電解質膜は、組成式Ｓｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇（ａ＋ｂ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、Ｍは、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１種のカチオンである）で表されることを特徴とするものである。

本発明者らは、ＩｎドープＳｎＰ₂Ｏ₇、ＡｌドープＳｎＰ₂Ｏ₇等、従来のカチオンをドープさせたＳｎＰ₂Ｏ₇を、電解質として使用した燃料電池は、耐久性が悪く、長期間にわたって性能を維持することができないという知見を得た。そこで、本発明者らは、ＳｎＰ₂Ｏ₇にドープさせるドープ種について検討したところ、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１種の金属種をドープさせることによって、カチオンドープＳｎＰ₂Ｏ₇の酸強度が低下することが見いだされた。その結果、燃料電池において、カチオンドープＳｎＰ₂Ｏ₇を電解質として用いたとしても、その酸強度に起因する、その他の構成材料の腐食が抑制され、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となった。

尚、本発明において、アルカリ土類金属とは、周期表２族の元素を指し、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ、バリウムＢａ、ラジウムＲａの４元素に加え、ベリリウムＢｅ及びマグネシウムＭｇも含むものである。
上記組成式において、アルカリ土類金属から選ばれる金属のカチオンであるＭは、ＳｎＰ₂Ｏ₇結晶の結晶構造を変えることなくドープされている。ＭがＳｎＰ₂Ｏ₇にドープされているかどうかは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によりＳｎＰ₂Ｏ₇とＳｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇の結晶構造を解析することで確認できる。広い温度域において高いプロトン伝導性を発現する観点から、Ｍは、Ｍｇのカチオンであることが好ましい。

上記組成式において、ａは、ＳｎとＭの合計モル数に対するＳｎのモル比を示すものであり、ａ＋ｂ＝１を満たし、且つ、０＜ａ＜１であれば、特に限定されないが、プロトン伝導性、結晶構造維持の観点から、０．６≦ａ≦０．９９、特に０．８≦ａ≦０．９５であることが好ましい。

上記組成式において、ｂは、ＳｎとＭの合計モル数に対するＭのモル比を示すものであり、ａ＋ｂ＝１を満たし、且つ、０＜ｂ＜１であれば、特に限定されないが、プロトン伝導性、結晶構造維持の観点から、０．０１≦ｂ＜０．４、特に０．０５≦ｂ≦０．２であることが好ましい。
特に、ＭがＭｇのカチオンである場合には、０．０５≦ｂ≦０．１２であることが好ましく、特に０．０７≦ｂ≦０．１２であることが好ましく、さらに、ｂ＝０．１であることが好ましい。

ａとｂの比率は、後述するＳｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇調製時におけるＳｎ含有化合物及びＭ含有化合物の配合割合により調節することができ、蛍光Ｘ線分析測定、ＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分析等により、測定することができる。

Ｓｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇の調製方法は、特に限定されるものではないが、以下のような方法が挙げられる。
すなわち、まず、Ｓｎ含有化合物と、Ｍ含有化合物と、リン酸とを、Ｓｎ、Ｍ及びリンのモル比が、Ｓｎ：Ｍ：Ｐ＝ａ：ｂ：２となるように混合する。このとき、混合性の観点から、Ｓｎ含有化合物、Ｍ含有化合物及びリン酸は、混合性の観点から、イオン交換水と共に、混合することが好ましい。
次に、得られた混合物を、２００〜４００℃、好ましくは２５０〜３５０℃の加熱条件下、攪拌してペースト化する。Ｓｎ含有化合物、Ｍ含有化合物及びリン酸を、イオン交換水と混合した場合、ペースト化は、イオン交換水が全て蒸発するまで行うことが好ましい。
続いて、得られたペーストを、４５０〜７５０℃、好ましくは５００〜７００℃でか焼する。か焼することによって、脱水、結晶化され、Ｓｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇が得られる。か焼時間は、２〜３時間程度が好ましい。

Ｓｎ含有化合物としては、例えば、酸化物、塩化物、水酸化物等が挙げられ、具体的には、ＳｎＯ₂、ＳｎＣｌ₄、Ｓｎ（ＯＨ）₄等が挙げられる。Ｍ含有化合物としては、酸化物、塩化物、水酸化物、硝酸塩、酢酸塩等が挙げられ、具体的には、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）₂、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂、（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂Ｍｇ、Ｂａ（ＯＨ）₂・８Ｈ₂Ｏ、Ｓｒ（ＯＨ）₂・８Ｈ₂Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）₂等が挙げられる。Ｍｇ含有化合物としては、得られるＳｎ_ａＭｇ_ｂＰ₂Ｏ₇のプロトン伝導性の観点から、Ｍｇ（ＯＨ）₂、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂が好ましく、さらに残渣による影響がないことから、特にＭｇ（ＯＨ）₂が好ましい。

リン酸としては、濃度が５０〜９５（％Ｈ₃ＰＯ₄）、特に７５〜８５（％Ｈ₃ＰＯ₄）の水溶液を用いることが好ましい。リン酸水溶液濃度が５０％未満であると、濃度が低いためにリン酸を含有させにくく、リン酸水溶液濃度が９５％より高いと、リン酸水溶液の粘度が高くなりすぎるために、上記調製時のＳｎ含有化合物やＭ含有化合物との混合性が低くなるおそれがある。

本発明の電解質は、様々な分野において使用することができ、燃料電池における電解質膜や電極の構成材料としての利用の他、例えば、水素センサー、分離膜等においての利用も可能である。
特に、本発明の電解質は、湿潤状態を保持しなくても、優れたプロトン伝導性を発現するため、燃料電池用電解質膜や電極の構成材料として使用する場合、反応ガスを加湿しなくてもよく、燃料電池の小型化やシステムの簡略化が可能である上に、燃料電池が湿潤状態に影響されない安定した発電性能を発現するという優れた利点がある。さらに、１００〜３００℃のような中温度域においてもプロトン伝導性を発現するため、８０〜１００℃で作動する燃料電池と比較して、廃熱効率がよい、燃料極の白金触媒の一酸化炭素による被毒の回避が可能（一酸化炭素耐性が高い）であり、ＣＯ除去ユニットが不要である、電極反応速度が大きく、白金使用量の低減が可能である、排水性が高い、等の利点もある。

例えば、本発明の電解質を用いて燃料電池用電解質膜を作製する場合には、本発明の電解質を加圧成形により膜化する方法、粉末状の本発明の電解質を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のバインダー樹脂を用いて膜化する方法等が挙げられる。
また、燃料電池用電極は、本発明の電解質と共に、白金担持カーボン等の触媒を用いて作製することができる。例えば、本発明の電解質と、白金担持カーボンを物理混合し、成形する方法が挙げられる。
尚、本発明の電解質を用いて燃料電池用の電解質膜や電極を作製する方法は上記方法に限定されない。

［酸強度］
（実施例１）
＜Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇の合成＞
ＳｎＯ₂、Ｍｇ（ＯＨ）₂、８５％Ｈ₃ＰＯ₄及びイオン交換水を、Ｓｎ、Ｍｇ及びＰのモル比（Ｓｎ：Ｍｇ：Ｐ＝０．９：０．１：２）となるように混合し、高粘度ペーストが得られるまで、３００℃を維持しながら攪拌した。
得られたペーストは、６５０℃で２．５時間、アルミナボックス中でか焼し、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を合成した。
尚、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇の組成は、ＸＲＦ測定により確認した。

＜酸強度の測定＞
以下のようなＮＨ₃−ＴＰＤ（Temperature programmed desorption）法により、得られたＳｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇の酸強度を測定した。結果を図１に示す。尚、図１に示すイオン電流曲線の面積比から、吸着していたアンモニアの量、すなわち酸強度を得ることができる。
（ＮＨ₃−ＴＰＤ法）
まず、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を、アルゴン雰囲気下、３００℃で１時間保持し、脱水させた。次に、温度を１００℃に下げ、１ｖｏｌ％のＮＨ₃（Ｈｅバランス）を導入し、３０分間保持することで、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇に、ＮＨ₃を接触させて吸着させた。その後、ＮＨ₃ガスの導入を停止し、Ａｒガスを３０分間流通させ、気相アンモニアを除去した。続いて、温度を１０℃／ｍｉｎで昇温させて６００℃まで上げ、脱離するアンモニアをイオン電流により検出した。

（比較例１）
＜Ｓｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇の合成＞
ＳｎＯ₂、Ａｌ（ＯＨ）₃、８５％Ｈ₃ＰＯ₄及びイオン交換水を、Ｓｎ、Ａｌ及びＰのモル比（Ｓｎ：Ｍｇ：Ｐ＝０．９５：０．０５：２）となるように混合し、高粘度ペーストが得られるまで、３００℃を維持しながら攪拌した。
得られたペーストは、６５０℃で２．５時間、アルミナボックス中でか焼し、Ｓｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇を合成した。
尚、Ｓｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇の組成は、ＸＲＦ測定により確認した。
＜酸強度の測定＞
実施例１と同様にして、得られたＳｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇の酸強度を測定した。結果を図１に示す。

（比較例２）
＜Ｓｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇の合成＞
ＳｎＯ₂、Ｉｎ（ＯＨ）₃、８５％Ｈ₃ＰＯ₄及びイオン交換水を、Ｓｎ、Ｉｎ及びＰのモル比（Ｓｎ：Ｉｎ：Ｐ＝０．９：０．１：２）となるように混合し、高粘度ペーストが得られるまで、３００℃を維持しながら攪拌した。
得られたペーストは、６５０℃で２．５時間、アルミナボックス中でか焼し、Ｓｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を合成した。
尚、Ｓｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇の組成は、ＸＲＦ測定により確認した。
＜酸強度の測定＞
実施例１と同様にして、得られたＳｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇の酸強度を測定した。結果を図１に示す。

（結果）
図１に示すように、本発明の電解質であるＳｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇は、比較例１のＳｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇（ＡｌドープＳｎＰ₂Ｏ₇）及び比較例２のＳｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（ＩｎドープＳｎＰ₂Ｏ₇）と比較して、酸強度が大幅に低下していた。

［ドープ種］
（実施例２〜実施例５）
実施例１において、Ｍｇ（ＯＨ）₂の代わりに、それぞれ、Ｂａ（ＯＨ）₂・８Ｈ₂Ｏ（実施例２）、Ｓｒ（ＯＨ）₂・８Ｈ₂Ｏ（実施例３）、Ｃａ（ＯＨ）₂（実施例４）を用い、Ｓｎ：Ｍ：Ｐ＝０．９：０．１：２としたこと以外は同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（Ｍは、Ｂａ又はＳｒ又はＣａ）を合成した。また、実施例１と同様にして、Ｍｇ（ＯＨ）₂を用いてＳｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（実施例５）を合成した。

＜ＸＲＤ測定＞
得られた実施例２〜５のＳｎ_0.9Ｍ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（Ｍは、Ｂａ又はＳｒ又はＣａ又はＭｇ）を、乳鉢ですりつぶし、ＸＲＤ測定を行った。結果を図２に示す。
また、実施例１において、Ｍｇ（ＯＨ）₂を使用しなかったこと以外は、同様にしてＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）を合成し、上記同様、ＸＲＤ測定を行った。結果を併せて図２に示す。
図２に示すように、アルカリ土類金属から選ばれるいずれのドープ種を用いた場合でも、ＳｎＰ₂Ｏ₇の結晶構造が保持され、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇのいずれもがピロリン酸の結晶構造内にドープされたことが確認された。

＜プロトン伝導性測定＞
得られた実施例２〜５のＳｎ_0.9Ｍ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（Ｍは、Ｂａ又はＳｒ又はＣａ又はＭｇ）、及び、ＳｎＰ₂Ｏ₇を、それぞれ、２×１０³ｋｇ／ｃｍ^-2で加圧し、ペレット化した。得られた各ペレットについて、無加湿の空気中、温度条件を変えて、周波数０．１〜１×１０⁶Ｈｚ、振幅１０ｍＶでプロトン伝導性を測定した。結果を図３に示す。
図３に示すように、実施例２〜５いずれの電解質も良好なプロトン伝導性を示した。特に、ドーパントをドープしていないＳｎＰ₂Ｏ₇と比較すると、Ｍｇをドープした実施例５の電解質は、測定した全温度域において、優れたプロトン伝導性を示した。また、その他のＢａ、Ｓｒ、Ｃａをドープした実施例２〜４の電解質も、温度域によっては、ＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）よりも優れたプロトン伝導性を示した。

［Ｍ含有化合物］
（実施例６〜９）
実施例１において、Ｍｇ（ＯＨ）₂の代わりに、それぞれ、（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂Ｍｇ（実施例６）、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂（実施例７）、ＭｇＯ（実施例９）を用い、Ｓｎ：Ｍｇ：Ｐ＝０．９：０．１：２としたこと以外は同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を合成した。また、実施例１と同様にして、Ｍｇ（ＯＨ）₂を用いてＳｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（実施例８）を合成した。
得られた実施例６〜９の電解質及びＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）について、実施例２〜５と同様にして、ＸＲＤ測定及びプロトン伝導性測定を行った。結果を図４及び図５に示す。

図４に示すように、（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂Ｍｇ、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂、Ｍｇ（ＯＨ）₂、ＭｇＯいずれのＭｇ含有化合物を用いても、ＳｎＰ₂Ｏ₇の結晶構造が保持され、Ｍｇがピロリン酸の結晶構造内にドープされていることがわかった。
また、図５に示すように、実施例６〜９いずれの電解質も良好なプロトン伝導性を示した。特に、ドーパントをドープしていないＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）と比較すると、（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂Ｍｇ、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂、又はＭｇ（ＯＨ）₂を用いた実施例６〜８の電解質、特に、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂、又はＭｇ（ＯＨ）₂を用いた実施例７、８の電解質は、測定した全温度域において、優れたプロトン伝導性を示した。また、ＭｇＯを用いた実施例９も高温域では、ＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）よりも優れたプロトン伝導性を示した。

［Ｍｇドープ量］
（実施例１０〜１４）
実施例１において、Ｍｇのモル比（つまりｂ）がそれぞれ、５ｍｏｌ％（ｂ＝０．０５）（実施例１０）、１５ｍｏｌ％（ｂ＝０．１５）（実施例１２）、２０ｍｏｌ％（ｂ＝０．２）（実施例１３）、３０ｍｏｌ％（ｂ＝０．３）（実施例１４）となるように、Ｍｇ（ＯＨ）₂とＳｎＯ₂の配合割合を変更した以外は同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_bＰ₂Ｏ₇（ｂ＝０．０５、０．１５、０．２、０．３）を合成した。また、実施例１と同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（ｂ＝０．１）（実施例１１）を合成した。

得られた実施例１０〜１４の電解質及びＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）について、実施例２〜５と同様にして、ＸＲＤ測定を行った。結果を図６及び図７に示す。
図６及び図７に示すように、Ｍｇのドープ量５〜３０モル％（ｂ＝０．０５〜０．３）の範囲において、ＳｎＰ₂Ｏ₇の結晶構造が保持され、Ｍｇがピロリン酸の結晶構造内にドープされていることがわかる。

（実施例１５〜１８）
実施例１において、Ｍｇのモル比（つまりｂ）がそれぞれ、５ｍｏｌ％（ｂ＝０．０５）（実施例１５）、７ｍｏｌ％（ｂ＝０．７）（実施例１６）、１２ｍｏｌ％（ｂ＝０．１２）（実施例１８）となるように、Ｍｇ（ＯＨ）₂とＳｎＯ₂の配合割合を変更した以外は同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_bＰ₂Ｏ₇（ｂ＝０．０５、０．０７、０．１２）を合成した。また、実施例１と同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇（ｂ＝０．１）（実施例１７）を合成した。

得られた実施例１５〜１８の電解質及びＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）について、実施例２〜５と同様にして、プロトン伝導性測定を行った。結果を図８に示す。
図８に示すように、Ｍｇを５〜１２モル％（ｂ＝０．０５〜０．１２）ドープした実施例１５〜１８いずれの電解質も、ドーパントをドープしていないＳｎＰ₂Ｏ₇（non-dope）と比較して良好なプロトン伝導性を示した。特に７〜１２モル％のＭｇをドープした実施例１６〜１８の電解質は、測定した全温度域において、優れたプロトン伝導性を示した。中でも、１０モル％のＭｇをドープした実施例１７の電解質が高いプロトン伝導性を示した。

［耐久性］
（実施例１９）
実施例１と同様にして、Ｓｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を合成した。得られたＳｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を、２×１０³ｋｇ／ｃｍ^-2で加圧し、ペレット化した。
一方、白金担持カーボン粒子（Ｐｔ／Ｃ）を（０．１０ｇ）と、ＰＴＦＥ（０．０５ｇ）と、グリセリン（０．５ｍｌ）とを、乳鉢で混合してペーストを調製した。得られたペーストを、カーボンペーパー（ＴｏｒａｙＴＧＰＨ−０９０）中に、練り込んだ。
上記にて作製したペレットを、上記ペーストを練り込んだカーボンペーパー２枚(カソード、アノード)で挟み込み、電解質膜−電極接合体を作製した。
得られた電解質膜−電極接合体について、作用極側にＡｒガス、対極側にＨ₂ガスを供給し、掃引速度１０ｍＶ／ｓで、参照極（ＲＨＥ：可逆水素電極）に対して０〜１．１Ｖの範囲でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）を行った。結果を図９に示す。

（比較例３）
比較例１と同様にして、Ｓｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇を合成した。得られたＳｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇を用いて、実施例１９と同様にしてサイクリックボルタンメトリーを行った。結果を図１０に示す。

（比較例４）
比較例２と同様にして、Ｓｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を合成した。得られたＳｎ_0.9Ｉｎ_0.1Ｐ₂Ｏ₇を用いて、実施例１９と同様にしてサイクリックボルタンメトリーを行った。結果を図１１に示す。
（結果）
図９〜図１１に示すように、比較例３及び比較例４では、１サイクル目と比べて５サイクル目において、吸着水素の酸化電気量（ｍＣ）から算出された作用極の触媒反応表面積が低減しているのに対して、実施例１９では、５サイクル目でも１サイクル目と同等の触媒反応表面積が維持された。この結果より、本発明の電解質を用いることで、電解質材料に起因する燃料電池の経時的な性能低下を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることが可能であることがわかる。

実施例１、比較例１、比較例２における酸強度の測定結果を示すものである。実施例２〜実施例５におけるＸＲＤ測定の結果を示すものである。実施例２〜実施例５におけるプロトン伝導率測定の結果を示すものである。実施例６〜実施例９におけるＸＲＤ測定の結果を示すものである。実施例６〜実施例９におけるプロトン伝導率測定の結果を示すものである。実施例１０〜実施例１２におけるＸＲＤ測定の結果を示すものである。実施例１３〜実施例１４におけるＸＲＤ測定の結果を示すものである。実施例１５〜実施例１８におけるプロトン伝導率測定の結果を示すものである。実施例１９におけるＣＶの結果を示すものである。比較例３におけるＣＶの結果を示すものである。比較例４におけるＣＶの結果を示すものである。

Claims

組成式Ｓｎ_ａＭ_ｂＰ₂Ｏ₇（ａ＋ｂ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、Ｍは、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１種のカチオン）で表されることを特徴とする電解質。
前記組成式において、ＭがＭｇカチオンである、請求項１に記載の電解質。
前記組成式において、０．０５≦ｂ≦０．１２である、請求項２に記載の電解質。