質(zhì)子導(dǎo)體材料及其制備方法和應(yīng)用及中溫燃料電池技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及燃料電池電解質(zhì)領(lǐng)域，公開了質(zhì)子導(dǎo)體材料及其制備方法和應(yīng)用及中溫燃料電池，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH

Proton conductor material, preparation method and application thereof, and medium temperature fuel cell

The invention relates to the fuel cell electrolyte field, and discloses a proton conductor material, a preparation method and an application thereof, and a medium temperature fuel cell. The proton conductor material has a chemical formula of (NH

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
質(zhì)子導(dǎo)體材料及其制備方法和應(yīng)用及中溫燃料電池
本專利技術(shù)涉及燃料電池電解質(zhì)領(lǐng)域，具體涉及一種質(zhì)子導(dǎo)體材料、一種制備質(zhì)子導(dǎo)體材料的方法以及由該方法制備得到的質(zhì)子導(dǎo)體材料、質(zhì)子導(dǎo)體材料作為中溫質(zhì)子導(dǎo)體燃料電池或電解池的電解質(zhì)材料的應(yīng)用、質(zhì)子導(dǎo)體材料在傳感器中的應(yīng)用以及一種中溫燃料電池。
技術(shù)介紹
近年來(lái)，由于燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低排放等優(yōu)點(diǎn)，其引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。特別是，在2014年日本豐田等幾個(gè)汽車公司將燃料電池汽車推向了市場(chǎng)。但是，現(xiàn)有的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFCs)一般均使用質(zhì)子導(dǎo)體的作為電解質(zhì)，這種類型的燃料電池必須在低于水的沸點(diǎn)(100℃)的溫度下工作。在低溫下工作，如果使用含碳的氣體或液體作為燃料，CO毒化催化劑將成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。此外，還要求高的貴金屬催化劑負(fù)載量來(lái)補(bǔ)償催化劑在這一溫度范圍低的催化活性以及減輕CO對(duì)催化劑的毒化問題。另外，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池或直接醇燃料電池在較高溫度下運(yùn)行，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，較快的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，燃料中雜質(zhì)對(duì)電池性能的影響會(huì)較小。因此，最近二十年國(guó)際上興起了研發(fā)中溫(150～400℃)下工作的固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體的熱潮。實(shí)現(xiàn)中溫燃料電池要求質(zhì)子電導(dǎo)率高于10-2S/cm。聚磷酸銨是一種潛在的中溫電解質(zhì)。但是，純的聚磷酸銨在200℃以上的溫度下不穩(wěn)定。文獻(xiàn)中報(bào)道，通過加入高度分散的第二相形成復(fù)合材料，例如，添加Al2O3、TiO2、SiO2等是一種提高材料離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性的有效方法。目前，基于質(zhì)子導(dǎo)體在高溫下工作的燃料電池或傳感器主要使用陶瓷導(dǎo)體BaZr0.8Y0.2O3-δ(BZY)和BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3-δ(BCZY)，而在低溫下工作的燃料電池主要使用美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的聚合物電解質(zhì)很少看到報(bào)道能夠在中溫范圍內(nèi)(150-400℃)工作并且性能優(yōu)異的質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種能夠在中溫范圍內(nèi)(150-400℃)工作，且性能優(yōu)異的質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)材料。本專利技術(shù)的專利技術(shù)人在研究中發(fā)現(xiàn)，化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，并且A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4時(shí)，由此獲得的質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)材料在中溫(150～400℃)范圍內(nèi)工作時(shí)，質(zhì)子電導(dǎo)率均顯著高于4×10-2S/cm，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在中溫燃料電池中的應(yīng)用。據(jù)此，專利技術(shù)人完成了本專利技術(shù)的方案。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本專利技術(shù)提供一種質(zhì)子導(dǎo)體材料，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4。第二方面，本專利技術(shù)提供一種制備質(zhì)子導(dǎo)體材料的方法，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4，該方法包括：(1)在氨氣存在下，將含有聚磷酸銨、A的氧化物和B的氧化物的混合物進(jìn)行焙燒；(2)在保護(hù)氣體存在下，將步驟(1)焙燒后得到的產(chǎn)物進(jìn)行冷卻。第三方面，本專利技術(shù)提供由第二方面所述的方法制備得到的質(zhì)子導(dǎo)體材料。第四方面，本專利技術(shù)提供第一方面和第三方面所述的質(zhì)子導(dǎo)體材料作為中溫質(zhì)子導(dǎo)體燃料電池或電解池的電解質(zhì)材料的應(yīng)用。第五方面，本專利技術(shù)提供第一方面和第三方面所述的質(zhì)子導(dǎo)體材料在傳感器中的應(yīng)用。第六方面，本專利技術(shù)提供一種中溫燃料電池，包括電解質(zhì)材料，該電解質(zhì)材料為第一方面和/或第三方面所述的質(zhì)子導(dǎo)體材料。本專利技術(shù)提供的質(zhì)子導(dǎo)體材料在中溫(150～400℃)范圍內(nèi)工作時(shí)，質(zhì)子電導(dǎo)率均顯著高于4×10-2S/cm，能夠?qū)崿F(xiàn)在中溫燃料電池中的應(yīng)用。本專利技術(shù)的制備質(zhì)子導(dǎo)體材料的方法具有操作簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)施方式在本文中所披露的范圍的端點(diǎn)和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對(duì)于數(shù)值范圍來(lái)說(shuō)，各個(gè)范圍的端點(diǎn)值之間、各個(gè)范圍的端點(diǎn)值和單獨(dú)的點(diǎn)值之間，以及單獨(dú)的點(diǎn)值之間可以彼此組合而得到一個(gè)或多個(gè)新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)被視為在本文中具體公開。第一方面，本專利技術(shù)提供了一種質(zhì)子導(dǎo)體材料，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4。優(yōu)選情況下，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo或W，B為Al、In、Si、Ge或Sn。更加優(yōu)選地，本專利技術(shù)的專利技術(shù)人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A為Mo或W，且B為Ge或Sn，0≤x≤0.4時(shí)，獲得的質(zhì)子導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率均在5×10-2S/cm以上。根據(jù)一種優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本專利技術(shù)的專利技術(shù)人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0.05≤x≤0.28時(shí)，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率均在5×10-2S/cm以上。根據(jù)一種特別優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本專利技術(shù)的專利技術(shù)人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Mo或W，且B為Ge或Sn，以及0.05≤x≤0.28時(shí)，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率均在6×10-2S/cm以上。第二方面，本專利技術(shù)提供一種制備質(zhì)子導(dǎo)體材料的方法，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4，該方法包括：(1)在氨氣存在下，將含有聚磷酸銨、A的氧化物和B的氧化物的混合物進(jìn)行焙燒；(2)在保護(hù)氣體存在下，將步驟(1)焙燒后得到的產(chǎn)物進(jìn)行冷卻。在本專利技術(shù)第二方面所述的制備質(zhì)子導(dǎo)體材料的方法中，所述質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式優(yōu)選與前述第一方面中所述的質(zhì)子導(dǎo)體材料相同，本專利技術(shù)在第二方面中不再對(duì)質(zhì)子導(dǎo)體材料的優(yōu)選情況進(jìn)行贅述，本領(lǐng)域技術(shù)人員不應(yīng)理解為對(duì)本專利技術(shù)的限制。優(yōu)選情況下，在步驟(1)中，所述焙燒的條件包括：溫度為250～600℃，時(shí)間為4～30h。本專利技術(shù)的所述A的氧化物表示金屬A元素與氧形成的二元化合物，所述B的氧化物表示金屬B元素與氧形成的二元化合物。所述A的氧化物優(yōu)選為Y2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、MoO2和WO3。所述B的氧化物優(yōu)選為Al2O3、In2O3、SiO2、GeO2和SnO2。所述保護(hù)氣體例如可以為氦氣、氬氣、氖氣和氮?dú)庵械囊环N或兩種以上。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)目標(biāo)質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式來(lái)確定聚磷酸銨、A的氧化物和B的氧化物的用量關(guān)系。優(yōu)選情況下，在步驟(2)中，所述冷卻的速率為0.5～50℃/min；更優(yōu)選地，所述冷卻的速率為1～10℃/min。本專利技術(shù)的專利技術(shù)人發(fā)現(xiàn)，采用速率為1～10℃/min的冷卻方法時(shí)，獲得的質(zhì)子導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率明顯更高。第三方面，本專利技術(shù)提供了由前述第二方面所述的方法制備得到的質(zhì)子導(dǎo)體材料。第四方面，本專利技術(shù)提供了本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種質(zhì)子導(dǎo)體材料，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH

【技術(shù)特征摘要】
1.一種質(zhì)子導(dǎo)體材料，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子導(dǎo)體材料，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo或W，B為Al、In、Si、Ge或Sn；優(yōu)選地，A為Mo或W，B為Ge或Sn。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)子導(dǎo)體材料，其中，0.05≤x≤0.28。4.一種制備質(zhì)子導(dǎo)體材料的方法，該質(zhì)子導(dǎo)體材料的化學(xué)式為(NH4)2A1-xBxP4O13，其中，A為Y、Ti、Nb、Ta、Mo和W中一種或兩種以上的元素，B為Al、In、Si、Ge和Sn中的一種或兩種以上的元素，且0≤x≤0.4，該方法包括：(1)在氨氣存在下...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫春文，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京納米能源與系統(tǒng)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11