高プロトン伝導性ガラスの開発とその燃料電池への応用

燃料電池の電解質膜として有用な高プロトン伝導性電解質膜を作製するために、ガラスとヘテロポリ酸(PMAやPWA)とのハイブリッド化膜の作製と電解質に応用するのに必要な特性について検討した。ゾル・ゲル法を用いてPO(OCH_3)_3、Si(OC_2H_5)_4、PMAおよびPWAを混合した後、加水分解して均質な溶液にした。乾燥して0.1〜0.3mmの厚さのゲルにして、空気中で600℃にまで加熱することで、P_2O_5-SiO_2-PMA/PWAハイブリッド膜とした。作製した試料の窒素ガス吸着法によって求めた細孔径は2〜6nm、比表面積は400〜700m^2/gと高い多孔質なものであった。電導度は30℃から90℃の範囲で10^<-2>〜10^<-0>S/cmと高い値を示した。室温での伝導度は0.1S/cmとナフィオンに匹敵する高い値のものを得ることができた。作製した膜を電解質にし、白金/カーボン-ナフィオン-ヘテロポリリン酸を電極・触媒にして燃料電池を組み立て、その電池特性を測定したと。結果として、水素・酸素を燃料として送り、30℃で相対湿度30%の条件下で特性を測定したところ、運転時間の増加とともに出力が上昇し、約5時間後に、出力と電流密度がそれぞれ、50mW/cm^2と150mA/cm^2になることがわかった。その後、時間が経過してもそれ程変化することがなかった。燃料電池特性は、ガラス電解質の厚みや、その表面での電極や触媒との接触状態が燃料電池特性に大きく影響して変わることも明らかになった。ガラスの細孔サイズ、細孔表面積および容積を制御することでガラスのプロトン電導度を更に上昇させることができる。また、電解質膜のヤング率を下げることで、電極および触媒との接触を良くし、接触抵抗を抑制できることも分かってきた。これらを合わせて燃料電池特性の最適化を行うことで、現在、単セルで100mW/cm^2を越える出力を得ることも可能との見込みが得られており、ナフィオン製燃料電池に替わるオールセラミックス製燃料電池の実現も可能である見通しを得ることができた。

燃料電池の電解質膜として有用な高プロトン伝導性電解質膜を作製するために、ガラスとヘテロポリ酸(PMAやPWA)とのハイブリッド化膜の作製と電解質に応用するのに必要な特性について検討した。ゾル・ゲル法を用いてPO(OCH_3)_3、Si(OC_2H_5)_4、PMAおよびPWAを混合した後、加水分解して均質な溶液にした。乾燥して0.1〜0.3mmの厚さのゲルにして、空気中で600℃にまで加熱することで、P_2O_5-SiO_2-PMA/PWAハイブリッド膜とした。作製した試料の窒素ガス吸着法によって求めた細孔径は2〜6nm、比表面積は400〜700m^2/gと高い多孔質なものであった。電導度は30℃から90℃の範囲で10^<-2>〜10^<-0>S/cmと高い値を示した。室温での伝導度は0.1S/cmとナフィオンに匹敵する高い値のものを得ることができた。作製した膜を電解質にし、白金/カーボン-ナフィオン-ヘテロポリリン酸を電極・触媒にして燃料電池を組み立て、その電池特性を測定したと。結果として、水素・酸素を燃料として送り、30℃で相対湿度30%の条件下で特性を測定したところ、運転時間の増加とともに出力が上昇し、約5時間後に、出力と電流密度がそれぞれ、50mW/cm^2と150mA/cm^2になることがわかった。その後、時間が経過してもそれ程変化することがなかった。燃料電池特性は、ガラス電解質の厚みや、その表面での電極や触媒との接触状態が燃料電池特性に大きく影響して変わることも明らかになった。ガラスの細孔サイズ、細孔表面積および容積を制御することでガラスのプロトン電導度を更に上昇させることができる。また、電解質膜のヤング率を下げることで、電極および触媒との接触を良くし、接触抵抗を抑制できることも分かってきた。これらを合わせて燃料電池特性の最適化を行うことで、現在、単セルで100mW/cm^2を越える出力を得ることも可能との見込みが得られており、ナフィオン製燃料電池に替わるオールセラミックス製燃料電池の実現も可能である見通しを得ることができた。