Synthesis and application of novel proton conductor for the performance enhancement of high-temperature anhydrous fuel cells

新型质子导体的合成及其在高温无水燃料电池性能增强中的应用

• 批准号: 22KJ1630
• 负责人: 前川 啓一郎
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1630/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池; プロトン伝導; 第一原理計算; 有機塩; 水素結合

高温無加湿燃料電池の実現に向けた新規プロトン伝導体として、有機物と酸によって形成される塩(えん)をベースとする材料に関して、以下二つの検討を行い、重要な成果を得た。①ポリ(4-ビニルピリジン)(PVPy)を塩基として用い、それに対して複数種類の酸をそれぞれ反応させた有機塩のプロトン伝導体を合成し、そのプロトン導電率と、密度反関数法(DFT)によって得られた物理化学特性の間の関係を調査した。それによって、有機物をベースとする塩における、高いプロトン伝導性を有する材料の条件を調査することを目的とした。検討の結果、DFT計算によって算出した、N-O間の距離(プロトン化原子間距離:PAD)が短いほどプロトン伝導性が高くなる傾向を示し、ある材料のプロトン伝導度を予測するための指標となり得ることが明らかとなった。②上記で得た知見を基に、新規プロトン伝導体であるイミダゾール-塩酸塩-シリカ複合体 (Imi-HCl-SiO2)を作製した。イミダゾール(Imi)は酸と反応できる塩基サイトを２つ持つため、二種類以上の酸を配位させたプロトン伝導体ができると考えた。さらに、上記①で確立したDFT計算の結果、Imiに対してHClとSiO2の二つを配位することによって、両水素結合部でのプロトン伝導が活性化されることが明らかになった。結果的に新規合成した材料では無加湿・130oCの条件で1×10-2 S cm-1の高い導電率を達成した。最後に、作製したプロトン伝導体を5wt.%の重量比でリン酸ドープPBI膜に添加し、高温・無加湿条件での発電特性を評価した結果、高い出力(521 mW cm-2)を得られた。

High temperature without humidification fuel cell の be am に to け た new rules プ ロ ト ン 伝 conductor と し て, organic と acid に よ っ て form さ れ る salt (え ん) を ベ ー ス と す る material に masato し て, the following two つ の 検 line for を い, important な を た. 1) ポ リ (4 - ビ ニ ル ピ リ ジ ン) (PVPy) を salt base と し て い, そ れ に し seaborne て plural kinds の acid を そ れ ぞ れ anti 応 さ せ た organic salt の プ ロ ト ン 伝 を synthetic し, conductor そ の プ ロ ト ン と conductivity and density of the masato method (DFT) に よ っ て must ら れ た physical and chemical properties between の の を masato department investigation し た. そ れ に よ っ て, organic を ベ ー ス と す る salt に お け る, high い プ ロ ト ン 伝 conductivity を have す を の る material conditions survey す る こ と を purpose と し た. Beg の 検 results, DFT calculations に よ っ て calculate し た の distance between, N - O (プ ロ ト ン interatomic distance: PAD) が short い ほ ど プ ロ ト ン 伝 conductivity high が く な る tendency を し, あ る material の プ ロ ト ン 伝 conductance を be す る た め の index と な り must る こ と が Ming ら か と な っ た. (2) on the record で た knowledge very を に, new rules プ ロ ト ン 伝 conductor で あ る イ ミ ダ ゾ ー ル - salt acid salt - シ リ カ complex (Imi - HCl - SiO2) を cropping し た. イ ミ ダ ゾ ー ル (Imi) は acid と anti 応 で き る salt base サ イ ト を 2 つ hold つ た め, two kinds of を の acid ligand さ せ た プ ロ ト ン 伝 conductor が で き る と exam え た. さ ら に, written in (1) で establish し た の DFT calculation results, the Imi に し seaborne て HCl と SiO2 の two つ を ligand す る こ と に よ っ て, struck the water bungalows で の プ ロ ト ン 伝 guide が activeness さ れ る こ と が Ming ら か に な っ た. Results に new rules synthetic し た material で は without humidification, 130 oc の condition 1 x 10 cm - 1-2 S で の high い conductivity を reached し た. The final に, cropping し た プ ロ ト ン 伝 conductor を 5 wt. % の is lighter than で リ ン acid ド ー プ に add し PBI company membrane, high temperature, without humidification conditions で の 発 electrical characteristics を review 価 し た results, high い output cm - 2 (521 mW) を ら れ た.

项目成果

Proton-conducting inorganic-organic composites based on strong acid salts of heterocyclic compounds and their application to medium-temperature anhydrous fuel cells

基于杂环化合物强酸盐的质子传导无机-有机复合材料及其在中温无水燃料电池中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Maegawa;J. Nishida;G. Kawamura;A. Matsuda
• 通讯作者: A. Matsuda

高プロトン伝導材料の作製に向けたPoly(4-vinylpyridine)ベース有機塩の検討

用于生产高质子传导材料的聚（4-乙烯基吡啶）基有机盐的研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 前川 啓一郎，文野 永遠，横山 生吹;永井 篤志;松田 厚範
• 通讯作者: 松田 厚範

Theoretical Calculations of Organic Salts and Their Correlation with Proton Conductivity

• DOI: 10.1021/acsapm.3c00045
• 发表时间: 2023-05
• 期刊: ACS Applied Polymer Materials
• 影响因子: 5
• 作者: Keiichiro Maegawa;Towa Bunno;Ibuki Yokoyama;Atsushi Nagai;A. Matsuda

Centre of Excellence Ensemble3(ポーランド)

卓越中心合奏团3（波兰）

イミダゾール塩酸塩-シリカ複合系新規プロトン伝導体の作製と中温無加湿燃料電池への応用

新型咪唑盐酸盐-二氧化硅复合质子导体的制备及其在中温非增湿燃料电池中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: 前川 啓一郎，西田 仁，引間 和浩;河村 剛;松田 厚範
• 通讯作者: 松田 厚範