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

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。

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。