新規中温域燃料電池用電解質としてのポリリン酸アンモニウム系プロトン導電体の研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550790
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 稲葉 稔 同志社大学, 工学部, 助教授 (80243046)
• Keywords: ポリリン酸アンモニウム / 中温域燃料電池 / プロトン誘電性 / 個体電解質 / 熱安定性 / マトリックス

Research Abstract

ポリリン酸アンモニウム(NH_4PO_3)は300℃付近で10mS cm^<-1>程度の比較的高いプロトン導電性をもち、300℃付近で作動する高効率な中温域燃料電池の電解質として有望であるが、熱安定性には問題点がある。本年度は、ポリリン酸アンモニウム系複合体を作製し、そのプロトン導電性と熱安定性を明らかにするとともに、種々のイオンをドープすることによって分解過程を制御し、300℃付近の温度領域で高いプロトン導電率と熱安定性を併せ持つ固体プロトン導電体を得ることを目的とした。
まず、NH_4PO_3にマトリックスとしてケイ素リン酸アンモニウム(NH_4)_2SiP_4O_<13>)を添加したNH_4PO_3/(NH_4)_2SiP_4O_<13>複合体(4:1)を作製した。この複合体では乾燥水素雰囲気下において昇温とともにプロトン伝導度は増加し300℃では5.4mS cm^<-1>を示し、80℃加湿水素雰囲気下、300℃で20mS cm^<-1>と非常に高いプロトン伝導性を示した。また、プロトン伝導性は複合体中のNH_4PO_3の割合が多くなるほど向上したが、NH_4PO_3/(NH_4)_2SiP_4O_<13>比が8:1以上では加湿雰囲気下300℃では軟化し、実用的にはは6:1の組成が上限であることがわかった。
次に、電解質自身の熱安定性を向上させるために、NH_4PO_3のNH_4^+の一部を不揮発性でイオン半径の近いK^+イオンで置換した(NH_4)_<1-x>K_xPO_3を作製し、プロトン伝導性と耐熱性を評価した。(NH_4)_<0.20>K_<0.80>PO_3の組成を有する電解質は300℃で2.5mScm^<-1>のプロトン伝導度を示し、加湿雰囲気下でも伝導度はほとんど変化しなかった。この電解質は400℃まで熱的安定性を示し、400℃でのプロトン伝導度は8.0mScm^<-1>まで向上し、高いプロトン導電率と熱安定性を併せ持つ固体プロトン導電体であることが確認された。一方、K^+イオンの置換量を減少させると、伝導度は向上するが、耐熱性は低下した。