非水系プロトン伝導体としての酸-塩基型イオン性液体とイオンゲル

作为非水质子导体的酸碱离子液体和离子凝胶

基本信息

批准号：
02F02380
负责人：
渡邉正義
金额：
$ 0.45万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、水によって膨潤したイオン交換膜を用いた高分子固体電解質形燃料電池が、電気自動車用の電源、家庭用の熱電供給装置、さらにはポータブル電源として大きな期待を集め、新規プロトン伝導体への関心は非常に高い。従来のイオン交換膜は、充分に吸湿した状態でのみ高いプロトン伝導性を示すため、通常80℃以上の温度域では水の蒸発によるプロトン伝導性の低下が起き、燃料電池の特性は低下する。したがって固体高分子形燃料電池の運転温度は、一般的に80℃以下に限定されている。この低温作動性は燃料電池の開始特性という観点からは優れる。しかし、燃料電池の廃熱利用、作動中の冷却、電気化学反応の促進という観点からは、より高温(特に100℃〜200℃の間)で、かつ低加湿さらには無加湿で作動可能な燃料電池用プロトン伝導体の開発が期待されている。本研究では酸と塩基からなるイオン液体を新しい非水系プロトン伝導体として提案し、以下の研究を展開した。(1)超強ブレンステッド酸と種々の有機塩基の中和反応で得られるプロトン伝導性イオン液体を調整し、そのイオン導電率、直流分極、NMR、磁場勾配NMR測定などから、このイオン液体中のプロトン輸送現象を明らかにした。さらに有機塩基の構造(特に、イミダゾール、ピラゾール、トリアゾールに注目)やイオン液体の組成とプロトン輸送特性の相関から、プロトン伝導性イオン液体設計指針を探求した。(2)本イオン液体を電解質とした電気化学測定から、白金電極界面で、無水条件下、100℃以上の温度域で、水素酸化反応、酸素還元反応、すなわち燃料電池電解質として必要な電気化学反応が起きることを明らかした。さらに、本イオン液体を用いることによって無加湿燃料電池が構築できることを示し、その固体薄膜化を図った。

近年来，使用水肿胀的离子交换膜的聚合物固体电解质燃料电池对电动汽车的电源，家庭的热电供应设备以及便携式电源引起了极大的期望，以及对新质子导体的兴趣非常高。传统的离子交换膜仅在充分吸收时才能表现出高质子电导率，因此在80°C或更高的温度范围内，由于蒸发而质子电导率降低，导致燃料电池特性降低。因此，固体聚合物燃料电池的工作温度通常限制为80°C或更少。从燃料电池启动特征的角度来看，这种低温致动非常好。但是，从在燃料电池中使用废热，在操作过程中冷却和促进电化学反应的角度，人们希望开发质子导体的燃料电池，这些质子可以在较高的温度（尤其是100°C和200°C之间），低湿度和没有湿化的燃料电池进行操作。在这项研究中，提出了由酸和碱制成的离子液体作为新的非水质子导体，并进行了以下研究。（1）制备了超长的布隆酸与各种有机碱的中和反应获得的质子传导离子液体，并从该离子液体中的质子转运现象从其离子电导率，DC极化，NMR，NMR，磁场梯度NMR测量等上阐明。此外，我们根据有机碱的结构（尤其是侧重于咪唑，吡喃唑和三唑）以及离子液体和质子运输特性的质子传导离子液体的设计指南。（2）使用离子液体作为电解质的电化学测量结果表明，氢氧化反应，氧还原反应，即燃料电池电解质所需的电化学反应在无水条件下在铂电极界面处发生，在温度范围为100°C或高度。此外，结果表明，离子液体的使用可用于构造加湿的燃料电池，并实现了实心薄膜。