本文根據早稻田大學公佈的研究成果資料編譯而成
日本山梨大學清潔能源研究中心兼早稻田大學理工學術院的宮武健治教授、山梨大學清潔能源研究中心的三宅純平副教授、早稻田大學理工學術院的小柳津研一教授以及日本學術振興會的特別研究員岡弘樹（早稻田大學先進理工學研究科碩博碩連讀4年級學生）等人組成的研究團隊，全球首次開發出了採用能可逆地吸附和解吸氫的塑膠膜的充電式燃料電池——「全聚合物型可充電燃料電池」。
關於固體聚合物型燃料電池（簡稱PEFC），汽車領域是透過高壓氫燃料罐供應氫，家用領域則是透過對城市氣體（甲烷）進行水氣改質來供應氫，在便攜性、安全和能源成本方面都還存在課題。此次研究成功開發出了無需使用氫燃料罐和改質反應裝置，安全、可以反復充放電且方便攜帶的PEFC。試製品在恆定的電流密度（1mA/cm2）下，最長可發電約8分鐘，能反復充放電50次。今後，透過提高和最適化構木材料的性能以及改善耐久性等，有望作爲手機和小型電子器件等行程產品的電流源使用。
研究背景
作爲目前的PEFC使用的儲氫供氫系統，汽車領域使用高壓氫燃料罐，家用領域使用對城市氣體進行水氣改質來制氫的裝置，在便攜性、安全和能源成本方面存在課題。爲了擴大PEFC的應用範圍，業界研究了各種儲氫材料。
儲氫合金（LaNi5、Mg2Ni等）是一類常見的儲氫材料有，其缺點是，雖然單位體積的儲氫量比較多，但單位重量的儲氫量較少。此外還有有機類儲氫材料，如有機氫化物（甲基環己烷等），雖然單位體積和單位重量的儲氫量都比較多，但具有揮發性、可燃性和毒性。因此需要開發更加安全且貯藏密度更大的儲氫材料。作爲聚合物類儲氫材料，小柳津教授等人2016年成功開發出了可模製爲塑膠膜的酮聚合體，並驗證了氫吸附和解吸性能（Nat. Commun. 7, 13032（2016））。不過，此前一直沒有開發出將該塑膠膜作爲儲氫供氫介質使用的燃料電池器件。
研究成果
此次，研究團隊設計了將塑膠膜嵌入電池單元内側作爲儲氫供氫介質的全聚合物型可充電燃料電池，並驗證了其工作原理。
圖1：此次研究開發的全聚合物型可充電燃料電池的概念圖。透過内置由聚酮製成的可吸附和解吸氫的塑膠膜（HSP），能實施體積小且安全的充電式燃料電池。
新開發的方法
研究團隊此次設計並製作的燃料電池在陽極側内置了酮聚合體膜，爲了順利促進氫吸附和解吸反應，該酮聚合體膜浸透了銥（Ir）基錯合物。透過反復實施隨着氫解吸而進行的燃料電池發電和氫吸附（相當於充電），評估了可充電燃料電池的性能和循環特性。
透過評價和比較質子導電性高分子膜（以下簡稱PEM）採用兩種氣體滲透係數大不相同的材料的可充電燃料電池，發現PEM的氣體阻隔性是有效提高可充電燃料電池性能的因素之一。
本次研究全球首次開發出了可反復充放電的「全聚合物型可充電燃料電池」。在恆定的電流密度（1mA/cm2）下，最長可發電約8分鐘，能反復充放電50次。
圖2：在恆定的電流密度下可以穩定充放電50次。與採用氣體滲透係數比較大的Nafion膜時相比，PEM採用係數比較小的SPP-QP膜時能獲得更高的性能（發電時間比較長）。
研究的波及效應
現有鋰離子二次電池的性能和耐久性日益提高，但鋰資源有限，而且無法消除起火的危險。此次開發的可充電燃料電池可以利用來自多種氫源的氫，也不存在安全風險。將來透過提高和最適化構木材料的性能及改善耐久性等，有望作爲手機和小型電子器件等行程產品的電流源使用。
未來課題
今後的研究方向是設法提高塑膠膜的儲氫量、放氫反應速度以及PEM的質子導電率和穩定性，實施在高電流密度下也能長時間發電的創蓄電器件。
論文資訊
題目：Rechargeable proton exchange membrane fuel cell containing an intrinsic hydrogen storage polymer
期刊：Communications Chemistry
URL：nature.com/articles/s42004-020-00384-z
研究成果發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
