熊本大學產業奈米材料研究所的畠山一翔助教與伊田進太郎教授的研究團隊成功從天然黏土礦物中提取出奈米片並通過精密堆疊，開發出了用於燃料電池的新型固態電解質。相關研究成果已發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
採用無機材料作為固態電解質的燃料電池已實現家用電源的實用化。但其工作溫度仍需高達800℃以上，目前市售車體等搭載的主流燃料電池多使用可在80～90℃穩定工作的聚合物固態電解質。新一代燃料電池車載需要能在100℃以上工作，但聚合物固態電解質存在中溫工作時的氫滲透（氫洩漏導致發電效率下降的現象）較同等膜厚的陶瓷電解質更大，且含氟材料的環境負荷也受到批評，探索能同時解決這些問題的新材料成為新一代燃料電池的研發課題。
此次，研究團隊從天然黏土礦物蒙脫石中僅提取單層奈米片，並通過精密堆疊製成了無機奈米片層狀膜。這種膜完全不使用任何增強機械強度的接合劑，由硅、鋁、鎂為主要成分的100%無機物質構成。通過單層奈米片堆疊成膜，成功製作出了使無機材料兼具柔韌性的薄膜。這種材料還具備高成形性，可通過滴塗乾燥、抽濾、旋轉塗布等方法輕鬆製備出膜厚、形狀、面積可控的膜。由於蒙脫石等黏土礦在世界各地均有分佈，日本國內也可獲取，有望大幅降低原料成本。
新開發的無機奈米片層疊膜在-20～140℃的寬溫範圍內表現出質子傳導性，140℃（相對濕度100%）條件下質子傳導率達0.0087S/cm。同時，其氫阻隔特性超過Nafion聚合物質子導體100倍以上，在氫氧暴露環境下可保持兩周以上的穩定性。
這些結果表明無機奈米片層狀膜完全滿足固態電解質膜所需的質子傳導性、氫氣阻隔性和化學穩定性要求。對無機奈米片層疊膜用作固態電解質的燃料電池進行性能評估的結果顯示，在90℃（相對濕度100%）的條件下獲得了264mW/cm²的輸出密度。這得益於無機奈米片層狀膜的柔韌性和高氣體阻隔特性與化學穩定性，即使厚度僅為2.5微米也能夠在燃料電池中實現無電極短路和無氫洩漏。此外，這種燃料電池還確認可在-10～140℃的寬溫範圍內工作。
冰點以下及100℃以上中溫區域的燃料電池運行不僅取決於電解質性能，電極和運行條件也是重要的控制因素，目前的問題是輸出功率尚不理想，研究團隊正致力於通過進一步改善膜結構提升輸出性能。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Materials Chemistry A
論文：Low-temperature fuel cells using proton-conducting silicate solid electrolyte
DOI：doi.org/10.1039/D5TA02486B
