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PROTON CONDUCTOR AND FUEL CELL UPDATE_EN

Patent code P160012894
File No. AF19P019
Posted date Apr 4, 2016
Application number P2015-207235
Publication number P2016-085967A
Patent number P6598013
Date of filing Oct 21, 2015
Date of publication of application May 19, 2016
Date of registration Oct 11, 2019
Priority data
  • P2014-215905 (Oct 23, 2014) JP
Inventor
  • (In Japanese)嘉副 裕
  • (In Japanese)ピホシュ ユーリ
  • (In Japanese)馬渡 和真
  • (In Japanese)北森 武彦
  • (In Japanese)北村 健二
  • (In Japanese)長田 貴弘
  • (In Japanese)田畑 修
  • (In Japanese)土屋 智由
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
  • (In Japanese)国立研究開発法人物質・材料研究機構
Title PROTON CONDUCTOR AND FUEL CELL UPDATE_EN
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductor remarkably increasing proton conductivity.
SOLUTION: In a proton conductor, a first proton-donating layer 20a is a layer having a proton-donative functional group on the surface thereof, for example, a silicon oxide layer, while the proton-donative function group is silanol, phosphoric acid, sulfone or titanol, and the second proton-donating layer 20b is also a layer having a proton-donative functional group on the surface thereof, for example, a silicon oxide layer. Negative surface charges are formed on the main surface section of a first substrate 10a and the main surface section of a second substrate 10b, and the negative charges increase proton conductivity in an aqueous solution supplied to a nano channel. Although, in the aqueous solution, proton migration due to hopping between water molecules contribute to diffusion, the negative charges formed on the main surfaces of the substrates (10a, 10b) attract protons in the aqueous solution, and the conduction of protons is efficiently achieved in a "high-speed transfer region" formed around the proton-donating layers (20a, 20b), so that proton conductivity can be increased.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

低環境負荷で高効率な次世代電源として水素燃料電池が注目されている。水素燃料電池では、アノード側で水を分解して発生するプロトンをカソード側に輸送するプロトン伝導体が電池の性能を左右する。

現在、燃料電池のプロトン伝導体としては高分子製プロトン交換膜が広く用いられている。しかし、この高分子製プロトン交換膜は、燃料電池を高温条件下で長時間動作させると、性能が劣化するという問題がある。次世代電源として水素燃料電池の必要性は急激に高まっており、電池の性能向上に不可欠な高性能プロトン伝導体として本発明の利用価値は高い。一方で、近年は表面の効果が圧倒的に大きいナノ空間を用いた機能デバイスの研究も進みつつあり、将来的にはナノ空間イオン伝導デバイスなども期待される。

このような問題に鑑み、Chinenらは、数100nmのサイズのガラス製ナノ流路では、水のプロトン拡散定数が1桁程度上昇することを見出し、さらに、ガラス製ナノ流路が機械的・化学的に安定なプロトン伝導体として動作すること、そして、常温条件下でも従来のプロトン交換膜と同等のプロトン伝導度を達成し得ることを実証した(非特許文献1:Chinen et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2012)。

Tsukaharaらは、数100nmのナノ流路に閉じ込められた水のプロトン伝導度が上昇する要因を検討し、ナノ流路のガラス壁面近傍50nmにおける水の構造化の寄与が考えられるというモデルを提唱している(非特許文献2:Tsukahara et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2007)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、ナノ空間での高効率なプロトン輸送を可能とするプロトン伝導体およびこれを水溶液流路として備えた燃料電池に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
主面に負電荷を形成する第1の基体と、
前記第1の基体の主面に設けられた第1のプロトン供与層を備え、
前記第1のプロトン供与層の厚みが20nm以下である、ことを特徴とするプロトン伝導体。

【請求項2】
 
前記第1のプロトン供与層は、表面にプロトン供与性官能基を有する層である、請求項1に記載のプロトン伝導体。

【請求項3】
 
前記プロトン供与性官能基はシラノール基、リン酸基、チタノール基、スルホン基の何れかである、請求項2に記載のプロトン伝導体。

【請求項4】
 
前記第1のプロトン供与層はシリコン酸化物層である、請求項1に記載のプロトン伝導体。

【請求項5】
 
前記第1の基体の主面に対向する主面を有する第2の基体であって、該主面に負電荷を形成する第2の基体と、
前記第2の基体の主面に設けられた第2のプロトン供与層と、をさらに備え、
前記第1の基体の主面と前記第2の基体の主面の間隔dが50nm以上で800nm以下である、請求項1~4の何れか1項に記載のプロトン伝導体。

【請求項6】
 
前記第2のプロトン供与層の厚みが20nm以下である、請求項5に記載のプロトン伝導体。

【請求項7】
 
前記第2のプロトン供与層は、表面にプロトン供与性官能基を有する層である、請求項6に記載のプロトン伝導体。

【請求項8】
 
前記プロトン供与性官能基はシラノール基、リン酸基、チタノール基、スルホン基の何れかである、請求項7に記載のプロトン伝導体。

【請求項9】
 
前記第2のプロトン供与層は、シリコン酸化物層である、請求項5に記載のプロトン伝導体。

【請求項10】
 
前記第1の基体および前記第2の基体の主面部の少なくとも一方は電極面もしくは強誘電性結晶からなる、請求項5に記載のプロトン伝導体。

【請求項11】
 
前記第1の基体および前記第2の基体の主面部の何れもが強誘電性結晶からなる、請求項5に記載のプロトン伝導体。

【請求項12】
 
前記強誘電性結晶はニオブ酸リチウムである、請求項10または11に記載のプロトン伝導体。

【請求項13】
 
前記プロトン伝導体は、前記第1の基体の主面および前記第2の基体の主面に垂直な2つの側壁を備えており、該2つの側壁の間隔をLとしたとき、R=L/dで定義されるアスペクト比が6以下である、請求項5に記載のプロトン伝導体。

【請求項14】
 
前記2つの側壁は何れも表面にプロトン供与層を備えている、請求項13に記載のプロトン伝導体。

【請求項15】
 
請求項1~4の何れかに記載のプロトン伝導体を水溶液流路として備えた燃料電池。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2015207235thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Creation of Nanosystems with Novel Functions through Process Integration AREA
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