熊本大学产业纳米材料研究所的畠山一翔助教与伊田进太郎教授的研究团队成功从天然粘土矿物中提取出纳米片并通过精密堆叠，开发出了用于燃料电池的新型固体电解质。相关研究成果已发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
采用无机材料作为固体电解质的燃料电池已实现家用电源的实用化。但其工作温度仍需高达800℃以上，目前市售车体等搭载的主流燃料电池多使用可在80～90℃稳定工作的高分子固体电解质。新一代燃料电池车载需要能在100℃以上工作，但高分子固体电解质存在中温工作时的氢渗透（氢泄漏导致发电效率下降的现象）较同等膜厚的陶瓷电解质更大，且含氟材料的环境负荷也受到批评，探索能同时解决这些问题的新材料成为新一代燃料电池的研发课题。
此次，研究团队从天然粘土矿物蒙脱石中仅提取单层纳米片，并通过精密堆叠制成了无机纳米片层状膜。这种膜完全不使用任何增强机械强度的粘结剂，由硅、铝、镁为主要成分的100%无机物质构成。通过单层纳米片堆叠成膜，成功制作出了使无机材料兼具柔韧性的薄膜。这种材料还具备高成形性，可通过滴涂干燥、抽滤、旋涂等方法轻松制备出膜厚、形状、面积可控的膜。由于蒙脱石等粘土矿在世界各地均有分布，日本国内也可获取，有望大幅降低原料成本。
新开发的无机纳米片层叠膜在-20～140℃的宽温范围内表现出质子传导性，140℃（相对湿度100%）条件下质子传导率达0.0087S/cm。同时，其氢阻隔特性超过Nafion高分子质子导体100倍以上，在氢氧暴露环境下可保持两周以上的稳定性。
这些结果表明无机纳米片层状膜完全满足固体电解质膜所需的质子传导性、氢气阻隔性和化学稳定性要求。对无机纳米片层叠膜用作固体电解质的燃料电池进行性能评估的结果显示，在90℃（相对湿度100%）的条件下获得了264mW/cm²的输出密度。这得益于无机纳米片层状膜的柔韧性和高气体阻隔特性与化学稳定性，即使厚度仅为2.5微米也能够在燃料电池中实现无电极短路和无氢泄漏。此外，这种燃料电池还确认可在-10～140℃的宽温范围内工作。
冰点以下及100℃以上中温区域的燃料电池运行不仅取决于电解质性能，电极和运行条件也是重要的控制因素，目前的问题是输出功率尚不理想，研究团队正致力于通过进一步改善膜结构提升输出性能。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Materials Chemistry A
论文：Low-temperature fuel cells using proton-conducting silicate solid electrolyte
DOI：doi.org/10.1039/D5TA02486B
