燃料電池用の相乗的に統合されたホスホン化ポリ（ペンタフルオロスチレン）

最新の電気化学エネルギー変換デバイスには、幅広い用途に向けて、より高度なプロトン導体が必要です。ホスホン化ポリマーは、燃料電池の無水プロトン導体として提案されています。ただし、ホスホン酸官能基の無水層形成はプロトンの導電率を低下させ、これにより燃料電池用途でのホスホン化ポリマーの使用を防ぎます。ここでは、無水物の形成を受けないため、200°Cを超えるプロトン導電率を維持するポリ（2,3,5,6-テトラフルオロスチレン-4-ホスホン酸）を報告します。膜電極アセンブリにイオン対調整膜を備えた燃料電池電極のホスホン化ポリマーを使用します。この相乗的に統合された燃料電池は、H2/O2条件下で160°Cで1,130 mW cm-2、240°Cで1,740 mW cm-2のピーク電力密度に到達し、ポリベンズイミダゾールベースの燃料細胞を大幅に上回りました。私たちの結果は、高速および乾燥した動作条件下で高性能燃料電池でホスホン化ポリマーを使用する経路を示しています。

Modern electrochemical energy conversion devices require more advanced proton conductors for their broad applications. Phosphonated polymers have been proposed as anhydrous proton conductors for fuel cells. However, the anhydride formation of phosphonic acid functional groups lowers proton conductivity and this prevents the use of phosphonated polymers in fuel cell applications. Here, we report a poly(2,3,5,6-tetrafluorostyrene-4-phosphonic acid) that does not undergo anhydride formation and thus maintains protonic conductivity above 200 °C. We use the phosphonated polymer in fuel cell electrodes with an ion-pair coordinated membrane in a membrane electrode assembly. This synergistically integrated fuel cell reached peak power densities of 1,130 mW cm-2 at 160 °C and 1,740 mW cm-2 at 240 °C under H2/O2 conditions, substantially outperforming polybenzimidazole- and metal phosphate-based fuel cells. Our result indicates a pathway towards using phosphonated polymers in high-performance fuel cells under hot and dry operating conditions.