图1　采用PBI等碱性高分子的酸／碱复合型电解质膜。通过注入磷酸等酸类物质，产生酸碱相互作用，从而使酸固定在高分子链中。这种固定并不是牢固的结合，而是流动性的，磷酸可与质子一同移动到空气端。

图2　采用PBI／H3PO4复合膜的燃料电池输出密度-电流密度曲线。膜厚为90μm，磷酸浓度为2.52mol／unit（unit为高分子的重复单位）

图3　目前正在研究的碱性高分子

　　日本上智大学理工学部陆川政弘教授等人的研究小组宣布，采用在聚苯并咪唑（PBI）中注入磷酸制成的PBI／H3PO4复合膜作为固体电解质膜，成功地开发出了可在从室温到中温区（100～200℃）的广泛温度范围内发电的非加湿型PEFC（固体高分子型燃料电池）。

　　目前接近实用程度的PEFC，在其末端具有磺酸等酸基，质子（H＋）通过水进行传导。与此不同，陆川等人正在研究的PEFC采用在具有N及NH基的PBI碱性高分子中注入磷酸制成的复合膜。PBI链中的碱与注入的酸发生作用，从而使磷酸固化在PBI上（图1）。质子通过这种固化的磷酸进行传导。

　　采用PBI／H3PO4复合膜的燃料电池无需加湿，因此可省去用于水调节的辅机，从而可降低成本及实现小型化。另外，由于在100℃～200℃这一超出以往PEFC（70～90℃）的高温区也表现出离子传导性，具有提高发电效率、减少触媒中毒等许多优点。由于这个原因，德国BASF以及大众等均将其作为新一代PEFC进行开发。

　　以往采用PBI／H3PO4复合膜的燃料电池由于不能在室温下起动，必需使用辅机加热至100℃以上。此次开发的燃料电池可在室温下起动，因此，通过反应发出的热量温度逐渐上升，可在中温区自身发电。

　　这种新电池在室温（23℃）下的输出密度仍然较低，仅为8.23mW/cm2（图2）。目前已确认，如果温度提高到160℃，可获得270～280mw/cm2的输出密度。

　　之所以可在室温下起动，最大的原因是优化了磷酸的吸附量。固体电解质中的磷酸越多，离子传导性也就越高，发电效率也随之提高，但如果触媒层中存在磷酸，则会产生磷酸与白金的吸附、降低触媒性能及发电效率。电解质中的磷酸会与质子一同移动到触媒层。另外，为了将质子输送到白金中，原本已在触媒层加入了磷酸。为此，研究小组在PBI分子结构及触媒结构上下了一番工夫，以便使电解质中的磷酸量较多、而触媒层中的磷酸量尽量地少。

　　除了PBI以外，陆川等人的研究小组还在研究多种碱性高分子（图3），计划今后进一步优化磷酸吸附量，提高膜的耐久性及发电特性等。这些碱性高分子不仅可用于PEFC，预计还可用于碱性燃料电池以及直接甲醇型燃料电池（DMFC）。该研究小组力争将其实际应用于2010年以后的新一代定置电源、汽车电源及便携式电源。

　　另外，此项研究是为日本新能源及产业技术综合开发机构（NEDO）委托的“固体高分子洗型燃料电池实用化战略技术开发”项目进行的。研究成果将在2008年9月24～26日于日本大阪市立大学举办的第57届高分子讨论会上发表。