| Project/Area Number |
23K04419
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
西原 正通 九州大学, 水素エネルギー国際研究センター, 教授 (40415972)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 高分子イオン伝導体 / 高分子電解質膜 / イオノマー / 酸素透過性 / 燃料電池 / 水電解 / 水素エネルギー / 高分子電解質 / 酸素輸送 / 酸素バリア性電解質膜 / 酸素透過性イオノマー |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、固体高分子形燃料電池を構成するイオン伝導体において、標準物質のNafionに替わる、革新的イオン伝導体を提案する研究であり、酸素輸送現象の視点から実験的、理論的に劣化抑制、発電性能の向上を目指す研究である。
申請者はこれまでに、高分子イオン伝導体の酸素輸送性を調整し、電解質膜の長寿命化と燃料電池の高出力化が可能であることを実証してきた。一方で、高分子イオン伝導体の酸素輸送と化学劣化、発電性能との関係には不明な点も多い。これらを定量的に明らかにし物理モデル化することで、膜劣化、発電性能低下の課題を解決する革新的な高分子イオン伝導体の設計指針を構築することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
高分子イオン伝導体の酸素輸送と“劣化”および“高出力化”の関係を革新的な高分子イオン伝導体を用いて定量的に明らかにするため、2024年度は1．高い酸素バリア性を持ち、プロトン伝導性を維持できるガスバリア性電解質膜の開発と評価および物理モデルの構築、2．高い酸素透過性を持つブレンドイオノマーを持つ触媒層の調製法による性能の影響について評価を進めた。
1のガスバリア性電解質膜では、ガスバリア性を持つ多層の薄膜を作製し、燃料電池の発電性能および膜の化学的耐久性の評価を行った。このガスバリア性薄膜は、標準材料であるNafionと同等の性能を示し、ガスバリア性に由来するラジカル生成抑制と膜の化学劣化抑制を実現できた。さらに、酸素だけでなく、水素の透過性も抑制できたことから、燃料電池の開回路電圧の向上も実現できた。また、この材料の特性を物理モデル化し、膜劣化現象と気体透過性に関する関係性を明らかにした。
2のガス透過性ブレンドイオノマーについては、触媒層の調製法の違いによる影響、分子量の効果を評価した。触媒層の調製法を変更することで、発電性能に違いが出たと事から、今後、溶解性、ブレンド比、触媒層調製順序などを調製し、さらなる高機能化を進める。
2024年度は、高分子イオン伝導体の酸素輸送と“劣化”および“高出力化”の関係を、膜とイオノマー双方で、物理モデルの活用や、調製法による影響を評価することで、着実に明らかにすることができた。2024年度は、これらの成果を元に、論文、複数の国際会議、国内会議、学会誌での総説での発表を行うことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、1.電解質膜、2. イオノマーの2点について研究を進めている。
1の電解質膜については、標準試料であるNafionよりも高い耐久性を持つ膜を探索しつつ、膜劣化を実用的に無視できる理論的な酸素輸送抵抗の上限を明らかにするため、研究を進めている。これまでの研究成果を元に、よりガスバリア性を高めるポリビニルアルコール（PVA）膜およびその架橋膜の開発と評価を進めている。特に架橋膜については、PVAと架橋剤の最適な混合比を明らかにし、プロトン伝導性を膜の強度の向上を図っている。今後は、この膜を使った耐久性評価を行い、酸素輸送抵抗と耐久性の関係性を明らかにしていく。膜劣化の物理モデルについては、モデル計算に必要な様々な温度、湿度における気体透過性の評価法を構築した。現在、この内容について論文執筆中である。この成果を基に、高耐久性と高プロトン伝導性を両立させた材料の開発を始めている。
2のイオノマーについては、ブレンドアイオノマの調製法が燃料電池性能に与える影響を評価している。試料調製法を変更することで、発電性能に大きな影響を及ぼす事が明らかとなった。今後、ブレンドアイオノマのブレンド比、調製順序等の影響を評価し、ブレンドアイオノマ、触媒層向上、発電性能の相関を明らかにしていく。
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| Strategy for Future Research Activity |
電解質膜の研究推進方針は、2024年度までの成果を踏まえ、膜劣化を模擬した物理モデルから得られる物性値を活用して、これまでに利用していないガスバリア層材料の新たな設計を進めていく。2025年度に、PVA系以外のガスバリア材料への適応、物理モデルによる膜劣化を抑制できる酸素透過の理想値の探索を行う。並行して、2024年度から続けているPVA架橋膜を用いた架橋構造によるガス透過性の影響、発電性能への影響、耐久性への影響を評価する。2024年度に新しく作製する電解質膜は、燃料電池に限らず、水電解セルへの適応と、性能への影響の評価を進める。
イオノマーの研究推進方針は、2024年度までの成果を踏まえ、ブレンドアイオノマの比率、触媒層調製法と性能、構造の関係性を明らかにしていく。また、時間と共に構造がどのように変化していくのか、経時変化の評価も同時に進めていく。また、高温時の気体透過性と構造の評価をすべく、高温に耐えうる電解質材料を用いた気体透過性ブレンドアイオノマを作製し、100℃以上の高温運転時の性能と構造の評価を行う。
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