Development of anhydrous proton conductive membranes using polymeric ionic liquid complexes

Research Project

Project/Area Number	23KF0037
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	外国
Review Section	Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research Institution	University of Yamanashi
Principal Investigator	宮武健治山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (50277761)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	WONG CHUN YIK 山梨大学, 大学院総合研究部, 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2023-04-25 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000) Fiscal Year 2024: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000) Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords	プロトン伝導膜 / リン酸ドープ
Outline of Research at the Start	本研究では固体高分子形燃料電池への応用を目指した新規なイオン導電性高分子膜の開発を行う。特に、水の沸点を超える100℃以上でも高いプロトン導電率を示す電解質膜に焦点を絞り、リン酸をドープしたポリべンズイミダゾールとイオン性液体の複合膜に取り組む。得られた膜の各種物性解析と燃料電池発電特性の解析を行う。また、湿度・温度サイクルや起動停止サイクルなどの加速劣化試験により複合膜電解質の耐久性を評価すると共に、劣化メカニズムの解析から、更なる耐久性向上のための指針を得る。
Outline of Annual Research Achievements	芳香族高分子マトリックスとしてポリベンズイミダゾール（PBI）やアンモニウム基含有部分フッ素化高分子（QPAF-4）を合成し、構造解析を行った。また、これら高分子にリン酸ドープを行い、薄膜を得ることに成功した。120℃においてこれら薄膜のプロトン導電率を測定したところ、低湿度（20％RH）においても100mS/cmを超える値が得られた。特にQPAF-4/リン酸ドープ複合膜はリン酸ドープ量を高くすることが可能であり、より高いプロトン導電率を示すことが明らかになった。120℃において湿度サイクルを行ったところ、20％～40%RHの湿度範囲ではプロトン導電率に大きな変化は認められず優れた安定性が確認できた。他方、複合膜を液体水で処理するとリン酸の脱ドープが起こりプロトン導電率が低下することが分かった。そこでリン酸の脱ドープを抑制するためにより、リン酸との親和性の高いことが期待できる共有結合性有機構造体（covalent organic framework: COF）を添加した複合膜への展開を進めた。現在、スルホン酸化したCOFの合成と複合化が順調に進んでいる。特に、化学的安定性の向上に向けて酸化分解が起こりやすいエーテル結合を含まない新規スルホン酸化COFの合成も行った。有機溶媒に対する溶解性も優れているため、QPAF-4との複合化及び物性評価を行っている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason リン酸ドープ電解質膜の合成と物性評価が計画通りに進んだため、
Strategy for Future Research Activity	2024年度は前年度に予備的に構造をチューニングしたリン酸ドープイオン液体複合膜の最適化と、高温プロトン導電率測定、燃料電池発電試験を行う。高温燃料電池発電試験は受け入れ研究者が保有する装置で可能だが、共同研究先である産業界での評価も行う計画である。具体的な研究項目は、1)リン酸ドープイオン液体複合膜の最適な組み合わせと製膜方法の確立、2)複合膜の高温におけるプロトン導電率及びその湿度依存性の評価、3)複合膜の高温安定性と酸化安定性の評価と従来電解質膜との比較、4)高温低湿度における燃料電池発電試験と各種加速耐久性試験、である。得られた成果は国内外の関連学会で口頭発表を行うと共に、学術論文として国際学術雑誌にも投稿し積極的に外部へ情報発信する。