燃料電池向け高分子電解質膜の燃料透過特性とその抑制に関する研究

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16560659
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 田中 一宏 山口大学, 工学部, 助教授 (30188289)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 健一 山口大学, 工学部, 教授 (20029218) ; 喜多 英敏 山口大学, 工学部, 教授 (10177826)
• Keywords: 燃料電池 / 高分子電解質 / メタノール透過性 / 水素ガス / スルホン化ポリイミド / プロトン伝導度

Research Abstract

我々の研究グループではこれまで、スルホン酸基が主鎖に直接結合した主鎖型スルホン化ジアミンと側鎖に結合した側鎖型スルホン化ジアミンを開発している。その新規な主鎖型および側鎖型のスルホン化ジアミンそれぞれと非スルホン化ジアミンとの共重合体を合成、製膜し、プロトン伝導度やメタノール透過速度などを調べた。側鎖型PI膜は主鎖型PI膜に比べてメタノールの透過性が約半分と小さく、一方、プロトン伝導度はほぼ同じであった。透過型電子顕微鏡による分析の結果、側鎖型膜は、スルホン酸基を含む親水性部分とそれ以外の疎水性部分にミクロ相分離し、主鎖型はそれが明確でないことが分かった。パーフルオロアルキルスルホン酸高分子電解質膜は、親水性部がチャンネル構造となるミクロ相分離構造を取り、プロトン伝導度とメタノールの透過性がともに高いが、本研究で作製したスルホン化ポリイミド膜では、ミクロ相分離構造を持つ側鎖型のメタノール透過性は低かった。高次構造と親和性の両面の寄与が考えられ、現在、熱力学物性推算ソフトウエアを用いて、高分子鎖と水及びメタノールとの化学的な親和性とスルホン化ポリイミドの親水性と疎水性の液々相分離を推算し、得られた結果を解析している。
燃料電池の高分子電解質膜は湿潤状態にあり、そのような状況で水素、酸素およびメタノールの透過速度を測定するため、気体透過装置を改造し、温度25〜80℃で湿度0〜95%の条件で測定できるようになった。スルホン化ポリイミド膜に対して、測定が容易な二酸化炭素と窒素の透過性を測定した結果、湿度の増加に伴いガス透過性が1桁以上増加することが分かった。一方、透過係数の比の変化は小さく、増加率はガス種に依存しない可能性があることが分かった。現在、水素と酸素の透過性を測定している。