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2017 Fiscal Year Research-status Report

高アルカリ耐性多孔性アニオン伝導イオノマーによる物質移動制御

Research Project

Project/Area Number 17K17721
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

宮西 将史  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任助教 (00770413)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords多孔性高分子 / 燃料電池 / 電解質膜
Outline of Annual Research Achievements

アルカリ燃料電池の膜電極複合体におけるイオン、燃料、水などの物質移動特性を制御することを目指して、分子内に細孔構造を有し、かつ燃料電池への実用に耐えうる高い化学耐久性を持つ新規多孔性高分子電解質膜の開発を行った。具体的には、骨格に分解の起点となるエーテル結合などのヘテロ元素を含まない芳香族主鎖を持ち、分子内細孔を構築しやすいスピロ構造を有する高分子としてスピロビフルオレンとフェニレンユニットから構成される電解質材料を開発した。本年度までに、重量平均分子量20-30k程度の高分子の合成に成功し、モノマーユニットの構造や、重合後の官能基導入反応を制御することでイオン官能基容量(IEC)をIEC=1~2.5の範囲で制御可能な材料を開発した。合成した材料が分子内細孔を有することはBET吸着測定から確認した。開発した多孔性高分子材料は極めて強直な骨格を有するのにもかかわらず、スピロ構造の導入により高い溶解性を有し、膜電極複合体の作製の際に一般的に使用される1-プロパノールなどの有機溶媒(またはそれとの混合溶媒)に溶解した。合成したポリマーのアルカリ・ラジカル耐久性試験を燃料電池の作動温度(60度~80度)の下、水酸化ナトリウム溶液、およびフェントン溶液中で行い、試験後の分子構造の変化をNMRから評価した。その結果、この高分子は主鎖及び官能基共にアルカリに安定であり、フェントン溶液下でも60度においては分解は観察されなかった。実際に予備検討として、合成した材料をアイオノマーとして膜電極複合体に使用したメタノール型燃料電池の作製を行った所、80度下で1週間以上性能を低下させることなく運転に成功した。このことから、化学耐久性に優れた燃料電池用新規多孔性電解質材料の開発に成功したことが実証された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでに基盤となる新規多孔性電解質材料の合成に成功し、溶解性や化学耐久性に優れていること、実際の膜電極複合体へも十分展開可能な材料であることを確認できたため。

Strategy for Future Research Activity

当初の研究計画通り、合成した新規多孔性電解質材料の細孔構造が材料中のイオン伝導性、水透過性、燃料透過性にどのような影響を与えているのかについて詳細を明らかにする。具体的には、合成した新規多孔性電解質材料、及び参照となる非多孔性電解質材料それぞれに関してイオン伝導度測定、水透過性試験、酸素透過性の評価を行い、細孔構造の有無がこれらの物性に与える影響を明らかにする。
次に多孔性電解質材料のモノマーユニットを変えることで異なる大きさの細孔構造を有する電解質材料を作成し、細孔構造の変化がこれらの物質移動に与える影響について明らかにする。これまでに合成した材料は分子量が比較的小さく機械強度が低いため、物性評価が行いにくいことも想定される。このため、材料の高分子量化に関しての合成検討も行う。

Causes of Carryover

2017年度に請求した直接経費に対して使用額が想定より少額であったために当該助成金が生じた。当初の研究計画では、開発した電解質材料の基礎物性の検討を主に行い、合成した材料を燃料電池に応用展開する検討は2019年度に限定的に行う予定であった。しかし、2017年度に行った予備検討の結果から、開発した材料が燃料電池の応用展開としても有望であると示唆される結果が得られた。このため、2019年度の膜電極複合体の作製最適化に関する研究検討内容を増やし、当該助成金を充てることにした。具体的には燃料電池の作製に使用する金属触媒などの材料費に使用する予定である。

  • Research Products

    (8 results)

All 2019 2017

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Analysis of the degradation mechanism of the polyarylene ether anion-exchange membrane for alkaline fuel cell and water-splitting cell applications2017

    • Author(s)
      Shoji miyanishi, Takeo yamaguchi
    • Journal Title

      New Journal of Chemistry

      Volume: 41 Pages: 8036-8044

    • DOI

      10.1039/C7NJ00883J

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] スピロ構造を主鎖に導入した高耐久性アニオン伝導膜の開発とアルカリ燃料電池への応用2017

    • Author(s)
      宮西将史 、黒木秀記、山口猛央
    • Organizer
      第66回高分子討論会
  • [Presentation] Highly durable spirobifluorene-based aromatic anion exchange membrane for alkaline fuel cell application2017

    • Author(s)
      Shoji Miyanishi, Hidenori Kuroki, Takeo Yamaguchi
    • Organizer
      2017 International Congress on Membranes and Membrane Processes
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] スピロビフルオレンを有する芳香族アニオン伝導高分子の開発と燃料電池への応用2017

    • Author(s)
      宮西将史 、黒木秀記、山口猛央
    • Organizer
      第66回高分子学会年次大会
  • [Presentation] 固体アルカリ燃料電池の高耐久化へ向けた芳香族系高分子電解質膜の開発2017

    • Author(s)
      榊原朱夏、宮西将史、大柴雄平、黒木秀記、冨田育義、山口猛央
    • Organizer
      膜シンポジウム2017
  • [Presentation] Highly Durable Aromatic Anion-Exchange Membranes for Solid Alkaline Fuel Cells2017

    • Author(s)
      Takeo Yamaguchi、Shoji Miyanishi、Hidenori Kuroki
    • Organizer
      2017 AIChE Annual Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Book] Nanocarbons for Energy Conversion: Supramolecular Approaches2019

    • Author(s)
      Naotoshi Nakashima (Editor)
    • Total Pages
      275
    • Publisher
      Springer International Publishing
    • ISBN
      978-3-319-92915-6
  • [Patent(Industrial Property Rights)] ポリマー、電解質膜、及び固体高分子形燃料電池2017

    • Inventor(s)
      山口猛央、宮西 将史
    • Industrial Property Rights Holder
      山口猛央、宮西 将史
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2017-032254

URL: 

Published: 2018-12-17  

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