2019 Fiscal Year Annual Research Report
多機能性高分子イオニクス材料の創製とエネルギーデバイスへの応用
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18H02030
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
宮武 健治 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (50277761)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高分子イオニクス / イオン伝導 / エネルギーデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度は親水部にペンダント型のトリメチルアンモニウム基を持つアニオン交換型高分子に関して疎水部構造の検討を行い、パーフルオロアルキル基からキンケフェニレン（5つのフェニレンが連結した）基に変更することにより、含水率の大幅な低減（形状安定性の改善）とアニオン導電率の向上を両立させることに成功した。本年度は、親水部構造のペンダント基の長さやアンモニウム構造を変更し、その効果を解析した。具体的には、側鎖脂肪族基を従来のヘキシル基(C6)に加えて、プロピル基(C3)およびノニル基(C9)、アンモニウム基として環状のピペリジニウム基を選択した。得られたアニオン交換型高分子はこれまでと同様に有機溶媒に優れた溶解性を示し、キャスト製膜により柔軟で強靭な薄膜に成型可能であった。側鎖長が異なるアニオン交換膜は水中でいずれも高い導電率を示したが、C3の膜が80℃で97mS/cmという値を達成した。薄膜の機械強度は側鎖長により調整が可能であり、C3膜が最も高い破断強度（25.5MPa）を示した。ガラス転移温度は側鎖長が長くなると若干低下する傾向を示し、C3膜が67.5℃であった。アニオン交換膜は側鎖長にかかわらず優れたアルカリ安定性を示し、80℃の4M KOH中で1000時間後でも構造や物性の変化は認められなかった。他方、8M KOH中ではピペリジニウム基の分解によりアニオン導電率が低下した。また、高分子主鎖の分解は認められなかった。これらの結果から、アニオン交換型高分子の側鎖構造としてC3が最も優れた薄膜物性を示すことが分かった。今後、さらに安定なイオン交換基の検討を予定している。
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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
計画に従って研究を実施し、高分子イオニクス材料の分子構造と物性制御に関する新たな知見が得られているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は金属触媒粒子との界面構築およびデバイス評価を中心に行う。金属触媒としてPt, PtCo, Ni, FeNi(およびそれらが導電性カーボン担体に担持されたもの)を選定し、2-3nm程度の粒径が揃ったナノ粒子(市販または一般的なコロイド法などにより調製)を用いる。電解質の被覆方法は、これまでの燃料電池研究において蓄積してきた知見を応用する。具体的には電解質と触媒粒子を電解質が溶解する有機溶媒中で混合比率(電解質/触媒=0.2～1.0 w/w)を変化させながら超音波混合し、一連の被覆触媒を調製する。高分子電解質が溶解する場合にはテトラヒドロフランや低級アルコールなどの低粘性で界面張力の小さな低沸点溶媒をできる限り使用し、触媒上への超薄膜被覆と緻密な界面構造形成を試みる。触媒被覆状態は低加速TEM（研究室に既設）を用いて観測し、触媒粒子上の電解質の厚さや均一性などを解析するとともに、被覆条件との相関を明らかにする。本研究で開発される高分子イオニクス材料は様々なエネルギーデバイスへの応用が期待できるが、限られた期間でそのポテンシャルを明らかにするために、研究代表者と連携研究者がこれまで評価の経験と実績を有する (a)酸型燃料電池、(b)アルカリ形燃料電池、(c)全固体バナジウム二次電池、に焦点を絞る。前年度の成果を元に、それぞれのデバイスに相応しい電解質薄膜と電極触媒層の組み合わせを選定して評価を行う。
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