Development of hybrid membranes including metalloxane units for fuel cells at intermediate temperature range

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K04725
• Research Institution: Nagoya Industrial Science Research Institute
• Principal Investigator: 余語 利信 公益財団法人名古屋産業科学研究所, 研究部, 研究員 (00135310)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小島 隆 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70333896) ; 林 幸壱朗 九州大学, 歯学研究院, 准教授 (80580886)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 無機・有機ハイブリッド材料 / メタロキサン / 燃料電池

Outline of Annual Research Achievements

分子設計されたメタロキサンと不飽和結合を有するホスホン酸、スルホン酸の共重合反応 により合成した無機・有機ハイブリッド膜の構造とプロトン伝導性、機械的性質および燃料 電池特性の関係を明らかにする。分子設計により不飽和結合を導入した14族や4族金属のメタロキサン(M-O)n(n<4)を合成し、不飽和結合含有ホスホン酸、スルホン酸との共重合により、プロトン伝導度および機械的特性に優れたハイブリッド膜を合成することを目的に研究を遂行した。
令和2年度は新規不飽和結合含有メタロキサン(M-O)n (n<4)として、14族金属であるケイ素について、不飽和基が結合した環状シロキサン化合物を選択した。プロトンキャリア含有不飽和化合物としてホスホン酸誘導体との共重合により共重合体を得、ハイブリッド膜を合成した。骨格構造、微細構造、機械的性質、酸化安定性、含水率などを調べた。微細構造、機械的性質、化学的安定性、含水率は、ケイ素の含有量に依存していた。特に機械的性質については、環状シロキサン化合物と鎖状シロキサン化合物含有共重合体を比較したところ、環状シロキサン化合物含有共重合体が高い貯蔵弾性率を有することがわかった。また、引っ張り強度も優れており、プロトン伝導膜の薄膜化が可能となった。さらにハイブリッド膜のプロトン伝導度を調べ、水素酸素燃料電池特性を評価した。プロトン伝導度はホスホン酸基含有量に比例して向上した。また、中温度域、低加湿条件下において、環状シロキサン化合物の最適含有量で最大の電池特性を示した。さらに、ヘテロ環化合物を導入することにより、中温低加湿条件下での電池作動時間を改善することができ、安定な長時間電池作動の基礎的知見が得られた。