2020 Fiscal Year Annual Research Report
Chemically-stable proton-conductive aromatic polymers with high performance and mechanical durability
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18K04746
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
三宅 純平 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (30581409)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高分子合成 / 燃料電池 / 高分子電解質 / 膜 / プロトン伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者はこれまでに、主鎖がパーフルオロアルキル基とベンゼン環のみから成るスルホン酸化ターポリマー（SPAF-MM）膜が、低いガス透過性、高湿で高いプロトン伝導性、Nafionを含む触媒層との良好な界面適合性を示すことを見出している。しかしながらSPAF-MMの分子構造において、親水部であるスルホフェニレン基の連続性（あるいはブロック性）が低く、特に低湿での低いプロトン伝導性（ゆえに低湿での低い燃料電池特性）が課題であった。
本年度は、この課題を克服するべく、スルホフェニレン基の連続性を高めたスルホン酸化コポリマー（SPAF-QP）膜を設計した。具体的には、使用するモノマーとして、SPAF-MMの場合はパーフルオロアルキルモノマー、m-フェニレンモノマー、p-フェニレンモノマーであるのに対し、今回新しく設計したSPAF-QPの場合はパーフルオロアルキルモノマー、キンケフェニレン（5つのフェニレンが連結した）モノマーとすることで、親水部のブロック性を高めた。作製したSPAF-QP膜の親水部ドメインサイズ（約2.6 nm）は、SPAF-MM膜（1.6-2.0 nm）と比較してより大きく、発達したミクロ相分離構造を有することが確認された。SPAF-QP膜は80℃・幅広い湿度下においてSPAF-MM膜よりも高いプロトン導電率を示し、20% RHという低湿環境下においても高い値（6.9 mS/cm）が観測された。その結果、80℃・30% RHにおいても、SPAF-QP膜はベンチマーク膜であるNafion膜と同程度の高い燃料電池特性を示し、本分子設計指針が有効であることが明らかとなった。
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