液体表面上での電解質ナノ薄膜創製手法の確立と電池デバイス応用開拓

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K21933
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 津島 将司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30323794)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 崇弘 大阪大学, 工学研究科, 助教 (90711630)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: 電解質膜 / 熱物質輸送 / ナノマイクロ熱工学 / 固体高分子形燃料電池 / レドックスフロー電池

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，電解質膜の作製を液体表面上で行うことを提案し，電解質ナノ薄膜の創製を行う．従来のデバイス構築手法の前提を取り払うことで，電池デバイス性能の格段の向上に挑み，電解質膜の極薄化を実現することにより，電解質膜の研究開発に転換を起こし，先導的な知見を獲得することを目的とする．具体的な研究課題として，① アイオノマー含有溶液と基材面となる液体の相互作用（濡れと拡がり）の基礎的解明，② アイオノマー含有溶液の液面上での蒸発と析出（成膜）過程における熱物質輸送現象の基礎的解明，③ 電解質ナノ薄膜の電気化学エネルギー変換デバイス電極上へのin-situ（その場）実装とデバイス性能向上の実証，を設定し，アイオノマー含有溶液と基材面となる液体の相互の表面エネルギー（相互濡れ），熱物質輸送（対流，拡散，蒸発），固相析出（成膜）について，先端計測と計算科学を援用したアプローチにより基礎的に明らかにし，デバイス応用開拓に繋げる．研究開発の初年度に得た知見を踏まえて，本年度は，固体高分子形燃料電池やレドックスフロー電池などに用いられる高分子アイオノマーを含有した溶液と初年度に見出した基材面となる液体に加えて，界面活性剤などの添加物質についても検討対象として拡げ，成膜挙動に及ぼす影響の検討を行った．これにより，電解質濃度と環境温度について成膜可否に着目した相関関係を明らかにした．その上で，添加物質の効果について調べ，液体表面上で厚さ約5μmの電解質薄膜を作製することに成功し，高分子構造に起因してイオン輸送抵抗が市販の電解質膜よりも向上する可能性を示した．