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2022 Fiscal Year Annual Research Report

弱酸性高分子被覆フィラー充填による固体高分子電解質膜作製プロセスの開発

Research Project

Project/Area Number 21J10587
Research InstitutionYamagata University

Principal Investigator

野原 智裕  山形大学, 大学院理工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Keywords固体高分子形燃料電池 / 高分子電解質膜 / フィラー / プロトン伝導性
Outline of Annual Research Achievements

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、クリーンエネルギーの一端を担う次世代エネルギー供給システムとして注目されており、その電解質膜には、極めて高いプロトン伝導性能を有するNafionが主に用いられてきた。しかし、このNafionは、高コスト(強酸による電極での白金触媒の使用が不可欠等)であり、代替材料の開発が課題となっている。この解決方策として、弱酸で構成された高プロトン伝導機構の構築がある。弱酸による高プロトン伝導は、1次元あるいは2次元方向での分子配向の精密制御によりプロトン伝導方向を限定する方法で実現されてきた。これらの手法は、プロトン移動経路を限定することで、プロトン伝導性能の飛躍的向上を図った点で独創的であった。しかしながら、これらの系では、プロトン伝導方向が実デバイスと異なる点や自立膜の作製が困難といった点で、課題を残してきた。
これら課題に対し、フィラー充填技術に着目し、フィラーにプロトン伝導性能を付与し、バインダー樹脂中へ分散させるだけで、プロトン伝導方向の制限と大面積での自立膜の作製が困難といった両課題を一挙に解決し得るフィラー充填型電解質膜を作製可能と着想し、実証した。具体的には、セルロースナノ結晶(CNC)表面に、ポリビニルホスホン酸(PVPA)とポリスチレン(PS)とのブロック共重合体(PVPA-b-PS)を被覆した機能化粒子(CNC@PVPA-b-PS)を作製した後、作製した機能化粒子を数種の汎用な樹脂へ充填したフィラー充填型電解質膜の製膜に成功した。これらサンプルのプロトン伝導度評価を行った結果、弱酸でありながら高いプロトン伝導度と温度に依存しない安定したプロトン伝導度が発現することを明らかにした。作製した膜を挿入した単セルを組み、駆動試験を行ったところ、直流電流の取り出しが可能で、実用的な膜であったことを見出した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (5 results)

All 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Proton conductive nanoparticles coated with polymeric ionic liquids via RAFT polymerization with particles method for low-humidity proton conduction2023

    • Author(s)
      Haruki Nakazaki, Keisuke Tabata*, Tomohiro Nohara, Tsutomu Makino and Akito Masuhara*
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Pages: SG1020

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acba24

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Relationship between the Proton Conductive Performance and Water Uptake Ratio on a Filler-Filled Polymer Electrolyte Membrane2022

    • Author(s)
      Takaaki Saito, Tomohiro Nohara*, Keisuke Tabata, Haruki Nakazaki, Tsutomu Makino, Yoshimasa Matsuo, Kei Sato, Colette Abadie, and Akito Masuhara*
    • Journal Title

      Energy & Fuels

      Volume: 36 Pages: 13924, 13929

    • DOI

      10.1021/acs.energyfuels.2c02527

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Proton conductivity dependence on surface polymer thickness of core-shell type nanoparticles in proton exchange membrane2022

    • Author(s)
      Keisuke Tabata, Tomohiro Nohara, Haruki Nakazaki, Tsutomu Makino, Takaaki Saito, Toshihiko Arita*, and Akito Masuhara*
    • Journal Title

      Nanoscale Advances

      Volume: 4 Pages: 4714, 4723

    • DOI

      10.1039/d2na00450j

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 弱酸性高分子被覆コアシェルナノ粒子充填固体高分子電解質膜の開発2022

    • Author(s)
      野原 智裕、田端 恵介、有田 稔彦、増原 陽人
    • Organizer
      第31回ポリマー材料フォーラム
  • [Presentation] Development of Polymer Electrolyte Membrane Employing Cellulose Nanocrystals and Affordable Resin Matrix2022

    • Author(s)
      Tomohiro Nohara、Takaaki Saito、Toshihiko Arita、Akito Masuhara
    • Organizer
      13th International Conference on Organic Nonlinear Optics/2021 International Conference on Organic Photonics and Electronics (ICONO13/ICOPE2022)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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