2014 Fiscal Year Research-status Report
ナノ相分離構造の制御を基盤とする高性能燃料電池の構築
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26820355
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| Research Institution | Kanagawa Academy of Science and Technology |
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Principal Investigator |
安藤 伸治 公益財団法人神奈川科学技術アカデミー, 高効率次世代燃料電池プロジェクト, 研究員 (10525348)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 相分離構造 / ヘテロ原子間相互作用 / 疎水性相互作用 / マルチブロックポリマー / プロトン伝導体 / 電解質膜 / 有機化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子の立体構造と分子間相互作用（疎水性相互作用・へテロ原子間相互作用）を協奏的に利用した設計戦略に基づき、親水性および疎水性ユニットの集積構造形態を巧みに制御し、高効率な化学-電気エネルギー変換を実現する新規な含へテロ芳香族系高分子電解質膜の創製を目指している。 その一環として、高い平面構造と強いS-N相互作用を有するベンゾチアジアゾール（BT）骨格をフェニルエーテルスルホン（PES）から成る疎水部へ導入した一連のマルチブッロクポリマー群（BTポリマー群）を構築し、それらポリマーの熱的・化学的安定性や、キャスト膜の含水率・膨潤度、プロトン伝導性および集積構造の解析を行った。その結果、このBTポリマー群は、強力なヘテロ原子間相互作用に起因して、高い耐熱性と化学的安定性を示し、親水部と疎水部が明瞭に相分離した集積構造を与えることを見出した。さらにこのBT骨格の導入率を増加させたところ、キャスト膜の含水率・膨潤度が大幅に抑制され、高いイオン交換基容量（IEC）を有する新規含へテロ芳香族系高分子電解質膜の開発に成功した。これらの要因に起因して、構築した電解質膜は、高温・高湿度条件において、ナフィオンに匹敵する高いプロトン伝導性を示し、水の少ない環境においても、その伝導性を大きく向上させることが明らかになった。以上のことから、S-N相互作用を有するBT骨格は電解質膜の高IEC化と膨潤抑制を両立することが可能な優れたビルディングブロックであることを提示した。さらに上記の研究に加え、平面構造と強力なヘテロ原子間相互作用（S-S相互作用）を有するチアゾロチアゾール（TT）骨格を疎水部へ導入した新しい含ヘテロ型オリゴマーを構築し、それらの基礎物性評価と高分子化の検討を行った。
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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
初年度の目的であった新規な含へテロ芳香族系ポリマー群の構築は順調に進んでおり、それらポリマーの熱的・化学的安定性や、キャスト電解質膜の含水率・プロトン伝導性、またそれらの集積構造などの基礎物性の検討を終えている。特に、ベンゾチアジアゾール骨格を有する含へテロ芳香族マルチブロックポリマーは、明瞭なナノ相分離構造を与え、そのBT骨格の導入率が増加するにつれて、膨潤が抑制されると伴に、高いイオン交換基容量（IEC）を有する電解質膜の構築が達成されている。さらに、含水率が低い環境においても、構造化に起因してプロトン伝導性が向上することも見出している。よって、今後さらに高IEC化を施した含へテロ芳香族マルチブロックポリマーを開発することで、高効率な光-化学エネルギー変換を実現する新規な電解質膜の創製が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に構築したBT骨格を有する新規含へテロ芳香族系マルチブロックポリマーの高IEC化およびそれらキャスト膜の含水率・膨潤度とプロトン伝導特性を検討する。高IEC化には、親水性PES骨格に対して多置換にスルホン酸基を導入することにより高密度化を施す。また十分な耐水性を有するキャスト膜は、交流インピーダンス法を用いて、そのプロトン伝導性を評価する。さらに、初年度に構築したTT骨格を有する高IEC型マルチブロックポリマーも開発し、それらポリマーの基礎物性評価・集積構造の解析を行うと伴に、低湿度・高温条件下でのプロトン伝導性の向上を試みる。また良好な伝導性を有する新規含ヘテロポリマー群は、固体高分子形燃料電池の電解質膜として用い、その発電特性の評価を行う。上記の物性・構造評価で得られた結果は、随時分子設計にフィードバックし、親水部および疎水部の最適化を施しながら特性向上を目指す。
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