| 研究課題/領域番号 |
17K17721
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
宮西 将史 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任助教 (00770413)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 多孔性高分子 / 燃料電池 / 電解質膜 |
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| 研究実績の概要 |
アルカリ燃料電池の膜電極複合体におけるイオン、燃料、水などの物質移動特性を制御することを目指して、分子内に細孔構造を有し、かつ燃料電池への実用に耐えうる高い化学耐久性を持つ新規多孔性高分子電解質膜の開発を行った。具体的には、骨格に分解の起点となるエーテル結合などのヘテロ元素を含まない芳香族主鎖を持ち、分子内細孔を構築しやすいスピロ構造を有する高分子としてスピロビフルオレンとフェニレンユニットから構成される電解質材料を開発した。本年度までに、重量平均分子量20-30k程度の高分子の合成に成功し、モノマーユニットの構造や、重合後の官能基導入反応を制御することでイオン官能基容量（IEC)をIEC＝1～2.5の範囲で制御可能な材料を開発した。合成した材料が分子内細孔を有することはBET吸着測定から確認した。開発した多孔性高分子材料は極めて強直な骨格を有するのにもかかわらず、スピロ構造の導入により高い溶解性を有し、膜電極複合体の作製の際に一般的に使用される1-プロパノールなどの有機溶媒（またはそれとの混合溶媒）に溶解した。合成したポリマーのアルカリ・ラジカル耐久性試験を燃料電池の作動温度（60度～80度）の下、水酸化ナトリウム溶液、およびフェントン溶液中で行い、試験後の分子構造の変化をNMRから評価した。その結果、この高分子は主鎖及び官能基共にアルカリに安定であり、フェントン溶液下でも60度においては分解は観察されなかった。実際に予備検討として、合成した材料をアイオノマーとして膜電極複合体に使用したメタノール型燃料電池の作製を行った所、80度下で1週間以上性能を低下させることなく運転に成功した。このことから、化学耐久性に優れた燃料電池用新規多孔性電解質材料の開発に成功したことが実証された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
これまでに基盤となる新規多孔性電解質材料の合成に成功し、溶解性や化学耐久性に優れていること、実際の膜電極複合体へも十分展開可能な材料であることを確認できたため。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初の研究計画通り、合成した新規多孔性電解質材料の細孔構造が材料中のイオン伝導性、水透過性、燃料透過性にどのような影響を与えているのかについて詳細を明らかにする。具体的には、合成した新規多孔性電解質材料、及び参照となる非多孔性電解質材料それぞれに関してイオン伝導度測定、水透過性試験、酸素透過性の評価を行い、細孔構造の有無がこれらの物性に与える影響を明らかにする。
次に多孔性電解質材料のモノマーユニットを変えることで異なる大きさの細孔構造を有する電解質材料を作成し、細孔構造の変化がこれらの物質移動に与える影響について明らかにする。これまでに合成した材料は分子量が比較的小さく機械強度が低いため、物性評価が行いにくいことも想定される。このため、材料の高分子量化に関しての合成検討も行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2017年度に請求した直接経費に対して使用額が想定より少額であったために当該助成金が生じた。当初の研究計画では、開発した電解質材料の基礎物性の検討を主に行い、合成した材料を燃料電池に応用展開する検討は2019年度に限定的に行う予定であった。しかし、2017年度に行った予備検討の結果から、開発した材料が燃料電池の応用展開としても有望であると示唆される結果が得られた。このため、2019年度の膜電極複合体の作製最適化に関する研究検討内容を増やし、当該助成金を充てることにした。具体的には燃料電池の作製に使用する金属触媒などの材料費に使用する予定である。
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