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2020 年度 実績報告書

フィラー充填3次元ナノ構造による新規無加湿駆動型電解質膜の創生

研究課題

研究課題/領域番号 18H01717
研究機関東北大学

研究代表者

有田 稔彦  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (50423033)

研究分担者 増原 陽人  山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (30375167)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード固体高分子形燃料電池 / 電解質膜 / RAFT / セルロース / ナノ結晶 / ナノ粒子
研究実績の概要

既存強酸性電解質膜の代替膜開発を目指し,ナノ粒子に低酸性高分子を被覆したCore-Shell型フィラーを作製し,それらを充填したフィラー充填型電解質膜を作製してきた。本研究では,近年PEFCに求められている低湿度環境駆動を指向し,シリカナノ粒子表面に低湿度環境でプロトン伝導可能なイオン液体を被覆後,疎水性高分子の階層的被覆による保護により、新規Core-Shell型ナノフィラーの作製に成功した。また、このCore-Shell型ナノフィラーを汎用バインダー樹脂に充填したフィラー充填型電解質膜の作製にも成功した。
ポリビニルホスホン酸(PVPA)被覆シリカナノ粒子(silica@PVPA)及びPVPA/イミダゾール(Im)被覆シリカナノ粒子(silica@PVPA/Im)は30℃以上,PVPA/Im/ポリアクリル酸-ポリスチレンブロック共重合体(PAA-b-PS)被覆シリカナノ粒子は60℃以上で10-2 S cm-1以上の高プロトン伝導度を達成し,Imの被覆によるプロトン伝導度の向上に成功した。さらに,作製したCore-Shell型ナノフィラーは,80℃, 50% RH - 95% RHの湿度範囲でプロトン伝導性を示すことを明らかにした。中でも,silica@PVPA/Imは全ての湿度範囲で最も高いプロトン伝導度を達成した。Silica@PVPA/Im/PAA-b-PSをpolycarbonate(PC)に充填して試作した膜は,70% RH以上の湿度範囲でプロトン伝導性を示し,80℃, 95% RHでのプロトン伝導度は3.8×10-4 S cm-1であった。
以上より、Core-Shell型ナノフィラー及びフィラー充填型電解質膜で作動湿度環境の広範囲化に成功し、Nafion代替電解質膜作製に関する知見が得られた。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (7件)

  • [雑誌論文] Biocompatible composite of cellulose nanocrystal and hydroxyapatite with large mechanical strength2021

    • 著者名/発表者名
      Ryota Sato, Toshihiko Arita, Ryuichiro Shimada, Tomohiro Nohara, Keisuke Tabata, Kazuki Koseki, Kazuki Umemoto, Akito Masuhara
    • 雑誌名

      Cellulose

      巻: 28 ページ: 871~879

    • DOI

      10.1007/s10570-020-03550-7

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Core Size-Dependent Proton Conductivity of Silica Filler-Functionalized Polymer Electrolyte Membrane2020

    • 著者名/発表者名
      Nohara Tomohiro、Koseki Kazuki、Tabata Keisuke、Shimada Ryuichiro、Suzuki Yukina、Umemoto Kazuki、Takeda Masaki、Sato Ryota、Rodbuntum Sasiphapa、Arita Toshihiko、Masuhara Akito
    • 雑誌名

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      巻: 8 ページ: 14674~14678

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.0c04033

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 無加湿でも起動可能な燃料電池用電解質膜材料を開発ーイオン液体からなる新規材料ー2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木 亨奈, 佐藤 亮太, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 雑誌名

      高分子

      巻: 69 ページ: 300

  • [学会発表] 粒子共存酸化重合法によるイオン液体被覆core-shell型ナノ粒子の開発と三次元プロトン伝導経路の構築2021

    • 著者名/発表者名
      田端 恵介, 野原 智裕, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春期学術講演会
  • [学会発表] 歯科修復材料を指向したハイドロキシアパタイト被覆セルロースナノ結晶の作製2021

    • 著者名/発表者名
      嶋田 隆一朗, 佐藤 亮太, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春期学術講演会
  • [学会発表] 固体高分子電解質膜を指向した機能性フィラーにおける表面水酸基が及ぼすプロトン伝導度への影響2020

    • 著者名/発表者名
      小関 和喜, 嶋田 隆一朗, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
  • [学会発表] セルロースナノ結晶フィラーを充填したプロトン伝導性高分子電解質膜2020

    • 著者名/発表者名
      野原 智裕, 田端 恵介, 小関 和喜, 佐藤 亮太, 嶋田 隆一朗, 鈴木 亨奈, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第69回高分子学会年次大会,
  • [学会発表] 多成分被覆シリカナノ粒子による新規高分子電解質膜の作製とそのプロトン伝導性能2020

    • 著者名/発表者名
      田端 恵介, 野原 智裕, 小関 和喜, 佐藤 亮太, 鈴木 亨奈, 嶋田 隆一朗, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第69回高分子学会年次大会
  • [学会発表] 電解質膜への応用を指向した二官能性RAFT剤による高分子イオン液体の開発2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木 亨奈, 野原 智裕, 小関 和喜, 田端 恵介, 嶋田 隆一朗, 山門 陵平, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第29回ポリマー材料フォーラム
  • [学会発表] プロトン伝導性フィラーとイオン液体の複合材料による高分子電解質膜の作製2020

    • 著者名/発表者名
      田端 恵介, 野原 智裕, 小関 和喜, , 鈴木 亨奈, 嶋田 隆一朗, 有田 稔彦, 増原 陽人
    • 学会等名
      第29回ポリマー材料フォーラム

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公開日: 2021-12-27  

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