| 研究課題/領域番号 |
18H03841
|
|---|
| 研究機関 | 豊橋技術科学大学 |
|---|
研究代表者 |
松田 厚範 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70295723)
|
|---|
| 研究分担者 |
河村 剛 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10548192)
中嶋 直敏 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 特任教授 (80136530)
大幸 裕介 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70514404)
小暮 敏博 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50282728)
打越 哲郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (90354216)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 燃料電池 / 電解質膜 / 電極 / 触媒 / イオノマー / 中温 / 無加湿 / 固体酸 |
|---|
| 研究実績の概要 |
我々は、これまでメカノケミカル合成法で新規無機固体酸複合体を開発し、芳香族系有機ポリマーと複合化して、優れた特性を有する無機－有機コンポジット電解質膜の研究を行ってきた。この電解質膜は、150℃程度の中温領域において無加湿でも燃料電池として作動し、次世代電解質膜として期待される独自の材料であり、実用化には発電性能や連続発電耐久性の一層の向上が課題となっている。
本課題では、コンポジット電解質膜の作製に適した無機固体酸複合体と有機ポリマーを設計し、電解質膜の改良を行う。さらに高耐久性触媒とイオノマーを複合化して良好な電極三相界面を創出することによって燃料電池発電特性を高性能化し、実用化に向けて研究開発を格段に発展させる。具体的には（１）コンポジット電解質膜の高性能化、（２）電極/触媒/電解質三相界面の設計、（３）膜・電極複合体連続発電試験と三相界面の反応・劣化機構解析について検討を行っている。
今年度特に重要な知見として、（１）出発物質にCsHSO4(CHS)とH4SiW12O40(WSiA)を用い、ジメチルアセドアミド(DMAc)を分散媒として湿式ミリングを行い、乾燥することでxCHS-(100-x)WSiA系無機固体酸複合体が効率よく直接合成できることを見出したこと、（２）CF3基有するモノマーをポリベンジイミダゾール(PBI)と共重合することでリン酸保持性能や耐酸化性などが向上ことを明らかにしたこと、（３）白金(Pt)触媒を酸化チタン(TiO2)で被覆したPt@TiO2コアシュル粒子や触媒担持還元型酸化グラフェン(rGO)を作製したことなどが挙げられる。
|
| 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
（１）コンポジット電解質膜の高性能化： 乾式ミリング合成したCsHSO4-H4SiW12O40（CHS-WSiA）に湿式ミリング処理を施して微細化することによって、得られるコンポジット電解質膜の均質性と特性が向上することが明らかとなっている。これらの知見に基づく無機固体酸の設計とポリマー骨格構造や有機系修飾添加物の検討を行い、コンポジット電解質膜の高性能に取り組んだ。出発物質にCHSとWSiAを用い、ジメチルアセドアミド(DMAc)を分散媒として湿式ミリングを行い、乾燥することでxCHS-(100-x)WSiA系無機固体酸複合体が効率よく直接合成できることを初めて明らかにした。得られた複合体粒子の粒径はナノサイズであり、ポリベンジイミダゾール(PBI)と複合化して均質なコンポジット電解質を得ることができた。
（２）電極/触媒/電解質三相界面の設計： 活性化過電圧を低減するためには、良好な三相界面を作るイオノマーが必要となる。現在、超音波スプレー装置を導入して乾式ミリング合成したCHS-WSiAと湿式ミリング合成したCHS-WSiAをイオノマーとして電極に塗布し、活性化過電圧を低減する取り組みを行っている。また、触媒の耐久性向上を目指して白金(Pt)触媒を酸化チタン(TiO2)で被覆したPt@TiO2コアシュル粒子と触媒担持還元型酸化グラフェン(rGO)を作製し、電気化学特性評価を行っている。
（３）膜・電極複合体連続発電試験と三相界面の反応・劣化機構解析： コンポジット電解質膜の耐久性を向上する試みとしてPBIに2,2’-bis(4-carboxyphenyl) hexafluoropropane (HFP)を共重合させたF6PBIを合成した。リン酸の保持性能や耐酸化性などが向上し、優れた発電特性が得られている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
（１）コンポジット電解質膜の高性能化に関しては、湿式ミリング処理によって種々の無機固体酸複合体を作製してそのキャラクタリゼーション行うと共に、PBIに添加して得られるコンポジット電解質膜の発電性能を評価する。また、TiO2などの酸化物ナノ粒子のPBIへの添加効果についても検討を行う。
（２）電極/触媒/電解質三相界面の設計については、超音波スプレー装置を用いて、無機固体酸複合体や新奇炭素系材料をイオノマーとして電極に塗布し、活性化過電圧の変化を調べる。Pt@TiO2コアシュル粒子および触媒担持rGOのキャラクタリゼーションも継続して行う。
（３）膜・電極複合体連続発電試験では、PBIコンポジット電解質に加えてF6PBIおよびF6PBIコンポジット電解質膜も作製して、その発電特性評価を進める。
|
