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2011 年度 実績報告書

無機固体酸ナノ複合体と芳香族ポリマーをベースとする中温作動燃料電池電解質膜の創製

研究課題

研究課題/領域番号 23360286
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, 大学院・工学研究科, 教授 (70295723)

研究分担者 武藤 浩行  豊橋技術科学大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (20293756)
河村 剛  豊橋技術科学大学, 大学院・工学研究科, 助教 (10548192)
大幸 裕介  兵庫県立大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70514404)
小暮 敏博  東京大学, 大学院・理学系研究会, 准教授 (50282728)
打越 哲郎  物質・材料機構・ナノセラミックスセンター, 主席研究員 (90354216)
キーワード燃料電池 / 中温領域 / メカニカルミリング / 無機有機複合体 / 固体酸 / 芳香族高分子 / 固体電解質 / 膜・電極複合体
研究概要

次世代燃料電池の開発に向けて、100~200℃の中温領域において、無加湿条件下でも高いプロトン伝導性を維持し、化学的に安定な固体電解質膜の必要性が高まっている。中温無加湿作動では、燃料改質器負荷め軽減、白金触媒使用量の低減、加湿器の簡素化、排熱の有効利用が可能になる。
本研究では、衝撃・摩砕などの機械的エネルギーを付与する「メカノケミカル法」を用いて、中温無加湿で高いプロトン伝導性を示す無機固体酸ナノ複合体粒子を合成し、これに耐久性の優れた芳香族ポリマーを融合させた新しい中温作動燃料電池用電解質膜を開発し、燃料電池の中温無加湿発電試験を行っている。また、分光法、高分解能電子顕微鏡などを用いて、得られた電解質膜のプロトンダイナミックス解析および界面構造観察を行い、組成・構造の最適化と特性の改善を行っている。
本年度は特に、以下の重要な研究成果が得られた。
【メカノケミカル処理による無機固体酸ナノ複合体粒子の合成】
リンタングステン酸(WPA)と電気化学的に安定なリン酸二水素カリウム(KDP)の複合体を合成し、両者のイオン交換反応と新たな水素結合の形成によって無加湿プロトン導電性炉向上することを明らかにした。
【無機固体酸ナノ複合体粒子と芳香族ポリマーからなるコンポジット膜電極複合体の開発】
触媒層にミリングナノ複合体を含む電極を用いた膜電極複合体(MEA)では芳香族高分子ポリベンズイミダゾール(PBI)のみをイオノマーに用いたMEAより低い開回路電圧を示したが、内部抵抗が低減され出力密度が向上(160℃無加湿で170mW/cm^2以上)することが明らかとなったこ
【プロトンダイナミックスと界面構造解析】
ミリング処理を行ったWPA-硫酸水素カリウム(kHS)系複合体の高分解能観察を行い、非晶質連続層の形成によって導電率が向上するプロトン伝導機構モデルの妥当性を確認した。

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

・メカノケミカル法で合成したKDP-WAP系複合体が高い無加湿プロトン伝導性と優れた電気化学的耐久性を有していることを確認することができた。また、ミリング複合体を添加したPBI系MEAがリン酸添加量を低減した条件で、160℃無加湿でも優れた発電性能を示すことを実証した。

今後の研究の推進方策

・リン酸ドープ量を変化させ場合のコンポジット電解質の導電率と耐久性の変化を詳しく調べる。
・中温無加湿条件における連続発電試験を実施している。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (5件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] 複合系ナノプロトニクス材料の設計(解説)2011

    • 著者名/発表者名
      松田厚範
    • 雑誌名

      Electrochemistry

      巻: 79 ページ: 621-625

    • URL

      https://www.jstage.jst.go.jp/article/electrochemistry/79/8/79_8_620/_article

  • [雑誌論文] Hydrophilic and Mesoporous SiO_2-TiO_2-SO_3H System for Fuel Cell Membrane Applications2011

    • 著者名/発表者名
      L-Y. Hong, S-Y. Oh, A. Matsuda, C-S. Lee, and D-P. Kim
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 56 ページ: 3108-3114

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2011.01.075

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Estimation of Interfacial Proton Conductivity by Effective Media Approximation for Sheet-Like Composite Electrolyte Prepared from Poly (2-acryla mido-2-methyl-l-propanesulfonic acid)-Deposited Core-Shell Particles2011

    • 著者名/発表者名
      H.Sakamoto, Y.Daiko, H.Muto, A.Matsuda
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 119 ページ: 845-849

    • DOI

      doi:10.2109/jcersj2.119.845

    • 査読あり
  • [学会発表] メカノケミカル法による高プロトン伝導性複合体の合成と界面解析による伝導メカニズムの究明2012

    • 著者名/発表者名
      松田厚範・呉松烈・森利之
    • 学会等名
      第3回ナノ材料科学環境拠点シンポジウム
    • 年月日
      2012-02-28
  • [学会発表] Influence of Additives in Catalytic Layer of Cathode on the Performance of PEFC Using PBI-Inorganic Solid Acid Composite Electrolyte2011

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Yoshida, Song-Yul.Oh, Go Kawamura, Hiroyuki. Muto, Atsunori Matsuda
    • 学会等名
      21^<st> Academic Symposium of The Materials Research Society ofrapan (MRS-J) 2011
    • 発表場所
      Yokohama, Japan
    • 年月日
      20111219-20111221
  • [学会発表] 触媒層に無機固体酸複合体を含むPBIコンポジットイオノマーの電気化学特性評価2011

    • 著者名/発表者名
      吉田敏宏・呉松烈・河村剛・武藤浩行・松田厚範
    • 学会等名
      第52回電池討論会
    • 発表場所
      タワーホール船堀(東京)
    • 年月日
      20111017-20111019
  • [学会発表] Characterization of Mechanochemically Synthesized MHSO_4-H_4SiW_<12>O_<40> Composites (M=K, Rb, NH_4, Cs)2011

    • 著者名/発表者名
      S-Y. Oh・K. Kawai・G. Kawamura・H. Muto・A. Matsuda
    • 学会等名
      2011 International forum on Functional Materials (IFFM 2011)
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      20110728-31
  • [学会発表] MHAO_4型固体酸塩とヘテロポリ酸からなる複合体を用いた燃料電池の構築2011

    • 著者名/発表者名
      菊地拓也・呉松烈・河村剛・武藤浩行・松田厚範
    • 学会等名
      平成23年度日本セラミックス協会東海支部学術研究発表会
    • 発表場所
      名古屋工業大学
    • 年月日
      2011-12-03
  • [図書] イオン伝導体の材料技術と測定方法2011

    • 著者名/発表者名
      松田厚範, 他29名
    • 総ページ数
      210-222(339)
    • 出版者
      サイエンス&テクノロジー
  • [備考] 個人

    • URL

      http://material.tutms.tut.ac.jp/STAFF/MATSUDA/index.html.ja

  • [備考] 研究室

    • URL

      http://www3.to/sakai-matsuda

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公開日: 2013-06-26  

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