| 研究課題/領域番号 |
26289254
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| 研究機関 | 山梨大学 |
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研究代表者 |
宮武 健治 山梨大学, 総合研究部, 教授 (50277761)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 燃料電池 / 機能性高分子 / イオノマー / 膜電極接合体 |
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| 研究実績の概要 |
研究代表者が独自に開発しその合成方法や基本物性に関する知見を蓄積してきている芳香族炭化水素系高分子電解質について、安定性とプロトン導電率をともに向上させるための分子設計を行い、それに従った合成を実施した。具体的には、ポリアリーレンエーテル系のブロック共重合体に焦点を絞り、親水、疎水ブロックへの梯子型構造の導入を検討した。
親水性テレケリックオリゴマーは、前駆オリゴマーを発煙硫酸によりスルホン酸化することで合成した。ポリアリーレンエーテル系ブロック共重合体は、親水性テレケリックオリゴマーと疎水性テレケリックオリゴマーの求核置換重縮合法により合成した。梯子型ブロック共重合体(La-SPE)は、ポリアリーレンエーテル系臭素化共重合体(Br-SPE)の高分子内ヘック反応により合成した。電解質膜のイオン交換容量(IEC)は、親水部および疎水部のブロック鎖長により制御し、滴定および1H NMRスペクトルにより決定した。分子構造・分子量は、NMRスペクトルおよびGPCにより解析した。電解質膜の物性は、プロトン伝導率、含水率、機械強度などについて評価した。
Br-SPEは高分子量体(Mw > 343 kDa)として得られ、高分子内ヘック反応を行うことでLa-SPEに変換できた。La-SPEの1H, 19F NMRスペクトルおよびGPC 曲線から、目的の高分子内ヘック反応が選択的かつ定量的に進行していることを確認した。Br-SPEおよびLa-SPEは、DMFやDMAc、DMSOなどの極性有機溶媒に良好な溶解性を示し、溶液キャスト法により柔軟で強靭な膜として得られた。Br-SPE、La-SPEともに、高IEC膜の方が高プロトン導電率を示す傾向が確認された。同程度のIECを有するBr-SPEとLa-SPEを比較した場合、La-SPE膜の方が全湿度領域において高いプロトン導電率を示した。この結果は、親水部の親水性の程度(局所的なIEC)に由来するものであると考えられる。
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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
当初の計画通り、安定性とプロトン導電性を併せ持つ高分子電解質を設計、合成し、それらの構造と物性の関係について明らかにすることができたため。
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| 今後の研究の推進方策 |
高分子電解質（イオノマー）のモルフォロジー解析と更なる高性能化について進めるとともに、白金ナノ粒子を高分散担持したカーボン担体に被覆する条件を検討する。具体的には、イオノマーと白金担持カーボンを有機溶媒中で混合比率(イオノマー/カーボン=0.2～1.0程度)を変化させながら混合し、一連の被覆触媒を調製する。テトラヒドロフランや低級アルコールなどの低粘性で界面張力の小さな溶媒を使用し、触媒上へのイオノマー超薄膜被覆を目指す。イオノマーが2-5nm程度の厚さで均一被覆できる理想的な条件を明らかにする。触媒の被覆構造は、走査透過型電子顕微鏡(STEM)により観察する。低加速電圧で短時間走査することによりイオノマー薄膜を明確に観察できる技術を蓄積しているため、既存のイオノマーや調製方法で得られた触媒層構造と比較しながら新型電解質の被覆状態を明らかにできる。基礎的な電気化学特性では、被覆触媒を平板電極に修飾して対流ボルタモグラム測定を行う。マルチチャンネルフロー二重電極法を用いることにより、複数の試料を同一条件で同時に測定し、しかも温度依存性も測定することができるので、短期間で効率よくスクリーニングを行うことが可能である。酸素還元反応活性は、反応開始電位、面積および質量比活性、移動電子数、4電子反応選択性(過酸化水素生成率)、などから総合的に評価する。特に、これら諸特性がイオノマーの種類や膜厚によってどのような影響を受けるのかを明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初は年度内に納品が可能であった物品（試薬などの消耗品）が納品できなくなったため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
昨年度に納品を予定していた物品（試薬などの消耗品）の購入に使用する。
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