2019 Fiscal Year Annual Research Report
Nano-structure control for polymer electrolytes based on block copolymers
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17H03119
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
陸川 政弘 上智大学, 理工学部, 教授 (10245798)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / アイオノマー / ミクロ相分離 / 酸素透過 / プロトン伝導 / 電子伝導 / 限界電流法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、燃料電池の触媒層中の物質移動に着目して検討を行った。触媒層中のアイオノマー（CLI）の電子伝導性、プロトン伝導性、さらに酸素透過性の測定を行った。バルク膜と薄膜の構造の違いを考慮し、薄膜サンプルを用いて電子伝導性の評価を行った。その結果、薄膜サンプルではバルク膜より電子伝導性が低い傾向にあることが明らかになった。プロトン伝導性も同様に、膜厚が薄くなるにつれてプロトン伝導性が低下する傾向を示した。一方、限界電流法を用いてCLIの酸素透過性を測定した。酸素透過性もバルク膜より低くなる傾向を示し、CLI中の物質輸送性のシミュレーションで求められた電極近傍での水薄層の形成を裏付ける結果となった。
光散乱法や高分解能TEMを用いて、CLIの自己組織性を評価した。溶液中では数百ナノオーダーのミセル状の凝集体を形成しており、希釈溶液をキャストするとその粒子形態で固化することが分かった。一方、数wt%程度の溶液からは、粒子形態がさらに凝集した薄膜が形成され、これが高い酸素透過性の起源と考えられた。プロトン伝導性と比較すると、酸素透過性は膜の化学構造や組成にあまり依存せず、ジブロック共重合体では同等の特性を示した。これらの溶液を用いて形成した燃料電池の触媒層は、フッ素系電解質材料と同等の酸素透過性を示し、燃料電池のCLIとして利用可能であることが明らかになった。
膜状態にしたCLIは、組成に応じてミクロ相分離構造を形成し、親水と疎水性ブロックの比を１：１程度にするとシリンダー状のミクロ相分離構造を示すことが分かった。また、さらに組成を変化させると、シリンダーが膜面に対して垂直配向し、プロトン輸送にとって理想的な構造を示すことが分かった。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Remarks |
プロトンを高速で輸送するプロトン伝導性高分子は、水素と酸素の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池の電解質材料に用いられています。燃料電池に代表されるクリーンエネルギー開発は、資源の乏しい日本において重要な科学的な課題です。我々は、材料研究の立場から新規なプロトン伝導性高分子の研究を行い、現在“世界レベルの燃料電池の研究拠点”になっています。
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