【研究領域課題番号】18H03841 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 無機有機コンポジット / 電極 / 中温 / 界面 / エネルギー / 低炭素 / 電解質膜 / 触媒 / 機有機コンポジット / イオノマー / 無加湿 / 固体酸

【研究成果の概要】

本課題では、150℃以上無加湿条件下で作動する次世代中温無加湿型燃料電池の開発を目指す。これを実現するために、耐熱性の高いポリベンゾイミダゾールに、無機系フィラーを添加した独自のコンポジット電解質膜を開発し、特性評価を行った。検討の結果、湿式ミリング法で作製した硫酸水素塩-ヘテロポリ酸系複合体、液相から熱処理によって合成したピロリン酸チタンなどが有効な無機フィラーとして機能することがわかった。さらに電解質・白金触媒・カーボン担体からなる電極三相界面を設計し、固体酸複合体アイオノマーを導入し、Pt＠TiO2コアシェル粒子や還元型酸化グラフェン用いることで過電圧低減と耐久性向上を行った。

【研究の社会的意義】

燃料電池は、石油に代表される化石燃料と水素の両者を燃料として高効率な発電を行うことができ、水素エネルギーに基づく低炭素社会の実現を担う重要なシステムである。本研究の目的は、150℃以上の中温無加湿条件下で作動可能な高性能燃料電池を開発し、低炭素社会の実現に貢献することにある。中温無加湿燃料電池が実現すれば、高価な白金触媒の使用量を低減できる。また、排熱の有効利用や発電システムのコンパクト化が可能となり、家庭用、車両用、建機、ドローンなど用途も広がる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究分野】デバイス関連化学

【研究領域課題番号】17K17721 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電解質 / 燃料電池 / 物質移動 / イオノマー / イオン伝導 / 耐久性 / アイオノマー / 多孔性高分子 / 化学耐久性 / アニオン伝導性高分子 / 電解質膜 / アニオン伝導膜

【研究成果の概要】

本研究では、固体アルカリ燃料電池の化学反応場である膜電極複合体にイオン、燃料ガスを効率よく移動させるイオノマーとして、多孔性アニオン伝導高分子を開発した。全芳香族骨格を持つ高分子を設計することで化学耐久性に優れた材料が得られること、分子内細孔を用いて、少ない水で効率的にイオンを伝導できる事を明らかにし、ギ酸塩を用いた燃料電池に実際に用いることで高い発電性能と耐久性を実証した。

【研究の社会的意義】

固体アルカリ燃料電池では、化学耐久性に優れ、化学反応サイトにイオン、燃料ガスを効率良く移動させるアニオン伝導材料の開発が重要である。本研究では、高分子骨格中に分解の起点を持たない全芳香族高分子を用いることで高い化学耐久性が得られる事、多孔性高分子の分子細孔を用いることで、効率良くイオンや燃料ガスを透過させる事が可能であるという事を明らかにし、固体アルカリ燃料電池に使用するイオノマーの、重要な材料開発指針を提供できた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】26249097 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 電解質膜 / コンポジット / 無機固体酸 / 中温 / 信頼性 / リン酸 / イオノマー / 触媒

【研究成果の概要】

コンポジット電解質膜を設計し、100℃を超える中温領域において無加湿条件でも作動する燃料電池を構築した。特にジメチルアセドアミド（DMAc）を用いて湿式ミリングで微粉砕した硫酸水素セシウム-ケイタングステン酸複合体(CHS-WSiA)を添加することで、PBIコンポジット電解質膜の均質性が大きく向上した。CHS-WSiA/TiO2を添加したPBIコンポジット電解質膜を用いた燃料電池は150℃、無加湿条件下で安定して作動し、pure PBI電解質膜と比較し2倍以上の高い出力特性を達成した。また、CHS-WSiAを電極三相界面にイオノマーとして添加した場合にも発電特性が向上することを確認した。

【研究の社会的意義】

PBI電解質膜内に添加されたCHS-WSiAの水素結合を介し、新たなプロトン伝導パスが形成され、微粉砕を行うことで有効表面積が増加し、燃料電池発電特性の高性能化が達成された。TiO2はPBI中でリン酸を保持する性能があることを見出した。また、CHS-WSiAは燃料電池電極三相界面においてもイオノマーとして有効に作用することがわかった。これら知見は、中温無加湿条件で安定作動する次世代燃料電池を開発する上で有用であり、クリーンエネルギー源である燃料電池の普及と低炭素社会の実現に大きく寄与するものである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,340千円 (直接経費: 31,800千円、間接経費: 9,540千円)

【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】26289254 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 機能性高分子 / イオノマー / 膜電極接合体

【研究成果の概要】

フッ素を全く含まない炭化水素系電解質を設計し、主鎖にエーテルなどの極性基を含まない新規な芳香族系高分子電解質膜の開発に成功した。フッ素系電解質膜と同等以上のプロトン導電性、化学安定性を達成した。また、部分フッ素化スルホン酸化高分子電解質膜が電極触媒層との界面の改善に著しく効果的であることを明らかにした。これらの新型電解質により優れた燃料電池発電特性を得ることに成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)