【研究領域課題番号】18H02030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子イオニクス / イオン伝導 / エネルギーデバイス / 機能性高分子 / イオニクス / 燃料電池

【研究成果の概要】

高分子イオニクス材料として、ベンゼン環が5つ連結したキンケフェニレン構造を疎水部に、側鎖アンモニウム基をもつフルオレン構造を親水部に持つ一連の共重合体(QP-QAF)の設計と合成を行った。重合反応、四級化反応は定量的に進行し、組成とイオン交換容量(IEC)が異なるQP-QAF膜を得ることができた。QP-QAF膜は疎水部と親水部の新疎水差により明確な相分離構造を示し、また、80℃で134mS/cmという高い水酸化物イオン導電率を達成した。QP-QAF膜を用いて水素酸素アルカリ形燃料電池を作製し、最大出力248mW/cm2を得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】17H03381 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物 / ガラス / イオン / イオン伝導 / プロトン / プロトン伝導 / 結晶化 / 分相 / 燃料電池 / 希土類元素 / アルカリイオン

【研究成果の概要】

250～500℃の中温域で作動する燃料電池(中温域 FC)に搭載可能な高いプロトン伝導度を示す電解質の開発を目指した。ガラス中のアルカリイオンをプロトンに置換する独自の手法(APS法)を用い、これまで検討してきた希土類元素含有リン酸塩ガラスの組成の絞り込みと、高いプロトン伝導度の長時間維持の2つの課題に取り組んだ。その結果、310℃で0.002S/cmの伝導度を500時間維持できたが、その後は分相、結晶化が進行し、伝導度が低下した。一方、四重極型質量分析法で見積もったガラスからの水分子の離脱温度は450℃以上であったことから、更なる組成改良による伝導特性の向上が期待される。

【研究の社会的意義】

従来、電解質としてのガラスは結晶材料に比べて劣ると認識されてきたが、申請者らは独自に開発したプロトン導入法により、これを覆す成果を得ており、本研究はその基礎をなすものである。本研究の実施によって得られる プロトン伝導体は、中温域燃料電池の実現だけでなく水蒸気電解や水素分離へも応用可能であり、その効果はエネルギー関連技術全体へと波及する。本研究の成果は、エネルギーシステム構築に必要な基盤技術とそれを支える基礎科学に大きな進展をもたらし、学術上はもちろんのこと、エネルギー問題に直面する社会の未来に対しても有益な礎を築くことが期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【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)