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新たな燃料電池膜を創製 ~無加湿下でも従来膜以上の高い性能を発揮~

 名古屋大学は2019年5月29日,同大学大学院工学研究科有機・高分子化学専攻の野呂 篤史講師,松下 裕秀教授らの研究グループが,トヨタ自動車株式会社と共同で,燃料電池自動車での使用が期待される新たな燃料電池膜を創製した,と発表した.本研究の一部は,独立行政法人日本学術振興会の科学研究費助成を受けて行われ,成果はJournal of Mate-rials Chemistry Aのオンライン速報版に掲載された(注).

 水素燃料電池は将来の自動車用動力源として期待されており,アノードに供給された気体の水素から電子を奪って水素イオン(プロトン)とし,カソードに移動したプロトンを酸素と反応させることで電気を発生させている.アノードとカソードの間には水素と酸素を分離しプロトンのみを通過させる「プロトン伝導膜」が必要で,燃料電池(FC)の性能はプロトン伝導膜のプロトン輸送能に大きく依存している.従来のプロトン伝導膜には,分子内に強酸であるスルホン酸基を持つパーフルオロスルホン酸ポリマー(商品例;Nafion®)が多く使われているが,高いプロトン輸送能を実現するため膜を湿らせる必要があった.そのため,従来の膜を用いたFCには加湿装置が必須とされ,また,水が沸騰する100℃以上の温度ではプロトン輸送能が失われるという問題もあった.

 本研究で研究グループは,ポリマーと不揮発性の酸性液体を複合させることで,加湿が不要なプロトン伝導膜を開発した.酸性液体には不揮発性の強酸である硫酸,ポリマーには硫酸とイオン相互作用で酸-塩基コンプレックスを生成するpoly(4-vinylpyridine)(P4VPy)が用いられた.硫酸とP4VPyは分子レベルで相溶し,硫酸がポリマーに対し重量比で4倍程度の多量に含まれても硫酸が分離溶出することはない.膜の機械的な安定性を確保するため,P4VPyを架橋することが必要であり,本研究では,(1)重合時に架橋剤を加えて架橋する方法(CL-P),(2)未架橋のP4VPyを重合後に架橋する方法(Post-CL-P),および,(3)polystyrene(PS)とP4VPyをブロック共重合(S-P-S)し,PSブロック同士間の親和力に物理的な架橋を担わせる,という3つの方法が試みられた.何れの膜も,硫酸含有量が80wt%程度のものは,無加湿条件にも拘わらず,従来の膜が加湿下で示すプロトン輸送能と同等,もしくはそれ以上のプロトン伝導率(>100mS/cm)を示した.95℃におけるプロトン伝導率は,CL-Pで140mS/cm,Post-CL-Pで120mS/cm,S-P-Sで130mS/cmであった.CL-PやPost-CL-Pは,100℃以上においても140~160mS/cmの高い伝導率を維持する.一方,S-P-Sに関しては,100℃以上ではPSブロック部分のTg(ガラス転移温度)を超えるため膜の実用は難しい.この複合膜を実際に燃料電池に適用するには,プロトン伝導性以外に膜の柔軟性や強度(自立性)といった機械的な特性も重要である.引張試験による膜の破断伸びは,Post-CL-Pの60%に対し,S-P-Sは800%以上に達し,S-P-Sが優れた機械特性を有することが明らかになった.

 研究グループでは,今後,更なる課題の明確化を行い,加湿システム不要なプロトン伝導膜の実用化を目指したいとしている.

(注)Takato Kajita, Haruka Tanaka, Atsushi Noro, Yushu Matsushita, and Naoki Nakamura, "Acidic liquid-swollen polymer membranes exhibiting anhydrous proton conductivity higher than 100 mS cm-1 at around 100°C", Journal of Materials Chemistry A, 2019, Advance Article, DOI:10.1039/C9TA01890E; first published on 03 May 2019