弱酸性高分子被覆フィラー充填による固体高分子電解質膜作製プロセスの開発

开发使用弱酸性聚合物涂层填料填充的固体聚合物电解质膜制造工艺

• 批准号: 21J10587
• 负责人: 野原 智裕
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Yamagata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10587/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池; 高分子電解質膜; フィラー; プロトン伝導性; 表面改質; 粒子共存制御ラジカル重合法; フィラー充填膜

固体高分子形燃料電池（PEFC）は、クリーンエネルギーの一端を担う次世代エネルギー供給システムとして注目されており、その電解質膜には、極めて高いプロトン伝導性能を有するNafionが主に用いられてきた。しかし、このNafionは、高コスト（強酸による電極での白金触媒の使用が不可欠等）であり、代替材料の開発が課題となっている。この解決方策として、弱酸で構成された高プロトン伝導機構の構築がある。弱酸による高プロトン伝導は、1次元あるいは2次元方向での分子配向の精密制御によりプロトン伝導方向を限定する方法で実現されてきた。これらの手法は、プロトン移動経路を限定することで、プロトン伝導性能の飛躍的向上を図った点で独創的であった。しかしながら、これらの系では、プロトン伝導方向が実デバイスと異なる点や自立膜の作製が困難といった点で、課題を残してきた。これら課題に対し、フィラー充填技術に着目し、フィラーにプロトン伝導性能を付与し、バインダー樹脂中へ分散させるだけで、プロトン伝導方向の制限と大面積での自立膜の作製が困難といった両課題を一挙に解決し得るフィラー充填型電解質膜を作製可能と着想し、実証した。具体的には、セルロースナノ結晶（CNC）表面に、ポリビニルホスホン酸（PVPA）とポリスチレン（PS）とのブロック共重合体（PVPA-b-PS）を被覆した機能化粒子（CNC@PVPA-b-PS）を作製した後、作製した機能化粒子を数種の汎用な樹脂へ充填したフィラー充填型電解質膜の製膜に成功した。これらサンプルのプロトン伝導度評価を行った結果、弱酸でありながら高いプロトン伝導度と温度に依存しない安定したプロトン伝導度が発現することを明らかにした。作製した膜を挿入した単セルを組み、駆動試験を行ったところ、直流電流の取り出しが可能で、実用的な膜であったことを見出した。

聚合物电解质燃料电池（PEFC）作为将在清洁能源中发挥作用的下一代能源供应系统而备受关注，其电解质膜主要采用具有极高质子传导性的Nafion。然而，Nafion价格昂贵（强酸电极中需要使用铂催化剂等），并且替代材料的开发是一个问题。解决这个问题的一种方法是构建由弱酸组成的高质子传导机制。弱酸的高质子传导是通过精确控制一维或二维分子取向来限制质子传导的方向来实现的。这些方法的原创性在于它们通过限制质子传输路径来显着提高质子传导性能。然而，这些系统仍然存在质子传导方向与实际装置不同以及难以制造自支撑膜的问题。为了解决这些问题，我们专注于填料填充技术，通过简单地赋予填料质子传导性并将其分散在粘合剂树脂中，我们解决了限制质子传导方向和难以制造自支撑膜的问题。我们设想并证明可以制造一种填充电解质膜来一次性解决所有问题。具体来说，我们开发了功能化颗粒（CNC@PVPA-b），其中纤维素纳米晶体（CNC）的表面涂覆有聚乙烯基膦酸（PVPA）和聚苯乙烯（PS）的嵌段共聚物（PVPA-b-PS）。 ），我们通过用制造的功能化颗粒填充几种类型的通用树脂，成功地制造了填料填充的电解质膜。对这些样品的质子传导率进行评估的结果表明，尽管它们是弱酸，但它们表现出高质子传导率和与温度无关的稳定质子传导率。当组装插入所制造的膜的单电池并进行驱动测试时，发现该膜能够提取直流电并且是实用的膜。

项目成果

弱酸性高分子被覆コアシェルナノ粒子充填固体高分子電解質膜の開発

弱酸性聚合物包覆核壳纳米颗粒填充固体聚合物电解质膜的研制

• 发表时间: 2022
• 作者: 野原 智裕;田端 恵介;有田 稔彦;増原 陽人
• 通讯作者: 増原 陽人

Proton conductive polymeric ionic liquids block copolymer of poly(vinylphosphonic acid)/1-propylimidazole-b-polystyrene for polymer electrolyte membrane fuel cell

用于聚合物电解质膜燃料电池的质子传导聚合物离子液体聚(乙烯基膦酸)/1-丙基咪唑-<i>b</i>-聚苯乙烯嵌段共聚物

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac51c2
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 1.5
• 作者: Suzuki Yukina;Nohara Tomohiro;Tabata Keisuke;Yamakado Ryohei;Shimada Ryuichiro;Nakazaki Haruki;Saito Takaaki;Makino Tsutomu;Arita Toshihiko;MASUHARA Akito
• 通讯作者: MASUHARA Akito

Development of Polymer Electrolyte Membrane Employing Cellulose Nanocrystals and Affordable Resin Matrix

采用纤维素纳米晶体和经济实惠的树脂基质开发聚合物电解质膜

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomohiro Nohara;Takaaki Saito;Toshihiko Arita;Akito Masuhara
• 通讯作者: Akito Masuhara

固体高分子電解質膜を指向したセルロースナノ結晶充填プロトン伝導性高分子電解質膜の開発

纤维素纳米晶填充质子传导聚合物电解质膜向固体聚合物电解质膜的发展

• 发表时间: 2021
• 作者: 野原 智裕;田端 恵介;有田 稔彦;増原 陽人
• 通讯作者: 増原 陽人

Novel Filler-Filled-Type Polymer Electrolyte Membrane for PEFC Employing Poly(vinylphosphonic acid)-b-polystyrene-Coated Cellulose Nanocrystals as a Filler

采用聚(乙烯基膦酸)-<i>b</i>-聚苯乙烯涂覆纤维素纳米晶作为填料的新型PEFC填料填充型聚合物电解质膜

• DOI: 10.1021/acsami.1c18695
• 发表时间: 2022
• 作者: Nohara Tomohiro;Arita Toshihiko;Tabata Keisuke;Saito Takaaki;Shimada Ryuichiro;Nakazaki Haruki;Suzuki Yukina;Sato Ryota;Masuhara Akito
• 通讯作者: Masuhara Akito