成果報告書詳細
管理番号20150000000735
タイトル平成25年度‐平成26年度 固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発 次世代技術開発 スルホン酸基密度の最適設計と複合化による機能分担設計により、PEFCの高性能化と高信頼性化とを両立する新規炭化水素系電解質膜の研究開発
公開日2015/11/21
報告書年度2015 - 2016
委託先名東洋紡株式会社
プロジェクト番号P10001
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成25年度‐平成26年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発 次世代技術開発 「スルホン酸基密度の最適設計と複合化による機能分担設計により、PEFCの高性能化と高信頼性化とを両立する新規炭化水素系電解質膜の研究開発」

 2020年以降の燃料電池自動車等の本格商用化には、PEFCに対するさらなる高信頼性化・低コスト化が求められている。そこで、飛躍的なプロトン伝導性の向上と、高度な耐久性や信頼性の確保と、及び、システムも含めたコストダウンとの両立を実現する新たな技術思想に基づく電解質膜の基本技術の研究開発を目的とした。
 
 一般に、電解質膜のプロトン伝導性と耐久性はトレードオフの関係にあるとされている。その解消のため、プロトン伝導性や水移動性などの低湿度特性に関わる機能は電解質に、機械的耐久性や信頼性に関わる機能を補強部材に、それぞれ分担させる機能分担を基本設計とした。
 電解質は、補強材との複合化を前提にして、電解質膜としての性能を向上させることを重視して設計を行い、合成技術を確立した。また、補強材については各種材料を検討し、性能と耐久性の観点から適するものを選択した。
 電解質構造の適正化と、補助成分の添加により、電解質と補強材との複合化技術を確立した。得られた電解質膜は低湿度下で優れたプロトン伝導性を示すと共に機械的耐久性についても高い耐久性を示した。プロトン伝導性の向上は、スルホン酸基を多量に多量に有する新規電解質を補強材の細孔中に充填することによって、スルホン酸基密度の高いイオンチャンネルを形成できたためと考えた。高い機械耐久性は、電解質の吸放湿の際の変形を補強材が抑制したためと考えた。得られた膜の発電評価を行ったところ、低加湿下でも良好な得られることを確認した。
 一方、化学耐久性については、劣化が進行しやすい膜であることが分かったため、劣化機構を解析すると共に、改善策を検討した。その結果、化学的劣化に対しては、電解質自身の劣化のみならず、複合化のために用いた補助成分の影響が大きいことが分かった。改善のため、各種ラジカルスカベンジャーを添加した膜を作製し評価したところ、リン化合物に劣化の進行を遅らせる効果があることを確認できた。
 
 低湿度プロトン伝導性の向上と機械的耐久性の向上の両立に関しては、当初の設計コンセプト通りの効果を得ることができた。しかしながら、複合化のための補助成分に起因する化学的劣化により、化学的耐久性については目標を達成できなかった。補助成分の分子設計も含めた複合化技術の革新が今後の課題である。
英文要約Title : Development of Polymer Electrolyte Fuel Cell Technologies for Promoting Practical Usage Development of Technologies of Next Generation Research and Development of Novel Hydrocarbon Polymer Electrolyte Membrane Having Both Higher Performance and Reliability By Function Sharing Design Which is Composed of Optimization of Density of Sulfonic Acid Group and Composition with Reinforcement (FY2013-FY2014) Final Report

 For a commercialization of fuel cell vehicle after 2020, higher reliability and lower cost is required to PEFC. The purpose of this project is research and development of the basic technology of the proton exchange membrane based on new concept which realizes compatibility of improvement of the proton conductivity, securing of advanced durability and reliability, and cost cutting which included PEFC system.
 
 Generally, proton conductibility and durability of the proton exchange membrane are supposed to be in the relation of a trade-off. To increase both of them, sharing functions to electrolyte and reinforcement is fundamental design. Electrolytes owe the function concerned proton conductivity and water mobility under low humidity, and reinforcement owes the function concerned mechanical durability and reliability, respectably.
 Molecular structure of electrolytes are designed for the composition to reinforcement. Synthetic root of new electrolytes is established. Also, various materials are examined as a reinforcement, suitable materials are chosen from view of membrane properties and durability.
 Composite technology is established by modifications of molecular structure of electrolytes and adding of assisting compounds. Obtained proton exchange membranes showed good proton conductibility under low humidity and good mechanical durability. It is assumed that improvement of the proton conductivity is contributed to high sulfonic acid density ion channel which is formed by filling electrolyte compositions into the pore of reinforcement. High mechanical durability is assumed to be contributed to the reinforcement which suppress deformation of electrolytes under humidity change. Fuel cell performance under low humidity is good.
 It is appeared to be the obtained membranes have enough chemical durability, degradation mechanism under highly oxidative condition and improve methods are examined. As a result, degradation of assisting compounds is the main reason of degradation compared to electrolytes. Several radical scavengers are tested for suppress the chemical degradation by adding to electrolyte composition, only phosphorus compound is effective to decrease degradation rate.
 As for the compatibility of the improvement of the low humidity proton conductivity and the mechanical durability is achieved as much as initial concept design. However, the chemical durability is not reached to the target because of assisting compound for building composite membranes. Further examination of molecular design of not only electrolytes but also assisting compound is needed.
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