成果報告書詳細
管理番号20150000000280
タイトル平成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 低加湿下作動型新規ナノファイバー含有電解質超薄膜の研究開発
公開日2015/12/2
報告書年度2013 - 2014
委託先名公立大学法人首都大学東京 日本バイリーン株式会社
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年度中間年報 「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/低加湿下作動型新規ナノファイバー含有電解質超薄膜の研究開発」(H25-H26) 

 本事業では、新たな酸をドープしたポリベンズイミダゾールナノファイバー(PBINF)を基本骨格とする高分子電解質(PE)複合膜(酸ドープ型- PBINF/PE複合膜)を作製し、広い温度域かつ低加湿において優れた膜抵抗を示す新規高分子形電解質膜を開発することを目的とし、広い温度域かつ低加湿において優れた膜抵抗を示す新規高分子形電解質膜を開発することを目的とした。
 具体的には、酸としてはフィチン酸を用い、ファイバーからの酸漏出はほとんどなく、高い酸保持能を有することを明らかにした。これはフィチン酸がポリベンズイミダゾール(PBI)と多点で酸塩基相互作用しているためであると考えられる。また、標準ナノファイバー複合膜(ナノファイバー径200 nm, 膜厚15-m)、薄膜(5-m)および細径ナノファイバー(150 nm径, 膜厚15-m)複合膜のプロトン伝導度(温度依存性、湿度依存性)を測定した結果、薄膜(5-m)複合膜のプロトン伝導度(温度依存性)は標準複合膜とほぼ同等であり、超薄膜での高いプロトン伝導性を明らかにした。また、ナノファイバー複合膜はNafion単独膜より低い酸素ガス透過性を示した。
 さらに、ポリベンズイミダゾール(PBI)ナノファイバー不織布の連続作製を検討し、実用化の際の目安とした平均繊維径200nm、有効幅500mm(400mm以上)の作製条件を確立した。Nafionを電解質ポリマーに用いて、酸ドープPBIナノファイバー不織布との複合膜を作製した。PBIナノファイバーの複合化により、Nafion単独膜と比較して、複合膜の引張強度および寸法安定性(面方向、厚さ方向)が向上し、薄膜化しても機械的な取扱い性に優れることが分かった。ナフィオン単独膜では作製が困難な膜厚5μmの電解質超薄膜の作製を可能とした。また、大面積化を検討し、実機サイズでの燃料電池発電試験を見据えたサイズ150mm×250mmの作製を可能とした。燃料電池発電試験を行い、電解質超薄膜はNafion単独膜と比較して、低加湿条件下(湿度44%RH)で発電性能に優れる結果を得た。また、セル評価プロジェクトで評価した薄膜(5-m)複合膜のMEA初期性能はNafion HPと同等以上のセル発電を示し、セル内部抵抗は薄膜化の効果によりHPより著しく低下した。
英文要約件名:平成25年度-平成26年度中間年報 「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/低加湿下作動型新規ナノファイバー含有電解質超薄膜の研究開発」(H25-H26) 

Title : Development of Ultra-thin Polymer Electrolyte Membranes Containing Novel Nanofibers for Low Humidity Fuel Cell Operation (FY2013-Fy2014) FY2014 Final Report

Chemical stability of doped phytic acid on the polybenzimidazole (PBI) nanofibers was verified by their weight and ion exchange capacity (IEC) changes before and after hot water immersion tests. The acid-base interaction between PBI and phytic acid or sulfonic acid groups in Nafion was revealed by FT-IR and cross-sectional transmission electron microscopy (TEM). Water uptake properties of the composite Phy-PBINF/Nafion membrane was measured at various relative humidity. The state of water in the membranes were evaluated as freezing water, freezing bound water, and free water by differential scanning calorimetry (DSC). A Phy-PBINF/Nafion membrane with 5 -m thickness and another Phy-PBINF/Nafion membrane containing nanofibers with 150 nm-diameter were fabricated for the first time. The proton conductivities were measured as a function of temperature or relative humidity. These properties were enough high close to that of the standard 15 -m-thick Phy-PBINF/Nafion membrane containing nanofibers with 200 nm-diameter. The Phy-PBINF/Nafion membranes showed better gas barrier properties than the corresponding Nafion membrane without nanofibers under all relative humidity conditions. As a new polymer electrolyte for the matrix polymer, multi-block type sulfonated poly(arrylene ether sulfone) was also newly synthesized. In addition, we succeeded in making continuous PBI nanofiber nonwovens and prepared thin polymer electrolyte membranes (thickness : 5μm) which composed of Phy-PBINF nonwovens and Nafion. We also succeeded in making large composite membranes (size:150mm×250mm). The composite membranes showed higher mechanical strength and dimensional stability compared to the Nafion without PBINFs. The performance of the fuel cell using the composite Phy-PBINF/Nafion membrane was significantly improved at low humidity.
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