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Press Release

燃料電池向けの高性能な非フッ素系電解質膜の開発に成功

―将来の燃料電池用電解質膜の設計指針に大きく貢献―
2017年10月26日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
理事長 古川 一夫

NEDO事業において、山梨大学は、固体高分子形燃料電池向けの高性能な非フッ素系電解質膜の開発に成功しました。

開発した電解質膜は、非フッ素系の中で耐久性に優れる炭化水素系の高分子構造に着目し、分子レベルで組成比を最適化することにより、これまで課題の一つであった化学耐久性を飛躍的に向上させることに成功しました。

本研究成果により、2025年以降のFCVの本格普及期に求められる燃料電池用電解質膜の分子設計指針の確立に大きく貢献することが期待されます。

本研究成果は、米国科学振興協会(AAAS)が発行するScience姉妹誌「Science Advances」のオンライン版に、2017年10月25日14時(米国東部標準時)付けで掲載されました。

  • 開発した電解質膜の薄さを示す画像
    図1 開発した非フッ素系電解質膜の写真

1.概要

水素社会の実現に向け、2014年に経済産業省が策定した「水素・燃料電池戦略ロードマップ」※1では、燃料電池自動車(FCV)の普及拡大のために燃料電池システムのコストを大幅に低減し、「2030年までに80万台程度の普及を目指す」という目標が掲げられており、NEDOは、2025年以降の本格普及期に求められるFCV用燃料電池の要求値(スタック※2出力密度:4kW/L以上、耐久性:50,000時間以上、等)を設定し、新規材料の設計指針に資する技術の開発を目的とした事業※3を2015年度より実施しています。

燃料電池は、水素と空気中の酸素(供給ガス)を触媒上で反応させて、水を生成する際に発生するエネルギーを電力に変換するシステムです。近年、高エネルギー変換効率、低公害の発電装置である燃料電池は、エネルギーや環境問題解決の観点から注目を集めており、固体高分子形燃料電池(PEFC)※4は家庭用燃料電池(エネファーム)やFCVとして実用化されました。PEFCで用いられる電解質膜は、主にフッ素系電解質膜が広く利用されていますが、供給ガス透過性、環境適合性、コストなどが課題となっています。一方で、これらの課題を克服できる新たな電解質膜として構成元素にフッ素を含まない炭化水素系電解質膜の可能性が検討されてきましたが、成膜性、化学耐久性、機械特性(特に柔軟性)に課題があり、これまで燃料電池への応用は困難だと考えられてきました。

今般、NEDO事業において、国立大学法人山梨大学の宮武健治教授、三宅純平助教らの研究グループは、高性能な非フッ素系電解質膜の開発に成功しました。

具体的には、極めて耐久性に優れる炭化水素系高分子であるポリフェニレン※5構造に着目し、分子レベルで組成比を最適化することにより新たなポリフェニレン電解質(SPP-QP※6)を合成し、これが透明で柔軟な薄膜を形成し化学耐久性にも優れるということを見いだしました(図1、図2)。化学耐久性はフェントン試験※7を実施し、従来開発していた炭化水素系電解質膜と比較して、酸化に対して非常に安定であることを示しました。また、SPP-QP電解質膜を燃料電池に搭載した場合の初期発電特性は、現行のフッ素系電解質膜と比較して同等であることが確認されました。

今回の成果により、PEFCの作動条件下でも高い性能を発揮できる非フッ素系電解質膜の分子設計指針が見いだされたことになり、今後、この設計指針をさらに発展させて展開していくことで、2025年以降のFCVの本格普及に向けた課題解決やエネファームのさらなる導入拡大に貢献していきます。

なお本研究成果は、米国科学振興協会(AAAS)が発行するScience姉妹誌「Science Advances」のオンライン版に、2017年10月25日14時(米国東部標準時)付けで掲載されました。

  • 新旧電解質膜比較:従来のものは結合の弱い部分が科学的に切断されやすいが、今回、分子構造設計で回避したものを開発
    図2 従来開発していた炭化水素系電解質膜と今回新しく開発したSPP-QP電解質膜の
    分子構造と化学的な劣化に対する特徴の比較

【用語解説】

※1 「水素・燃料電池戦略ロードマップ」
※2 スタック
燃料電池の最小単位をセルといい、1枚のセルでは出力が限られるため、必要な出力が得られる数を重ねて一つのパッケージにしたものをスタックという。
※3 事業
「固体高分子形燃料電池利用高度化技術開発事業/普及拡大化基盤技術開発/セルスタックに関わる材料コンセプト創出(高出力・高耐久・高効率燃料電池材料のコンセプト創出)」(2015~2017年度)
※4 固体高分子形燃料電池(PEFC)
PEFCは、Polymer Electrolyte Fuel Cellの略称である。この電池の発電原理は、負極(アノード)と正極(カソード)で電解質を挟み、二つの電極に水素と酸素を供給して電気を発生させるものである(詳細は下図の通り)。この中で電解質膜は、アノードで発生したプロトン(水素イオン)をカソードに伝導させる役割を担っており、プロトン伝導性、低ガス透過性、耐久性(熱、化学)と機械強度という特性が求められている。

  • 水素と酸素を供給して発電する原理の図解
    固体高分子形燃料電池(PEFC)の発電原理

※5 ポリフェニレン
主鎖がベンゼン環のみから成る芳香族系高分子のこと。
※6 SPP-QP
SPPはスルホン酸化ポリフェニレン、QPはベンゼン環が五つ繋がった構造であるキンケフェニルの略語であり、SPP-QPはこれらのランダム共重合体の意味。
※7 フェントン試験
酸化安定性を評価する手法。2ppmの硫酸鉄(FeSO4)と3%の過酸化水素を含むフェントン溶液中に、膜を80℃、1時間浸漬させて測定。

2.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO 新エネルギー部 担当:戸塚、門脇 TEL:044-520-5261

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:髙津佐、藤本、坂本 TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp