新しいプロトン

燃料電池は、水素などのクリーンなエネルギー源を利用し、一連の酸化還元反応を通じて電気に変換するコンパクトなエネルギー変換ユニットです。 具体的には、電気自動車の不可欠な部分である固体高分子型燃料電池 (PEMFC) は、動作にプロトン伝導性膜を利用しています。 残念ながら、これらの膜には高い耐久性と高いイオン伝導性の間のトレードオフがあり、PEMFC の寿命と性能に影響を及ぼします。

この問題を克服するために、科学者たちは、Nafion HP、Nafion XL、Gore-Select などの化学的および物理的に修飾されたパーフルオロスルホン酸ポリマー膜を合成しました。これらは、燃料電池の動作で従来使用されてきた未修飾の膜よりもはるかに耐久性が高いことが証明されています。 残念ながら、既存のプロトン伝導膜はどれも、自動車燃料電池への使用を促進するために米国エネルギー省 (DOE) が設定した、加速耐久性試験または化学的および機械的複合試験に合格するという非常に困難な技術目標を満たしていません。 2025年。

このような背景を背景に、早稲田大学と山梨大学の宮武賢治教授が率いる日本の研究者グループは最近、PEMFC用の新しいプロトン伝導膜を合成した。 Science Advances 誌に掲載された彼らの研究は、早稲田大学と山梨大学の Liu Fanghua 博士と信州大学の Ick Soo Kim 博士の共著です。

研究者らは、SPP-TFP-4.0（SPP：スルホン化ポリフェニレン、TFP：ビス（トリフルオロメチル）ターフェニレン）と呼ばれる部分フッ素化芳香族アイオノマー（イオン架橋により安定化された熱可塑性樹脂からなる高分子材料）を用いてプロトン伝導膜を合成した。 次に、プッシュコーティング法を利用して、高気孔率 (78%) のエレクトロスピニングされた不織布の等方性ポリ(フッ化ビニリデン) (PVDF) ナノファイバー、または多孔質延伸ポリテトラフルオロエチレン (ePTFE) を使用してアイオノマーを強化しました。 これにより、厚さそれぞれ 14 μm および 16 μm の複合膜、SPP-TFP-4.0-PVDF および SPP-TFP-4.0-ePTFE が得られました。

研究者らはこれらのプロトン伝導膜に対してさまざまなテストを実施し、PVDFで強化された膜が優れていることを実証した。 「燃料電池の動作と、120℃の高温および30%の低い相対湿度でのその場での化学的安定性の点で、化学的に安定化され物理的に強化された最先端の過フッ素化ナフィオンXL膜を上回りました」と宮武氏は強調します。 。

SPP-TFP-4.0-PVDF 膜は、開回路電圧条件下で頻繁に乾湿サイクルを繰り返す加速耐久性テストにおいて、148,870 サイクルまたは 703 時間という長寿命を実証しました。これは DOE 目標の 7 倍以上です。 さらに、劣化がほとんどない高い化学的安定性、さまざまな湿度レベルでの安定した破壊エネルギー、80℃での相対湿度 0 ～ 60% での非常に安定した機械的特性、および高温 (100 ～ 120℃) での優れた燃料電池性能を示しました。

実際、提案されている芳香族ポリマーベースの強化プロトン伝導膜は、米国エネルギー省の将来の自動車用燃料電池の目標を満たしており、有利な代替手段となる。 したがって、この研究は、高温での動作性と耐久性を備えた PEMFC への道を開く可能性があります。 「その結果、燃料電池ベースの電気自動車は、より強力で手頃な価格になる可能性があります。これは、水素ベースの脱炭素社会の実現にも貢献するでしょう」と宮武氏は楽観的に結論づけています。

私たちも、強力で耐久性があり、持続可能な燃料電池を搭載したこのような高効率電気自動車がすぐに現実になることを願っています。

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参照

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adg9057

著者: Fanghua Liu1,2、Ick S. Kim3、宮武賢治1,4,5

所属:

1山梨大学クリーンエネルギー研究センター

2ナノ・ライフイノベーション研究機構