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

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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。