Development of Novel Proton Conductive Membranes Based on Heterocyclic Ring Systems for Polymer Electrolyte Fuel Cells

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分子間相互作用を有するベンゾチアジアゾール（BT）環を基盤とし、スルホン酸基を導入した新規な親水性のユニット（SBT環）を用いて、親水部にヘテロ環を有する電解質ポリマーを開発した。設計したSBT環を有する電解質ポリマーは1段階の縮合重合反応により合成した。得られたポリマーを用いて作製したキャスト膜は高い機械的強度を示した。次に、原子間力顕微鏡を用いて、膜表面の構造を解析したところ、SBT環を有する膜表面では、疎水性ドメインと親水性ドメインの凝集が促されていることが明らかになった。さらに、分光学的手法により、SBT環を導入した膜中では構造化に起因して、プロトンキャリアであるスルホン酸基が集積した構造が発現していることが示唆された。また、SBT環基盤の電解質膜は幅広い湿度領域で、従来のSPES膜よりも高いプロトン伝導性を示した。Arrhenius plotより算出した活性化エネルギーは、SPES膜に比べ、約20%低下していることも明らかになった。したがって、SBT環の導入は構造化に伴って、プロトン輸送に適した構造の構築を促し、高効率なプロトン伝導性をもたらすことを新たに見出した。以上より、SBT環を利用した分子設計は、構造化に伴ってスルホン酸基の集積化を促し、低湿度環境下で高いプロトン伝導性を示す電解質ポリマーの開発に有用な指針であると考えられる。また、ヘテロ環を利用した新たな分子設計指針の獲得に向け、ヘテロ環の1種であるチアゾロチアゾール（TT）環を有する化合物をゲスト分子とし、環状化合物であるククルビットウリル（CB[n]）をホスト分子として用いた複合体の作製を検討した。合成したヘテロ環基盤の化合物を含む溶液にUV光を照射したところ、CB[8]の有無によりヘテロ環由来の発光強度が著しく変化したことから、TT環基盤のモノマーとCB[8]が複合体を形成していることが示唆された。