高分子化イオン液体被覆シリカナノ粒子による電解質膜作製プロセスの開発

使用聚合离子液体涂覆二氧化硅纳米粒子开发电解质膜制造工艺

• 批准号: 22KJ0329
• 负责人: 田端 恵介
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Yamagata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0329/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池; 電解質膜; 粒子共存重合法; イオン液体; シリカナノ粒子; 固体NMR

100℃以上の高温・低湿度環境化で作動する、高温作動型固体高分子形燃料電池（HT-PEFC）用電解質膜の作製を目的とした。令和4年度の実施内容として、フィラー充填膜の構成部材となる高分子化イオン液体（PIL）被覆粒子の作製プロセスの開発及び、プロトン伝導性評価を実施した。ナノ粒子表面への高分子被覆手法である粒子共存重合法を援用し、HT-PEFC用電解質膜の作製に着手した。PIL被覆粒子の作製に向けて、重合性カチオン：ポリ（1-ビニルイミダゾール）（P1VIm）とアニオン：TFSIの等量の混合物であるイオン液体モノマーを作製し、このイオン液体モノマーと真球状シリカナノ粒子を共存状態で重合させ、シリカナノ粒子表面にPILであるP1VIm/TFSIを被覆したPIL被覆粒子を作製した。実施内容として、様々なイオン液液体モノマー濃度、粒径の異なるシリカナノ粒子を用いたPIL被覆粒子の作製プロセスの開発に成功した。PIL被覆粒子は乾燥粉体で得られ、これを圧着ペレット状態へと加工し、交流インピーダンス法を用いて圧着ペレットのプロトン伝導性を評価した。PIL被覆粒子は、160℃, 無加湿環境下で8.5×10^-5 [S cm^-1] のプロトン伝導度を達成し、圧着ペレットの垂直方向及び水平方向で同程度のプロトン伝導性を示すことも見出した。つまり、PIL被覆粒子を集積するのみで、等方的なプロトン伝導経路の構築に成功した。さらに、温度可変固体NMR測定を用い、P1VImのN-Hプロトンのシグナル位置より、プロトン伝導に有利な可動性プロトンの有無を確認した。その結果、可動性プロトンに割り当てられる位置にシグナルが観測され、ナノ粒子表面へのPILの被覆とPIL被覆粒子の集積によってプロトン伝導経路が構築され、PIL中のイオン液体部同士のプロトン伝導が促進されたことが示唆された。

The electrolyte membrane for <s:1> high-temperature and low-humidity environmental で operation する and high-temperature operation solid polymer type fuel cells (HT-PEFC) is fabricated for the purpose of と た た た. Make and 4 year の be applied content と し て, フ ィ ラ ー filling material と membrane の department な る polymer melt イ オ ン liquid (PIL) coating particles の cropping プ ロ セ ス の 発 and び, プ ロ ト ン 伝 conductivity review 価 を be applied し た. Youdaoplaceholder0 particle surface へ ナノ polymer coating method である particle coexistence recombination method を reference to <s:1>, HT-PEFC using electrolyte membrane <e:1> fabrication に start た た The PIL coating particles の cropping に to け て, overlapping カ チ オ ン : ポ リ (1 - ビ ニ ル イ ミ ダ ゾ ー ル) (P1VIm) と ア ニ オ ン : TFSI の equivalent の mixture で あ る イ オ ン liquid モ ノ マ ー を as し, こ の イ オ ン liquid モ ノ マ ー と really globular シ リ カ ナ ノ particle を coexistence で overlap さ せ, シ リ カ ナ ノ particle surface に PIL で あ る P1VIm/TFSI を coating し た PIL coating particles を cropping し た. Be applied content と し て, others 々 な イ オ ン liquid liquid モ ノ マ ー concentration, particle size is の different な る シ リ カ ナ を ノ particles with い た PIL coating particles の cropping プ ロ セ ス の open 発 に successful し た. PIL は dry powder coating particles で have ら れ, こ れ を 圧 the ペ レ ッ ト state へ と processing し, ac イ ン ピ ー ダ ン を ス method with い て 圧 the ペ レ ッ ト の プ ロ ト ン 伝 conductivity を review 価 し た. PIL は coating particles, 160 ℃, without humidification environment で 8.5 * 10 ^ 5 [S] cm ^ - 1 の プ ロ ト ン 伝 conductance を reached し, 圧 ペ レ ッ ト の with degree of vertical and horizontal で び の プ ロ ト ン 伝 conductivity を shown す こ と も see out し た. The <s:1> ま ま ま, PIL coated particle を accumulation する <s:1> みで みで, and others successfully constructed the なプロト <s:1> 伝 伝 伝 guide path に and achieved に. さ ら に, temperature can use - solid NMR measurement を い, P1VIm の N - H プ ロ ト ン の シ グ ナ ル position よ り, プ ロ ト ン 伝 guide に favorable な mobility プ ロ ト ン の presence of を confirm し た. そ の results, movability プ ロ ト ン に cut り when て ら れ る position に シ グ ナ ル が 観 measuring さ れ, ナ ノ particle surface へ の PIL の coating と PIL coating particles の set product に よ っ て プ ロ ト ン 伝 guide が 経 road building さ れ, PIL の イ オ ン liquid component with James の プ ロ ト ン 伝 guide が promote さ れ た こ と が in stopping さ れ た.

项目成果

粒子共存重合法による高分子化イオン液体被覆ナノ粒子を基材とした HT-PEFC 用高分子電解質膜の作製

以聚合离子液体包覆纳米粒子为基材，采用粒子共聚法制备HT-PEFC用聚合物电解质膜

• 发表时间: 2022
• 作者: 田端 恵介;中崎 晴稀;牧野 勉;有田 稔彦;増原 陽人
• 通讯作者: 増原 陽人

Relationship between the Proton Conductive Performance and Water Uptake Ratio on a Filler-Filled Polymer Electrolyte Membrane

• DOI: 10.1021/acs.energyfuels.2c02527
• 发表时间: 2022-10-26
• 期刊: ENERGY & FUELS
• 影响因子: 5.3
• 作者: Saito, Takaaki;Nohara, Tomohiro;Masuhara, Akito
• 通讯作者: Masuhara, Akito

Proton conductive polymeric ionic liquids block copolymer of poly(vinylphosphonic acid)/1-propylimidazole-<i>b</i>-polystyrene for polymer electrolyte membrane fuel cell

用于聚合物电解质膜燃料电池的质子传导聚合物离子液体聚(乙烯基膦酸)/1-丙基咪唑-<i>b</i>-聚苯乙烯嵌段共聚物

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac51c2
• 发表时间: 2022
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Suzuki Yukina;Nohara Tomohiro;Tabata Keisuke;Yamakado Ryohei;Shimada Ryuichiro;Nakazaki Haruki;Saito Takaaki;Makino Tsutomu;Arita Toshihiko;MASUHARA Akito
• 通讯作者: MASUHARA Akito

Polymeric Ionic Liquid-Coated Core-Shell Type Nanoparticles for Nanoparticles-Filled Type Polymer Electrolyte Membrane

用于纳米颗粒填充型聚合物电解质膜的聚合物离子液体包覆核壳型纳米颗粒

• 发表时间: 2022
• 作者: Keisuke Tabata;Haruki Nakazaki;Tsutomu Makino;Akito Masuhara
• 通讯作者: Akito Masuhara

Polymeric ionic liquid-coated core-shell type nanoparticles-filled type polymer electrolyte membrane for HT-PEFC

HT-PEFC用聚合物离子液体包覆核壳型纳米颗粒填充型聚合物电解质膜

• 发表时间: 2022
• 作者: Keisuke Tabata;Haruki Nakazaki;Tsutomu Makino;Akito Masuhara
• 通讯作者: Akito Masuhara