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発表・掲載日:2003/01/22

耐熱性、耐有機溶剤性を有する新規な無機-有機ハイブリッドプロトン導電膜を開発

-多孔質ガラスのナノ細孔を利用した新規なプロトン導電膜の開発に成功-

ポイント

  • 従来用いられているプロトン導電膜(ナフィオン)で使用不可能な高温で使用可能な新規無機-有機ハイブリッドプロトン導電膜。これにより燃料電池システム全体の効率化が可能となりエネルギーの有効利用になる
  • 多孔質ガラスのナノ細孔を利用しているため水蒸気および有機溶剤による膨潤がない
  • 導電パスがナノ細孔として存在しているため、さらに高導電性出現の可能性


概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】(以下「産総研」という)生活環境系特別研究体【系長 小林哲彦】は、社団法人ニューガラスフォーラム(以下「NGF」という)および姫路工業大学と共同で、これまでに産総研が開発してきた多孔質ガラスのナノ細孔中へ導電性有機分子を導入し新規な無機-有機ハイブリッド導電膜の開発に成功し、開発した膜が高温水蒸気存在下で高いプロトン導電性を示すことを解明した。この導電膜は、無機骨格中に有機分子が導入された構造をしており、耐熱性および耐有機溶剤性があり、また、導電パスが細孔として存在しているので高いプロトン導電性が期待できる。新規な燃料電池、センサーの開発スピードを大幅に速めることができると期待される。

○従来用いられているナフィオンでは高温(100℃以上)での使用は難しかった。そのために廃熱などが利用できず、エネルギー効率が低くなるなど様々な問題点があり、100℃以上で使用可能な固体電解質膜が切望されていた。
○耐熱性、耐有機溶剤性をもたせるためナノ細孔を有する多孔質ガラスの使用を検討し、細孔内に導電性有機分子を導入した新規な無機-有機ハイブリッド導電膜の開発に成功。


無機-有機ハイブリッド導電膜模式図
図1 無機-有機ハイブリッド導電膜の模式図
 
 
 測定温度(℃)  導電率(S/cm)
105 1.6X10-2
110 2.3X10-2
115 2.8X10-2
120 4.2X10-2
相対湿度100%

表1 無機-有機ハイブリッド導電膜の導電率


 今後、さらに、細孔の配向を制御し、高い導電性を持った膜を開発する予定である。



研究の背景

 現在、燃料電池等の固体電解質膜として用いられているナフィオンなどのフッ素化したイオン交換膜は、有機高分子膜であるため、高温での使用は難しい。しかし、燃料電池のシステム全体の効率化を考えれば、廃熱が利用可能になるなどの点から100~150℃程度で使用可能な固体電解質膜が切望されている。本膜は、基材が無機であるために高温で使用可能である。また、無機多孔体のナノ細孔を利用しているため水蒸気および有機溶剤による膨潤がないなどの利点がある。

研究の経緯

 産総研ではこれまでにナノ細孔を有し細孔径の非常にそろった多孔質ガラスの研究を長期にわたり行ってきた。また、この多孔質ガラスの応用として細孔表面に様々な有機分子を導入することにより種々の分離膜を開発してきた。このような開発で得られた知見を生かして、当該新規有機-無機ハイブリッドプロトン導電膜の開発を新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託研究<材料ナノテクノロジープログラム>ナノガラス技術プロジェクトにおいてNGFおよび姫工大と共同で行っている。

研究の内容

 本研究は、多孔質ガラス細孔内および表面にプロトン導電性を示す官能基を表面改質により導入し、プロトン導電性を付与することを特徴とするものである。具体的には、多孔質ガラス表面のOH基にメルカプトプロピルトリメトキシシランのシランカップリング剤を反応させ、その後にメルカプト基の-SHを酸化することにより細孔表面にプロトン導電性を持ったスルホン酸基を導入する表面改質(図1)を用いて作製した膜である。本方法で作製した固体電解質膜の基材は無機化合物であるため耐熱性、耐有機溶剤性(耐食性)があり、高温での使用も可能である。

今後の予定

 プロトン導電膜は、固体電解質型燃料電池の普及と共に注目されており、新規プロトン導電膜の開発が世界中で行われているが、現在の水素を燃料として用いる燃料電池からメタノールを用いる燃料電池に移行するに伴い、現状のナフィオンでは膨潤等が問題となってきている。当該膜は、多孔質ガラス膜のナノ細孔を利用しているため膨潤がないなどの利点があるため、直接メタノール型燃料電池への利用も期待できる。今後、プロジェクト内でさらに、細孔の配向を制御し、さらに高い導電性を持った膜を開発する予定である。



用語の説明

◆多孔質ガラス
いくつかの組成が知られているが、代表的なものはホウケイ酸ソーダガラスであり、熱処理をおこなうことによりこのガラスをB2O3・Na2O組成とSiO2に富む組織に分相させた後、酸で処理し、前者を溶出させることにより多孔質化したガラス。[参照元へ戻る]

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