高性能かつ耐久性に優れた固体高分子形燃料電池用の電解質膜を開発：研究開発の最前線

早稲田大学は、芳香族系高分子電解質膜をフッ素系ナノファイバーで複合化し、高性能かつ高耐久の固体高分子形燃料電池を作製した。次世代燃料電池自動車などへの応用が期待される。

[MONOist]

　早稲田大学は2023年7月27日、山梨大学との共同研究で、芳香族系高分子電解質膜をフッ素系ナノファイバーで複合化し、高性能かつ高耐久の固体高分子形燃料電池（PEFC）を作製したと発表した。

　主成分が炭素と水素で構成される芳香族高分子の電解質膜は、比較的安価な材料から作製できる。また、PEFCに用いられるパーフルオロ系高分子電解質膜と比べ、人体や環境への影響が懸念されるフッ素の含量を半分以下に減らせる。

　同研究で開発された複合電解質膜「SPP-TFP-4.0-PVDF」は、酸性基を導入したプロトン導電性芳香族高分子（SPP-TFP-4.0）を、高分子溶液に高電圧を加えながら射出するエレクトロスピニング法で作製したポリフッ化ビニリデン（PVDF）ナノファイバーシートと複合化し、機械的安定性を高めている。

A：プロトン導電性芳香族高分子「SPP-TFP-4.0」の構造、B：ポリフッ化ビニリデン（PVDF）の構造、C：複合電解質膜「SPP-TFP-4.0-PVDF」［クリックで拡大］ 出所：早稲田大学

　SPP-TFP-4.0-PVDFを用いたPEFCは、温度120℃、相対湿度30％RHの条件下で、236.8mW/cm²の出力密度を得られた。また、90℃で加湿と乾燥を繰り返す加速耐久性試験（米国エネルギー省推奨試験）で、2025年の目標値2万サイクルを大幅に上回る、14万8870サイクルを達成した。

SPP-TFP-4.0-PVDFを用いたPEFCの発電性能 出所：早稲田大学

SPP-TFP-4.0-PVDFを用いたPEFCの加湿、乾燥サイクルによる加速耐久性試験結果 出所：早稲田大学

　クリーンな発電デバイスとして注目されるPEFCは、電気自動車や家庭用電源として実用化が進められているが、性能や耐久性、製造コストが高いことが課題だった。今回の研究でこれらの課題を解決する電解質膜が作製可能になったことで、次世代燃料電池自動車などへの応用が期待される。

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