名古屋大学、高伝導の高分子電解質膜を開発：次世代燃料電池や水電解装置向け

名古屋大学は、従来に比べ酸基の密度が5倍以上で、伝導率は6倍以上という「高分子電解質膜」を開発した。次世代の固体高分子形燃料電池や水電解装置に向ける。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

従来型に比べ、酸基密度は5倍以上、伝導率は6倍以上を実現

　名古屋大学大学院工学研究科の野呂篤史講師（兼未来社会創造機構マテリアルイノベーション研究所及び脱炭素社会創造センター）らによる研究グループは2023年4月、従来に比べ酸基の密度が5倍以上で、伝導率は6倍以上という「高分子電解質膜」を開発した。次世代の固体高分子形燃料電池や水電解装置に向ける。

　高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池などに用いられ、プラス電荷を帯びた水素イオン（プロトン）を輸送する機能がある。燃料電池は電解質膜で水素と酸素を隔てている。水素により生じたプロトンが高分子電解質膜中を移動し、反対側の酸素と出会って水を生成することで、電気エネルギーを発生させる仕組みとなっている。

固体高分子形燃料電池の模式図 出所：名古屋大学

燃料電池自動車のイラスト 出所：名古屋大学

　プロトンを輸送する能力が高い電解質膜を用いれば、燃料電池からより多くの電気を取り出すことが可能となる。また、電解質膜の伝導率は、電解質膜中の酸基密度と強い相関関係があり、イオン交換容量（IEC）として表すことができるという。

　例えば、市販されている電解質膜としては、ナフィオンなどの「パーフルオロスルホンポリマー膜」や、セレミオンなどの「スルホン化ポリスチレン膜」があり、一般的な使用条件（80℃、90％RH）下における伝導率はそれぞれ0.15S/cm、0.091S/cmで、電解質膜のIEC値は約0.9meq/gとなっている。

　研究グループは今回、IECが1.0meq/g以上という高分子電解質膜を得るため、保護基でキャップをされた酸基を有するモノマーを重合させてポリマーを合成した。保護基はキャップをされていない酸基とした。これにより、IEC値が5.0meq/gという電解質膜を合成することに成功した。酸基密度は従来品の5倍以上である。また、伝導率は0.93S/cmとなり、従来品に比べ6倍以上も高い値となった。

電解質膜の合成工程。上図（a）は従来型、下図（b）は今回の方法 出所：名古屋大学

従来膜および、開発した電解質膜の伝導率比較 出所：名古屋大学