栄養と食品科学ジャーナル
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概要

高温プロトン交換膜燃料電池用ホスホン化 SBA-15/ホスホン化 PSEBS 複合膜

ダルマリンガム サンギータ

プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）は、携帯性、静音動作、高電力密度により、将来の魅力的なエネルギー源になりつつあります。効率を向上させるとともに、技術を手頃な価格にするための取り組みが行われてきました。燃料電池の効率に関してはいくつかのパラメータが関係しますが、動作温度が最も重要です。特に、高温 PEM 燃料電池（HTPEMFC）には、より高い効率、一酸化炭素中毒に対する電極の耐性の向上、より速い反応速度、効率的な熱伝達など、大きなメリットがあります。ナフィオンなどの一般的に使用されるペルフルオロ膜のプロトン伝導性は外部の加湿に大きく依存するため、動作温度は 100 °C に制限されています。したがって、PEMFC における最大の課題の 1 つは、無水条件下で 100 °C を超える温度で動作できる熱的に安定した膜を製造することです。

本研究では、高温燃料電池電解質用にホスホン化 SBA-15/ホスホン化ポリ(スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン) (PSEBS) 複合膜を開発しました。メソポーラス サンタバーバラ アモルファス (SBA-15) を合成し、クロロメチル化とそれに続くホスホン化を含む簡単な 2 段階プロセスを使用してホスホン酸官能基をグラフトしました。ホスホン化 SBA-15 (PSBA-15) は、フーリエ変換赤外 (FTIR) 分光法、固体 13C 核磁気共鳴 (NMR)、29Si NMR、31P NMR を使用して特性評価され、改質が成功したことが確認されました。形態特性は、小角 X 線回折 (XRD)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、透過型電子顕微鏡 TEM 分析によって検証されました。ベースポリマーとしてポリ(スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン) (PSEBS) を選択し、前述の方法を使用してホスホン酸官能基をポリマーにグラフトしました。この方法では、フリーデルクラフトアルキル化を使用してクロロメチル (-CH2Cl) 基を主鎖に結合し、続いてマイケルズ-アルブゾフ反応によってクロロメチル化ポリマーをホスホン化して、ホスホン化 PSEBS (PPSEBS) を得ました。機能化は、NMR および FTIR 分光法の研究を使用して確認されました。複合 PPSEBS/PSBA-15 膜は、PSBA-15 の異なる充填剤濃度 (2、4、6、および 8%) で製造されました。燃料電池用途に関して、複合膜の吸水量、イオン交換容量、プロトン伝導性など、さまざまな研究が行われました。研究から、6% の充填剤を含む PPSEBS/PSBA-15 膜は、140 °C で最大 8.62 mS/cm のプロトン伝導率を示すことがわかりました。最後に、PPSEBS/6% PSBA 複合膜、プラチナ (Pt) アノード、Pt カソードを使用して膜電極アセンブリ (MEA) を製造し、社内で構築した燃料電池 セットアップでテストしました。加湿されていない状態で 140 °C で、最大電力密度 226 mW/cm2 と開回路電圧 0.89 V を達成しました。