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Japan > 材料科学 > 代替エネルギー材料 > 固体高分子電解質
代替エネルギー材料

固体高分子電解質

パーフルオロスルホン酸イオノマーは非常に優れたプロトン導電性ポリマーですが、その製造コスト、安全性や高温での安定性などの点から、非フッ素系の新たな膜材料の開発が求められています1。これまでに、ポリスチレンや、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK： poly(ether ether k etone)2）をはじめとするポリアリーレンエーテル（poly(arylene ether)）、ポリイミド（polyimide）3、ポリフォスファゼン（polyphosphazene）、ポリベンゾイミダゾ－ル（PBI： polybenzimidazole）などの芳香族系ポリマーをスルホン化、もしくは酸をドープする方法が用いられています1。また、リン酸やイミダゾール、トリアゾールなどをプロトン導電体として用いることで、無加湿・100℃以上で燃料電池を動作させることも検討されています1,4。

スルホン化スチレン－オレフィン共重合体膜

部分的にスルホン化した「スチレン-エチレン/ブチレン-スチレン」ブロック共重合体です。溶液からキャストして作製した膜は弾性のあるハイドロゲルで、完全に水和させた場合に0.07-0.1S/cmの導電率を持ちます。X線/中性子小角散乱測定で、親水性と疎水性領域のbicontinuous型ネットワークがあると考えられています1,5。

化合物名 Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)block-polystyrene, sulfonated, 5 wt.% solution in 1-propanol
製品番号 659444
(cross-linkable)		 448885
構造式 Sulfonated Poly(ethylene-ran-butylene)-b-PS構造式
スチレン 29 wt. %
スルホン化スチレンユニット 55～65%
ビニルシラン架橋剤 0.5% 未満 -
導電率（S/cm） 0.1078 約0.07
備考 室温から67℃まで加熱した場合、
イオン伝導率は50% まで増加可能		 NA

製膜方法

  • 1. 溶液を粘度が600センチポアズ程度になるまで濃縮します。（一般的には6-9 wt. % ポリマー濃度です。）
  • 2. キャスティング用の板もしくは皿などを前もって35℃に加熱しておきます。清浄で平らなテフロンコートしたガラス表面をお勧めします。
  • 3. シリコンライナーをキャスティング表面に固定します。
  • 4. このライナー上に所定量のポリマー溶液を広げます。
  • 5. 30分ほど乾燥させます。蒸発速度を調節する為に小さな穴を開けたアルミホイルで表面を覆っておくことをお勧めします。
  • 架橋させる場合は上記手順の後、以下の作業が加わります。
  • 6. 下記の条件で架橋反応させます。
  • 110℃で10-15分、もしくは140-150℃で約1分間乾燥させた後、800-1000 mJ/cm2のUVを照射します。
  • 7. 反応終了後、膜の強度を上げるために0.5M 硫酸溶液で約20分処理します。

その他の固体高分子電解質

Poly(bis(4-sulfophenoxy)phosphazene)構造式 Poly(bis(4-sulfophenoxy)phosphazene)

スルホン化したPolyphosphazeneを架橋して作製した膜が、PEM燃料電池に利用されます6。スルホン化したポリマーをポリアクリロニトリルとブレンドして架橋することで、直接メタノール形燃料電池（DMFC）用の電解膜に用いられています7。

Aldrich製品番号：652792　容量：1 g
Poly(vinylphosphonic acid)構造式 Poly(vinylphosphonic acid)

イミダゾ－ルをドープしたポリ(ビニルリン酸）は水を必要としない燃料電池用プロトン導電性膜で、約150℃まで熱安定性を持ちます8,9。このほかに、化学・バイオセンサー10、バイオ複合材料11、表面改質12などにも用いられます。

Aldrich製品番号：661740　容量：1 g

弊社ではナフィオン（Nafion®）製品も取り扱っております。あわせてご利用ください。

References

  1. Hicker, M. A.; Ghassemi, H.; et al. Chem. Rev., 2004, 104, 4587.
  2. Miyatake, K.; Chikashige, Y.; et al. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 3879.
  3. Asano, N.; Aoki, M.; et al. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 1762.
  4. Zhou, Z.; Li, A.; et al. J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 10824.
  5. Serpico, J. M.; Ehrenberg, S. G.; et al. Macromolecules, 2002, 35, 5916.
  6. "Sulfonated and crosslinked polyphosphazene-based proton-exchange membranes." Guo, Q.H.; Pintauro, P.N.; Tang, H.; O'Connor, S., J. Membr. Sci., 1999, 154, 175.
  7. "Blended polyphosphazene/polyacrylonitrile membranes for direct methanol fuel cells." Carter, R.; Wycisk, R.; Yoo, H.; Pintauro, P. N. Electrochem.Solid-State Lett., 2002, 5(9), A195.
  8. Sevil, F.; Bozkurt A.; J. Phys. Chem. Solids, 2004, 65, 1659.
  9. Lee, Y. J.; et al. J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 9711.
  10. Ren, Minghan; Forzani, Erica S.; Tao, Nongjian Anal. Chem., 2005, 77, 2700.
  11. Greish, Y. E.; Brown, P. W. Biomaterials, 2001, 22, 807.
  12. Van Den Brand, J; Van Gils, S.; BeenTjes, P. C. J.; Terryn, H.; Sivel, V.; de Wit, J. H. W. Prog. Org. Coat, 2004, 51, 339.
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