分子動力学計算による燃料電池用電解質膜の構造と物質透過性に関する研究

摘要

Polymer electrolyte membranes (PEMs) with high proton conductivity and low fuel (hydrogen or methanol) crossover are essential for developing efficient polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). To obtain an optimal design for PEMs with high proton conductivity and low methanol crossover (MCO)， we carried out a series of molecular dynamics (MD) simulations on sulfonated poly(phenylene oxide) (SPPO) and Nafion~® membranes with variations in water content and degree of sulfonation. We investigated the structures of these polymers and the diffusion mechanisms of protons, water, and methanol. Our simulation results indicated that it is possible to achieve both high proton conductivity and low MCO if the water content in highly sulfonated SPPO can be reduced. We examined composite membranes consisting of SPPO and cross-linked resins such as epoxy and silane in an attempt to control the water content. As a result, we succeeded in reducing water content and MCO in highly sulfonated SPPO, while keeping proton conductivity equivalent to that of Nafion~®.%高効率の固体高分子形燃料電池(PEFC)開発においては，プロトン伝導性が高く，燃料である水素やメタノールをブロックするのに適した高分子電解質膜が求められる.本研究では，高プロトン伝導度と低メタノールクロスオーバー（MCO)の両立に適した電解質膜の設計指針を得るため，種々の含水 率，スルホン化度に設定したSPPOおよびNafion~®を対象として，分子動力学計算を実施し，ポリマー構造とポリマー中のプロトン，水，メタノールの拡散メカニズムを解析した.その結果，高スルホン化度のSPPOの含水率を抑制することにより，高伝導度と低MCOの両立が可能であることが示された.この設計コンセプト実現のため，エポキシ，シランなどの架橋成分をSPPOにブレンドしたコンポジット膜の検討を行ったところ，含水率抑制を実現するとともに，Nafion~®と同等のプロトン伝導度を維持し，MCO を低減することに成功した.