~提高壳聚糖电解质膜的阴离子导电性~
摘 要：具有高二氧化碳减排效果的固体高分子燃料电池（PEFC）作为清洁能源被用于家用热电联产系统和燃料电池汽车。由于阴离子交换型PEFC在碱性环境下运行，因此可以将非贵金属催化剂用作铂负载碳催化剂的替代材料，进而有望降低成本。但是，尚未发现具有足够阴离子导电性的电解质膜。而本研究中开发出一种将壳聚糖和聚乙烯醇（PVA）结合用于阴离子交换型PEFC的电解质膜。壳聚糖-PVA能够均匀成膜50μm左右，阴离子电导率为5.012×10-2S/cm，输出特性为16.5mW/cm2。
关键字：壳聚糖，阴离子交换膜，电解质膜，PEFC，固体高分子燃料电池，壳聚糖-PVA膜
1、前言
燃料电池是一种可将燃料中的氢气与空气中的氧气发生反应生成水时释放的化学能转化成电能的电源装置。该清洁系统有望为节能减排做出贡献。固体高分子燃料电池（PEFC）具有高能转换效率、低温运行（约80℃）等特征，已在家庭发电和汽车电源中投入实际使用。
PEFC使用铂负载碳（Pt/C）催化剂，价格高昂，因此成本高是其课题之一。于是，研究人员正在广泛研究使用非贵金属材料的催化剂。此外，在之前的报告中，已经报告了所开发的使用β-铁酞菁的催化剂1,2），并申请了专利（日本专利特开2018-29011号）。
该催化剂在碱性环境下具有不亚于Pt/C催化剂的潜力，并且具有高耐久性。
目前实现实用化的PEFC为质子交换型PEFC，其电堆内部的pH为1以下，条件恶劣。在这种环境下可以用作催化剂的金属只有钯（Pd）、铂（Pt）、金（Au）；另一方面，阴离子交换型PEFC具有碱性环境，即使使用Pt以外的金属，其耐久性也并不逊色，当其投入实际使用后，PEFC的去Pt化将大大提高。因此，阴离子交换型PEFC有望实现实用化。使用液体电解质的阴离子交换型燃料电池在40多年前已经实现实用化。近年来，用固体电解质代替液体电解质的研究被广泛推进3）。然而，由于高分子电解质膜的阴离子导电性不足，因此存在无法提高发电输出的问题。
由于壳聚糖具有氢氧化物离子导电性4,5），因此是作为阴离子交换型电解质膜研究的材料之一。SAITEC（日本琦玉县产业技术综合中心）一直致力于壳聚糖-聚乙烯醇（PVA）膜的开发6,7）。研究人员发现，加入壳聚糖可以提高阴离子的导电性，提高壳聚糖浓度也可以提高阴离子的导电性。然而，阴离子电导率仍未达到10-1S/cm（相当于Nafion膜），并且所制备的膜不均匀，难以调整膜厚。
本研究中研究了壳聚糖-PVA膜的制膜方法，并试图提高阴离子导电性和制膜的稳定性。此外，还评估了壳聚糖-PVA膜的阴离子电导率和输出特性。
2、实验方法
2.1 壳聚糖-PVA膜的制备①
图1为制膜方法的概略图。将壳聚糖粉末分散在纯水中，并通过添加盐酸使其溶解以制备4wt%的水溶液。此外，将PVA粉末溶解在纯水中至12wt%的浓度以制备水溶液。将壳聚糖水溶液和PVA水溶液按预定比例混合，然后浇铸到玻璃板上，并在30℃下干燥。
将干燥后得到的复合膜浸入1%的戊二醛（GA）水溶液中2小时以进行化学交联处理，用纯水洗净后在30℃下干燥。然后，将其浸入1％的聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）水溶液中3小时以进行阳离子化，并用纯水洗净。最后，将其浸入1.0M氢氧化钾水溶液中3小时，用纯水洗净表面，浸入纯水中1小时后在30℃下干燥。
图1 制膜方法的概略图