改良された電気化学装置のための高透性硫黄酸イオノマー:構造-特性関係に関する洞察

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 化学工学

背景:

• ポリマー-電解質燃料電池 (PEFC) に不可欠な商用イオノマーは,フルオリン化化学 (例えば,ポリテトラフルオロエチレン - PTFE) に基づいています.
• PTFEは機械的な強度と低気流性を提供していますが,電極の質量輸送損失を大きくし,特にプラチナの負荷が低い場合,PEFCの性能を制限しています.

研究 の 目的:

• パルフローロ ((2-メチレン-4-メチル-1,3-ダイオクソラン) (PFMMD) の骨幹を持つ新しいイオノメアを導入する.
• この新しいバックボーン化学がイオノマー構造,水分化,陽子の伝導性,およびガス透過性にどのように影響するかを調査する.
• この新しいイオノマーをPEFCで触媒結合剤として使用する際の性能の影響を評価する.

主な方法:

• PFMMDのバックボーンを備えた新しいイオノマーの合成
• アイオノマーの構造変化の特徴化,ドメインの腫れと水分化下で結晶性の破壊を含む.
• 新型イオノメアの陽子伝導性とガス透過性の測定.
• 新しいイオノマーを触媒結合剤として使用したPEFC性能の評価

主要な成果:

• 新しいPFMMDの骨格は,マトリックス結晶性を破壊し,水分補給中にイオノマー領域の腫れを制限しました.
• これらの構造的変化は,陽子の伝導性がわずかに減少したが,ガスの透過性が著しく増加した.
• 高度浸透性のイオノマーを触媒結合剤として使用することで,PEFCの性能を大幅に改善する可能性があることが示された.

結論:

• PEFCの性能を最適化するために,特定のデバイスの要件にアイオノマー化学を合わせることが重要です.
• 新しいイオノマーの設計は,PEFC電極における質量輸送の損失を軽減するための有望な戦略を提供します.
• イオノマー化学の合理的な設計は,特に低プラチナ負荷のアプリケーションでは,燃料電池の効率を高めることができます.