高性能高耐久性燃料電池を可能とする電解質膜を開発~フッ素を全く含まない高分子複合膜でPFAS規制にも対応~

2026-02-09 早稲田大学

本研究では、フッ素を全く含まない新規プロトン導電性高分子電解質と多孔性ポリエチレン基材を組み合わせた複合電解質膜を開発し、固体高分子形燃料電池(PEFC)の性能と耐久性を大幅に向上させることに成功した。スルホン酸基を持つフェニレン基、キンケフェニレン基、脂肪族基の三成分構造と組成を最適化することで、80~120℃で高いプロトン導電率と優れた機械・化学安定性を両立した。120℃・低湿条件下でも市販フッ素系膜を上回る発電性能と10万サイクル超の耐久性を示し、PFAS規制にも対応可能な次世代燃料電池用電解質膜として実用化が期待される。

高性能高耐久性燃料電池を可能とする電解質膜を開発~フッ素を全く含まない高分子複合膜でPFAS規制にも対応~
図1:本研究で開発したプロトン導電性高分子電解質(SP-PAC12-QP)の合成方法、およびそれと多孔性ポリエチレンを組み合わせた複合膜の写真。茶色透明で均一な薄膜構造が、高プロトン導電率と化学的・機械的安定性の両立を可能にする。

<関連情報>

過酷な条件下でも動作可能な高性能・耐久性燃料電池のための汎用フッ素フリープロトン交換ポリマー Universal Fluorine-Free Proton Exchange Polymers for High-Performance and Durable Fuel Cells Operable Under Severe Conditions

Fanghua Liu, Kenji Miyatake, Ick Soo Kim, Ahmed Mohamed Ahmed Mahmoud, Vikrant Yadav, Fang Xian
Advanced Materials  Published: 03 February 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202520137

ABSTRACT

Fluorine-free proton exchange membranes (PEMs) could offer a promising alternative to perfluorosulfonic acid (PFSA) membranes, addressing challenges such as negative environmental impact, high cost, and limited performance under harsh conditions. However, fluorine-free PEMs inherently suffer from low proton conductivity due to weaker acidity and poorly developed hydrophilic/hydrophobic phase-separation, along with limited mechanical and chemical stability. Here, we report a novel and universal fluorine-free PEMs featuring aliphatic chains in the backbone, which for the first time to dissolve all the issues mentioned, such as 2.6 times higher proton conductivity than PFSAs. Further physical reinforcement (SP-PAC1267-QP-4.5-PE-7) effectively extended their lifetime to 335.1 times of the original SP-PAC1267-QP-3.5, and exceeded 1.3 times of the state-of-the-art fluorinated Nafion XL reinforced membrane, in the severely accelerated durability test. Furthermore, the fluorine-free PEMs exhibited outstanding performance than Nafion XL, especially at elevated temperatures, proving their practical applicability as a promising alternative to the fluorinated counterparts.

0402電気応用
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