Preparation of PTFE-based fuel cell membranes by combining the latent track formation technology with graft polymerization

イオントラック技術とグラフト重合を組合せたPTFE系燃料電池用高分子電解質膜の作製

吉田 勝; 木村 祥亮; Chen, J.; 浅野 雅春; 前川 康成

Yoshida, Masaru; Kimura, Yosuke; Chen, J.; Asano, Masaharu; Maekawa, Yasunari

重イオンビーム照射で形成する潜在飛跡領域に選択的にグラフト重合を進行させることにより、膜厚方向に高いプロトン伝導度を持つ高分子電解質膜の開発を進めている。潜在飛跡領域と膜表面層にのみ選択的にグラフト鎖を導入するため、光グラフト又は線グラフトの重合溶媒を検討した。その結果、光グラフトの場合はアセトン/水混合溶媒系、線グラフトの場合はイソプロパノール/水混合溶媒系を用いることにより、潜在飛跡領域と膜表面層に選択的にグラフト鎖が導入できることがわかった。いずれの方法においても、グラフト率を制御することで、0.40.6mmol/gのイオン交換容量を持つ電解質膜を作製することができた。同じイオン交換容量を持つ電解質膜で比較した場合、イオン未照射系のプロトン伝導度が0.03S/cmであるのに対し、Xeイオン照射系では両方の手法において0.08S/cm(フルエンス:310ions/cm)まで向上した。このことからイオン照射系では、潜在飛跡領域に選択的に高密度の伝導性基が充填されたと推察した。さらに、電解質膜の機械的強度は、線グラフト手法より光グラフト手法のほうが優れていることもわかった。

The development of polymer electrolyte fuel cell membranes with a higher proton conduction pathway in the thickness direction of the film is advanced by introduction of graft chains in the latent tracks zone formed along the swift heavy ion with both the UV-grafting and the -grafting. In this study, polytetrafluoroethylene (PTFE) film was irradiated with ion species of 450 MeV Xe and 56 MeV N, to obtain the iPTFE film. The iPTFE proton-conducting membranes with an ion-exchange capacity of 0.4-0.6 mmol/g were prepared in the UV- and -grafting methods. The proton conductivity () in the thickness direction of the PTFE-specimen without ion-beam irradiation was obtained to be 0.03 S/cm. In contrast to this, the value of the iPTFE proton-conducting membranes reached both up to 0.08 S/cm in two methods, when the Xe ions with a fluence of 310 ions/cm were irradiated.