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Nano-structure controlled polymer electrolyte membranes for fuel cell applications prepared by ion beam irradiation

イオンビーム照射により作製したナノ構造制御型高分子電解質膜

八巻 徹也; 小曾根 雄一; 廣木 章博; 浅野 雅春; 久保田 仁*; 吉田 勝

Yamaki, Tetsuya; Kozone, Yuichi; Hiroki, Akihiro; Asano, Masaharu; Kubota, Hitoshi*; Yoshida, Masaru

日本原子力研究開発機構イオン照射施設が保有するサイクロトロン加速器からの重イオンビームを用いて、水電解システムや燃料電池に応用可能なフッ素系高分子電解質膜を作製した。このいわゆるナノ構造制御型電解質膜は、照射後の化学エッチングによって孔径100nmのポリフッ化ビニリデンイオン穿孔膜を作製し、次に得られた細孔への$$gamma$$線グラフト重合によりプロトン伝導性基を導入する、という2段階のプロセスで得られた。イオン交換容量を制御した電解質膜では膜厚方向のみに異方的なプロトン伝導性を示したことから、イオンの入射により生成した潜在飛跡に沿って一次元的なプロトン伝導経路が形成されていることが明らかになった。市販膜ナフィオンと比較すると、含水や物質(メタノール)透過の抑制能において優位性が確認できた。

Fluoropolymer-based electrolyte membranes for water electrolyzers and fuel cells were prepared by using heavy ion beams from the cyclotron accelerator. The preparation method for these so-called "nano-scale structure-controlled membranes" involves (1) the swift heavy ion irradiation of polyvinylidene fluoride films and subsequent chemical etching to obtain cylindrical pores with a diameter of 100 nm, and (2) the filling of proton-conducting polymer chains into the etched pores by $$gamma$$-ray-induced graft polymerization. The proton transport only in the thickness direction was observed for the resulting membranes with controlled ion exchange capacities, indicating the formation of one-dimensional straight proton-conducting pathways parallel to the ion-beam incident axis. The membranes exhibited a lower water uptake and reduced methanol permeability compared to commercially-available Nafion probably due to the restricted structures.

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