イオンビーム照射技術による燃料電池用電解質膜の開発

Development of polymer electrolyte membranes by ion-beam irradiation technique for fuel cell applications

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 吉田 勝; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成

Yamaki, Tetsuya; Kobayashi, Misaki*; Asano, Masaharu; Yoshida, Masaru; Nomura, Kumiko*; Takagi, Shigeharu*; Maekawa, Yasunari

イオンビームは、重荷電粒子一つ一つの通過で局所的に高いエネルギーを付与し、照射により潜在飛跡と呼ばれる円柱状の領域が形成される。本研究では、直径数十数百nmの潜在飛跡内に生成した活性点(ラジカルや過酸化物)からのグラフト重合により、燃料電池用電解質膜を作製した。日本原子力研究開発機構イオン照射施設(TIARA)のAVFサイクロトロンにおいて、25m厚のエチレン-テトラフルオロエチレン(ETFE)膜に100MeV O(1核子あたり6.3MeV/n),400MeV Fe(同7.1MeV/n),450MeV Xeイオン(同3.5MeV/n)をフルエンス3.0103.010ions/cmで照射した後、スチレンのグラフト重合とクロロスルホン酸を用いたスルホン化によって電解質膜を得た。透過型電子顕微鏡,電界放出型走査型電子顕微鏡による観察の結果、Xeイオン照射で得られた電解質膜におけるプロトン伝導経路の形態について、膜厚方向に延びる断面を楕円とした柱状でその太さは約250nmであることが確認できた。また、プロトン伝導率,最大引張強度,乾湿寸法変化などの特性は、ナフィオン112と比較して優れていることが明らかになった。

Fluoropolymer films were bombarded with swift heavy ions to produce an activated zone along the incident axis. The chemically active species generated in this so-called ion track were used to initiate the grafting of styrene, and the subsequent sulfonation of the graft chains provided the electrolyte membranes with anisotropic proton conductivity in the thickness direction. These membranes were found to have sufficient mechanical strength as well as highly conductive pathways with a cylindroidal shape of tens-to-hundreds nanometer size.