イオンビーム照射技術によるナノ構造制御電解質膜の開発

Development of nanostructure-controlled fuel-cell membranes by ion irradiation technique

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

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

固体高分子型燃料電池(PEFC)の実用化のためには、高いプロトン伝導度のほか、機械強度,耐久性,ガス透過抑制能などさまざまな特性を同時に満たすイオン交換膜の開発が不可欠である。現在、PEFCの駆動条件は高温・低加湿の方向に向かっており、そのような条件下でも高いプロトン伝導度を発現する電解質膜は機械強度に劣るなどの背反が知られている。われわれは、電解質膜における背反事項を克服するには膜中のナノ構造の制御が有効であると考え、イオン照射及びグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発を行っている。今回は、イオン照射の条件を変えた時に膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造の違いと、プロトン伝導度など各種物性に対する影響を調べたので報告する。

To realize mass commercialization of fuel cell, many kinds of properties, such as high proton conductivity, low water swelling and high mechanical strength, are required for a polymer electrolyte membrane. Utilizing nano-scale controllability of an ion beam is our strategic way for the preparation of fuel-cell electrolyte membranes. The preparation of membranes involve (1) the irradiation of heavy ions with different masses and energies; (2) the grafting of styrene into electronically-excited region along the ion trajectory called the latent track; (3) sulfonation of the graft chains. According to the FE-SEM and TEM observations, the proton conductive electrolyte part appeared to extend through the membrane thickness with dimensions of tens-to-hundreds nanometers, which agreed with the calculated latent track diameter. Correlations between membrane properties, such as proton conductivity and nanostructure were investigated.