高エネルギー重イオンビームによる燃料電池用ナノ構造制御電解質膜の開発

Development of nano-structure controlled polymer electrolyte fuel-cell membranes by high-energy heavy ion irradiation

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

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

固体高分子形燃料電池の実用化のためには、プロトン伝導性,機械的強度,耐久性,ガス透過抑制能をはじめとする種々の特性を同時に満たす電解質膜の開発が不可欠である。しかし従来の電解質膜では、プロトン伝導性を向上させるとそれ以外の特性が大きく低下する傾向が見られ、これが膜研究において目下の課題となっている。われわれは、このトレードオフ関係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、TIARAにおける高エネルギー重イオンビーム照射による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た。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。

In order to develop proton-conductive membranes for PEFCs, we have been using high-energy heavy ion beams from the cyclotron accelerator of TIARA. Our strategic focus is centered on using nano-scale controllability of the ion-beam processing; the membrane preparation involves (1) the irradiation of commercially-available base polymer films with MeV ions, (2) graft polymerization of vinyl monomers into electronically-excited parts along the ion trajectory, called latent tracks, and (3) sulfonation of the graft polymers. Interestingly, the resulting membranes exhibited anisotropic proton transport, i.e., higher conductivity in the thickness direction. According to microscopic observations, this is probably because the columnar electrolyte phase extended, with a width of tens-to-hundreds nanometers, through the membrane. Other excellent membrane properties, e.g., sufficient mechanical strength, high dimensional stability, and low gas permeability should be due to such a controlled structure.