Thermal stability of proton exchange fuel-cell membranes based on crosslinked-polytetrafluoroethylene for membrane-electrode assembly preparation

架橋ポリテトラフルオロエチレンを基材とするプロトン交換燃料電池膜の熱安定性

澤田 真一; 八巻 徹也; 川人 慎平*; 浅野 雅春; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Yamaki, Tetsuya; Kawahito, Shimpei*; Asano, Masaharu; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Maekawa, Yasunari

固体高分子型燃料電池では、電解質膜と電極を熱圧着して一体化させた膜電極接合体(MEA)が用いられる。そこで架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を基材とする高分子電解質膜のMEA作製を目標とし、その熱安定性を評価した。電解質膜を200350Cの一定温度で加熱してから純水で洗浄した後、膜の残存重量,イオン交換容量(IEC),プロトン伝導度を測定した。IECと伝導度は、200Cまでは減少しなかった。ところが加熱温度が250Cになると、両者は急激に低下した。これは、スルホン酸基とベンゼン環のラジカル開裂、又はスルホン酸基どうしの脱水縮合に起因すると考えられる。得られた知見に基づき、架橋PTFE電解質膜と炭素電極を200Cで熱圧着させることで、電気抵抗の低いMEAを作製できた。

We investigated thermal properties of proton exchange membranes (PEMs) prepared by the radiation-induced grafting of styrene into crosslinked-polytetrafluoroethylene films and the subsequent sulfonation for fuel cell applications. A conventional thermogravimetric analysis was found to be unreliable because the resulting curve varied greatly with the heating rate. Thus, in order to obtain accurate information, we performed an ex-situ heat-treatment analysis, which involved heating of the PEMs at fixed temperatures of 200-350C and measurement of their remaining weight, ion exchange capacity (IEC) and proton conductivity after washing in pure water. The IEC and conductivity did not change at any temperature up to 200C, indicating high thermal stability. At 250C, however, the PEM properties deteriorated probably via radical cleavage of the C-S bond between a sulfonic acid group and an aromatic ring, and condensation of two sulfonic acid groups.