Free-volume structure of fluoropolymer-based radiation-grafted electrolyte membranes investigated by positron annihilation lifetime spectroscopy

陽電子消滅寿命法を用いたフッ素系放射線グラフト電解質膜のミクロ空孔構造評価

澤田 真一; 河裾 厚男; 前川 雅樹; 薮内 敦; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Kawasuso, Atsuo; Maekawa, Masaki; Yabuuchi, Atsushi; Maekawa, Yasunari

固体高分子型燃料電池用の電解質膜はナノメートルスケールのミクロ空孔を有しており、この空孔構造が水・プロトンの輸送特性や燃料ガスの透過性,機械的特性などに影響を及ぼすと考えられる。さまざまな材料中のミクロ空孔を調べる最適な手法としては、陽電子消滅寿命(PAL)測定法が盛んに利用されている。そこで本研究では、PAL測定によって、架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を基材とする放射線グラフト電解質膜のミクロ空孔構造を評価した。得られたPALスペクトルから、膜内におけるo-Psの消滅パターンは2種類あることがわかった。これらのo-Psの寿命は2.0-2.1nsと4.3-4.5nsであり、それぞれ0.28-0.30nm, 0.44-0.45nmの空孔サイズに相当する。小さい空孔はPTFEの結晶及びグラフト鎖領域に存在し、一方、大きい空孔はPTFEの非晶領域にあることが示唆された。

During the operation of polymer electrolyte fuel cell, supplied fuel gases sometimes permeate through the polymer electrolyte membrane (PEM), thereby affecting the cell performance. For developing the novel PEM with low gas permeability, it is required to obtain an insight into the micro-pore structures in the PEM, which is related to gas permeation phenomena. In this study, we investigated the miro pore structures in the crosslinked-polytetrafluoroethylene (PTFE) based radiation-grafted PEMs by using positron annihilation lifetime (PAL) spectroscopy. From the obtained PAL spectra, there were found to be the two types of o-Ps in the PEMs. Their lifetimes are 2.0-2.1 ns and 4.3-4.5 ns, which correspond to the pore sizes of 0.28-0.30 nm and 0.44-0.45 nm, respectively. The small-size pores should be in PTFE crystallites and grafted phases, while the larger-size ones are probably in PTFE amorphous regions.