高温低加湿下で動作可能な燃料電池用グラフト型電解質膜の開発

Polymer electrolyte membranes with sulfoalkyl grafts for dry, hot operating conditions

榎本 一之; 高橋 周一; 大庭 遥奈*; 木原 伸浩*; 前川 康成

Enomoto, Kazuyuki; Takahashi, Shuichi; Oba, Haruna*; Kihara, Nobuhiro*; Maekawa, Yasunari

次世代燃料電池に不可欠な高温低加湿下でも高イオン伝導性を示すグラフト型電解質膜の合成を目的に、イオン伝導を担うスルホン酸と低加湿下での保水性が期待できる水酸基を併せ持つアルキルグラフト鎖を導入した電解質膜を作製した。グラフト型電解質膜の合成は、基材膜としてエチレンテトラフルオロエチレン共重合体を用い、グラフト鎖の高分子変換反応によるスルホアルキル化を以下の2段階反応で行った。(1)線照射した基材膜に酢酸ビニルをグラフト後、アセトキシル基のけん化により定量的にポリビニルアルコール(PVA)グラフト鎖に変換した。(2)PVAグラフト膜は、スルホン化試剤である1,3-プロパンスルトンとトリエチルアミン触媒存在下、トルエン中24時間加熱還流することで、スルホン化率39%(残り61%が水酸基)のアルキルグラフト膜(イオン交換容量1.2mmol g)に変換した。得られた電解質膜は、基材膜に近い機械強度(48MPa)を示し、現在のところ80C, 30%RHの低加湿下での伝導性が最も高いNafion膜に近い導電率(3.810S cm)を示した。

Polymer electrolyte membranes (PEM) with sulfoalkyl grafts containing carboxylic acid and hydroxyl groups into a poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) film can be synthesized, based on the base-catalyzed nucleophilic addition of 1,3-propane sultone with poly(vinyl alcohol) grafts or with poly(2-hydroxymethyl methacrylate) grafts. The PEM with the grafts containing hydroxyl groups showed higher ion conductivity than conventional graft-type PEM at low relative humidity.