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Fuel-cell performance of multiply-crosslinked polymer electrolyte membranes prepared by two-step radiation technique

二段階放射線プロセスによる多重架橋型高分子電解質膜の作製と燃料電池性能

八巻 徹也; 澤田 真一; 浅野 雅春; 前川 康成; 吉田 勝*; Gubler, L.*; Alkan G$"u$rsel, S.*; Scherer, G. G.*

Yamaki, Tetsuya; Sawada, Shinichi; Asano, Masaharu; Maekawa, Yasunari; Yoshida, Masaru*; Gubler, L.*; Alkan G$"u$rsel, S.*; Scherer, G. G.*

本発表では、これまでに蓄積した燃料電池試験の結果をもとに、独自の放射線プロセスで高分子主鎖と側鎖の両方に橋架け構造を導入した"多重架橋"イオン交換膜の発電性能と耐久性に関する基礎的知見を報告する。発表で強調すべき興味深い結果は、95$$^{circ}$$Cという高温下において耐久性加速試験(開回路電圧保持試験)により性能を強制的に大きく低下させても、セルのオーム抵抗に全く変化がなかったばかりか、試験後のイオン交換膜に何の化学分解も認められなかったことである。この結果は、本試験のような過酷な作動条件においても膜自体が極めて安定であり、その劣化が性能に影響を与えるほど大きくないことを示している。インピーダンス測定の結果から、電極との接触性低下に由来した分極抵抗の増大が性能低下の主原因であると考えられ、この推測に基づいた電極との接合体の設計指針についても発表では提案したい。

A multiply-crosslinked polymer electrolyte membrane was prepared by the radiation-induced co-grafting of styrene and a bis(vinyl phenyl)ethane (BVPE) crosslinker into a radiation-crosslinked polytetrafluoroethylene (cPTFE) film. We then investigated its hydrogen/oxygen fuel-cell performance at 60 and 80$$^{circ}$$C in terms of the effect of radiation and chemical crosslinking. At 60$$^{circ}$$C, all the membranes initially exhibited similar performance, but only the cPTFE-based membranes were durable at 80$$^{circ}$$C, indicating the necessity of radiation crosslinking in the PTFE main chains. Importantly, cell performance of the multiply-crosslinked membrane was found high enough to reach that of a Nafion112 membrane. This is probably because the BVPE crosslinks in the graft component improved the membrane-electrode interface in addition to membrane durability. After severe OCV hold tests at 80 and 95$$^{circ}$$C, the performance deteriorated, while no significant change was observed in ohmic resistivity. Accordingly, our membranes seemed so chemically stable that an influence on overall performance loss could be negligible.

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