Water diffusion in fluoropolymer-based fuel-cell electrolyte membranes investigated by radioactivated-tracer permeation technique

放射性トレーサーの透過試験によるフッ素型燃料電池電解質膜における水の自己拡散に関する研究

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

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

固体高分子型燃料電池において、電解質膜の水輸送特性は発電効率に多大な影響を及ぼす。具体的には、水の輸送量が多い電解質膜を用いた場合、アノード側の水が膜中を透過してカソード側に滞留してしまい(フラッディング)、燃料ガスの供給を阻害するので発電効率が低下すると言われる。そこで本研究では、高分子電解質膜の水輸送特性を調べるため、同位体トレーサーを用いた手法により、膜内の水の自己拡散係数Dwを求めた。電解質膜は、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法によって作製した。得られた電解質膜で2室型のガラスセルを挟み、各室をトリチウム水(HTO)と純水で満たし、下流側のHTO濃度を経時測定することでDwを算出した。架橋PTFE電解質膜のDwは、イオン交換容量(IEC)が小さいほど低下し、IEC=1.2meq/gの膜では2.010m/sとなった。この値は、従来膜NafionにおけるDw=4.910m/sと比較して4割に過ぎない。水透過を抑制する低Dwの架橋PTFE電解質膜は、フラッディングを回避できる燃料電池膜として有望である。

In polymer electrolyte fuel cells, the water transport properties of the polymer electrolyte membranes (PEMs) would affect the cell performance. In this study, we investigated the self-diffusion coefficient of water molecules in the PEMs by using radioactivated-tracer permeation technique. The PEMs were synthesized from crosslinked-polytetrafluoroethylene (cPTFE) by the radiation-induced grafting method. The Dw of the PEMs increased with their ion exchange capacities (IECs), and reached the maximum value of 3.710m/s at the IEC of 2.4 meq/g. interestingly, commercially-available Nafion membrane exhibited the highest Dw of 4.910m/s despite of its low IEC. The lower Dw in the cPTFE PEMs is probably attributed to the geometry of hydrophilic regions phase-separated from the surrounding hydrophobic polymers.