Preparation of PTFE-based fuel cell membranes by combining latent track formation technology with graft polymerization

イオントラック技術とグラフト重合を組合せたPTFE系燃料電池用電解質膜の作製

吉田 勝*; 木村 祥亮*; Chen, J.; 浅野 雅春; 前川 康成

Yoshida, Masaru*; Kimura, Yosuke*; Chen, J.; Asano, Masaharu; Maekawa, Yasunari

重イオンビーム照射で形成する潜在飛跡領域に選択的にグラフト重合を進行させることにより、膜厚方向に高いプロトン伝導度を持つ高分子電解質膜の開発を進めている。ポリテトラフルオロエチレンの潜在飛跡領域と膜表面層にのみ選択的にグラフト鎖を導入するため、光グラフト又は線グラフトの重合溶媒を検討した。その結果、光グラフトの場合はアセトン/水混合溶媒系、線グラフトではイソプロパノール/水混合溶媒系を用いることにより、潜在飛跡領域と膜表面層に選択的にグラフト鎖が導入できることがわかった。同じイオン交換容量を持つ電解質膜で比較した場合、イオン未照射系のプロトン伝導度が0.03S/cmにあるのに対し、Xeイオン照射系では両方の手法において0.08S/cmまで向上した。このことからイオン照射系では、潜在飛跡領域に選択的に高密度の伝導性基が充填されたと推察した。さらに、電解質膜の機械的強度は、線グラフト手法より光グラフト手法の方が優れていることがわかった。

The swift heavy ions of 56 MeV Nwere irradiated with particle fluences of 3 10 ions/cm to form the latent track zone for a 25 m-thick film of polytetrafluoroethylene (iPTFE). The styrene (St) was grafted onto the iPTFE films by UV-irradiation and pre--irradiation and the resulting iPTFE-based proton conducting membranes were obtained after sulfonation, namely, iPTFE-g(UV)-PStSA and iPTFE-g()-PStSA membranes, which have a straight cylindrical damage zone around the ion path. The degree of grafting was obtained to be about 7.5% in both the UV-method and the -method. The ion exchange capacity, proton conductivity in thickness direction, MeOH permeability, tensile strength and elongation at break of the obtained iPTFE-g(UV)-PStSA membrane were 0.50 mmol/g, 0.06 S/cm, 0.15 10 cm/s, 50 MPa and 600%, in contrast to 0.06 mmol/g, 0.06 S/cm, 0.35 10 cm/s, 19 MPa and 210% for the iPTFE-g()-PStSA membrane, respectively. For comparison, the Nafion 112 measured in our laboratory showed an ion exchange capacity of 0.91 mmol/g, a proton conductivity of 0.06 S/cm, a MeOH permeability of 1.02 10 cm/s, a tensile strength of 35 MPa and an elongation at break of 295%. It could conclude from these data that the lower crossover of MeOH, proton conductibility of the Nafion corresponding even in lower ion exchange capacity and higher mechanical properties of the UV-grafted proton-conducting membranes make them promising materials for widespread application in direct methanol fuel cell.