イオンビームによる全炭化水素系高分子を基材とした異方伝導性燃料電池膜の作製

Preparation of anisotropic conductive polymer electrolyte fuel-cell membranes based on poly(ether ether ketone) by using heavy-ion beam irradiation

奈良崎 羊子*; 土橋 敏明*; 澤田 真一; 榎本 一之; 長谷川 伸; 前川 康成

Narasaki, Yoko*; Dobashi, Toshiaki*; Sawada, Shinichi; Enomoto, Kazuyuki; Hasegawa, Shin; Maekawa, Yasunari

燃料電池自動車に適用できる高温作動高耐久性電解質膜の開発を目的に、耐熱性やガス不透過性に優れたポリエーテルエーテルケトン(PEEK)を基材とし、イオンビーム照射技術を利用することで、局所的にプロトン伝導パスを有する電解質膜の作製を検討した。(1)PEEK膜へのジビニルベンゼンの熱重合,(2)PEEK膜に対するXeイオンの照射(フルエンス: 310ions/cm), (3)イオン潜在飛跡領域へのスチレンスルホン酸エチル(ETSS)のグフト重合,(4)加水分解によるスルホン酸基の導入の手順で電解質膜を作製し、局所的な伝導パスの形成は、イオン飛跡=膜厚方向のみの異方導電特性から評価した。ETSSのグラフト率が23%の電解質膜は、膜面方向の導電率は0.0033S/cmと非常に低いのに対し、膜厚方向では0.0093S/cmという導電率を示した。このことは、スルホン酸基が潜在飛跡領域のみに選択的に導入されたことで、局所的にイオン伝導パスが形成できたと解釈できる。

The novel polymer electrolyte membranes (PEMs) showing the proton conductivity only in the thickness direction were prepared based on poly (ether ether ketone) (PEEK), which has good mechanical strength and gas barrier property at high temperature, by using heavy-ion beam irradiation technique. The preparation procedure was as follows: (1) thermal polymerization of divinylbenzene into PEEK film; (2) irradiation of Xe ions at 310 ions/cm to the PEEK film; (3) graft polymerization of ethyl styrenesulfonate (ETSS) into ion latent track regions; and (4) introduction of sulfonic acid groups by hydrolysis. The resultant PEM with the ETSS grafting degree of 23% exhibited the thickness-direction conductivity of 0.0093 S/cm, which was three-times higher than the in-plane conductivity (0.0033 S/cm). This result suggests that the sulfonic acid groups were introduced only in the ion latent track regions, thereby allowing the PEM to have anisotropic conduction property.