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高エネルギー重イオンビームによる燃料電池用ナノ構造制御電解質膜の開発

Development of nano-structure controlled polymer electrolyte fuel-cell membranes by high-energy heavy ion irradiation

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

Yamaki, Tetsuya; Kobayashi, Misaki*; Asano, Masaharu; Nomura, Kumiko*; Takagi, Shigeharu*; Maekawa, Yasunari; Yoshida, Masaru*

本発表では、潜在飛跡内に高密度で生成した励起活性種(ラジカルや過酸化物)によるグラフト重合を利用したナノ構造制御型電解質膜の作製とその特性について報告する。電解質膜は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜(25$$mu$$m厚)に100MeV $$^{16}$$O, 400MeV $$^{56}$$Fe、又は450MeV $$^{129}$$Xeイオンを照射後、スチレンモノマーをグラフト重合し、さらにグラフト高分子鎖をスルホン化することにより作製した。プロトン伝導性がナフィオン膜と同程度の電解質膜において、最大引張強度は50MPa以上に達し、ナフィオン112膜よりも高い値であることが明らかになった。ナノ構造制御によりフッ素系高分子基材の性質を保持できたことで、機械的特性に限らず含水時の寸法安定性,H$$_{2}$$透過抑制能にも優れた電解質膜が得られた。

Our presentation deals with the application of high-energy heavy ion beams to the preparation of nano-structure controlled electrolyte membranes. The membrane preparation involves (1) irradiation of commercially-available base polymer films with 100 MeV $$^{16}$$O, 400 MeV $$^{56}$$Fe, or 450 MeV $$^{129}$$Xe, (2) graft polymerization of vinyl monomers into latent tracks, and (3) sulfonation of the graft polymers. The resulting membranes exhibited anisotropic proton transport, i.e., higher conductivity in the through-plane direction. According to microscopic observations, this is probably because the nearly columnar electrolyte phase with a width of tens-to-hundreds nanometers extended through the membrane. Interestingly, our ion irradiation technique would be able to control the nano-structure of proton-conducting pathways in the membranes. Other excellent membrane properties should also be due to such a controlled structure.

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