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; プロトン伝導性の検討

Development of nano-structure controlled polymer electrolyte fuel-cell membranes by high-energy heavy-ion irradiation; Study of their proton conductivity

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*

イオンビームによるグラフト重合で得られるナノ構造制御電解質膜のプロトン伝導性について詳細に調べたので報告する。電解質膜の作製は、(1)エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜のイオンビーム照射、(2)照射膜へのスチレンモノマーのグラフト重合、(3)グラフト高分子鎖のスルホン化の順で行った。80C,相対湿度90%におけるプロトン伝導率は、ナフィオンとほぼ同じイオン交換容量において一致し0.1S/cm程度であった。また、興味深いことに、線グラフト重合で作製された電解質膜と比べて高伝導化の傾向が確認され、イオンビーム潜在飛跡への高密度導入による効果が示唆された。

This study deals with the application of high-energy heavy ion beams from the cyclotron accelerator of Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application (TIARA), JAEA. Our strategic focus is centered on using nano-scale controllability of the ion-beam processing; the membrane preparation involves (1) the irradiation of commercially-available base polymer films with hundreds of MeV ions, (2) graft polymerization of vinyl monomers into electronically-excited parts along the ion trajectory, called latent tracks, and (3) sulfonation of the graft polymers. The resulting membranes exhibited anisotropic proton transport, i.e., higher conductivity in the thickness direction. The through-plane proton conductivity, which is a more direct measurement of the membrane's conductivity and is of interest in an operating fuel cell, was comparable to that of a Nafion112 membrane at the same ion exchange capacity level.