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Hierarchical structure / property analysis of ETFE-based graft-type polymer electrolyte membranes

ETFEを基材とするグラフト電解質膜の階層構造及び膜特性の解析

Tran, D. T.; 澤田 真一; 長谷川 伸; 吉村 公男; 大場 洋次郎*; 大沼 正人*; 勝村 庸介*; 前川 康成

Tran, D. T.; Sawada, Shinichi; Hasegawa, Shin; Yoshimura, Kimio; Oba, Yojiro*; Onuma, Masato*; Katsumura, Yosuke*; Maekawa, Yasunari

固体高分子燃料電池電解質膜の膜特性向上を図るためには、電解質膜の構造に関する基礎的知見が必要不可欠である。そこで本研究では、小角X線散乱(SANS)測定や原子間力顕微鏡(AFM)観察などにより、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)を基材とするグラフト型電解質膜のナノスケールからメソスケールにわたる階層構造を調べた。SAXS測定では、相関長d=36.1nm及び1.48nmの位置にピークが現れ、これらはそれぞれETFE結晶ラメラの間隔とスルホン酸基間の距離に相当すると考えられる。AFM観察では、ETFE主鎖からなる疎水性領域とポリスチレンスルホン酸グラフト鎖からなる親水性領域が明確に相分離することが明らかとなった。

Fundamental understanding of the structure-property relationship of PEM is prerequisite for proper material design to improve PEM performance. In this work, we studied hierarchical structures of ETFE-based graft-type polymer electrolyte membranes using small-angle X-ray scattering (SAXS), atomic force microscopy (AFM), and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Then the relationship between hierarchical structures and fuel cell properties of ETFE-PEM was explained. The membrane possesses a shoulder peak at low q range with d-spacing of 36.1 nm and new peak at high q range with d-spacing of 1.48 nm. Such peaks should be originated from lamellar structure and correlation distance of the sulfo groups in poly(styrene sulfonic acid) grafts, respectively. In FE-SEM images, the clear phase separation between hydrophobic and hydrophilic domains was observed.

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