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; 寸法安定性の照射イオン依存性

Development of nano-structure controlled polymer electrolyte fuel-cell membranes using high-energy heavy-ion beams; Irradiating-ion dependence of their dimensional stability

八巻 徹也; 関根 敏彦; 澤田 真一; 越川 博; 浅野 雅春; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 前川 康成

Yamaki, Tetsuya; Sekine, Toshihiko; Sawada, Shinichi; Koshikawa, Hiroshi; Asano, Masaharu; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Maekawa, Yasunari

直径が数nmから数百nmに及ぶ高速イオンの潜在飛跡に直接グラフト重合を施すことで、その円柱状領域にスルホン酸基を集積させたナノ構造制御電解質膜が作製できる。今回われわれは、この電解質膜の特性に対する照射イオン依存性に着目し、特に寸法安定性の観点から詳細を検討したので報告する。実験では、照射イオンビームを56MeV N, 150MeV Ar, 450MeV Xeの3種に変化させ、潜在飛跡ができる限り重ならず互いに孤立するよう、それぞれ3.010, 3.010, 3.010 ions/cmのフルエンスで照射した。既報に従い、イオン交換容量(IEC)が0.8-1.4meq/gの電解質膜を作製し、それらの面積変化率を調べたところ、同じIECの下でも照射イオンによって大きく異なるという興味深い結果が得られた。潜在飛跡の直径と照射フルエンスから計算されるプロトン伝導性部が膜全体に占める割合によって、この結果を説明することができた。

We have been developing the electrolyte membranes for fuel cell applications by direct grafting into cylindrical latent tracks of swift heavy ions. This study deals with the effect of varying bombarding ions on the dimensional stability of this so-called nano-structure controlled membrane. A poly(ethylene--tetrafluoroethylene) (ETFE) film was irradiated with 56 MeV N, 150 MeV Ar, and 450 MeV Xe ions at fluences of 3.010, 3.010, and 3.010 ions/cm, respectively. The membranes were prepared by our established method and then examined in terms of their area change due to water absorption. Interestingly, a swelling ratio depended largely on the bombarding ions. The percentage of proton conductive regions in the entire membrane was calculated by the diameter of each latent track and ion fluence and then used effectively for rationalizing the obtained results.