溶媒コントラスト変調中性子小角散乱法による高分子電解質膜の構造評価

Structural analysis on hydrocarbon polymer electrolyte membrane by solvent contrast variation small-angle neutron scattering

小泉 智; 陸川 政弘*; 吉田 実留*; 徳増 崇*; Zhao, Y.; 前川 康成

Koizumi, Satoshi; Rikukawa, Masahiro*; Yoshida, Miru*; Tokumasu, Takashi*; Zhao, Y.; Maekawa, Yasunari

固体高分子形燃料電池の本格普及に際して、電池システムのコスト削減は急務である。このためには高温低加湿条件で動作する高分子電荷質膜を開発することが必須な課題といえる。例えば標準膜として実績のあるナフィオン(フッ素系高分子)でも、低加湿のもと水の脱離に伴いプロトン伝導性が急激に低下する。このような事情のもと、環境調和性及び廃棄コストに優れる炭化水素系電解質膜で、低加湿のもとで動作する新材料を開発することができれば代替材料となる期待が大きい。炭化水素系電解質膜では、確立された連鎖重合や縮合重合を用いてブロック共重合体などの特殊構造高分子を合成し膜内のミクロ相分離構造を精密化することができる。高分子の1次構造に起因する分子集合体としての2次構造が高分子電解質特性を改善する可能性がある。一般にミクロ相分離等の2次構造は、膜形成のプロセスに強く依存する。特に結晶化が伴う高分子の場合は結晶構造によるミクロ構造の形成が大きく影響を受けるであろう。このため1次構造と膜形成プロセスの組合せを考えれば、これまでに予見されていない優れたプロトン伝導性を実現することが可能かも知れない。この目的のためには高分子合成化学と、構造評価を担当する高分子物性の連携が必須であろう。特にマルチスケールに渡る構造解析が求められる。そこで本研究では電解質膜の2次構造を評価する手法として中性子小角散乱を用いる。特に膜を膨潤させる水の一部を重水で置き換えることで中性子散乱のコントラストを変化させる溶媒置換コントラスト変調法を用いて2次構造の詳細を明らかにすることを目的とした。

We employed contrast variation small-angle neutron scattering method to investigate the morphologies of a newly designed polymer electrolyte membrane, made of multi-block copolymer poly(sulphonate phenylene)-b-poly(arylene ether ketone), which is coded as S-6H (n) x:y where x:y denote a ration between hydrophilic and hydrophobic block components. Two scattering maximums were observed at low q and high q regions for wet membranes, where q is a magnitude of scattering vector. The low q maximum is attributed to formation of microdomain upon swelling, whereas the high q maximum is due to the ion clusters in a swollen microdomain. The morphology could be stressed by the contrast variation method, which results in matching in scattering contrast between mixed water (HO/DO) and the swollen microdomain. In this talk, we present the understandings on the morphology and water distributions in these membranes.