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; 潜在飛跡グラフト重合の特異性と膜性能

Development of nano-structure controlled polymer electrolyte fuel-cell membranes using high-energy heavy-ion beams; Uniqueness of direct track grafting and membrane performance

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

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

今回我々は、高エネルギー重イオンビームで得られるナノ構造制御電解質膜に対し、潜在飛跡グラフト重合の特異性及びその膜性能との関連性について整理する。既報に従い、56MeV N, 150MeV Ar, 450MeV Xeを照射した後、スチレンのグラフト重合、グラフト鎖のスルホン化を経て、電解質膜を作製した。温度80C、相対湿度(R.H.)95%の条件でプロトン伝導率を調べたところ、同じイオン交換容量(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。IECと潜在飛跡の直径、照射フルエンスから計算されるスルホン酸基の局所的な導入量(密度)によって、この結果を説明することができた。一方、低R.H.の条件では大きく低下するが、IECを高めることによりR.H. 50%においてナフィオンに匹敵する0.02S/cmが得られた。IEC依存性は顕著であり、0.83mmol/gから1.8mmol/gへのIEC増大によって、R.H. 30%下でもは1桁以上高くなった。高IEC下に伴うスルホン酸基の集積による影響が強く現れていると考えられ、照射フルエンスや飛跡構造を制御することの有効性が示唆された。

We report the application of high-energy heavy ion beams from the TIARA cyclotron accelerator for the development of proton-conductive fuel-cell membranes. 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. Interestingly, the resulting membranes exhibited anisotropic proton transport, , higher conductivity in the thickness direction. This is probably because the columnar electrolyte phase extended, with a width of tens-to-hundreds nanometers, through the membrane.