放射線グラフト重合により作製したイミダゾリウム含有グラフト型アニオン伝導電解質膜の階層構造と燃料電池特性

Hierarchical structures and fuel cell properties of imidazolium-containing anion conducting polymer electrolyte membranes prepared by radiation-induced grafting

吉村 公男; Zhao, Y.; 越川 博; 八巻 徹也; 猪谷 秀幸*; 山口 進*; 田中 裕久*; 小泉 智*; 前川 康成

Yoshimura, Kimio; Zhao, Y.; Koshikawa, Hiroshi; Yamaki, Tetsuya; Shishitani, Hideyuki*; Yamaguchi, Susumu*; Tanaka, Hirohisa*; Koizumi, Satoshi*; Maekawa, Yasunari

水加ヒドラジンなどの液体燃料が使用可能なアルカリ形非白金燃料電池において、アニオン伝導電解質膜のアルカリ耐性の向上が求められている。本研究では、2-メチル-1-ビニルイミダゾールのグラフト重合によりアルカリ分解反応の起点となるイミダゾリウム環の2位炭素をメチル基で保護したアニオン膜を作製し、膜物性および階層構造を調べた。アルカリ耐性を評価した結果、2位にメチル基を導入することで、80Cの1M KOH中での長期耐久性に大幅な改善が見られた。また、本研究のアニオン膜を用いた水加ヒドラジン燃料電池において、最大出力210mW cmを確認した。中性子小角散乱(SANS)-コントラスト変調法によるアニオン膜の構造解析より、膜中で結晶相が一様に分散することおよび親水性のイオンチャンネル領域が疎水性領域と相分離し、イオン伝導に有利な構造であることがわかった。

Anion conducting polymer electrolyte membranes (AEMs) having poly 2-methyl-1-vinylimidazolium grafts were synthesized by radiation-induced graft coplymerizaiton of 2-methyl-1-vinylimidazole with styrene onto an ETFE film, followed by N-alkylation and ion exchange reactions. The excellent long-term stability of the prepared AEMs was confirmed in 1M KOH at 80C. The graft-type AEM with an ion exchange capacity of 1.80 mmol/g showed a maximum power density of 210 mW cm in a direct hydrazine hydrate fuel cell test. The contrast variation experiment in small-angle neutron scattering measurement displayed the advantageous three-phase structures, consisting of crystalline, amorphous hydrophobic, and amorphous hydrophilic domains.