Free volume study of sulfonated FEP proton exchange membrane

機能性フッ素系高分子合成時のナノ構造変化

岡 壽崇   ; 大島 明博*; 鷲尾 方一*

Oka, Toshitaka; Oshima, Akihiro*; Washio, Masakazu*

固体高分子形燃料電池は、水素と酸素を反応させて発電する電気化学デバイスで、自動車や家庭用発電機などのクリーン電源として期待されている。プロトン交換膜は、電池の性能とコストの鍵を握る重要な材料であり、高性能かつ低コストの膜の開発が求められている。我々はPoly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene)(FEP)にスチレンを放射線グラフト重合したのちにスルホン化することにより、プロトン交換膜を合成した。合成による高分子のナノ構造変化が不明であったため、陽電子消滅寿命測定法によってその変化を調べた。合成した膜には、半径約0.4nmと約0.25nmの2つのサイズのナノ空孔があり、スチレンのグラフトではほとんどサイズの変化が起きないが、スルホン化することで大きい方のナノ空孔のサイズが減少することがわかった。

The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a promising electrochemical device to produce power through hydrogen and oxygen reaction. It has been expected as a leading future clean power source for a vehicle and a residential power generation. Proton exchange membrane (PEM) is a key material for the performance and the cost of PEFC, development of a high performance and a low-cost PEM is required. Poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) (FEP) was irradiated by an electron beam under oxygen-free atmosphere at 25C, grafted with styrene in liquid phase at 80, and then sulfonated with a mixture of chlorosulfonic acid in carbon-tetrachloride at 25 for 24 h. The free volume size and the o-Ps annihilation probability were affected by not only the amount of the grafted styrene but also the sulfonic acid group.