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論文

Quantum beam technology; Nanostructured proton-conductive membranes prepared by swift heavy ion irradiation for fuel cell applications

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

Proceedings of Sadoway 60 Symposium, p.114 - 120, 2010/06

日本原子力研究開発機構では、独自の量子ビーム技術を駆使して、燃料電池に応用可能な高分子電解質膜の開発を進めている。本講演では、発表者らによるその活動のうち、高エネルギー重イオンビーム照射によるグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発について報告する。今回は、膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造や、プロトン伝導度など各種物性を$$gamma$$線グラフト電解質膜と比較しながら議論する。

口頭

イオンビーム照射技術による燃料電池用電解質膜の開発

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 吉田 勝; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成

no journal, , 

イオンビームは、重荷電粒子一つ一つの通過で局所的に高いエネルギーを付与し、照射により潜在飛跡と呼ばれる円柱状の領域が形成される。本研究では、直径数十$$sim$$数百nmの潜在飛跡内に生成した活性点(ラジカルや過酸化物)からのグラフト重合により、燃料電池用電解質膜を作製した。日本原子力研究開発機構イオン照射施設(TIARA)のAVFサイクロトロンにおいて、25$$mu$$m厚のエチレン-テトラフルオロエチレン(ETFE)膜に100MeV $$^{16}$$O(1核子あたり6.3MeV/n),400MeV $$^{50}$$Fe(同7.1MeV/n),450MeV $$^{129}$$Xeイオン(同3.5MeV/n)をフルエンス3.0$$times$$10$$^{7}$$$$sim$$3.0$$times$$10$$^{9}$$ions/cm$$^{2}$$で照射した後、スチレンのグラフト重合とクロロスルホン酸を用いたスルホン化によって電解質膜を得た。透過型電子顕微鏡,電界放出型走査型電子顕微鏡による観察の結果、Xeイオン照射で得られた電解質膜におけるプロトン伝導経路の形態について、膜厚方向に延びる断面を楕円とした柱状でその太さは約250nmであることが確認できた。また、プロトン伝導率,最大引張強度,乾湿寸法変化などの特性は、ナフィオン112と比較して優れていることが明らかになった。

口頭

イオンビーム照射技術によるナノ構造制御電解質膜の開発

小林 美咲*; 八巻 徹也; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 浅野 雅春; 吉田 勝; 前川 康成

no journal, , 

固体高分子型燃料電池(PEFC)の実用化のためには、高いプロトン伝導度のほか、機械強度,耐久性,ガス透過抑制能などさまざまな特性を同時に満たすイオン交換膜の開発が不可欠である。現在、PEFCの駆動条件は高温・低加湿の方向に向かっており、そのような条件下でも高いプロトン伝導度を発現する電解質膜は機械強度に劣るなどの背反が知られている。われわれは、電解質膜における背反事項を克服するには膜中のナノ構造の制御が有効であると考え、イオン照射及びグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発を行っている。今回は、イオン照射の条件を変えた時に膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造の違いと、プロトン伝導度など各種物性に対する影響を調べたので報告する。

口頭

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

八巻 徹也; 浅野 雅春; 小林 美咲*; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝

no journal, , 

固体高分子形燃料電池の実用化のためには、プロトン伝導性,機械的強度,耐久性,ガス透過抑制能をはじめとする種々の特性を同時に満たす電解質膜の開発が不可欠である。しかし従来の電解質膜では、プロトン伝導性を向上させるとそれ以外の特性が大きく低下する傾向が見られ、これが膜研究において目下の課題となっている。われわれは、このトレードオフ関係を克服するには膜中のナノ構造の制御が有効であると考え、TIARAにおける高エネルギー重イオンビーム照射によるグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発を行った。今回は、イオン照射の条件を変えた時に膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造の違いと、プロトン伝導度など各種物性に対する影響を調べたので報告する。

口頭

イオン飛跡技術を利用した燃料電池用高分子電解質膜の開発

八巻 徹也; 浅野 雅春; 小林 美咲*; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝

no journal, , 

本研究では、直径数十から数百ナノメートルの潜在飛跡内に生成した活性点(ラジカルや過酸化物)からのグラフト重合により、燃料電池用電解質膜を作製した。日本原子力研究開発機構TIARAのサイクロトロンにおいて、25マイクロメートル厚のエチレン-テトラフルオロエチレン膜にイオン照射した後、スチレンのグラフト重合とクロロスルホン酸を用いたスルホン化によって電解質膜を得た。透過型電子顕微鏡,電界放出型走査型電子顕微鏡による観察の結果、得られた電解質膜におけるプロトン伝導経路の形態は膜厚方向に延びる断面を楕円とした柱状であり、その太さは照射イオン種によってナノレベルで制御可能であることが確認できた。また、プロトン伝導率,最大引張強度,乾湿寸法変化などの特性は、ナフィオンや$$gamma$$線グラフト電解質膜と比較して優れていることが明らかになった。

口頭

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

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

no journal, , 

本発表では、潜在飛跡内に高密度で生成した励起活性種(ラジカルや過酸化物)によるグラフト重合を利用したナノ構造制御型電解質膜の作製とその特性について報告する。電解質膜は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜(25$$mu$$m厚)に100MeV $$^{16}$$O, 400MeV $$^{56}$$Fe、又は450MeV $$^{129}$$Xeイオンを照射後、スチレンモノマーをグラフト重合し、さらにグラフト高分子鎖をスルホン化することにより作製した。プロトン伝導性がナフィオン膜と同程度の電解質膜において、最大引張強度は50MPa以上に達し、ナフィオン112膜よりも高い値であることが明らかになった。ナノ構造制御によりフッ素系高分子基材の性質を保持できたことで、機械的特性に限らず含水時の寸法安定性,H$$_{2}$$透過抑制能にも優れた電解質膜が得られた。

口頭

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; プロトン伝導性の検討

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

no journal, , 

イオンビームによるグラフト重合で得られるナノ構造制御電解質膜のプロトン伝導性について詳細に調べたので報告する。電解質膜の作製は、(1)エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜のイオンビーム照射、(2)照射膜へのスチレンモノマーのグラフト重合、(3)グラフト高分子鎖のスルホン化の順で行った。80$$^{circ}$$C,相対湿度90%におけるプロトン伝導率$$sigma$$は、ナフィオンとほぼ同じイオン交換容量において一致し0.1S/cm程度であった。また、興味深いことに、$$gamma$$線グラフト重合で作製された電解質膜と比べて高伝導化の傾向が確認され、イオンビーム潜在飛跡への高密度導入による効果が示唆された。

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