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論文

Elucidation of the morphology of the hydrocarbon multi-block copolymer electrolyte membranes for proton exchange fuel cells

Zhao, Y.; 吉田 実留*; 大島 竜也*; 小泉 智*; 陸川 政弘*; Szekely, N.*; Radulescu, A.*; Richter, D.*

Polymer, 86, p.157 - 167, 2016/03

 被引用回数:12 パーセンタイル:53.39(Polymer Science)

We investigated the structure and the swelling behavior of two synthesized hydrocarbon polymer electrolyte membranes, made of multiblock copolymer poly(sulphonate phenylene)-b-poly(arylene ether ketone) with different block ratios, by using small-angle neutron scattering technique. A scattering maximum (ionomer peak) at high-q range is shown commonly in both dry and wet states, with q being the magnitude of the scattering vector, while it shifts towards low-q region in the wet state due to the swelling of the ionomer domains with water. The swelling effect also results to a second scattering maximum in the middle-q range because of the water-induced microphase separation. The morphology in this q-range was elucidated in terms of Hard-Sphere model with Percus-Yervick interference approximation.

論文

Poly(ether ether ketone) (PEEK)-based graft-type polymer electrolyte membranes having high crystallinity for high conducting and mechanical properties under various humidified conditions

濱田 崇; 長谷川 伸; 深沢 秀行*; 澤田 真一; 越川 博; 宮下 敦巳; 前川 康成

Journal of Materials Chemistry A, 3(42), p.20983 - 20991, 2015/11

 被引用回数:27 パーセンタイル:70.78(Chemistry, Physical)

燃料電池の本格普及のため、低加湿下でのプロトン導電率と高加湿下での機械強度を併せ持つ電解質膜が不可欠である。本研究は、膜強度の高いポリ(エーテルエーテルケトン) (PEEK)に着目し、放射線グラフト重合により高いイオン交換容量(IEC)を有するPEEK-グラフト型電解質膜(PEEK-PEM)を合成することで、導電率と機械的強度の両立を目指した。IEC=3.08mmol/gのPEEK-PEMは、80$$^{circ}$$Cにおいて、低加湿下(相対湿度30%)でナフィオンと同等の導電率、高加湿下(相対湿度100%)で1.4倍の引張強度(14MPa)を示した。さらに、PEEK-PEM (IEC=2.45mmol/g)を用いて作製した燃料電池は、高加湿下(相対湿度100%)でナフィオンと同等、低加湿下(相対湿度30%)でナフィオンの2.5倍の最大出力密度を示した。X線回析からPEEK-PEMは、グラフト重合中、結晶性が増加するため、高いIECを持つPEEK-PEMにおいても、高い機械的強度を示すことが明らかとなった。

論文

Effect of crosslinkers on the preparation and properties of ETFE-based radiation-grafted polymer electrolyte membranes

Chen, J.; 浅野 雅春; 八巻 徹也; 吉田 勝

Journal of Applied Polymer Science, 100(6), p.4565 - 4574, 2006/06

 被引用回数:43 パーセンタイル:77.46(Polymer Science)

スチレンの誘導体であるメチルスチレン(MeSt)の$$gamma$$線グラフト重合反応及び得られた膜の特性に及ぼす架橋剤の影響について検討した。架橋剤として、ジビニルベンゼン(DVB),ビスビニルフェニルエタン(BVPE),トリアリルシアヌレート(TAC)を用いた。グラフト重合反応性は、DVBの場合、3%までグラフト率の急激な上昇が見られたが、その後濃度が高くなるに従い、急激に低下した。また、BVPEでは、40%までグラフト率の上昇が確認できた。TACの場合、グラフト率は40%まで変化しなかった。得られた架橋剤導入電解質膜の耐酸化性試験の結果、スルホン酸基の脱離は架橋剤の導入により、抑制されることがわかった。その抑制効果は、架橋剤の種類により異なり、TAC, BVPE, DVBの順に大きくなった。

論文

Improvement of chemical stability of polymer electrolyte fuel cell membranes by grafting of new substituted styrene monomers into ETFE films

Chen, J.; 浅野 雅春; 八巻 徹也; 吉田 勝

Journal of Materials Science, 41(4), p.1289 - 1292, 2006/02

 被引用回数:19 パーセンタイル:56.71(Materials Science, Multidisciplinary)

電解質膜の耐久性を向上させるために、スチレンに代わるモノマーとして、スチレンの誘導体であるメチルスチレン(MeSt)及びt-ブチルスチレン(tBuSt)さらに架橋剤として、高密度の架橋構造の付与が期待できるジビニルベンゼン(DVB)を組合せた新規な電解質膜を放射線グラフト重合法により合成した。このようにして得た36%のグラフト率を持つ電解質膜は、ゴア膜に比べて高いプロトン導電性を持つことがわかった。また、膜の安定性は、スチレン/DVB膜に比べて3倍向上した。

論文

Preparation and characterization of chemically stable polymer electrolyte membranes by radiation-induced graft copolymerization of four monomers into ETFE films

Chen, J.; 浅野 雅春; 八巻 徹也; 吉田 勝

Journal of Membrane Science, 269(1-2), p.194 - 204, 2006/02

 被引用回数:131 パーセンタイル:96.56(Engineering, Chemical)

高性能の電解質膜を得るために、スチレンに代わるモノマーとして、スチレンの誘導体であるメチルスチレン(MeSt)及びt-ブチルスチレン(tBuSt)さらに架橋剤として、電解質膜に導入した時に柔軟性の付与が期待できるビスビニルフェニルエタン(BVPE)と高密度の架橋構造の付与が期待できるジビニルベンゼン(DVB)を組合せた新規な電解質膜を放射線グラフト重合法により合成した。得られた四元系MeSt/tBuSt/DVB/BVPE(40/40/2.5/17.5wt%)電解質膜の耐久性加速試験(60$$^{circ}$$C,3%過酸化水素水溶液中)の結果、スルホン酸基の脱離時間が300時間に達した。また、メタノール透過性ではナフィオンに比べて、四元系電解質膜は1/6まで抑制できることがわかった。

論文

Proton conduction properties of crosslinked PTFE electrolyte membranes with different graft-chain structures

澤田 真一; 八巻 徹也; 浅野 雅春; 寺井 隆幸*; 吉田 勝

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 30(4), p.943 - 946, 2005/12

グラフト鎖の構造の異なる架橋PTFE電解質膜を合成し、それらの温湿度制御下におけるプロトン伝導特性をACインピーダンス法によって評価した。前照射線量を15kGy(一定)としてグラフト反応を行い、鎖の密度を等しくした膜では、イオン交換容量とともにプロトン伝導度が増大した。伝導度の最大値としては、イオン交換容量2.8meq/gの膜が温度80$$^{circ}$$C,相対湿度95%の環境下において0.20S/cmを示した。イオン交換容量が同程度のときは、グラフト鎖の密度が高く長さが短い方が、長い鎖が低密度に存在するときよりも、高い伝導度を示した。この結果は、プロトンの伝導経路である親水性領域の構造の違いに起因すると考えられる。

口頭

Radiation-induced grafting for proton- and anion-conducting polymer electrolyte membranes in fuel cell applications

前川 康成

no journal, , 

Radiation-induced grafting technique was applied to the development of proton- and anion-exchange membranes (PEM and AEM) for hydrogen- and alkaline hydrated hydrazine-fuel cells (FCs). For PEM, mechanically and thermally stable poly(ether ether ketone) (PEEK) film could be converted to graft-type PEMs (PEEK-PEMs), which showed superior conductivity and tensile strength under low and high RH conditions than those of Nafion, Accordingly, the PEEK-PEMs with high IEC values possesses both superior conductive and mechanical properties. In contrast, by introducing poly(vinylimidazolium hydroxide) (PVIm) as an anion exchange group using radiation grafting, poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) could be converted to ETFE-AEMs, exhibiting higher anion conductivity and alkaline stability than commercial AEMs. We proved that moderate basicity and dissociation properties of PVIm were important characteristic for conductivity and alkaline stability.

口頭

Quantum beam techniques for synthesis and analysis of proton-exchange membranes for fuel cells

前川 康成

no journal, , 

Radiation-induced grafting technique was applied to the development of polymer electrolyte membranes (PEMs) for hydrogen-fuel cells. Mechanically and thermally stable poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) films could be converted to graft-type PEMs (ETFE-PEMs). Compared with Nafion, the PEMs showed superior conductivity and tensile strength under low (30%) and high (100%) relative humidity conditions, respectively. Using SAXS and USAXS, the ETFE-PEMs with IECs $$>$$ 2.7 mmol/g were characterized as being composed of graft polymer domains around lamellar crystals with a period of 20-30 nm and well-connected crystallite network domains with a d-range of 200-300 nm. From the above analysis, it is revealed that well interconnected ion-channels around the crystallites and the remaining lamellar crystals and crystallites in the graft-type PEMs were the origins of higher conductivity and tensile strengths, respectively, compared with conventional PEMs.

口頭

Structure-property relationships in graft-type polymer electrolyte membranes studied by complemental SAXS/SANS analyses

前川 康成

no journal, , 

Radiation-induced grafting technique was applied to the development of anion-conducting electrolyte membranes (AEMs) for alkaline hydrated hydrazine-fuel cells. The graft-type AEMs containing imidazolium graft-polymers attached on poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) could solve the currently most concerned problems, conductivity and alkaline durability at the operating condition (1M KOH, 80$$^{circ}$$C). The hierarchical structures of the graft-type AEM were investigated using amall angle X-ray and neutron scattering (SAXS and SANS). The graft-type AEMs were composed of conducting graft domains around ETFE lamellar crystals with periods of 20-30 nm. The contrast variation method of SANS revealed that the ion-channels contained graft-polymers and water with a period of ca. 5 nm. It should be concluded that the graft-polymer containing ion-channels around ETFE lamellar crystals and crystallite domains should be origins of high conductivity and alkaline durability of graft-type AEMs.

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