ナフィオンベースの膜の形態が陽子輸送にどのように影響するか

この研究は、NAFION 1100膜調製手順がポリマーフィルムの形態と電解質のプロトン輸送特性の両方にどのように影響するかについての体系的かつ詳細な研究を表しています。膜調製手順は、広い温度範囲（最大120°C）内で動作するプロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の性能に無視できない結果をもたらします。（NAFION 117およびNAFION 212）と3つの異なる手順、つまり（a）Nafion-Recast、（b）nafion conslystalized、および（c）Nafion 117指向のナフィオン指向によって調製されたNafion膜の比較が行われました。電気化学的インピーダンス分光法（EIS）およびパルスフィールド勾配核磁気共鳴（PFG-NMR）調査は、NAFION 117膜が2つの固定性と非形状の表面の間で拡大することを余儀なくされたときに異方性の形態を達成できることを示しました。この異方性は、市販の膜の〜20％からプレス膜では最大106％に増加し、イオンクラスターは表面に平均的に配向された（NAFION 117指向）、プロトン輸送の強力な方向性につながりました。一般に等方性プロトン輸送挙動を示す溶液 - キャストによって得られた膜の中で、ナフィオンの結晶化された膜は、最低の水拡散係数と導電率を示し、低結晶性と縁取り水チャネルのより分岐した曲がりくねった構造との相関関係を強調しました。最後に、動的機械分析（DMA）テストでは、高温燃料電池で避けるべき、結晶化されていない膜と配向膜の両方の弾力性弾性率が不十分であることが示されました。

This work represents a systematic and in-depth study of how Nafion 1100 membrane preparation procedures affect both the morphology of the polymeric film and the proton transport properties of the electrolyte. The membrane preparation procedure has non-negligible consequences on the performance of the proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC) that operate within a wide temperature range (up to 120 °C). A comparison between commercial membranes (Nafion 117 and Nafion 212) and Nafion membranes prepared by three different procedures, namely (a) Nafion-recast, (b) Nafion uncrystallized, and (c) Nafion 117-oriented, was conducted. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR) investigations indicated that an anisotropic morphology could be achieved when a Nafion 117 membrane was forced to expand between two fixed and nondeformable surfaces. This anisotropy increased from ~20% in the commercial membrane up to 106% in the pressed membrane, where the ionic clusters were averagely oriented (Nafion 117-oriented) parallel to the surface, leading to a strong directionality in proton transport. Among the membranes obtained by solution-cast, which generally exhibited isotropic proton transport behavior, the Nafion uncrystallized membrane showed the lowest water diffusion coefficients and conductivities, highlighting the correlation between low crystallinity and a more branched and tortuous structure of hydrophilic channels. Finally, the dynamic mechanical analysis (DMA) tests demonstrated the poor elastic modulus for both uncrystallized and oriented membranes, which should be avoided in high-temperature fuel cells.