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摘要：本文中，通过在Pt和C基板上制作了Nafion和阴离子交换型离聚物，并采用中子反射技术对燃料电池实际工作温度下的薄膜内部含水结构进行了原位分析。

关键字：燃料电池、离子导电聚合物、Nafion膜、中子反射技术、含水结构

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引言

离子导电聚合物（离聚物）用作固体高分子燃料电池的电解质膜和催化剂层中的粘结剂，其与内部共存的水分子相互作用，对燃料电池的发电性能及耐久性产生了很大影响¹。关于这种相互作用，即使在典型的质子交换型Nafion膜中也尚有很多不清楚的地方，而关于阴离子交换型离聚物的研究才刚刚开始。本研究在Pt和C基板上制作了Nafion和阴离子交换型离聚物，并采用中子反射技术（NR）对燃料电池实际工作温度下的薄膜内部含水结构进行了原位分析。

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实验方法

将市售燃料电池中所使用的Nafion膜（图1（a））与合成的阴离子交换型BAF-QAF离聚物（图1（b））³以纳米水平旋涂在平坦的Pt和C基板上以制成厚度约为100nm的薄膜。假设样品温度恒定，向有Nafion的导管内通入经H₂O加湿的H₂，向有BAF-QAF的导管内通入经D₂O加湿的H₂，并控制相对湿度。在J-PARC、MLF和BL16中进行NR测定。

图1. Nafion（a）和BAF-QAF（b）的化学结构

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结果与分析

图2举例示出Pt基板上的Nafion（80℃/80% RH）（a）和BAF-QAF（60℃/90% RH（b）薄膜的含水结构模型。根据测定结果，对Nafion和BAF-QAF密度、以及水密度进行了Fitting分析。根据中子散射长度密度确定BAF-QAF薄膜和Nafion薄膜上均形成了含水率各不相同的3个子层。

在Pt基板上，Nafion膜中形成了厚度为0.8nm、H₂O密度为0.60g/cm^-3的Pt-attached层，其含水量是Bulk层（0.16g/cm^-3）的3.8倍，具有亲水性；BAF-QAF中形成了厚度为4.3nm、D₂O密度为0.09/gcm^-3的Pt-attached层，其含水量是Bulk层（0.24/gcm^-3）的0.4倍，具有疏水性。

另外，Nafion膜中形成的Topmost层的厚度为5.3nm、H₂O密度为0.22/gcm^-3，与Bulk层相比具有亲水性；而BAF-QAF膜中形成的Topmost层的厚度为1.3nm、D₂O密度为0.15，与Bulk层相比具有疏水性。认为这种因离聚物造成的子层和含水量差异是导致发电及耐久性不同的原因。

图2. 加湿薄膜的模型：(a)为在Pt/SiO₂/Si(100)上的Nafion 80% RH, (b)为Pt/SiO₂/Si(100)上的BAF-QAF 90%RH。

参考文献：

1) H. Nishiyama et al. J. Phys. Chem. C2020, 9703.

2) T. Kawamoto et al. Electrochemistry 2019, 87, 270.

3) T. Kimura et al. Langmuir 2020, 36, 4955.

基于原位中子反射技术分析燃料电池用离子导电聚合物的水分布结构