[发明专利]一种磺化电池交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池薄膜的制备方法技术领域。

背景技术

电池内部的隔离膜，是电池最重要的一种材料。因为电池利用隔离膜来隔离正极和负极间的电子移动，以达成避免发生短路，而且，隔离膜含浸有电解液，可提供正极和负极间的离子移动，使得电池产生电位而提供电能。但是，目前现有电池所使用的隔离膜，却存在着厚度过厚的缺点，大约占据电池总厚度的40％以上，导致本领域技术人员必须先解决和克服隔离膜的厚度问题后，电池才可符合电子产品追求轻、薄、短、小的目标，同时，含浸在电池隔离膜上的电解液，仍经常有漏液的问题，会导致缩短电池的使用寿命。

质子交换膜是决定燃料电池性能的关键技术之一。目前，质子交换膜燃料电池中所用的膜材料，80％左右都是杜邦DuPOnt公司生产的NafiOn系列全氟磺酸高分子质子交换膜，膜的厚度从20-180pm。该膜材料具有高化学稳定性和高质子传导率，是质子交换膜燃料电池广泛采用的全氟磺酸类高分子电解质膜中最具有代表性的，但同时它也有自身无法克服的缺点，如：形知kawaM，等在PrOgress in POlymer science 25(2000)1463-1502中介绍的高分子质子膜。(1)NafiOn膜需要很高的水含量才能有足够的导质子能力，而因其吸水能力有限，需要连续对膜进行增湿，增加了电池淹没的可能性；(2)它很难在高于100℃以上稳定操作，这就限制了电池性能进一步提高和余热的充分利用，且低温下CO易使催化剂中毒；(3)NafiOn膜的价格过高，目前大约每平方米需800美元。

为了克服NafiOn膜的缺点，目前，大量的研究工作正集中在开发新的燃料电池质子膜，一些研究者致力NafiOn膜的改性。M.anabe等在J.Phys.Chem.B，1()2(1998)3129-3137上发表文章借助物理共湿来实现膜的自增湿，不足之处在于质子膜中催化剂用量控制不当时，能造成原料气渗漏，另外膜中催化剂颗粒随水流失不可避免，造成电池脱水。但是，这些膜已显示出某些优于NafiOn膜的性能，只不过还不能完全令人满意。

还有人在JOumal OfMembrane science，173(2000)17-34文章中介绍了一种用聚醚醚酮高分子制备的质子膜，由于磺化度只有30-100％范围不够宽，限制了质子膜材料的性能优化。而且在制备方法上，存在磺化剂消耗量大、磺化反应时间过长，经济性差，废酸污染严重，不利于大规模生产。

如何提供一种耐热、化学稳定性好和机械性能优异，原材料廉价易得，常温下的质子传导率与NafiOn 112膜相当，而且在燃料电池操作中使用时，可做到不需外部增湿仍能得到较好的燃料电池性能，并有效地克服现有质子交换膜的质子传导能力受膜中含水量限制的缺点，从而进一步扩大燃料电池的使用范围，促进燃料电池的商品化。

发明内容

本发明的目的就是一种磺化电池交换膜的制备方法，该方法有效地克服现有质子交换膜的质子传导能力受膜中含水量限制的缺点，为其商品应用提供了可能。

本发明是用高分子二氮杂蔡聚醚讽酮(PPESK)为原料，经磺化制得一种耐高温、吸水性强、电导率高的磺化二氮杂蔡聚醚枫酮(SPPESK)膜材料，其分子量为100,000-200,000，矾酮摩尔比为1∶1-3，常压空气中玻璃化温度为280-330℃，磺化度m＝0.1-2.0。磺化度代表SPPESK膜材料分子链中每个矾或酮结构单元上所含磺酸基团的摩尔分数。

本发明采取的具体技术方案如下：

磺化电池交换膜的制备方法，其步骤为：

a、二氮杂蔡聚醚枫酮(PPESK)的磺化；

b、磺化二氮杂蔡聚醚枫酮(SPPESK)质子交换膜的制备。

上述的步骤a，磺化的具体操作方法是：将经干燥的二氮杂蔡聚醚矾酮加到卤代烷烃溶剂中，搅拌使其溶解，向二氮杂蔡聚醚矾酮溶液中加磺化剂，反应完全后，将反应液静止分层，取出下层反应物，加入有机沉淀剂，析出沉淀物，过滤，然后将过滤物溶于N，N-二甲基乙酞胺，滴到沉淀剂中，再次析出沉淀物，再过滤，产物用丙酮洗涤至中性，干燥。

上述的磺化剂的用量为2-50ml/g二氮杂蔡聚醚矾酮，反应温度在在0℃-50℃，反应0.5-10小时。两次沉淀剂的用量为：20-500ml/g PPEsK。具体的干燥条件是：在40-100℃，真空度0-0.1MPa下干燥。

上述的步骤b，将步骤a得到的SPPESK膜材料与DMAc配成溶液，用浇铸法将溶液倒在玻璃板上，干燥。