[发明专利]用于燃料电池的高界面相容性磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高分子材料膜及其制备方法，更具体的说是涉及一种用于燃料电池的高界面相容性磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池所使用的质子交换膜，不仅需要具备高质子电导率，还需要具备较低的甲醇渗透率。虽然杜邦公司生产的Nafion膜是业界公认的高性能质子交换膜，但是在直接甲醇燃料电池的应用条件下，很高的甲醇渗透率直接导致了燃料电池效率的降低，严重阻碍其商业化的进程。因此，众多的科研工作者投入大量的精力去研发新的膜材料，合成一批芳香结构的磺化质子交换膜，这些质子交换膜不仅具有较高的质子电导率，同时很好的控制了甲醇渗透率。例如，磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜在直接甲醇燃料电池的测试条件下都显示出其性能的优越性。虽然单膜的性能得到了提升，但是这些质子交换膜组装成燃料电池组时，与电极的界面相容性差以及高温溶胀等特性影响了质子交换膜的工作稳定性。因此，如何通过化学结构改性增强质子交换膜与电极的界面相容性，降低质子交换膜的含水率成为直接甲醇燃料电池用质子交换膜商业化的有效途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于燃料电池的高界面相容性磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法，降低质子交换膜的含水率和高温溶胀，增强质子交换膜与电极的界面相容性，降低接触电阻，提高膜的电导率，实现质子交换膜的长期工作稳定性。

本发明采取的技术方案：一种用于燃料电池的高界面相容性磺化聚酰亚胺质子交换膜，具有下列重复结构单元：

其中，n＝20～80，质子交换膜的厚度为10～100微米，离子交换容量为1～3mmol/g，在20℃、100％相对湿度条件下的质子电导率为1～10×10^-3S/cm，甲醇渗透率0.2～3×10^-6cm²/s。

制备所述用于燃料电池的高界面相容性磺化聚酰亚胺质子交换膜的方法，包括下列步骤，以下均以质量份数表示：

(a)将15～30份磺化二酚单体和10～20份2-氟-6-氨基苯腈在室温下溶解于100～200份的混合溶剂中，在氮气环境下升温至160℃，反应1～4小时，再升至190℃反应14～20小时，反应结束后将反应产物冷却至室温，抽滤后滤液倒入10～100份的无水乙醇溶剂中，同时快速搅拌生成沉淀，沉淀抽滤后将滤饼放在80℃去离子水中加热搅拌2～5小时，再抽滤得到端氨基含腈磺化芳环聚合物；

(b)将上述得到的端胺基含氟磺化芳环聚合物取2～5份和1～3份三乙胺在室温下溶解于30～60份的间甲酚中，然后加入1～4份的均苯四酸二酐和1～5份的苯甲酸，在80℃下反应2～8小时，再升温至180℃反应10-24小时，反应结束后冷却至室温，反应产物倒入200～500份丙酮中，同时快速搅拌生成沉淀，沉淀抽滤后在80℃下真空干燥12～24小时，得到2～6份含腈磺化聚酰亚胺共聚物；

(c)将所得的2～6份含腈磺化聚酰亚胺溶解在10～40份N-甲基-2-吡咯烷酮中，将得到的溶液倒在玻璃平板上流延涂膜，真空干燥24小时，溶解、涂膜，最后得到目标产物高界面相容性磺化聚酰亚胺质子交换膜。

步骤(a)中所述磺化二酚单体选自3，3’-二磺酸-4，4’-二羟基二苯砜、3，3’-二磺酸-4，4-二羟基苯基六氟丙烷或者3，3’-二磺酸-4，4’-二羟基二苯酮中的任意一种。

步骤(a)中所述混合溶剂是N-甲基-2-吡咯烷酮、甲苯、氢氧化钠和水的混合溶液，混合溶液中N-甲基-2-吡咯烷酮、甲苯、氢氧化钠和水的质量比为100:150:4:10。

步骤(a)中所述混合溶剂是N，N‘-二甲基乙酰胺、甲苯、碳酸钾和水的混合溶液，混合溶液中N，N‘-二甲基乙酰胺、甲苯、碳酸钾和水的质量比为100:150:6:10。

本发明的有益效果：本发明制备高界面相容性磺化聚酰亚胺共聚物的反应方程式如下：