[发明专利]互穿网状质子交换膜与其形成方法及质子交换膜燃料电池

说明书

技术领域

本发明是涉及一种质子交换膜，更特别涉及改良质子交换膜尺寸稳定性的组成及方法。

背景技术

(sulfonated tetrafluorethylene copolymer，磺酸化四氟乙基共聚物)是1960年代由Dupont公司发展的导电高分子。由于其离子性质，此类化合物又称作离子聚合物(ionomer)。Nafion独特的离子性质是来自于接枝于聚四氟乙基主干末端的磺酸基，由于其优异的热稳定性及机械性质，Nafion在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的领域中占有一席之地。

Nafion的磺酸基上的质子可由某一磺酸基转移至另一磺酸基以完成质子交换。相反的，电子和阴离子并无法进行上述的转移。

虽然Nafion具有许多优点，但在加热后的尺寸变化过大。为了进一步改善Nafion成膜后的机械性质，美国专利第4983690号公开了一种Nafion与双马来酰亚胺的混掺物。不过经实验证明，上述的混掺物并无法有效解决薄膜加热后尺寸变化过大的问题。

综上所述，目前仍需新的方法改善Nafion成膜后的物理性质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效改善Nafion成膜后的物理性质的互穿网状质子交换膜。

本发明的另一目的在于提供上述互穿网状质子交换膜的形成方法。

本发明的再一目的在于提供使用上述互穿网状质子交换膜的质子交换膜燃料电池。

本发明提供一种互穿网状质子交换膜，包括80至90重量份的磺酸化四氟乙基共聚物；以及20至10重量份的超分歧高分子，是由多马来酰亚胺与巴比土酸聚合而成；其中磺酸化四氟乙基共聚物与超分歧高分子相互穿透，其中多马来酰亚胺的结构如下式：

n为0至4的整数。

本发明还提供一种质子交换膜燃料电池，包括上述的互穿网状质子交换膜。

本发明还提供一种互穿网状质子交换膜的形成方法，包括取多马来酰亚胺与巴比土酸共聚形成超分歧高分子；将磺酸化四氟乙基共聚物水溶液的溶剂由水置换成二甲基乙胺；将10至20重量份的超分歧高分子加入90至80重量份的磺酸化四氟乙基共聚物溶液后，静置并加热至50℃，使超分歧高分子与磺酸化四氟乙基共聚物互相穿透；将加热后的溶液涂布至基板上，烘烤后进行前处理步骤去除二甲基乙胺(DMAc)即形成质子交换膜；其中多马来酰亚胺的结构如下式：

；n为0至4的整数。

本发明的互穿网状质子交换膜的优点在于：本发明的采用多马来酰亚胺所形成的超分歧高分子所形成的质子交换膜均具有较佳的玻璃转换温度及尺寸稳定性，能有效改善Nafion成膜后的物理性质。

附图说明

图1是本发明不同实施例及比较例中超分歧高分子的GPC图谱；

图2是本发明不同实施例及比较例中质子交换膜其尺寸变化与温度的相对曲线比较图；以及

图3是本发明不同实施例及比较例中质子交换膜其尺寸变化与温度的相对曲线比较图。

具体实施方式

本发明提供一种互穿网状质子交换膜的形成方法。首先，取多马来酰亚胺与巴比土酸共聚形成超分歧高分子。多马来酰亚胺的结构如式1：

(式1)

式1中的n为0-4的整数。

巴比土酸的结构如式2所示，其中R₂与R₃各自独立，是氢原子、甲基、苯基、异丙基、异丁基、或异戊基。

(式2)

在本发明一实施例中，多马来酰亚胺与巴比土酸的摩尔比约介于10∶1至1∶1之间。取适当比例的多马来酰亚胺与巴比土酸加入γ-丁基内酯后，加热至130℃并反应4小时以进行共聚反应形成超分歧高分子。在本发明一实施例中，超分歧高分子的数目分子量(Mn)介于10,000至17,000之间。

接着将市售的磺酸化四氟乙基共聚物(以下简称Nafion)水溶液的溶剂由水置换成二甲基乙胺。置换方式为使用高沸点溶剂再加热过程取代挥发的水分子。在本发明一实施例中，Nafion是购自DuPont的NAF DE2020CS。