CN101388466A - 一种用于高温燃料电池的质子交换膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温燃料电池的质子交换膜,由双酚单体,二氟苯腈,磺化4,4’-二氟苯甲酮聚合而成,其摩尔比为双酚单体∶磺化4,4’-二氟苯甲酮和二氟苯腈总量=1∶1,其中二氟苯腈∶磺化4,4’-二氟苯甲酮=0~4∶1。本发明还公开了上述用于高温燃料电池的质子交换膜的制备方法,本发明提供的制备方法通过一步聚合,选择带有氰基的二氟苯腈向分子链中引入氰基,制备的聚合物具有好的热稳定性、机械性能,而且,膜由于具有低的EW值从而具有很好的质子电导率,其吸水率也由于强极性的氰基的存在而大大减少,同时具有很高的质子电导率和很好的尺寸稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜及其制备方法,具体是用于高温燃料电池的含晴基的聚芳醚质子交换膜及制备方法,属于燃料电池领域。
背景技术
燃料电池具有能量转换效率高(40~60%),环境友好,洁净,无污染,无噪音等突出的优点,被认为是21世纪首选的洁净、高效的能源。质子交换膜燃料电池(PEMFC)被称为第五代燃料电池,它除了具备一般燃料电池的优点之处,还具有可室温快速启动,无电解液流失,水易排出,寿命长,比功率与比能量高等突出特点。质子交换膜是PEMFC的关键材料之一,质子交换膜的性能直接关系到整个燃料电池的整体性能。目前国际上通用的质子交换膜是全氟磺酸型质子交换膜,其中最具代表性的是美国杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸型质子交换膜,但是这种膜存在缺陷并且价格昂贵,其玻璃化转变温度是125℃,因此它的电池最佳操作温度一般在80℃左右,在接近125℃时,该膜几乎不能使用。而电池温度的提高意义重大,既可以提高燃料在催化剂表面发生化学反应的速度从而提高电池效率,还可以减少催化剂的中毒。
磺化聚芳醚酮由于具有良好的热稳定性、机械性能、离子电导率以及较低的合成成本,成为很有发展前途的质子交换膜材料,但是一般的磺化聚芳醚酮需要很低的EW值(当量重量,EW,Equivalent weight,即每摩尔当量磺酸基团的树脂的质量,单位为g/mequi.),才能获得较好的电导率,但是EW值太低又往往导致膜的尺寸稳定性变差甚至溶于水,从而使得无法在燃料电池中应用。为了解决这个瓶颈问题,目前文献中有采用交联来减少吸水率提高尺寸稳定性的,但是交联后的分子链运动受到限制往往降低其质子电导率。文献中也有采用分子链的特殊设计制备具有类似于Nafion膜相分离结构的新型质子交换膜,这种质子交换膜的特点是EW值较高尺寸稳定性较好,同时具备较好的电导率,但是这种离子聚合物制备一般分为多步,增加了制备难度和工艺的不确定性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足之处,提供一种质子传导率高、吸水率低、尺寸稳定性好的用于高温燃料电池的质子交换膜。
本发明的另一目的是提供一种上述质子交换膜的简单高效的制备方法。
本发明通过如下技术方案实现上述目的。
一种用于高温燃料电池的质子交换膜,由双酚单体,二氟苯晴,磺化4,4’-二氟苯甲酮聚合而成,其摩尔比为双酚单体:磺化4,4’-二氟苯甲酮和二氟苯晴总量=1:1,其中二氟苯晴:磺化4,4’-二氟苯甲酮=0~4:1,作为优选方案,磺化4,4’-二氟苯甲酮:二氟苯晴=4:6、5:5、6:4、7:3或8:2。
上述用于高温燃料电池的质子交换膜的制备方法包括以下步骤:
(1)以双酚单体、二氟苯晴、磺化4,4’-二氟苯甲酮作为反应物,依次加入催化剂、溶剂和带水剂,在150℃带水3~5h,再升温至170℃反应8~10h,然后将反应混合物倒入甲醇和水体积比为1:1的混合液中,得到聚合物;
(2)将聚合物溶于溶剂中,分散均匀后倾倒于玻璃板上,在80℃静置成膜,冷却至室温后脱膜;
(3)用0.5摩尔/升的硫酸浸泡聚合物膜24小时,再用去离子水反复冲洗除去多余硫酸,即得到质子交换膜。
上述步骤(1)中所述的催化剂是无水碳酸钾。
上述步骤(1)或步骤(2)中所述溶剂均为二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
上述步骤(1)中所述带水剂为甲苯。
本发明的用于高温燃料电池的质子交换膜的制备方法可用化学反应式表示为:
Ar为下述化合物中的任意一种:
本发明克服了现有技术中全氟磺酸型质子交换膜价格昂贵的缺点,也克服了磺化聚芳醚酮需要很低的EW值才能获得较好的电导率的不足,与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的质子交换膜是含腈基的聚芳醚质子交换膜,该膜不溶于水、甲醇,可溶于二甲基亚砜和N,N-二甲基乙酰胺,很容易溶在溶剂中流延成膜,具有好的热稳定性、机械性能和质子电导率,尺寸稳定性和高温电池性能。
(2)本发明提供的质子交换膜以二氟苯晴作为反应原料,二氟苯晴中有强吸电基团晴基,使得聚合反应更易进行,聚合反应时间大大缩短,明显提高了制备的效率;
(3)本发明提供的制备方法通过一步聚合,选择带有晴基的二氟苯晴向分子链中引入晴基,制备的聚合物具有好的热稳定性、机械性能。与此同时,膜由于具有低的EW值从而具有很好的质子电导率,其吸水率也由于强极性的晴基的存在而大大减少,因此,这类膜同时具有很高的质子电导率和很好的尺寸稳定性;
(4)本发明的质子交换膜因其良好的热稳定性、机械性能、质子电导率和尺寸稳定性使其极有利于应用于高温燃料电池:用Nafion117膜组装的电池在本发明中的最佳电池性能在电池温度为75℃时获得,最高电流密度为0.87A/cm2,而本发明中制备的含腈基的聚芳醚质子交换膜1a-4的的最佳电池性能在电池温度为90℃时获得,最高电流密度远远超过Nafion117膜,为1.25A/cm2,另外该膜在电池温度为110℃,120℃,125℃时电池的最大电流密度分别达到0.3A/cm2,0.2A/cm2,0.15A/cm2,而Nafion117膜在120℃几乎不能放电。
(5)本发明提供的质子交换膜制备方法工艺简单,原材料价格低,生产条件温和,应用于制备燃料电池可大幅降低燃料电池的生产成本,具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1~5中用于高温燃料电池的含腈基的聚芳醚质子交换膜的热稳定性能测试结果图。
图2是实施例1~5中用于高温燃料电池的含腈基的聚芳醚质子交换膜的质子电导率测试结果图。
图3是实施例4中采用了本发明质子交换膜1a-4的100℃以下燃料电池性能测试结果图。测试气体背压为0MPa。
图4是实施例4中采用了本发明质子交换膜1a-4的100℃以上燃料电池性能测试结果图。测试气体背压为0MPa。
具体实施方式
以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
按表1所示进行投料,并按以下方法制备:
(1)在装有搅拌器、导气管、分水器和冷凝管的三口瓶中,加入双酚单体、二氟苯晴、磺化4,4’-二氟苯甲酮作为反应物,加入无水碳酸钾作为催化剂,再加入N,N-二甲基乙酰胺作为溶剂,甲苯作为带水剂,在150℃带水3h,蒸出甲苯,升温到170℃反应8h,然后将反应混合物倒入甲醇和水的混合液(V:V=1:1)中,得到聚合物;
(2)将聚合物溶于二甲基亚砜或N,N-二甲基乙酰胺中,分散均匀后倾倒于玻璃板上,在80℃静置成膜,冷却至室温后脱膜;
(3)用0.5摩尔/升的硫酸浸泡聚合物膜24小时,再用去离子水反复冲洗除去多余硫酸,即得到质子交换膜。
表1质子交换膜合成所需原料的用量关系
实施例 | 质子交换膜 | 双酚单体(摩尔) | 磺化4,4’-二氟苯甲酮(摩尔) | 二氟苯晴(摩尔) |
1 | 1a-1 | 1 | 0.4 | 0.6 |
2 | 1a-2 | 1 | 0.5 | 0.5 |
3 | 1a-3 | 1 | 0.6 | 0.4 |
4 | 1a-4 | 1 | 0.7 | 0.3 |
5 | 1a-5 | 1 | 0.8 | 0.2 |
以上实施例1~5所得的质子交换膜分别记为1a-1,1a-2,1a-3,1a-4,1a-5,其热稳定性测试结果如图1所示,它们都有两个失重台阶,第一个失重台阶从300℃左右开始,是磺酸基团的热降解导致的,第二个失重台阶从440℃左右开始,是由于全芳醚聚合物的主链降解导致的。
以上实施例1~5所得的质子交换膜1a-1,1a-2,1a-3,1a-4,1a-5在100%相对湿度不同温度下的质子电导率测试结果如图2所示,它们都随着温度的升高而升高;在同一个温度下,随着聚合物中引入的磺化4,4’-二氟苯甲酮的摩尔分数的增加,电导率增加,在聚合物1a-1中,4,4’-二氟苯甲酮的摩尔分数最小,故它的电导率最低,在聚合物1a-5中,4,4’-二氟苯甲酮的摩尔分数最大,故它的电导率最高。
将以上实施例4所得的质子交换膜1a-4制备成三合一膜电极,并组装成质子交换膜燃料电池,其在100℃以下的电池性能测试结果如图3所示,并与商品化的Nafion 117进行了比较。其中Nafion117最佳电池操作温度为75℃,最高电流密度为0.87A/cm2,而本发明中制备的其中制备的含腈基的聚芳醚质子交换膜1a-4的的最佳电池性能在电池温度为90℃时获得,最高电流密度远远超过Nafion117膜,为1.25A/cm2。
将以上实施例4所得的质子交换膜1a-4制备成三合一膜电极,并组装成质子交换膜燃料电池,其在100℃以上的电池性能测试结果如图4所示,并与商品化的Nafion 117进行了比较。在电池温度为110℃,120℃,125℃时电池的最大电流密度分别达到0.3A/cm2,0.2A/cm2,0.15A/cm2,而Nafion117膜在120℃几乎不能放电。
Claims (5)
1.一种用于高温燃料电池的质子交换膜,其特征在于由双酚单体,二氟苯晴,磺化4,4’-二氟苯甲酮制成,其摩尔比为双酚单体:磺化4,4’-二氟苯甲酮和二氟苯晴总量=1:1,其中二氟苯晴:磺化4,4’-二氟苯甲酮=0~4:1。
2.一种权利要求1所述用于高温燃料电池的质子交换膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)以双酚单体、二氟苯晴、磺化4,4’-二氟苯甲酮作为反应物,依次加入催化剂、溶剂和带水剂,在150℃带水3~5h,再升温至170℃反应8~10h,然后将反应混合物倒入甲醇和水体积比为1:1的混合液中,得到聚合物;
(2)将聚合物溶于溶剂中,分散均匀后倾倒于玻璃板上,在80℃静置成膜,冷却至室温后脱膜;
(3)用0.5摩尔/升的硫酸浸泡聚合物膜24小时,再用去离子水反复冲洗除去多余硫酸,即得到质子交换膜。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述的催化剂是无水碳酸钾。
4.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述带水剂为甲苯。
5.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于步骤(1)或步骤(2)中所述溶剂均选自二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
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