CN102195060A - 一种新型质子交换膜燃料电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
六元环SPI质子交换膜燃料电池堆。该电池堆关键技术以磺化聚酰亚胺膜(简称SPI)为核心制备质子交换膜，其方法是将磺化的化合物作为聚合单体进行聚合，调整磺酸基团浓度，控制磺酸基团在聚酰亚胺分子链中的位置，提高质子电导率。该电池堆属清洁能源，是替代传统能源的最佳选择，可广泛用于国防、航天、汽车、工厂、医疗、家电等领域。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种通过质子交换膜化学反应产生电能的燃料电池堆装置。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质，故也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。与其它种类的燃料电池相比，它具有输出比功率高、操作温度低、腐蚀性低和寿命长等优点。
背景技术
PEMFC核心部件是质子交换膜，在电池中充当固态电解质，阳极室与阴极室的隔膜及电子绝缘体，传递反应离子及水。目前，在PEMFC中广泛采用的质子交换膜是全氟磺酸膜(以美国Dupont公司的Nafion膜为典型代表)，该膜虽具有较好的热稳定性、出色的抗电化学氧化性、良好的机械性能及较高的电导率等优点，但由于其甲醇渗透率较高、在高温或湿度较低时电导率明显下降、制备工艺复杂、价格昂贵，使其在实际应用中受到限制，不能满足未来高效率、高能量密度电池的要求。为克服上述缺点，诸多研究机构开始研究开发新型的质子交换膜，如磺化聚酰亚胺膜、磺化聚砜膜、磺化聚苯硫醚膜、磺化聚醚醚酮膜、磺化聚苯并咪唑膜和磺化聚磷腈膜等。
发明内容
本发明是以磺化聚酰亚胺膜(Sulfonated Polyimide Membrane简称：SPI)为核心制备六元环质子交换膜，然后生产质子交换膜燃料电池堆。其所制备的六元环SPI膜相对五元环SPI膜存在的抗水解能力差，短时间内容易被水解而破坏，变得很脆而无法使用等问题。六元环SPI膜将以磺化的化合物作为聚合单体进行聚合，先磺化后聚合可以调整磺酸基团的浓度，控制磺酸基团在聚酰亚胺分子链中的位置，采用NTDA为二酐单体，用已磺化的二胺单体将磺酸基团引入到聚酰亚胺分析链中。使之形成侧链型磺化聚酰亚胺，其电导率与吸水率曲线与Nafion类似，分子链柔性大，二胺单体碱性高，化学性能更加稳定，抗水解能力强。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：由于本发明是以磺化聚酰亚胺膜(Sulfonated Polyimide Membrane简称SPI)为核心制备质子交换膜，然后生产质子交换膜燃料电池，其特征是：与五元环SPI膜相比，五元环SPI抗水解能力差，短时间容易被水解而破坏，变得很脆而无法使用；本发明六元环SPI膜由于改变化学合成方式和链式结构从而化学性能更加稳定，抗水解能力强。具体方案为：①.改变化学合成方式。将磺酸基因引入到聚酰亚胺中的方式其传统方法是将聚酰亚胺直接进行磺化，然而将聚酰亚胺在强酸性条件下直接进行磺化易导致聚酰亚胺主链断裂，不易形成膜；本发明是将以磺化的化合物作为聚合单体进行聚合，先磺化后聚合可以调整磺酸基团的浓度，控制磺酸基团在聚酰亚胺分子链中的位置，采用NTDA为二酐单体，用已磺化的二胺单体将磺酸基团引入到聚酰亚胺分析链中。在SPI的合成过程中，磺化度可以通过调整磺化二胺与非磺化二胺的比例准确控制，通过实验膜的磺化度超过33％时，就具有较高的质子电导率，与Nafion膜在同一数量级，当磺化程度达到50％时，其质子传导率可达0.031S/cm，当磺化度为100％，质子传导率为0.072S/cm，相当于Nafion的84％。②.改变链式结构，磺酸基团在主链中的位置会影响质子交换膜的性质，尤其是质子电导率。将磺酸基团位于聚酰亚胺主链上的磺化聚酰亚胺称为主链型的，相应地，将磺酸基团位于聚酰亚胺侧链上的称为侧链型。磺酸基团连在聚合物的主链上，磺化二胺单体4，4’-二氨基二苯醚-2，2’-二磺酸和9，9双(4-氨基苯基)芴-2，7-二磺酸的磺酸基团直接连在苯环上，会产生均一的相形态，没有Nafion膜所具有易于质子通过的离子簇通道，因此在相对湿度低于100％时，其磺化聚酰亚胺的质子电导率低于Nafion；而磺酸基团连在聚合物的侧链上，磺化二胺体2，2’-双(3-磺基丙氧基)联苯胺(2，2’-BSPB)和3-(2’，4’-二氨基苯氧基)丙烷磺酸合成的磺化的聚酰亚胺在聚合物中会产生离子簇作用相同的分离结构，易于质子通过，因此可以提高质子电导率，其磺化聚酰亚胺的质子电导率高于Nafion。
本发明的有益效果是：以六元环SPI膜制备的质子交换膜燃料电池堆较之传统膜具有性能稳定、工艺简单、价格低廉，便于推广和使用。传统膜为全氟磺酸膜(以美国Dupont公司的Nafion膜为典型代表)，该膜具有较好的热稳定性、出色的抗电化学氧化性、良好的机械性能和较高的电导率。然而，由于其甲醇渗透率较高、在高温或湿度较低时电导率明显下降、制备工艺复杂、价格昂贵，使其应用受到限制，不能满足未来高效率、高能量密度电池的要求。为了克服这些缺点，本发明以六元环SPI膜制备的质子交换膜燃料电池堆，具有很强的化学惰性，不溶于任何已知的有机溶剂，不会熔化、烧焦，具有耐高、低温性能，良好的电学能力，SPI的磺酸基图分解温度达到270℃，溶胀率则表现出明显的各向异性。SPI-25膜室温下的电导率可达6.0×10-3/cm，接近相同条件下的Nafion^R117膜的质子电导率(9.8×10-3/cm)，高温及湿度较低时电导率稳定，制备工艺简单，价格低廉，利于质子交换膜燃料电池的推广及普及。
附图说明
附图给出了本发明的磺化聚酰亚胺膜的制备及质子交换膜燃料电池堆的结构图：
图1：六元环磺化聚酰亚胺的合成过程
图2：六元环磺化聚酰亚胺的成膜过程
图3：六元环SPI质子交换膜燃料电池堆
具体实施方式
本发明重点技术是磺化聚酰亚胺膜的制备。在图2中，使用装有聚四氟乙烯搅拌系统、惰性气体入口、样品入口的250ml反应器被用来实施聚酰亚胺缩合反应，具体实施过程为①将其放入油温浴以不断维持反应温度；②向反应器装入二氨基苯甲酸并加入N-甲基吡咯烷酮以作为溶剂；③完全溶解之后，向溶液中慢慢加入二苯酮四羧酸二酐粉末；④反应持续大约一小时之后，再加入氧化二苯胺；⑤反应持续三小时后，得到深棕色粘稠溶液；⑥向该溶液中加入N，N-二(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸粉末，在N-甲基吡咯烷酮中的溶液需在60～90℃保持1小时；⑦将溶液浇注在玻璃板上，在烘箱中依次在110℃下老化2小时，在150℃下老化1小时，在200℃下老化1小时，在250℃下老化1小时；⑧在真空箱中60℃下干燥24小时，得到透明的磺化聚酰亚胺膜。
Claims (2)
1.一种新型质子交换膜燃料电池制备方法，由本发明是以磺化聚酰亚胺膜(Sulfonated Polyimide Membrane简称：SPI)为核心制备质子交换膜，然后生产质子交换膜燃料电池堆，其特征是：①与五元环SPI膜相比，六元环SPI膜化学性能更加稳定；②将磺酸基团引入到聚酰亚胺中的方式有两种：一是将聚酰亚胺直接进行磺化，将聚酰亚胺在强酸性条件下直接进行磺化易导致聚酰亚胺主链断裂，不易形成膜；二是将已磺化的化合物作为聚合单体进行聚合。本发明采用第二种方法，不仅可以调整磺酸基团的浓度，还可以控制磺酸基团在聚酰亚胺分子链中的位置。
2.根据权利1要求的所述制备成的质子交换膜燃料电池堆，其特征是：采用NTDA为二酐单体，用已磺化的二胺单体将磺酸基团引入到聚酰亚胺分子链中，在SPI的合成过程中，磺化度可以通过调整磺化二胺与非磺化二胺的比例准确控制。
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Granted publication date: 20130619 |
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