TWI439473B - 馬來醯亞胺衍生物、馬來醯亞胺衍生共聚物及包含此衍生物或共聚物之組合物、薄膜及電池 - Google Patents

馬來醯亞胺衍生物、馬來醯亞胺衍生共聚物及包含此衍生物或共聚物之組合物、薄膜及電池 Download PDF

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Wu Huei Jheng
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Description

馬來醯亞胺衍生物、馬來醯亞胺衍生共聚物及包含此衍生物或共聚物之組合物、薄膜及電池
本發明係有關於一種共聚物，特別是有關於一種馬來醯亞胺衍生物、馬來醯亞胺衍生共聚物及包含此衍生物或共聚物之組合物、薄膜及電池。
固態高分子質子傳導膜廣泛應用於各種電化學元件中，如燃料電池、鋰離子二次電池、感測器等，其中高分子電解質燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC)近來因其為可再生能源之轉化系統而備受重視。高分子質子傳導膜為一種酸性固態電解質，主要功能除了在分隔氧化及還原之半反應，阻止兩極直接接觸而造成短路外，還須能使陽極反應產生質子通過至陰極與氧結合以完成全反應，使電子由外部線路經過。
目前，最具實用性的燃料電池質子傳導膜為含磺酸基團的全氟取代高分子共聚物(PFSA)，其質子傳導率為0.01S/cm，但目前的價格仍非常昂貴，阻礙產品大規模的應用。目前，PEMFC用質子傳導膜使用上最大的問題在於水熱管理。氫離子為一裸質子，由於其缺乏屏蔽原子核的電荷，質子易與其週遭之親核性物質(如：水)發生作用，形成團聚物(cluster)，使得質子能在水所形成的通道進行傳遞，因此，當溫度接近水的沸點時，PEM會因失水而造成質子傳導性降低，使PEMFC之效率降低，此為侷限PEMFC使用之重要原因之一。然而，PFSA之材料特性尚有以下數項缺點：(1)當溫度超過150℃時，須考慮裂解產生的氣體造成的毒性與腐蝕性；(2)高溫造成PFSA膜性質降低，如在80℃時質子傳導度降低為60℃時的1/10，機械強度銳減等；(3)因高溫易失水之特性，故在80℃操作時須大規模額外的設備，如加濕系統等，而增加相當的成本；(4)此材料成本過高而僅有少數供應商，如Du Pont、Asahi Chemical等公司。因此，世界各國目前均積極開發一種具機械強度、成本低廉、熱穩定性高、能提供高質子傳導度及穩定性之高分子材料。
近來，許多非氟聚合物已被發展可望應用於燃料電池中，如磺酸化之聚苯乙烯，使用磺酸化劑將聚苯乙烯磺酸化或以磺酸化之單體進行聚合反應(美國專利第5,679,482號)。美國專利第6,090,895號敘述磺酸化聚合物，如磺酸化聚醚醚酮、磺酸化聚醚碸、磺酸化聚苯乙烯等之交聯製程。中華民國專利第I305214號敘述一種聚苯併咪唑-聚四氟乙烯複合膜，其係利用偶合劑使聚苯併咪唑填滿聚四氟乙烯孔洞膜之孔洞形成超薄離子交換膜。
有機-無機混成型材料近來成功應用於電化學元件的離子傳導薄膜，其分子結構可經設計而具有高離子傳導性。例如部分研究將無機酸或氧化物與質子傳導高分子利用含浸、混摻方式製成複合材料，以期提高高溫之含水量或利用無機酸進行質子傳導(美國專利第6,716,548號、第6,059,943號、第4,594,297號)。但此法仍有困難，因其無機物對高分子的耐熱性提升有限，高分子只作為基質之角色，與無機物之間並無鍵結，故在高溫環境中高分子仍有本質上的問題。有許多方法已被提出來克服這些困難，如Itaru Honma利用各種可水解的alkoxyalkylsilane與固體酸製備以矽氧交聯結構之有機-無機質子傳導材料(美國專利第6,680,138號)，此種材料雖在高溫具有良好的質子傳導度，但當製成薄膜後，容易產生裂縫而難以製成MEA，且當含水量高時會有溶解的問題。
因此，發展一種成本低廉能夠應用於燃料電池中之非氟系質子傳導膜，並導入無機物使形成有機-無機複合材料，乃是此領域技術的一大困難。
本發明之一實施例，提供一種馬來醯亞胺衍生物，具有下列化學式(I)或(II)：
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、
本發明之一實施例，提供一種馬來醯亞胺衍生共聚物，具有下列化學式(III)：
其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為 (R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
本發明之一實施例，提供一種組合物，包括：一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物；以及一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、
其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為 (R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
本發明之一實施例，提供一種薄膜，包括：一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、
其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為 (R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
本發明之另一實施例，提供一種薄膜，包括：一組合物，該組合物包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物與一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、
其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為 (R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
本發明之一實施例，提供一種電池，包括：一陰極與一陽極；以及一薄膜，設置於該陰極與該陽極之間，其中該薄膜包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1～6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、
其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為 (R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
本發明之一實施例，提供一種電池，包括：一陰極與一陽極；以及一薄膜，設置於該陰極與該陽極之間，其中該薄膜包括一組合物，該組合物包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物與一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、
其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為 (R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明之一實施例，提供一種馬來醯亞胺衍生物，具有下列化學式(I)或(II)。
在化學式(I)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
在化學式(II)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1～100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。B可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或。
本發明之一實施例，提供一種馬來醯亞胺衍生共聚物，具有下列化學式(III)。
在化學式(III)中，M可為可進行自由基聚合之不飽和單體。m介於1~10000。n介於1~10000。X1 可為(R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
上述芳香族化合物可包括
本發明提供一種具有至少一離子基或可離子化基團(例如磺酸基團)之馬來醯亞胺高分子(例如苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物或馬來醯亞胺聚合物)，作為一高分子電解質。
在一實施例中，本發明可離子化基團(ionizable group)尚包括硫醇、硫化物、磷烷、酯化物、環系磺酸酯、磺酸內酯或酸酐。
在一實施例中，利用一苯乙烯-馬來酸酐共聚物上的酸酐基進行加成反應，以形成本發明具有至少一離子基或可離子化基團之苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物。
在另一實施例中，利用一馬來酸酐聚合物上的酸酐基進行加成反應，以形成本發明具有至少一離子基或可離子化基團之馬來醯亞胺聚合物。
在一實施例中，苯乙烯-馬來酸酐共聚物與馬來酸酐聚合物可為共聚物、三聚物或寡聚物。
本發明之一實施例，提供一種組合物，包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物與一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物。上述含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物中以含矽系聚合物為較佳選擇。
在化學式(I)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
在化學式(II)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。B可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或。
在化學式(III)中，M可為可進行自由基聚合之不飽和單體。m介於1~10000。n介於1~10000。X1 可為(R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
上述芳香族化合物可包括
上述含矽系聚合物可包括側鏈接枝之氨丙基聚二甲基矽氧烷(aminopropyl polydimethylsiloxane)或交聯結構中之二-氨丙基聚二甲基矽氧烷(bis-aminopropyl polydimethylsiloxane)。上述無機氧化物可包括二氧化矽(silica)、蒙脫石(montmorillonit)或輝石(laponite)。上述無機酸可包括磷酸鋯(zirconium phosphate)或磺化矽(sulfonated silica)。
上述含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物與馬來醯亞胺衍生物或馬來醯亞胺衍生共聚物之比例可介於1/3~1/20(重量比)。
上述馬來醯亞胺衍生物或馬來醯亞胺衍生共聚物可與含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物或與其相容具備任何形式官能基的單體形成物理性或化學性接附，例如利用一苯乙烯-馬來酸酐共聚物或馬來酸酐聚合物上的酸酐基進行加成反應，以與含矽系聚合物或單體形成化學性接附，例如與烷烴胺、烷烴二胺、聚烯醚胺、聚烯醚二胺、苯胺、烷基苯胺、苯亞甲基胺、多苯胺、多苯二胺或含矽烴胺(例如aminopropyltriethoxysilane)等胺基化合物形成化學鍵結。上述與馬來醯亞胺衍生物或馬來醯亞胺衍生共聚物接附的單體可為胺基化合物，例如磺酸鈉烷胺、磺酸鈉苯胺、磺酸鈉苯烷基胺、磺酸鈉苯多胺、烷基磺酸鈉苯胺、硫醇烷胺或硫醇苯胺。
藉由適當調整接附後所形成交聯結構的比例，可改善共聚物整體的機械性質及水利特性。
上述含矽系單體或聚合物的馬來醯亞胺衍生共聚物可藉由溶膠-凝膠法製備有機-無機複合材料，其結構特徵為具有三維立體空間的矽氧烷交聯結構。
本發明之一實施例，提供一種薄膜，包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物。
在化學式(I)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
在化學式(II)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。B可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或。
在化學式(III)中，M可為可進行自由基聚合之不飽和單體。m介於1~10000。n介於1~10000。X1 可為(R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
上述芳香族化合物可包括
本發明薄膜可作為一質子傳導膜(proton transfer membrane)，應用於例如燃料電池之電池元件。
本發明之一實施例，提供一種薄膜，包括一組合物，其包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物與一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物。
在化學式(I)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
在化學式(II)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。B可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或。
在化學式(III)中，M可為可進行自由基聚合之不飽和單體。m介於1~10000。n介於1~10000。X1 可為(R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
上述芳香族化合物可包括
上述含矽系聚合物可包括側鏈接枝之氨丙基聚二甲基矽氧烷(aminopropyl polydimethylsiloxane)或交聯結構中之二-氨丙基聚二甲基矽氧烷(bis-aminopropyl polydimethylsiloxane)。上述無機氧化物可包括二氧化矽(silica)、蒙脫石(montmorillonit)或輝石(laponite)。上述無機酸可包括磷酸鋯(zirconium phosphate)或磺化矽(sulfonated silica)。
上述含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物與馬來醯亞胺衍生物或馬來醯亞胺衍生共聚物之比例可介於1/3~1/20(重量比)。
本發明薄膜可作為一質子傳導膜(proton transfer membrane)，應用於例如燃料電池之電池元件。
本發明質子傳導膜所選用的高分子材料成本低廉，且較習知之全氟高分子容易製作及使用。
本發明之一實施例，提供一種電池，包括一陰極與一陽極，以及一薄膜，設置於陰極與陽極之間。上述薄膜包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物。
在化學式(I)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
在化學式(II)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。B可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或。
在化學式(III)中，M可為可進行自由基聚合之不飽和單體。m介於1~10000。n介於1~10000。X1 可為(R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
上述芳香族化合物可包括
本發明薄膜可作為一質子傳導膜(proton transfer membrane)，應用於例如燃料電池之電池元件。
本發明電池可為一燃料電池，其燃料可使用氫氣或甲醇。
本發明之一實施例，提供一種電池，包括一陰極與一陽極，以及一薄膜，設置於陰極與陽極之間。上述薄膜包括一組合物，其包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物與一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物。
在化學式(I)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
在化學式(II)中，X1 可為 (R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。B可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或。
在化學式(III)中，M可為可進行自由基聚合之不飽和單體。m介於1~10000。n介於1~10000。X1 可為(R1 及R2 可為-H、-CH3 或-F，p介於1~20，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷。A可為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
上述芳香族化合物可包括
上述含矽系聚合物可包括側鏈接枝之氨丙基聚二甲基矽氧烷(aminopropyl polydimethylsiloxane)或交聯結構中之二-氨丙基聚二甲基矽氧烷(bis-aminopropyl polydimethylsiloxane)。上述無機氧化物可包括二氧化矽(silica)、蒙脫石(montmorillonit)或輝石(laponite)。上述無機酸可包括磷酸鋯(zirconium phosphate)或磺化矽(sulfonated silica)。
上述含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物與馬來醯亞胺衍生物或馬來醯亞胺衍生共聚物之比例可介於1/3~1/20(重量比)。
本發明薄膜可作為一質子傳導膜(proton transfer membrane)，應用於例如燃料電池之電池元件。
本發明電池可為一燃料電池，其燃料可使用氫氣或甲醇。
【實施例】 【實施例1】
單頸反應瓶中置入4克氫氧化鈉溶於20ml水中，再加入12.49克2-aminoethanesulfonic acid(AESA)，於60℃下反應3小時。利用旋轉蒸發器將大部分水抽除，再置於真空烘箱80℃乾燥24小時得sodium 2-aminoethanesulfonate(SAES)粉體。
【實施例2】 苯 乙烯-馬來醯亞胺共聚物(1)之製備
在二頸圓頸燒瓶中置入5克乾燥的聚苯乙烯-馬來酸酐高分子(苯乙烯：馬來酸酐=1:1)，和60毫升四氫呋喃(使用前先利用氫化鈣予以除水)，以磁石攪拌溶解。取1.82克SAES和90毫升二甲基亞碸(使用前先利用氫化鈣予以除水)於錐形瓶中，升溫至70℃以磁石充分攪拌使完全溶解後，將錐形瓶之溶液倒入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應1小時。SAES的使用量可根據所需要的離子交換當量而改變。取二頸圓頸燒瓶中之溶液適量置於鋁皿中，於烘箱中溫度60℃，10小時。成膜後，將膜置入真空烘箱中120℃除水12小時，再於真空烘箱中進行熱閉環反應，溫度200℃，時間48小時，即完成本實施例苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(1)之製備。
【實施例3】 苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(2)之製備
在二頸圓頸燒瓶中置入5克乾燥的聚苯乙烯-馬來酸酐高分子(苯乙烯：馬來酸酐=1:1)，和60毫升四氫呋喃(使用前先利用氫化鈣予以除水)，以磁石攪拌溶解。取1.82克SAES和90毫升二甲基亞碸(使用前先利用氫化鈣予以除水)於錐形瓶中，升溫至70℃以磁石充分攪拌使完全溶解後，將錐形瓶之溶液倒入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應1小時。SAES的使用量可根據所需要的離子交換當量而改變。反應後，再取2.74克aminopropyltriethoxysilane置入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應2小時。再取5毫升蒸餾水置入二頸圓頸燒瓶中，使乙氧基矽烷進行水解縮合反應，溫度80℃，3小時。取二頸圓頸燒瓶中之溶液適量置於鋁皿中，於烘箱中溫度60℃，10小時。成膜後，將膜置入真空烘箱中120℃，除水12小時，再於真空烘箱中進行熱閉環反應，溫度200℃，時間48小時，即完成本實施例苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(2)之製備。
【實施例4】 苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(3)之製備
在二頸圓頸燒瓶中置入5克乾燥的聚苯乙烯-馬來酸酐高分子(苯乙烯：馬來酸酐=1:1)，和60毫升四氫呋喃(使用前先利用氫化鈣予以除水)，以磁石攪拌溶解。取1.43克SAES和90毫升二甲基亞碸(使用前先利用氫化鈣予以除水)於錐形瓶中，升溫至80℃以磁石充分攪拌使完全溶解後，將錐形瓶之溶液倒入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應1小時。反應後，再取2.47克聚丙烯醚聚乙烯醚二胺(Jaffamine XTJ-502,Huntsman)置入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應2小時。取二頸圓頸燒瓶中之溶液適量置於鋁皿中，於烘箱中溫度60℃，10小時。成膜後，將膜置入真空烘箱中120℃除水12小時，再於真空烘箱中進行熱閉環反應，溫度200℃，時間48小時，即完成本實施例苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(3)之製備。SAES與聚丙烯醚聚乙烯醚二胺的使用量可根據所需要的離子交換當量而改變，以達到控制高分子傳導膜之離子交換當量與機械性質的目的。
【實施例5】 苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(4)之製備
在二頸圓頸燒瓶中置入5克乾燥的聚苯乙烯-馬來酸酐高分子(苯乙烯：馬來酸酐=1:1)，和60毫升四氫呋喃(使用前先利用氫化鈣予以除水)，以磁石攪拌溶解。取1.43克SAES和90毫升二甲基亞碸(使用前先利用氫化鈣予以除水)於錐形瓶中，升溫至80℃以磁石充分攪拌使完全溶解後，將錐形瓶之溶液倒入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應1小時。反應後，再取2.47克聚烯醚胺(Jaffamine XTJ-506,Huntsman)置入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應2小時。取二頸圓頸燒瓶中之溶液適量置於鋁皿中，於烘箱中溫度60℃，10小時。成膜後，將膜置入真空烘箱中120℃除水12小時，再於真空烘箱中進行熱閉環反應，溫度200℃，時間48小時，即完成本實施例苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(4)之製備。SAES與聚烯醚胺的使用量可根據所需要的離子交換當量而改變，以達到控制高分子傳導膜之離子交換當量與機械性質的目的。
【實施例6】 苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(5)之製備
在二頸圓頸燒瓶中置入5克乾燥的聚苯乙烯-馬來酸酐高分子(苯乙烯：馬來酸酐=1:1)，和60毫升四氫呋喃(使用前先利用氫化鈣予以除水)，以磁石攪拌溶解。取1.43克SAES和90毫升二甲基亞碸(使用前先利用氫化鈣予以除水)於錐形瓶中，升溫至80℃以磁石充分攪拌使完全溶解後，將錐形瓶之溶液倒入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應1小時。反應後，再取4.12克聚丙烯醚三胺(Jaffamine T-5000s,Huntsman)置入二頸圓頸燒瓶中，溫度80℃反應2小時。取二頸圓頸燒瓶中之溶液適量置於鋁皿中，於烘箱中溫度60℃，10小時。成膜後，將膜置入真空烘箱中120℃除水12小時，再於真空烘箱中進行熱閉環反應，溫度200℃，時間48小時，即完成本實施例苯乙烯-馬來醯亞胺共聚物(5)之製備。SAES與聚丙烯醚三胺的使用量可根據所需要的離子交換當量而改變，以達到控制高分子傳導膜之離子交換當量與機械性質的目的。
【實施例7】 導電度與含水率之量測
將上述薄膜夾置於不鏽鋼電極之間，電極長3公分，兩電極相距固定1公分，以交流阻抗分析儀(CH Instrument model 604A)量測薄膜阻抗值，以下式計算薄膜之質子傳導度：
σ為質子傳導度(S/cm)；l 為電極距離固定為1公分；R為阻抗值；A為質子傳導面積=膜厚×3公分。
含水率乃將薄膜浸泡於水中，使完全澎潤後，取出拭去膜材表面餘水，量測薄膜重量，以下式計算而得，如表一所示。
含水率=(濕膜重-乾膜重)/濕膜重
【實施例8】 直接甲醇燃料電池單電池之測試
將上述實施例3薄膜以及Nafion-117分別製作膜電極組單電池，於60℃下測試甲醇燃料電池單電池之效能。陽極使用E-TEK PtRu/C(Pt含量20wt%)，陰極使用E-TEK Pt/C觸媒(Pt含量20wt%)。陰、陽極觸媒塗佈量皆為2mg Pt/cm2 ，觸媒層面積為5cm2 。陽極進料為2M甲醇水溶液，進料速率為2ml/min。陰極進料為氧氣，進料速率為100ml/min，測試結果請參閱第1圖。第1圖為甲醇燃料電池單電池之測試結果，包括電流密度對電位作圖，以及電流密度對功率密度作圖。由圖1可知，實施例3之薄膜性能較Nafion-117略高。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖係根據本發明之一實施例，甲醇燃料電池單電池測試之極化曲線與功率密度。

Claims (22)

  1. 一種馬來醯亞胺衍生物，具有下列化學式(I)或(II)： 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A 為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及B 為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、-COOH、-H、-CH3 、或
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬來醯亞胺衍生物，其中該芳香族化合物包括
  3. 一種馬來醯亞胺衍生共聚物，具有下列化學式(III)： 其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體；m介於1~10000；n介於1~10000；X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷；以及A 為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之馬來醯亞胺衍生共 聚物，其中該芳香族化合物包括
  5. 一種組合物，包括：一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物；以及一含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物，其中該含矽系聚合物包括側鏈接枝之氨丙基聚二甲基矽氧烷(aminopropyl polydimethylsiloxane)或交聯結構中之二-氨丙基聚二甲基矽氧烷(bis-aminopropyl polydimethylsiloxane)，該無機氧化物包括二氧化矽(silica)、蒙脫石(montmorillonit)或輝石(laponite)，該 無機酸包括磷酸鋯(zirconium phosphate)或磺化矽(sulfonated silica)，且該馬來醯亞胺衍生物或該馬來醯亞胺衍生共聚物與該含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物之重量比介於1/3~1/20； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、 -COOH、-H、-CH3 、或 其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體，m介於 1~10000，n介於1~10000，X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之組合物，其中該芳 香族化合物包括或
  7. 一種薄膜，包括：一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、 -COOH、-H、-CH3 、或 其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體，m介於1~10000，n介於1~10000，X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之薄膜，其中該芳香族化合物包括或
  9. 如申請專利範圍第7項所述之薄膜，其中該薄膜為一質子傳導膜。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之薄膜，其中該質子傳導膜應用於燃料電池。
  11. 一種薄膜，包括：一組合物，該組合物包括一具有下列化學式(I)或(II)之馬來醯亞胺衍生物或一具有下列化學式(III)之馬來醯亞胺衍生共聚物與一含矽系 聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物，其中該含矽系聚合物包括側鏈接枝之氨丙基聚二甲基矽氧烷(aminopropyl polydimethylsiloxane)或交聯結構中之二-氨丙基聚二甲基矽氧烷(bis-aminopropyl polydimethylsiloxane)，該無機氧化物包括二氧化矽(silica)、蒙脫石(montmorillonit)或輝石(laponite)，該無機酸包括磷酸鋯(zirconium phosphate)或磺化矽(sulfonated silica)，且該馬來醯亞胺衍生物或該馬來醯亞胺衍生共聚物與該含矽系聚合物、無機氧化物、無機酸或其混合物之重量比介於1/3~1/20； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH； 其中X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F， p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，B為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 、 -COOH、-H、-CH3 、或 其中M為可進行自由基聚合之不飽和單體，m介於1~10000，n介於1~10000，X1 為(R1 及R2 為-H、-CH3 或-F，p>2~20)、(R2 為-H、-CH3 或-F，q介於1~100，a介於1~6)、芳香族化合物或聚矽氧烷，A為-SO3 H、-SO2 H、-SO3 H2 、-PO3 H2 、-PO4 H2 或-COOH。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之薄膜，其中該芳香族化合物包括或
  13. 如申請專利範圍第11項所述之薄膜，其中該薄膜為一質子傳導膜。
  14. 如申請專利範圍第13所述之薄膜，其中該質子傳導膜應用於燃料電池。
  15. 一種電池，包括：一陰極與一陽極；以及一如申請專利範圍第7項所述之薄膜，設置於該陰極與該陽極之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電池，其中該電池為一燃料電池。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電池，其中該燃料電池之燃料為氫氣。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之電池，其中該燃料電池之燃料為甲醇。
  19. 一種電池，包括：一陰極與一陽極；以及一如申請專利範圍第11項所述之薄膜，設置於該陰極與該陽極之間。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電池，其中該電池為一燃料電池。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之電池，其中該燃料電池之燃料為氫氣。
  22. 如申請專利範圍第20所述之電池，其中該燃料電池之燃料為甲醇。
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