[發(fā)明專利]燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710102133.3
• 申請(qǐng)日: 2017-02-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106832369A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王哲;李愷寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C08J5/22
• 分類號(hào): C08J5/22;C08L81/06;C08K5/435;C08G75/23;H01M8/102;H01M8/1046;H01M8/1048;H01M8/1069
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所(普通合伙)22210
• 代理人: 陶尊新

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子化學(xué)和質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜(PEM)是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的“心臟”，與一般化學(xué)電源中的隔膜不同，它不僅可以隔離燃料和氧化劑，防止它們直接發(fā)生反應(yīng)，而且起著電解質(zhì)的作用。

公開(kāi)號(hào)為CN104659395A的中國(guó)專利，公開(kāi)了一種質(zhì)子交換膜燃料電池用有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法，該質(zhì)子交換膜由側(cè)鏈帶有N-雜環(huán)的功能聚合物(如聚乙烯吡咯烷酮)、雜多酸及骨架聚合物(如聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚苯砜等)組成，有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合質(zhì)子交換膜在室溫的質(zhì)子傳導(dǎo)率可達(dá)到10^-2S/cm。由于該有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合質(zhì)子導(dǎo)電膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率較低，從而影響導(dǎo)電膜的穩(wěn)定性和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了提供一種燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜及其制備方法，該復(fù)合膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和較好的熱穩(wěn)定性能，并且具有良好的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械性能，同時(shí)，該制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低。

本發(fā)明首先提供一種燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜，該質(zhì)子交換膜按重量百分比包括如下組分：

磺化聚芳醚酮砜：85～95％；

離子液體：5～15％；

所述的磺化聚芳醚酮砜和離子液體，結(jié)構(gòu)式分別如式Ⅰ和式Ⅱ所示：

式Ⅰ

式Ⅱ

式Ⅰ中，m、n為重復(fù)單元數(shù)，m、n為≥1的整數(shù)。

本發(fā)明還提供一種燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜的制備方法，包括如下：

步驟一：分別將磺化聚芳醚酮砜和離子液體溶于溶劑中，然后將兩者混合，得到混合溶液；

步驟二：將步驟一得到的混合溶液攪拌24～48小時(shí)，得到成膜液，所述的成膜液中磺化聚芳醚酮砜和離子液體重量百分比為(85～95％)：(5～15％)；

步驟三：將步驟二得到的成膜液采用流延法延流成膜，即得到燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜。

優(yōu)選的是，所述的磺化聚芳醚酮砜制備方法為：氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在三口瓶中加入a mol 4,4’-二氟二苯酮，(1-a)mol 4,4’-磺化二氟二苯砜，b mol雙酚A單體，混合均勻后加入成鹽劑、帶水劑和溶劑，120～140℃帶水回流4～5小時(shí)后放出帶水劑，溫度升至160～175℃，繼續(xù)反應(yīng)4～6小時(shí)，得到磺化聚芳醚酮砜，其中a＝0.01～0.09，b＝0.01～0.09。

優(yōu)選的是，所述的溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亞砜中的一種。

優(yōu)選的是，所述的帶水劑為甲苯。

優(yōu)選的是，所述的離子液體的制備方法，包括：

將1-甲基咪唑和鹵代烷烴在60-65℃下反應(yīng)3天，再用甲苯洗脫，將反應(yīng)產(chǎn)物在65-75℃真空條件下烘干，得到氯鹽咪唑離子液體，將上述氯鹽咪唑離子液體和雙(三氟甲磺酸)酰亞胺鋰鹽以水為溶劑在攪拌條件下進(jìn)行陰離子交換，攪拌一天，靜置分層，取有機(jī)相在真空烘箱中烘干即為離子液體。

優(yōu)選的是，所述的鹵代烷烴為1-氯乙烷。

優(yōu)選的是，所述的1-甲基咪唑和鹵代烷烴的摩爾比為1：1。

優(yōu)選的是，所述的氯鹽咪唑離子液體和雙(三氟甲磺酸)酰亞胺鋰鹽的摩爾比為1：1。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明首先提供一種燃料電池用磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜，該質(zhì)子交換膜按重量百分比包括：85～95％磺化聚芳醚酮砜和5～15％離子液體：該質(zhì)子交換膜中由于氮原子可以充當(dāng)質(zhì)子的給體與受體，既可以接受質(zhì)子也可以給出質(zhì)子，與磺酸基團(tuán)之間可以形成新的質(zhì)子傳輸通道，繼而解決膜在低濕度或高溫下失水導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率下降的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本發(fā)明的磺化聚芳醚酮砜與離子液體復(fù)合型質(zhì)子交換膜在80℃時(shí)的質(zhì)子傳導(dǎo)率為0.067S/cm～0.08S/cm，該無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合型質(zhì)子交換膜厚度為50～80μm。