用于燃料电池的磺化聚芳醚砜质子交换膜材料的直接合成与性能研究.pdfVIP

第4期 高分子学报 No．4 2009年4月 ACTAPOLYMERICASINICA Apr．，2009 用于燃料电池的磺化聚芳醚砜质子交换膜材料的 直接合成与性能研究。 张 妮 刘惠玲“ 李君敬 夏 至 王向宇 (城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨工业大学市政环境工程学院 哈尔滨 150090) 摘 系列具有不同磺化度的磺化聚芳醚砜(S队Es)共聚物．通过lrr-lR，TGA和DSC等分析方法对其结构及性能 进行表征．并用透射电镜对其内部形态进行分析，建立了结构与性能之间的关系．研究了不同磺化度对膜性能 的影响．结果表明，聚合物中磺酸基团的增多导致了磺化聚芳醚砜膜的吸水率、离子交换容量、质子传导率和 甲醇渗透系数的增加．通过对膜的综合性能评价发现，磺化度为0．8的磺化聚芳醚砜膜在80℃时的质子传导 S／cm和0．117 率为0．116S／cm，100℃时的质子传导率为0．126S／cm，均高于Nation117膜(O．114 S／cm)，且甲醇 渗透系数为8．4×10。7cm2／s，远远低于Nail佃117膜(2．1×10一cm2，8)． 关键词 质子交换膜，燃料电池，磺化聚芳醚砜，质子传导率，甲醇渗透系数 近几年，质子交换膜燃料电池作为有发展前途 的研究目前已有相关报道¨1’12】，但是对于膜的综 的绿色能源装置已经引起人们的广泛关注．在质子 合性能研究尚不系统，特别是膜的机械性能和阻 交换膜燃料电池中，质子交换膜是其最重要的组成 醇性能研究鲜见相关报道．而良好的机械性能是 部分．传统的质子交换膜是全氟聚合物Nation膜， 质子交换膜实用化的起码条件，良好的阻醇性能 Nation膜在燃料电池的运行中(80℃)表现出了 是直接甲醇燃料电池中质子交换膜实用化的必要 很好的电性能和长期的稳定性，但其存在着质子传 条件．为了进一步提高膜的综合性能，本文采用直 导率不高(运行温度≥80℃时)，价格昂贵等缺点， 接共聚的方法合成具有不同磺化度的磺化聚芳醚 从而限制了其大规模的应用¨。J．因此，近年来研 砜聚合物，通过F-I．．IR对聚合物的结构进行确认， 究者们相继制备出磺化聚酮‘4柚1、磺化聚芳醚腈 并系统地研究了聚合物膜的热稳定性、机械性能、 酮1、磺化聚醚醚砜¨J、磺化聚芳醚酮砜‘91、磺化聚阻醇性能和质子传导率等性能，探讨了磺化度与 酰亚胺¨刚等聚合物膜以期替代现有的质子交换膜 膜的热性能、电性能、阻醇等性能之间的关系，并 材料．而磺化聚芳醚砜膜以其较高的质子传导率、 通过透射电镜分析其结构对其性能的影响，以期 较好的热稳定性表现了良好的应用潜力¨1’12J． 解决Nation膜高温质子传导率低和甲醇渗透系数 聚合物的磺化方法有两种，后磺化和单体的 高的问题． 直接磺化．使用后磺化方法制得的磺化聚芳醚砜 1 实验部分 膜，因其在聚合物的重复单元中只能引入一个磺 酸基团导致质子传导率低等缺点而限制了该膜在 1．1试剂 燃料电池中的应用；而直接磺化的方法更容易控 50％发烟硫酸、氯化钠、氢氧化钠、碳酸钾和 制磺化度，且避免了交联和其它副反应的发生，与 甲苯均为上海化学试剂公司产品；4，4’．二氯二苯 后磺化方法相比更具优越性¨引．但与Nation膜相 比，采用直接共聚方法合成磺化聚合物膜其包括 江寅生公司和Panya公司产品，重结晶并干燥后 质子传导率、机械性能等在内的综合性能指标尚