技術領域

本發明涉及一種含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜，尤其是指一種含有改性馬來酰亞胺低聚物的離子/質子交換膜。

背景技術

近年來，在質子交換膜膜材性能的改進、電池堆(fuel?cell?stack)功率密度的提升，以及觸媒價格與使用量降低等因素的驅動下，使得質子交換膜燃料電池已逐漸具有商業競爭的能力，未來應用市場的發展潛力相當雄厚。

質子交換膜在質子交換膜燃料電池中作為固態電解質有著舉足輕重的作用，聚全氟離子交換膜(perfluorinate?ionomer?membranes)是目前建立最好的低溫運用型材料，而其中又以Nafion具有優異的導電率最為通用。Nafion是以類似鐵氟龍結構為主鏈，親水性的陽離子交換基團磺酸基(-SO₃H)則是以側鏈連接懸吊于主鏈上。基本上，全氟磺酸化聚合物所制作成的離子/質子交換膜，其離子導電性不差且化學穩定性亦佳，不過其在制備工程上相當復雜，且價格也十分昂貴，而由于膜的機械強度不足，使運用的厚度往往須超過100μm，造成歐姆阻抗無法減降，影響其離子/質子的導電度。

非氟離子/質子交換膜則以磺酸化熱穩定型熱塑性聚合物為研發主軸，例如聚芳基醚酮類聚合物(poly(arylether?ketones)，PAEKs)已被廣泛探討研究并開發具有應用價值的離子/質子交換膜材料。然而，這種聚芳基醚酮聚合物所做成的離子/質子交換膜，均須在相當程度以上的濕潤環境中，才能保持正常的運作功能。因此，僅能在100℃以下溫度的作業環境里使用，應用的領域范圍會受到局限。并且，這種交換膜具有很高的甲醇滲透率，會造成甲醇的竄透，使陰極的極化大幅增加，降低電池的性能。上述的這些缺點所產生的結果，往往會直接影響到質子的傳導與水分子的傳送傳導機制，進而降低膜的整體效能。

因此，如何有效地提升離子/質子交換膜的保水能力、抗化學與電化學穩定性、機械強度、耐熱性和撓曲性，以及減降制作成本等，應是當前須重視及解決的問題。

發明內容

基于上述問題，本發明的主要目的在于提供一種具有高保水能力的含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜。

本發明的另一目的是提供一種化學抗性佳的含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜。

本發明的又一目的是提供一種具有優異電化學穩定性的含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜。

本發明的再一目的是提供一種高耐熱性的含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜。

為達上述及其他目的，本發明提供一種含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜，包括磺酸化聚芳基醚酮聚合物和改性馬來酰亞胺低聚物。所述交換膜是以巴比土酸改性而具有高支鏈結構(hyper?branchedarchitecture)的改性馬來酰亞胺低聚物作為結構基質，并使其導入磺酸化聚芳基醚酮聚合物，構成半互穿式交聯網狀結構(semi-interpenetration?network，semi-IPN)，由此強化所述離子/質子交換膜的保水能力、抗化學性、電化學穩定性及耐熱性，可用于制作薄膜電極組(membrane?electrode?assembly)、燃料電池，或應用于海水淡化、重水與污水的處理、以及生質能源等領域。

附圖說明

圖1a至1e顯示具有不同比例支鏈結構的改性馬來酰亞胺低聚物的保水程度；

圖2顯示本發明實施例9至11的熱交聯反應的加熱溫度梯度；

圖3顯示本發明實施例12至17的熱交聯反應的加熱溫度梯度；以及

圖4顯示S-PEEK以及S-PEEK/高支鏈結構雙馬來酰亞胺低聚物膜的TGA熱分析結果。

具體實施方式

本發明是含有改性馬來酰亞胺低聚物的交換膜，包括磺酸化聚芳基醚酮聚合物(Sulfonated?poly(arylether?ketone)，S-PAEKS)和改性馬來酰亞胺低聚物。一般而言，所述磺酸化聚芳基醚酮聚合物與所述改性馬來酰亞胺低聚物的重量比在99.95∶0.05至50∶50的范圍內，優選地，所述磺酸化聚芳基醚酮聚合物與所述改性馬來酰亞胺低聚物的重量比在99∶1至90∶10的范圍內。

由于聚芳基醚酮類聚合物(poly(arylether?ketone)，PAEKS)的分子間氫鍵作用會隨磺酸化程度的增加而增強，通過磺酸化進一步改善聚芳基醚酮聚合物的耐高溫特性、電化學穩定性、以及導電度。在一個具體實例中，利用濃硫酸進行聚醚醚酮(PEEK)的磺化反應：