趙海賓

（河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050091）

車用燃料電池質(zhì)子交換膜的制備及性能

趙海賓

（河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050091）

合成了一系列具有不同支化度的磺化聚芳醚砜材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。所制備的磺化的支化聚芳醚砜材料的分子量可達(dá)7.00×105以上，并且分子量分布在1.17左右，拉伸強(qiáng)度可達(dá)20.55～28.81 MPa。隨著聚合物支化度的增加，聚合物的熱穩(wěn)定性得到改善，在550℃下的熱失重可降低至39%～45%。高支化的磺化聚芳醚砜薄膜的氧化穩(wěn)定性也得到改善，80℃下的使用壽命可提高至7.25 h。支化的磺化聚芳醚砜薄膜的吸水率和質(zhì)子傳導(dǎo)率都較高。80℃下高支化度的聚芳醚砜薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率可達(dá)0.33 S/cm。對(duì)其微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，支化聚芳醚砜中的支化結(jié)構(gòu)可對(duì)周圍的親水磺酸基團(tuán)起支撐作用，促使其發(fā)生團(tuán)聚而形成連續(xù)的質(zhì)子通道。

燃料電池；質(zhì)子交換膜；聚芳醚砜；支化結(jié)構(gòu)

隨著節(jié)能和環(huán)保成為當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的兩大主題，開發(fā)綠色新能源成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，它以甲醇為燃料，利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，反應(yīng)產(chǎn)物為水和二氧化碳等無污染化學(xué)物質(zhì)。直接甲醇燃料電池不僅具有一般燃料電池環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，而且具有無電解液泄漏、優(yōu)良的低溫和高溫耐受性以及化學(xué)穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前在電動(dòng)汽車中應(yīng)用最為廣泛的電池。

質(zhì)子交換膜是直接甲醇燃料電池的核心組成部分，其主要功能是傳遞質(zhì)子形成通路。作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力供應(yīng)，燃料電池應(yīng)該具有十分優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性、較高的容量和較快的充電速率等性能，這就要求質(zhì)子交換膜必須具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、較為優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性等［1］。

目前商業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的全氟磺酸膜是Nafion117，這種質(zhì)子交換膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，但是生產(chǎn)成本較高，且在高溫下甲醇透過率也較高，這就可能導(dǎo)致燃料和氧化劑混合而發(fā)生劇烈反應(yīng)放熱而發(fā)生危險(xiǎn)［2］。為了尋求Nafion 117型質(zhì)子交換膜的替換材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磺化聚酰亞胺、磺化聚環(huán)烯烴、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮［3–6］等材料進(jìn)行了研究和改性，其中磺化聚芳醚砜類具有較為優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，但是由于溫度升高，磺化聚芳醚砜的尺寸穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性都會(huì)顯著下降，而電動(dòng)汽車在運(yùn)行時(shí)電池的溫度一般較高，所以普通的聚芳醚砜材料不能滿足電動(dòng)汽車燃料電池的需求。筆者合成支化的磺化聚芳醚砜質(zhì)子交換膜，希望通過改變聚合物的微觀結(jié)構(gòu)，在保持其優(yōu)良性能的情況下，制備出具有較好尺寸穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性的磺化的支化聚芳醚砜型質(zhì)子交換膜。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

4，4′–二氟二苯砜、2，2–二（4–羥基苯基）丙烷（雙酚A）、1，3，5–三苯基苯、4–氟苯磺酰氯、9–芴酮、2，6–二甲氧基苯酚、3–巰基丙酸、三溴化硼、1，4–丁磺酸內(nèi)酯：純度均為98%，上海薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司；

碳酸鉀、氫氧化鈉、甲苯、二氯甲烷、甲醇、二甲基亞砜（DMSO）、異丙醇、N，N–二甲基乙酰胺、無水乙醇、濃鹽酸、硝基苯、無水氯化鐵：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

其它試劑：市售，使用前未經(jīng)純化處理。

1.2 主要儀器與設(shè)備

核磁共振儀：Bruker 400MHz型，德國(guó)Bruker公司；

凝膠色譜（GPC）儀：Waters 2695型，美國(guó)Waters公司；

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：UTM5000型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

熱重分析儀：Q50型，美國(guó)TA公司；

電化學(xué)工作站：CS350型，中國(guó)科思特儀器有限公司；

原子力顯微鏡：Dimension FastScan型，德國(guó)Bruker公司。

1.3 單體的合成

（1） 9，9–二（3，5–二甲氧基–4–羥苯基）芴（簡(jiǎn)稱為化合物1）的合成。

化合物1的合成路線如圖1所示。將40 mmol 的9–芴酮、100 mmol的2，6–二甲氧基苯酚和200 mmol的3–疏基丙酸加入到容量為100 mL的三頸燒瓶中，并用10 mL甲苯溶解。室溫?cái)嚢?0 min后緩慢滴入2 mL發(fā)煙硫酸，升溫至55℃后反應(yīng)5 h。待反應(yīng)體系冷卻到室溫后，倒入250 mL蒸餾水中終止反應(yīng)，過濾并收集濾餅，用無水乙醇重結(jié)晶得到化合物1白色晶體，產(chǎn)量為11.44 g，產(chǎn)率為60%。

（2） 1，3，5–三［4–（4–氟苯磺?；┍交荼剑ê?jiǎn)稱為化合物2）的合成。

化合物2的合成路線如圖1所示。在干燥的氮?dú)夥諊?，?.9 mmol的1，3，5–三苯基苯和34 mmol的4–氟苯磺酰氯加入到容量為100 mL的三頸燒瓶中，升溫至100℃后，依次加入5 mL 硝基苯、0.4 g無水三氯化鐵。反應(yīng)1 h 后，補(bǔ)加0.3 g無水三氯化鐵，繼續(xù)反應(yīng)2 h。待反應(yīng)體系冷卻至室溫，倒入酸化的甲醇溶液終止反應(yīng)。過濾收集黑色沉淀，并重新溶解于冰乙酸中，于110℃下活性炭脫色3 h。過濾去除活性炭，收集濾液并用冰乙酸稀釋至100 mL后，倒入600 mL 去離子水中沉淀，得到化合物2白色固體，產(chǎn)量為2.8 g，產(chǎn)率為73.3%。

1.4 聚合物及其薄膜的制備

（1）甲氧基取代的支化聚芳醚砜（MPAES）的合成。

MPAES的合成路線如圖1所示。通過改變化合物1和化合物2的投料比可以改變聚合物的支化度，其中以MPAES1代表甲氧基取代的非支化聚芳醚砜，化合物1的投料量為0，化合物2的投料量為0.32 mmol；以MPAES2～MPAES4分別代表化合物1和化合物2的物質(zhì)的量之比為4.13/1，5.94/ 1，8.06/1時(shí)合成的甲氧基取代的支化聚芳醚砜。

以合成MPAES2為例，在干燥氮?dú)夥諊?，?.32 mmol的化合物1，2.68 mmol的雙酚A，3.52 mmol的4，4′–二氟二苯砜和0.32 mmol的化合物2，6.0 mmol的無水碳酸鉀加入到裝有分水器和冷凝管的50 mL 三頸燒瓶中，然后加入10 mL N，N–二甲基乙酰胺和10 mL甲苯溶解。升溫至140℃回流除水反應(yīng)4 h后，繼續(xù)升溫至170℃反應(yīng)5 h。冷卻至室溫后得到粘稠物，加入5 mL N，N–二甲基乙酰胺稀釋，緩慢滴加2 mL 濃鹽酸，倒入100 mL甲醇和去離子水的體積比為1∶1的混合溶液中沉淀，得到白色絮狀物，過濾，洗滌，110℃真空干燥至恒重，得到MPAES2。產(chǎn)率為96%。

（2）羥基化的支化聚芳醚砜（HPAES）的合成。

HPAES的合成路線如圖1所示。在干燥氮?dú)夥諊?、冰水浴下，將所合成的MPAES1～MPAES4聚合物分別溶解于100 mL二氯甲烷中，通過滴液漏斗緩慢滴加30 mL體積分?jǐn)?shù)為10%的三溴化硼的二氯甲烷溶液，滴加完畢后緩慢升至室溫，反應(yīng)6 h后，有紅褐色纖維狀固體析出。將混合物倒入200 mL冰水混合物中，除去多余三溴化硼，過濾，洗滌濾餅至白色，110℃真空干燥至恒重，分別得到HPAES1～HPAES4，產(chǎn)率為94%。

圖1 化合物1，2及MPAES，HPAES，SPAES的合成路線

（3）磺化的支化聚芳醚砜（SPAES）的合成。

SPAES的合成路線如圖1所示。在干燥氮?dú)夥諊?，分別將1.0 g的HPAES1～HPAES4，0.3 g的氫氧化鈉溶解于30 mL DMSO中，再加入1 mL 的1，4–丁磺酸內(nèi)酯，升溫到100℃，反應(yīng)12 h。隨后將反應(yīng)體系的混合物倒入300 mL異丙醇中，析出白色絮狀聚合物，過濾，洗滌，110℃真空干燥至恒重，分別得到SPAES1～SPAES4，產(chǎn)率為89%。

（4）聚合物薄膜的制備。

分別將0.2 g SPAES1～SPAES4溶解于5 mL 的DMSO中，將溶液均勻涂覆于干凈平整的玻璃板上，80℃下使DMSO緩慢揮發(fā)，待溶劑揮發(fā)之后將玻璃板上所形成聚合物薄膜在水中剝離下來，60℃下真空干燥至恒重。

1.5 性能測(cè)試與表征

核磁共振測(cè)試：所有合成的單體及聚合物的核磁圖譜在核磁共振儀上測(cè)得，以氘代氯仿或氘代二甲基亞砜（氘代DMSO）為試劑，四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)。

SPAES的重均分子量和分子量分布測(cè)試：在GPC上測(cè)得，以四氫呋喃為流動(dòng)相，聚苯乙烯為標(biāo)樣。

聚合物薄膜的拉伸強(qiáng)度測(cè)試：依照ASTM D2240–2005標(biāo)準(zhǔn)在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。

聚合物的熱失重分析：聚合物的熱失重在熱重分析儀上測(cè)得，升溫速率為10℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)，測(cè)試范圍為30～550℃。

離子交換容量（IEC）測(cè)試：以10 mmol/L的氫氧化鈉水溶液進(jìn)行滴定，酚酞作為指示劑，利用式（1）計(jì)算聚合物薄膜的IEC：

式中：IEC——聚合物薄膜的離子交換容量，g/mmol；

氧化穩(wěn)定性測(cè)試：將聚合物薄膜置于80℃下，在電化學(xué)工作站上測(cè)試其使用壽命，以使用壽命來評(píng)價(jià)其在該溫度下的氧化穩(wěn)定性。

吸水率和溶脹率測(cè)試：將質(zhì)量為m，長(zhǎng)、寬、高分別為a，b，c的聚合物薄膜浸泡在水中8 h，然后測(cè)定其質(zhì)量和長(zhǎng)、寬、高，分別標(biāo)記為m1，a1，b1，c1，通過式（2）、式（3）計(jì)算聚合物薄膜的吸水率和溶脹率：

聚合物薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率測(cè)試：聚合物薄膜的電阻在電化學(xué)工作站上測(cè)得，通過式（4）計(jì)算聚合物薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率：

式中：σ——聚合物薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，S/cm；

R——薄膜單位厚度的電阻，Ω/cm；

S——聚合物薄膜截面積，cm2。

聚合物薄膜的微觀形貌觀察：用原子力顯微鏡觀測(cè)聚合物薄膜的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物及單體的結(jié)構(gòu)

小分子單體和聚合物的合成路線如圖1所示，所有的單體和聚合物的結(jié)構(gòu)都通過核磁共振進(jìn)行明確表征。其中聚合物HPAES和SPAES的結(jié)構(gòu)中含有活潑氫（羥基），以氘代DMSO為溶劑，其它單體和聚合物以氘代氯仿為溶劑。聚合物MPAES，HPAES和SPAES的核磁譜圖如圖2所示，其中MPAES的核磁譜圖中δ=3.62處有明顯的甲氧基信號(hào)峰，說明成功制備出了MPAES；在三溴化硼作用下，制備的HPAES的核磁譜圖中，甲氧基信號(hào)峰完全消失，而在δ=9.80處出現(xiàn)羥基信號(hào)峰，說明聚合物主鏈上的甲氧基被完全羥基化；進(jìn)一步利用1，4–丁磺內(nèi)酯將HPAES磺化后，制備的SPAES的核磁譜圖中的羥基信號(hào)峰消失，而在δ=3.78，2.30，1.70和1.40處出現(xiàn)了亞甲基的信號(hào)峰，說明所得聚合物為完全磺化的聚合物。

圖2 聚合物的核磁共振譜圖

通過改變聚合反應(yīng)中化合物1和化合物2的投料比，可以改變聚合物的支化度，其中SPAES1為非支化聚芳醚砜；SPAES2為化合物1與化合物2的物質(zhì)的量之比為4.13∶1條件下所獲得的支化聚芳醚砜；SPAES3為化合物1與化合物2的物質(zhì)的量之比為5.94∶1條件下所獲得的支化聚芳醚砜；SPAES4為化合物1與化合物2的物質(zhì)的量之比為8.06∶1條件下所獲得的支化聚芳醚砜。聚合反應(yīng)數(shù)據(jù)及聚合物薄膜的拉伸性能見表1。

表1 聚合反應(yīng)數(shù)據(jù)及聚合物薄膜的拉伸性能

由表1可知，隨著聚合物支化度的增加，聚合反應(yīng)的產(chǎn)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，支化聚芳醚砜的重均分子量均在7.00×105以上，要顯著高于非支化聚芳醚砜，并且分子量分布也相對(duì)較低，約為1.17左右。但是隨著聚合物支化度的增大，其拉伸強(qiáng)度有所降低，但仍與Nafion117的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)。

2.2 聚合物的熱穩(wěn)定性

在氮?dú)夥諊?，?0℃/min的升溫速率對(duì)聚合物在室溫至550℃區(qū)間內(nèi)的熱分解行為進(jìn)行了研究，熱失重曲線如圖3所示。其中非支化聚芳醚砜樣品SPAES1和低支化度聚芳醚砜樣品SPAES2的熱分解行為相差不大，5%失重時(shí)的溫度均為230℃，隨著支化度增大，聚芳醚砜樣品的熱穩(wěn)定性得到改善，其中中等支化度的聚芳醚砜樣品SPAES3在5%失重時(shí)的溫度為242℃，高支化度的聚芳醚砜樣品SPAES4在5%失重時(shí)的溫度為255℃。300℃之前SPAES1和SPAES2的熱分解行為相差不大，300℃時(shí)的熱失重均為13%，而SPAES3和SPAES4的熱失重分別為12%和9%；在300～550℃區(qū)間內(nèi)，支化聚芳醚砜和非支化聚芳醚砜之間的熱分解行為開始出現(xiàn)較為明顯的不同，550℃時(shí)SPAES1～SPAES4的熱失重分別為47%，45%，40%和39%。以上結(jié)果表明，隨著聚芳醚砜支化度的增大，樣品的熱穩(wěn)定性得到較為明顯的改善，所合成的支化聚芳醚砜型質(zhì)子交換膜可以應(yīng)用于較高使用環(huán)境溫度下，可更好地適用于電動(dòng)汽車的燃料電池中。

圖3 聚合物的熱失重曲線

2.3 聚合物薄膜的性能

（1） IEC。

IEC可以用每克聚合物所帶有磺酸基團(tuán)的物質(zhì)的量進(jìn)行衡量，通常聚合物的IEC需要保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，IEC值較低則聚合物薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率降低，而IEC值過高，則會(huì)導(dǎo)致聚合物脆性增大。由表2聚合物薄膜的IEC值可以看出，筆者所合成的磺化的支化聚芳醚砜型質(zhì)子交換膜的離子交換容量范圍為1.69～1.74 mmol/g，且實(shí)測(cè)IEC值與理論IEC值相差不大，進(jìn)一步證明了聚合物主鏈被成功磺化，這與核磁共振結(jié)果一致。另外，隨著聚合物支化度的增加，聚合物薄膜的IEC值逐漸降低，可以通過改變化合物1和化合物2的投料比，進(jìn)而調(diào)控聚合物的支化度，從而將薄膜的IEC值控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。

表2 聚合物薄膜的IEC值和氧化穩(wěn)定性

（2）氧化穩(wěn)定性。

通過對(duì)聚合物薄膜在80℃下氧化穩(wěn)定性的測(cè)定發(fā)現(xiàn)（見表2），隨著聚合物支化度的增加，聚合物薄膜的氧化穩(wěn)定性逐漸提高。非支化聚芳醚砜樣品SPAES1在80℃下的壽命僅有3.67 h，而高支化度的聚芳醚砜樣品SPAES4的壽命則可提高至7.25 h，幾乎為非支化聚合物的2倍。說明隨著聚合物支化度的增加，所制備的質(zhì)子交換膜的壽命相應(yīng)提高，也就是說，高支化度的聚芳醚砜質(zhì)子交換膜更適用于電動(dòng)汽車燃料電池的苛刻環(huán)境。

（3）吸水率。

質(zhì)子交換膜適當(dāng)?shù)暮靠梢韵魅趸撬岣鶊F(tuán)和質(zhì)子之間的相互作用，有利于質(zhì)子的傳遞，但是含水量過高則會(huì)使聚合物薄膜的力學(xué)性能降低。通常聚合物中親水基團(tuán)磺酸根的含量（IEC值）越高，聚合物的吸水率則越高。但是筆者所合成的支化聚芳醚砜的吸水率則隨IEC值的升高而降低，如圖4所示。這是由于支化聚合物支化點(diǎn)附近會(huì)形成空腔結(jié)構(gòu)，從而促使支化點(diǎn)周圍的親水基團(tuán)的吸水能力提高，從而使聚合物薄膜的吸水率提高，這就造成了聚合物薄膜的吸水率隨其支化度的增大而升高的現(xiàn)象。另外，隨著溫度的升高，聚合物薄膜的吸水率也逐漸升高。

圖4 聚合物薄膜在不同溫度下的吸水率

（4）尺寸穩(wěn)定性。

聚合物薄膜的溶脹率是衡量其尺寸穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下聚合物的吸水率增大雖然可以提高其質(zhì)子傳導(dǎo)率，但是也同樣會(huì)降低聚合物薄膜的尺寸穩(wěn)定性。筆者合成的支化聚芳醚砜質(zhì)子交換膜成功解決了這一問題。圖5為聚合物薄膜在不同溫度下的溶脹率，由圖5可以看出，具有較高吸水率的高支化度聚芳醚砜質(zhì)子交換膜的溶脹率明顯低于非支化聚芳醚砜質(zhì)子交換膜在相同溫度下的溶脹率，并且隨著溫度升高，非支化聚芳醚砜薄膜的溶脹率顯著升高，但支化聚芳醚砜薄膜的溶脹率的提高幅度較低。造成這一現(xiàn)象的原因是支化點(diǎn)的存在在一定程度上限制了聚合物鏈的自由移動(dòng)，從而提高了薄膜的尺寸穩(wěn)定性。這進(jìn)一步說明支化聚芳醚砜質(zhì)子交換膜不僅可以保證較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，還可以保證其在應(yīng)用中的尺寸穩(wěn)定性，適合在電動(dòng)汽車燃料電池中的應(yīng)用。

圖5 聚合物薄膜在不同溫度下的溶脹率

質(zhì)子傳導(dǎo)率是衡量質(zhì)子交換膜的最重要的性能指標(biāo)之一。聚合物薄膜在不同溫度下的質(zhì)子傳導(dǎo)率如圖6所示。由圖6可知，隨著聚合物支化度的升高，聚合物薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高，其中高支化度的聚芳醚砜樣品SPAES4在80℃下的質(zhì)子傳導(dǎo)率可高達(dá)0.33 S/cm。以上研究表明，高支化度的磺化聚芳醚砜具有較高的吸水率和質(zhì)子傳導(dǎo)率，并且其熱穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性都高于低支化度的聚合物，也就是說提高聚芳醚砜的支化度可以改善質(zhì)子交換膜的應(yīng)用性能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在電動(dòng)汽車燃料電池中的應(yīng)用。

圖6 聚合物薄膜在不同溫度下的質(zhì)子傳導(dǎo)率

2.4 聚合物薄膜的微觀形貌

為進(jìn)一步研究聚合物支化度提高造成其質(zhì)子傳導(dǎo)率升高的原因，利用原子力顯微鏡對(duì)磺化的非支化聚芳醚砜SPAES1薄膜和磺化的高支化度聚芳醚砜SPAES4薄膜的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，支化和非支化的聚芳醚砜薄膜中均存在微觀相分離結(jié)構(gòu)，這是由于柔性側(cè)鏈所連接的親水磺酸基團(tuán)發(fā)生聚集而形成親水/疏水微觀相分離。其中高支化聚合物SPAES4的相分離結(jié)構(gòu)更為明顯，這是由于支化點(diǎn)的存在，磺酸基團(tuán)以支化結(jié)構(gòu)作為支撐，從而更利于自身的聚集，進(jìn)而形成連續(xù)的質(zhì)子通道，使質(zhì)子傳導(dǎo)率得到提高。

圖7 磺化的非支化和高支化聚合物薄膜的表面形貌

3 結(jié)論

合成一系列側(cè)鏈磺化的非支化和支化聚芳醚砜材料，并通過核磁共振對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征；制備的磺化的支化聚芳醚砜材料具有較高分子量，可達(dá)7.29×105～7.72×105，并且分子量分布在1.17左右，拉伸強(qiáng)度可達(dá)20.55～28.81 MPa。隨著聚合物支化度的增加，聚合物的熱穩(wěn)定性得到改善，在550℃下的質(zhì)量保持率可保持在55%～61%。另外，高支化度磺化聚芳醚砜在80℃下的使用壽命長(zhǎng)達(dá)7.25 h，氧化穩(wěn)定性得到改善。在80℃下高支化度聚芳醚砜薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)0.33 S/cm。通過對(duì)聚合物薄膜微觀形貌的研究發(fā)現(xiàn)，支化聚芳醚砜的酯化結(jié)構(gòu)可以支撐磺酸基團(tuán)，利于其團(tuán)聚，從而形成連續(xù)的質(zhì)子通道，提高聚合物薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。

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Preparation and Performance of Proton Exchange Membrane for Automotive Fuel Cells

Zhao Haibin
（Hebei Jiaotong Vocational and Technical College， Shijiazhuang 050091， China）

A series of sulfonated poly（aryl ether ketone） materials with different degree of branching were synthesized，and the structure and properties were characterized. The obtained polymers show high molecular weight as up to 7.00×105，narrow molecular weight distribution as 1.17，and high tensile strength as 20.55–28.81 MPa. Following with the increase of polymer branching degree，the thermal stability and oxidation stability are improved. The weight loss at 550℃ is controlled at 39%–45%，the lifetime at 80℃is improved to 7.25 h. The branched sulfonated poly（aryl ether ketone） membrane materials show higher rate of water absorption and proton conductivity. The polymer branched sulfonated poly（aryl ether ketone） membrane material with high branching dgree exhibites high proton conductivity as 0.33 S/cm at 80℃. Through the observation of the micro morphology，it is found that the branching structure of branched poly（aryl ether ketone） can support the surrounding hydrophilic sulfonic acid groups，and promote the formation of a continuous proton channel.

fuel cell；proton exchange membrane；poly（aryl ether ketone）；branched structure

O63

A

1001-3539（2016）07-0013-06

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.003

聯(lián)系人：趙海賓，碩士，講師，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)及相關(guān)材料研究2016-04-12