peg 改質之含氟磺化聚醚碸質子交換膜之研究

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1、南台科技大學化材系專題報告100PEG改質之含氟磺化聚醚碸質子交換膜之研究廖渭銅*、潘佾函、楊凱宇、蕭力升南台科技大學化材系專題報告100中文摘要本研究主要致力於燃料電池的質子交換膜，研究焦點於本實驗室柯堡峰學長已成功聚合出含氟磺化聚醚碸質子交換膜來加以改質，由於含氟磺化聚醚碸的三氟甲基雖可改善膜與電極之接合性，但亦可能增加膜之疏水性，使其所得到的質子交換膜吸水率較低，因此本研究擬藉由添加PEG來增加質子交換膜中的吸水性以改善前述含氟SPES之吸水性的不足。從實驗結果得知在添加PEG後的質子交換膜，在吸水性質上有明顯的提升，在添加0.5mol的PEG未酸化前

2、吸水率就達15.38％而酸化後達36.08％，與未添加PEG的含氟磺化聚醚碸在酸化後僅8.16％比較有明顯的提升。為了避免於添加太多PEG導致質子交換膜產生過度的澎潤現象，同時也進行尺寸安定性的比較，在0.5mol的PEG質子交換膜尺寸變化量酸化後約4.44％，顯示添加微量PEG可以得到不錯的吸水率以及較佳的尺寸安定性。關鍵字：聚醚砜、燃料電池、PEG、質子交換膜簡　介圖1-1質子交換膜燃料電池工作原理[1]陽極半反應：H22H++2e-陰極半反應：1/2O2+2H++2e-H2O全反應：H2+1/2O2H2O1.離子聚合物薄膜(ionomermembran

3、es)2.有機/無機混合成薄膜(organic-inorganichybirdmembrances)及3.酸/鹼高分子薄膜(membrancebasedonpolymerandoxo-acids)。離子聚合物薄膜(ionomermembranes)的內部微結構以相分離的形式存在，即是親水性的奈米孔洞(Cluster)被包覆在疏水性高分子相的區塊內，而形成一個PercolatingNetwork。離子聚合物薄膜其親水性是以磺酸根或磷酸根與水分子形成H3O+、H5O2+等水合形態來攜帶H+，此機制為VehicleMechanism。而像這類薄膜的水含量、磺酸根濃

4、度及分佈，對其性質有很高的影響。有機/無機複合膜(organic-inorganichybirdmembrances)包含了磺酸化的polystyrene(SPS)、polysulfone(SPSF)、polyetheretherketone(SPEEK)。無機化合物主要是固態氧化物如：無機質子導體、矽負載上質子導體，但是這類無機物使用時，因為具有結晶性的關係導致成膜後的機械強度較差。因此無機/有機複合膜可結合具質子傳導特性的無機物與柔曲性的高分子來增加薄膜在各方面的性質。酸/鹼高分子薄膜(membrancebasedonpolymerandoxo-acid

5、s)是使用高分子為基材並摻合一些強酸(例如:硫酸及磷酸)來形成錯合物，主要應用於高溫的質子交換膜。而酸/鹼高分子薄膜主要由帶有鹼基的高分子與強酸反應所形成的，高分子的鹼性可與酸性形成氫鍵。[2]研究目的本實驗室中，是利用6氟-雙酚A(6F-BPA)、4-氟苯碸南台科技大學化材系專題報告100(4-FPS)、氫醌2-鉀磺酸鹽(HPS)依一定莫耳比組合進行縮合聚合反應，並且成功製作成質子交換膜，而研究中得到的最佳反應聚合條件是以160℃、6小時，聚合物產率可達48.04％。在性質分析中，由DSC、TGA結果顯示，所合成磺酸化聚醚碸(Salt)主鏈降解溫度介於51

6、0至550℃之間，為一具有高熱穩定性之聚合物，磺酸化聚合物(Acid)，磺酸根降解溫度約在370至433℃之間；主鏈降解溫度介於520~540℃之間，並且發現隨磺化程度增加，Tg有下降趨勢，且酸化後其Tg較酸化前低。在性質分析中，由吸水率測試發現磺酸化程度增加，含氟磺化聚醚碸的吸水率由6.60增加到9.20，顯示親水性有增加的趨勢。主要有可能是縮合反應的單體，主要是含氟導致疏水性較高，而含水量因而降低，但含氟對於改善MEA電池組是有相當的幫助。在含氟磺化聚醚碸親水性增加，使得質子以水為載體，增加膜材質子傳導率，而在含氟磺化聚醚碸磺化程度達80％時，所得質子傳

7、導率達0.06(S/cm)。在觀察實驗室所合成含氟磺化聚醚碸，由於三氟甲基導致疏水性質，使得磺化度的親水性提升仍有限，如果將親水性提升，對於離子導電度一定也會提升。故本實驗利用已合成成功的含氟磺化聚醚碸引入親水性高分PEG(PolyethyleneGlycol)，利用其PEG提供親水性，保持水分的能力增加，對於質子導電度也會相對增加。由於在未添加PEG時，磺化度達80％的含氟聚醚碸，質子傳導率達0.06(S/cm)。而市售PFSA薄膜在完全水合狀態下，其質子傳導率可以達到0.10(S/cm)，如果含氟磺化聚醚碸添加PEG進行改質，由於親水性的提升，預期可以得

8、接近PFSA的質子傳導度。實驗部分圖1-2實驗流程圖