[發明專利]一種質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202010069007.4
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN113214521B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 請求不公布姓名
• 申請（專利權）人: 上海鑫珀生物科技有限公司
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08G73/18;C08K9/04;C08K3/04;C08K7/10;H01M8/1088;C08L79/04
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明提供了一種質子交換膜及其制備方法，所述質子交換膜制備方法如下：將二羧基二苯醚、四氨基聯苯、五氧化二磷與甲基磺酸混合形成第一混合溶液，將改性石墨烯加入N,N?二甲基甲酰胺中形成第二混合溶液；將第二混合溶液加入第一混合溶液，加熱后得到改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑聚合物；對改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑聚合物通過溶液澆鑄工藝形成改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑膜；以及將改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑膜浸泡于磷酸溶液中，干燥后得到質子交換膜，其中改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑聚合物具有如式(I)的化學式：式(I)。本發明披露的質子交換膜可在保持機械性能的情況下提高質子導電率，可以滿足高溫質子交換膜燃料電池領域的使用要求。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種聚苯并咪唑高溫質子交換膜及其制備方法。

背景技術

現有技術方案中，質子交換膜燃料電池是由膜電極組件、雙極板以及密封墊片組成，膜電極組件還包括質子交換膜以及電極，其中質子交換膜具有交換質子以及阻隔燃料與氧化劑的作用，因此質子交換膜的優劣對于燃料電池整體有至關重要的影響。此外，根據質子交換膜燃料電池工作溫度還可將質子交換膜分為低溫質子交換膜與高溫質子交換膜，低溫質子交換膜的工作溫度在30至100℃，而高溫質子交換膜的工作溫度則在100至200℃，其中使用高溫質子交換膜的燃料電池可降低冷卻系統成本與減少催化劑中毒的問題，是現階段質子交換膜燃料電池的發展方向。

質子交換膜若要在高溫下工作則必須提高質子電導率以及機械性能，也必須具備優秀氧化穩定性。目前的質子交換膜主要以改性全氟磺酸膜與聚苯并咪唑膜為主，其中聚苯并咪唑具備優良熱穩定性、氧化穩定性與高機械性能，因此成為現有質子交換膜的常用基材。

此外，現有質子交換膜通常以磷酸作為質子導體，磷酸摻雜量愈高則質子電導率也會上升，然而當聚苯并咪唑作為質子交換膜使用時，隨著磷酸含量提升，機械性能會不斷下降，使用壽命大幅降低。因此，仍有必要提出一種質子交換膜能夠在保持機械性能的情況下提高質子導電率，滿足高溫質子交換膜燃料電池領域的使用要求。

本“背景技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“背景技術”中所揭露的內容可能包含一些沒有構成本領域技術人員所知道的已知技術。此外，在“背景技術”中所揭露的內容并不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，也不代表在本發明申請前已被本領域技術人員所知曉或認知。

發明內容

根據現有技術的缺點，本發明的主要目的在于提供一種質子交換膜及其制備方法，可在保持機械性能的情況下提高質子導電率，可以滿足高溫質子交換膜燃料電池領域的使用要求。

為達上述目的，本發明提供一種質子交換膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將二羧基二苯醚、四氨基聯苯、五氧化二磷與甲基磺酸混合形成第一混合溶液，將改性石墨烯加入N,N-二甲基甲酰胺中形成第二混合溶液，將第二混合溶液加入第一混合溶液，加熱后得到改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑聚合物，以及將改性石墨烯含醚鍵聚苯并咪唑膜浸泡于磷酸溶液中，干燥后得到質子交換膜，其中含醚鍵聚苯并咪唑聚合物具有如式(I)的化學式：

式(I)；式(I)中虛線連接的N-H-O表示酸堿相互作用(Acid-baseinteraction)。

在一實施例中，還包括以下步驟：將改性碳化硅晶須加入N,N-二甲基乙酰胺中形成第二混合溶液，以及將第二混合溶液加入第一混合溶液，通過溶液澆鑄工藝形成改性碳化硅含醚鍵聚苯并咪唑膜。

在一實施例中，改性石墨烯的制備包括以下步驟：將對苯乙烯磺酸鈉、丙烯酸與醋酸銅加入石墨烯水溶液中攪拌形成第三混合溶液，以及對第三混合溶液實施輻射接枝工藝，得到改性石墨烯。

在一實施例中，輻射接枝工藝使用鈷60γ-射線作為放射源。