[发明专利]质子交换膜、制备方法和固体高分子燃料电池

权利要求书

1.一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：三层结构中，中间层为含磺酸基聚合物A和硅基介孔分子筛B的共混层，两侧层为含磺酸基聚合物A的均质层。

2.根据权利要求1所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述硅基介孔分子筛B平均粒径为20～1000nm，平均孔径为2～50nm。

3.根据权利要求2所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述的硅基介孔分子筛B为SBA-15。

4.根据权利要求1所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述的中间层中，硅基介孔分子筛B质量为含磺酸基聚合物A质量的0.1～30％。

5.根据权利要求1所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述硅基介孔分子筛B中的20～100％与含磺酸基聚合物A通过磺酰氨键键合。

6.根据权利要求1所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述的含磺酸基聚合物A为含有一个以上的含磺酸基的亲水性链段A1和一个以上的不含磺酸基的疏水性链段A2的嵌段共聚物。

7.根据权利要求6所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述的含磺酸基的亲水性链段A1含有下述通式Q1所示的重复单元，

通式Q1中，Z¹表示酮基、砜基、直接键、-PO(R1)-、-(CF₂)_f-、或-C(CF₃)₂-中的一种，其中，R1为有机基基团，f为1～5的整数；Z²表示O或S；M表示氢、金属阳离子、铵阳离子、或具有1～20个碳原子的烃基的一种；m1表示1～4的整数；Ar¹表示含芳香环的二价有机基团。

8.根据权利要求7所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述通式Q1所示的重复单元为下述通式Q2所示的重复单元，

通式Q2中，M表示氢、金属阳离子或铵阳离子；Ar²选自下述通式X-1～X-4中的至少一种重复单元，

在通式X-1中，Z³为酮基、砜基、或直接键中的一种。

9.根据权利要求6所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述不含磺酸基的疏水性链段A2含有下述通式Q3和/或Q4所示的重复单元；

其中，通式Q3中，苯环可任意被取代，但是不含磺酸基；Z⁴为吸电子性基团；Z⁵为吸电子性基团、O或S，

通式Q4中，Z⁶与Z⁷为含芳环的二价有机基，但是不含磺酸基，a与b各自独立地为1或2。

10.根据权利要求9所述的一种具有三层结构的质子交换膜，其特征在于：所述的Z⁴为-CO-或-SO2-，Z⁵为-O-或-S-，Z⁶为亚苯基，Z⁷为下式X-3、X-5、X-6与X-7中的至少一种，

11.一种权利要求1～10中任一项所述的具有三层结构的质子交换膜的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：

(1)将含磺酸基聚合物A或含磺酸基聚合物A前体溶解在有机溶剂中得到溶液1，用溶液1在基材上制成液膜，在40～100℃干燥10分钟～4小时，形成第一层膜；

(2)用含有含磺酸基聚合物A或含磺酸基聚合物A前体、和硅基介孔分子筛B的溶液2，在第一层膜上制成第二层液膜，在40～100℃干燥10分钟～4小时，形成第二层膜；

(3)用溶液1在第二层膜上形成第三层液膜，在40～100℃干燥10分钟～4小时，得到三层结构膜；

(4)使用酸处理步骤(3)中得到的膜，最终得到质子交换膜。

12.根据权利要求11所述的一种具有三层结构的质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述的硅基介孔分子筛B平均粒径为20～1000nm，平均孔径为2～50nm。