[发明专利]一种质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种质子交换膜及其制备方法，所述质子交换膜制备方法如下：将二羧基二苯醚、四氨基联苯、五氧化二磷与甲基磺酸混合形成第一混合溶液，将改性石墨烯加入N,N‑二甲基甲酰胺中形成第二混合溶液；将第二混合溶液加入第一混合溶液，加热后得到改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑聚合物；对改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑聚合物通过溶液浇铸工艺形成改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑膜；以及将改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑膜浸泡于磷酸溶液中，干燥后得到质子交换膜，其中改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑聚合物具有如式(I)的化学式：式(I)。本发明披露的质子交换膜可在保持机械性能的情况下提高质子导电率，可以满足高温质子交换膜燃料电池领域的使用要求。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法。

背景技术

现有技术方案中，质子交换膜燃料电池是由膜电极组件、双极板以及密封垫片组成，膜电极组件还包括质子交换膜以及电极，其中质子交换膜具有交换质子以及阻隔燃料与氧化剂的作用，因此质子交换膜的优劣对于燃料电池整体有至关重要的影响。此外，根据质子交换膜燃料电池工作温度还可将质子交换膜分为低温质子交换膜与高温质子交换膜，低温质子交换膜的工作温度在30至100℃，而高温质子交换膜的工作温度则在100至200℃，其中使用高温质子交换膜的燃料电池可降低冷却系统成本与减少催化剂中毒的问题，是现阶段质子交换膜燃料电池的发展方向。

质子交换膜若要在高温下工作则必须提高质子电导率以及机械性能，也必须具备优秀氧化稳定性。目前的质子交换膜主要以改性全氟磺酸膜与聚苯并咪唑膜为主，其中聚苯并咪唑具备优良热稳定性、氧化稳定性与高机械性能，因此成为现有质子交换膜的常用基材。

此外，现有质子交换膜通常以磷酸作为质子导体，磷酸掺杂量愈高则质子电导率也会上升，然而当聚苯并咪唑作为质子交换膜使用时，随着磷酸含量提升，机械性能会不断下降，使用寿命大幅降低。因此，仍有必要提出一种质子交换膜能够在保持机械性能的情况下提高质子导电率，满足高温质子交换膜燃料电池领域的使用要求。

本“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”中所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。此外，在“背景技术”中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

根据现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种质子交换膜及其制备方法，可在保持机械性能的情况下提高质子导电率，可以满足高温质子交换膜燃料电池领域的使用要求。

为达上述目的，本发明提供一种质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二羧基二苯醚、四氨基联苯、五氧化二磷与甲基磺酸混合形成第一混合溶液，将改性石墨烯加入N,N-二甲基甲酰胺中形成第二混合溶液，将第二混合溶液加入第一混合溶液，加热后得到改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑聚合物，以及将改性石墨烯含醚键聚苯并咪唑膜浸泡于磷酸溶液中，干燥后得到质子交换膜，其中含醚键聚苯并咪唑聚合物具有如式(I)的化学式：

式(I)；式(I)中虚线连接的N-H-O表示酸碱相互作用(Acid-baseinteraction)。

在一实施例中，还包括以下步骤：将改性碳化硅晶须加入N,N-二甲基乙酰胺中形成第二混合溶液，以及将第二混合溶液加入第一混合溶液，通过溶液浇铸工艺形成改性碳化硅含醚键聚苯并咪唑膜。

在一实施例中，改性石墨烯的制备包括以下步骤：将对苯乙烯磺酸钠、丙烯酸与醋酸铜加入石墨烯水溶液中搅拌形成第三混合溶液，以及对第三混合溶液实施辐射接枝工艺，得到改性石墨烯。

在一实施例中，辐射接枝工艺使用钴60γ-射线作为放射源。