[发明专利]复合质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种复合质子交换膜，其包含磺化聚醚醚酮(SPEEK)，改性介孔二氧化硅，和磷钨酸(HPW)，所述HPW负载在所述改性介孔二氧化硅上；其中，基于复合质子交换膜的总质量计，SPEEK的含量为92.5wt％‑95.5wt％，改性介孔二氧化硅的含量为0.5wt％‑1.5wt％，HPW的含量为4‑6wt％。本发明还提供了上述复合质子交换膜的制备方法，包括通过真空浸渍将所述HPW负载在所述SPEEK上。本发明的复合质子交换膜具有良好的电导率稳定性，所述制备方法简单，容易工业应用。

技术领域

本发明涉及质子交换膜技术，尤其涉及一种复合质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜(Proton Exchange Membrane,缩写PEM，也被称为质子膜或离子交换膜)是一种离子选择性透过的分离功能薄膜，主要应用于燃料电池和氯碱工业。质子交换膜是质子交换燃料电池的关键组件，其作用是分隔燃料和氧化剂、传导质子和绝缘电子，可以说质子膜的性能和寿命直接决定电池的性能和寿命。

目前应用最广泛的燃料电池用质子交换膜是全氟磺酸膜，其代表产品是杜邦公司的膜系列产品，占市场份额的95％以上。但其存在价格昂贵、使用温度低等缺点，这些缺点加速了探寻具有优异电导率和高稳定性且造价低廉的质子交换膜的研发工作。

聚醚醚酮(PEEK)是一种被广泛应用的塑料，具有优良的热稳定性和力学性能，经浓硫酸改性后的磺化聚醚醚酮(SPEEK)，骨架中包含疏水的碳氢链和亲水的磺酸基团，亲水骨架赋予其具有较高的质子传导性能，结构式如下：

因此，SPEEK膜具有较高的电导率和良好的热稳定性、化学稳定性和力学性能；此外，在合成方法上，SPEEK制备工艺成熟简单且造价低廉。所以，SPEEK被认为是Nafion最理想的替代品。

然而，SPEEK质子交换膜在应用中仍存在一些缺点，例如SPEEK在低磺化度(DS)下，具有较低的质子电导率，难以满足电导率的要求；而高磺化度下的SPEEK，虽然具有高的质子传导率，但是其溶胀率增加，尺寸稳定性和机械性能差。这些特征影响了SPEEK膜性能，进而影响整个燃料电池的性能。所以，对SPEEK进行改性，提高其在中低磺化度下的质子电导率，是研究的方向。

杂多酸作为一种无机质子导体具有较好的电导率，常被引入质子交换膜中提高其质子传导性能。其中磷钨酸(HPW)能有效提高SPEEK的质子电导率(薛松等,高分子学报,2006,9:1083-1087；李磊等,高等学校化学学报,2004,25(2):388-390.)。

但是，HPW在复合膜使用过程中易发生流失，使复合膜质子电导率的稳定性降低。因此减少HPW在SPEEK中的流失，提高SPEEK膜的电导率稳定性成为了目前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种复合质子交换膜，解决了磺化聚醚醚酮基质质子交换膜电导率稳定性差，随使用时间延长电导率降低的问题。

本发明还提供了一种制备所述复合质子交换膜的方法，操作步骤简单，操作条件缓和，适合于工业推广和应用。

本发明的第一个方面是提供一种复合质子交换膜，其包含

磺化聚醚醚酮，

改性介孔二氧化硅，和

磷钨酸，所述磷钨酸负载在所述改性介孔二氧化硅上；

其中，基于复合质子交换膜的总质量计，

磺化聚醚醚酮的含量为92.5wt％-95.5wt％，

改性介孔二氧化硅的含量为0.5wt％-1.5wt％，

磷钨酸的含量为4-6wt％。