[发明专利]质子交换膜及其制备方法和膜电极组件

说明书

本发明涉及电化学电池技术领域，提供了一种质子交换膜及其制备方法和膜电极组件，所述方法包括以下步骤：(1)将磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯‑co‑六氟丙烯)和光引发剂在溶剂中进行混合，经紫外线臭氧照射后得到混合液；(2)将混合液浇筑成膜，得到质子交换膜。利用本发明所述的制备方法制备得到的质子交换膜，在30℃下质子导电率为0.08‑0.15S/cm，含水量高达44‑49wt％，不仅质子导电率和含水量高，而且具有良好的机械强度和成膜性能，在电化学电池领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学电池的膜电极组件(MEA)中的质子交换膜技术领域，包括但不限于燃料电池，具体地涉及一种质子交换膜及其制备方法和膜电极组件。

背景技术

电化学电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的装置，通常利用氢气作为燃料，具有高效、低污染，无噪声的优点。其中，质子交换膜是包括燃料电池和电解槽等在内的电化学电池的“核心”—膜电极组件的重要组成部分，也是决定电化学电池能否作为经济上可行的能量转换装置的重要因素之一，因而质子交换膜的研究与开发具有十分重要的意义。

质子交换膜是一种由离聚物组成可传导质子并可在电化学电池中阻隔反应气体的固体有机薄膜。能够应用到电化学电池中的质子交换膜必须具有水合能力来阻碍膜局部脱水和低质子电导率，并且具有良好的机械稳定性。目前商业应用的Nafion^TM，存在燃料渗透性高，价格昂贵和环境污染的问题。研究较多的含氟酸离子膜和非氟酸离子膜一般具有缺少亲水基团和差的水解能力等突出问题。

现阶段磺化聚醚醚酮因为具有离子传输和水传输的特性，已经成为质子交换膜基膜研究领域的一大热点，磺化聚醚醚酮的结构式如下所示：

但是磺化聚醚醚酮在质子传导、成膜性能、含水量和机械稳定性方面仍有待进一步提高。目前常常需要通过无机掺杂或与其他材料组成共混膜来改性磺化聚醚醚酮基底膜。例如利用中孔二氧化硅和磷酸HPW改性磺化聚醚醚酮，或者在磺化聚醚醚酮中掺杂P-POSS、磺化碳纳米管(SCNFs)等物质。这些研究有的可以提高导电性、良好的吸水率和适当的膨胀率，但不能保证分散的无机颗粒大小和均匀性；有的可以提高磺化聚醚醚酮的抗膨胀性能和膜的机械稳定性，然而，制备得到的复合膜的电导率会明显下降；有的可以提高质子交换膜的电导率，但混合膜的机械和热稳定性略差于磺化聚醚醚酮膜。

因此，亟待改进磺化聚醚醚酮基复合质子交换膜的综合性能，使其具有较高的导电率和含水量，并且兼具较好的机械强度和成膜性能。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种质子交换膜，以解决磺化聚醚醚酮基复合质子交换膜中存在的质子导电率低，机械稳定性弱，含水量少、成膜性能差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种质子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)和光引发剂在溶剂中进行混合，经紫外线臭氧照射后得到混合液；其中，所述纤维素选自甲基纤维素、羟丙甲纤维素和甲基纤维素钠中的至少一种；

(2)将混合液浇筑成膜，得到质子交换膜。

进一步的，所述光引发剂选自苯偶姻乙醚、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮和2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮中的至少一种，优选为苯偶姻乙醚；

优选地，所述溶剂选自二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基呲咯烷酮中的至少一种，优选为二甲基亚砜。

进一步的，所述纤维素的添加量为磺化聚醚醚酮的添加量的2-8wt％，优选为4-7.5wt％。