[发明专利]一种复合质子交换膜及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种复合质子交换膜，其特征在于，所述复合质子交换膜包括第一离子交换树脂膜、第二离子交换树脂膜和设置于所述第一离子交换树脂膜和第二离子交换树脂膜之间的多孔聚合物膜，所述第二离子交换树脂膜中包括自由基清除剂和金属离子吸附剂，所述多孔聚合物膜的一侧进行表面改性，所述表面改性的一侧靠近第二离子交换树脂膜。

2.如权利要求1所述的复合质子交换膜，其特征在于，所述第一离子交换树脂膜和/或第二离子交换树脂膜的材质独立地包括聚全氟磺酸树脂；

优选地，所述多孔聚合物膜的材质包括聚四氟乙烯；

优选地，所述多孔聚合物膜的平均孔径为0.1～1μm；

优选地，所述多孔聚合物膜的平均厚度为4～10μm；

优选地，所述多孔聚合物膜的孔隙率为60～80％。

3.如权利要求1或2所述的复合质子交换膜，其特征在于，所述自由基清除剂和所述金属离子吸附剂填充在所述第二离子交换树脂膜中；

优选地，所述自由基清除剂包括氧化铈和/或氧化锰；

优选地，所述金属离子吸附剂为聚丙烯酸修饰的氧化石墨烯纳米材料。

4.如权利要求1-3任一项所述的复合质子交换膜，其特征在于，以所述第二离子交换树脂膜的质量为100％计，所述自由基清除剂的质量分数为0.5～2％；

优选地，所述金属离子吸附剂的质量分数为0.2～1.0％。

5.如权利要求1-4任一项所述的复合质子交换膜，其特征在于，所述表面改性的改性剂包括亲水型气凝胶；

优选地，所述改性剂包括二氧化硅气凝胶、二氧化钛气凝胶或氧化石墨烯气凝胶中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述改性剂的质量浓度为0.01～0.15g/mL。

6.一种如权利要求1-5任一项所述复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将亲水型气凝胶、聚合物和溶剂混合，得到混合溶液，将多孔聚合物膜一面固定后将所述混合液体通过静电喷雾对所述多孔聚合物膜进行改性处理，得到一侧表面改性的多孔聚合物膜；

(2)将离子交换树脂、自由基清除剂、金属离子吸附剂和溶剂混合，得到混合离子交换树脂溶液，将所述混合离子交换树脂溶液涂覆在多孔聚合物膜改性的一侧；

(3)将离子交换树脂和溶剂混合得到离子交换树脂溶液，将所述离子交换树脂溶液涂覆在多孔聚合物膜未改性的一侧，热压后得到所述复合质子交换膜。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺或聚苯乙烯磺酸中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述聚合物的浓度为0.03～0.15g/mL；

优选地，所述静电喷雾的距离为10～16cm；

优选地，所述静电喷雾的速度为1.0～2.0mL/h；

优选地，所述静电喷雾的电压为9～15kV；

优选地，所述静电喷雾的针头直径为18～25G。

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述涂覆的方法包括刮涂；

优选地，所述涂覆后进行干燥；

优选地，所述干燥的温度为70～90℃；

优选地，所述干燥的时间为120～180min。

9.如权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热压的温度为80～150℃；

优选地，所述热压的压力为1～6MPa；

优选地，所述热压的时间为15～120s。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包含如权利要求1-5任一项所述的复合质子交换膜，所述第二离子交换树脂膜一侧靠近阴极。