[发明专利]一种具有高阻醇性能的质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高阻醇性能的质子交换膜，所述质子交换膜的成膜原料为溴化聚苯醚和磺化聚醚醚酮。本发明还包括一种具有高阻醇性能的质子交换膜的制备方法和应用。本发明获得高阻醇性能的质子交换膜，改善了磺化聚醚醚酮的溶胀严重问题，得到的质子交换膜可以应用于高甲醇浓度下的直接甲醇燃料电池，质子交换膜的甲醇渗透率低，在高甲醇浓度条件下具有较高能量输出，极大提高了电池的能量密度，电池性能优良。另外，可广泛商业化应用。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种具有高阻醇性能的质子交换膜及其制备方法。

背景技术

当前，环境污染和能源短缺问题日益加剧，发展清洁、高效的能量转换技术显得日渐迫切。燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的装置，具有高达60％的能量转化效率，具有广阔的发展前景和社会经济效益。

直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cells，DMFCs)作为燃料电池的一种，具有甲醇燃料来源丰富和环境友好的特性，引起了人们的广泛关注。当前阻碍DMFCs广泛应用的一个主要障碍是严重的甲醇渗透，甲醇渗透会降低燃料的使用效率，引起负极的催化剂中毒，使得燃料电池不能在高浓度甲醇条件下工作，所以解决DMFCs的甲醇渗透问题具有重要意义。

质子交换膜(Proton exchange membrane,PEM)是DMFCs的核心部件之一，起到传递质子和隔绝燃料渗透的作用，PEM的性能优劣直接影响燃料电池的性能和使用寿命。目前商业应用最广泛的是全氟磺化膜，具有代表性的产品是美国杜邦公司生产的Nafion系列膜，该类材料具有较高质子导电性、高机械强度、尺寸和化学稳定性好的特点。但它仍存在着甲醇渗透严重的问题，限制了Nafion在高浓度甲醇溶液中应用。Nafion膜只能在低于5mol/L浓度的甲醇水溶液中运行，使得电池能量密度比纯甲醇24.8mol/L条件下降低了至少4倍，所以开发具有优良阻醇性能的PEM成为了当前的研究热点。

聚醚醚酮是一种工程塑料，经过磺化的聚醚醚酮(Sulfonated poly(ether etherketone)，SPEEK)可以作为PEM使用，具有制备成本低、机械性能高和成膜性好等优点，是一类很有发展前景的PEM。但其质子导电性依赖于离子交换容量(Ionic exchange capacity，IEC)，只有在高IEC条件下才能得到高质子导电性，但同时出现了甲醇渗透加剧和溶胀严重的问题。解决该问题的方法主要有：加入无机添加剂、形成交联结构或者与其它高分子材料共混。在这几种方法中，共混是一种简单高效的获得性能优良质子交换膜的方法。

聚苯醚是一种工程塑料，其溴化产物(溴化聚苯醚,Bromomethylated poly(phenylene oxide)，BPPO)是一种工业中间体，具有高的疏水特性，在质子交换膜领域有许多应用。本发明利用工业中间体BPPO改性SPEEK，通过150℃热处理得到交联网状结构，制备复合质子交换膜。通过调节SPEEK和BPPO的配比，可得到高阻醇性能的PEM。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能应用于高甲醇浓度的直接甲醇燃料电池，甲醇渗透率低，具有高阻醇性能的质子交换膜及其制备方法。

本发明的实施例提供一种具有高阻醇性能的质子交换膜，所述质子交换膜的成膜原料为溴化聚苯醚和磺化聚醚醚酮。

进一步，所述成膜原料中溴化聚苯醚和磺化聚醚醚酮的质量比能保证质子的导电性。

进一步，所述成膜原料中溴化聚苯醚的质量分数为5-60％。

进一步，所述磺化聚醚醚酮的磺化度通过改变磺化温度和磺化时间而改变。

进一步，所述磺化聚醚醚酮的磺化度为40-75％。

进一步，所述溴化聚苯醚的苄基溴化度为50-60％。