[发明专利]质子交换膜及其制备方法和燃料电池

权利要求书

1.一种质子交换膜，其特征在于，包括PI基体、磷酸和有机化改性后的磷酸锆，所述PI基体中的PI高分子聚合物定向排列，相邻的定向排列的所述PI高分子聚合物之间形成质子传输的通道，所述磷酸和所述有机化改性后的磷酸锆均分散于所述通道中，所述有机化改性后的磷酸锆包括磷酸锆和结合在所述磷酸锆上的有机物，所述磷酸在所述PI基体中的掺杂量以每个PI重复单元所含磷酸的分子数表示，所述磷酸在所述PI基体中的掺杂量为0.032～0.143。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述有机化改性后的磷酸锆占所述质子交换膜的质量百分数为5％～40％。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述有机物选自苯基膦酸、1,2-环氧十二烷、2-(4-氟苯基)环氧乙烷、1,2-环氧-9-癸烯、1,2-环氧十八烷、氧化苯乙烯和聚N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种；

所述PI基体的结构式为其中，所述R为所述R’为

4.一种质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤

提供有机化改性后的磷酸锆粉末，所述有机化改性后的磷酸锆包括磷酸锆和结合在所述磷酸锆上的有机物；

将含二胺的化合物和含二酐的化合物溶解于非质子溶剂中，发生反应，得到聚酰胺酸溶液；

将所述有机化改性后的磷酸锆粉末和所述聚酰胺酸溶液混合均匀，得到混合液；

将所述混合液置于流延载体上，在施加电场的情况下对所述混合液进行加热，使所述混合液固化，固化过程中，所述混合液中的所述聚酰胺酸发生聚酰亚胺化，并生成定向排列的PI高分子聚合物，相邻的定向排列的所述PI高分子聚合物之间形成质子传输的通道，所述有机化改性后的磷酸锆分散于所述通道中，得到膜半成品；以及

将所述膜半成品浸泡在磷酸溶液中，所述磷酸溶液中的磷酸进入所述通道中，得到所述质子交换膜，所述质子交换膜中，所述磷酸在所述PI高分子聚合物中的掺杂量以每个PI重复单元所含磷酸的分子数表示，所述磷酸在所述PI高分子聚合物中的掺杂量为0.032～0.143。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述电场的电压梯度为10V/mm～1000V/mm。

6.根据权利要求4～5任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述对所述混合液进行加热的操作中，所述混合液的加热温度为160℃～300℃。

7.根据权利要求4～5任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述将所述膜半成品浸泡在磷酸溶液中的操作中，所述磷酸溶液的浓度为2M～8M，所述浸泡的时间为1天～10天。

8.根据权利要求4～5任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述有机化改性后的磷酸锆粉末的添加量为所述质子交换膜质量的5％～40％。

9.根据权利要求4～5任意一项所述的制备方法，其特征在于，

所述含二胺的化合物选自4,4'-二氨基二苯基醚、苯二胺和4,4'-二氨基联苯中的至少一种；

所述含二酐的化合物选自均苯四甲酸二酐、2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐和3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐中的至少一种；

所述有机物选自苯基膦酸、1,2-环氧十二烷、2-(4-氟苯基)环氧乙烷、1,2-环氧-9-癸烯、1,2-环氧十八烷、氧化苯乙烯、和聚N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种；

所述非质子溶剂选自DMF、DMAC和NMP中的至少一种。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1～3任意一项所述的质子交换膜。