一种复合质子交换膜及制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种复合质子交换膜及制备方法和应用，所述复合质子交换膜包括共价有机框架材料和与所述共价有机框架材料复合的磺化聚醚醚酮，其中，所述磺化聚醚醚酮和所述共价有机框架材料的质量比为

【技术实现步骤摘要】
一种复合质子交换膜及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种质子交换膜，尤其涉及一种复合质子交换膜及其制备方法和应用，属于质子交换膜燃料电池领域
。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池
(PEMFC)
以其能量密度高
、
工作温度低
、
启动速度快
、
结构简单等优点，在航空航天
、
新能源汽车等领域有着广泛应用
。
质子交换膜
(PEMs)
作为核心部件之一，在质子交换膜燃料电池中发挥着重要作用
。
在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用
。
[0003]虽然目前对质子交换膜不断进行研究改进，但现有质子交换膜的质子电导率和结构稳定性之间存在此消彼长的“trade
‑
off”效应，即，增加传导基团数量能够提高质子电导率，但是传导基团亲水性好，因此会减弱高分子链段之间相互作用，尤其在含水状态下使膜发生过度溶胀甚至溶解，膜的结构稳定性显著降低；而增强高分子链段间作用力，能够提高结构稳定性，但会导致膜内水含量降低，质子解离和传递过程受阻，质子电导率显著下降
。
因此，探究能够实现质子电导率和结构稳定性均较为优异的质子交换膜对于燃料电池领域的发展具有重要意义
。
专利技术内容
[0004]本专利技术提供了一种复合质子交换膜，该复合质子交换膜兼具良好的质子电导率和结构稳定性
。
[0005]本专利技术还提供了一种复合质子交换膜的制备方法，利用该制备方法能够制备得到具有良好质子电导率和尺寸稳定性的复合质子交换膜；同时，该制备方法具有制备工艺简单
、
易操作的优点
。
[0006]本专利技术还提供了一种质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池使用了上述复合质子交换膜，因此该燃料电池不仅具有优异的电学性能，同时具有良好的耐用性
。
[0007]本专利技术第一方面，提供了一种复合质子交换膜，所述复合质子交换膜包括共价有机框架材料和与所述共价有机框架材料复合的磺化聚醚醚酮，其中，所述磺化聚醚醚酮和所述共价有机框架材料的质量比为
1:(0.008
～
0.0107)
，且所述磺化聚醚醚酮的磺化度为
50
～
70
％；所述复合质子交换膜通过包括以下过程的方法制备得到：向包括第一单体和磺化聚醚醚酮的混合液中加入第二单体，引发所述第一单体和所述第二单体反应生成所述共价有机框架材料，随后对反应液进行成膜处理，得到所述复合质子交换膜
。
[0008]根据本专利技术的一实施方式，所述复合质子交换膜的厚度为
20
～
60
μ
m。
[0009]本专利技术的另一方面，提供了一种复合质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)
将第一单体分散至磺化聚醚醚酮溶液中，随后加入第二单体，引发所述第一单体和所述第二单体反应生成共价有机框架材料，得到包括共价有机框架材料和磺化聚醚醚酮的反应
液；
(2)
对所述反应液进行成膜处理，得到所述复合质子交换膜
。
[0010]根据本专利技术的一实施方式，所述复合质子交换膜的制备方法中共价有机框架为酮烯胺类材料
。
[0011]根据本专利技术的一实施方式，所述第一单体为三醛基间苯三酚；和
/
或，所述第二单体包括对苯二胺邻磺酸
、2,5
‑
二氨基吡啶
、
二氨基联吡啶
、2,2'
‑
联苯胺二磺酸的至少一种
。
[0012]根据本专利技术的一实施方式，所述第二单体与所述第一单体的摩尔比为
2:1。
[0013]根据本专利技术的一实施方式，所述第二单体与所述磺化聚醚醚酮的质量比为
1:(154
～
250)。
[0014]根据本专利技术的一实施方式，所述磺化聚醚醚酮溶液包括磺化聚醚醚酮和二甲基乙酰胺，其中，所述磺化聚醚醚酮的质量浓度为3％
。
[0015]根据本专利技术的一实施方式，通过催化剂引发所述第一单体和第二单体发生所述反应，其中，所述反应的温度为
20
～
30℃
，时间为
48
～
72
小时，所述第二单体与所述催化剂的摩尔比为
1:(10
～
15)
；所述催化剂包括对甲苯磺酸
、
冰醋酸
、
三氟化硼
、
乙醚的至少一种
。
[0016]本专利技术再一方面，还提供了一种质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池中的质子交换膜包括如上所述的复合质子交换膜，或，所述质子交换膜燃料电池包括上述制备方法得到的复合质子交换膜
。
[0017]本专利技术的复合质子交换膜包括特殊磺化度的磺化聚醚醚酮和共价有机框架材料，并且共价有机框架材料在磺化聚醚醚酮存在的体系中经过原位复合反应得到，在该反应条件下，二者在特殊的质量比下相互协同，最终得到本专利技术的质子传输性能与结构稳定性兼顾的复合质子交换膜
。
为解决质子交换膜质子电导率和尺寸稳定性难以兼顾的问题提供了新的研究思路
。
[0018]本专利技术提供的复合质子交换膜的制备方法，原位复合上述复合质子交换膜，使其兼具良好的质子电导率以及结构稳定性的特性，且制备过程简单
、
易操作，条件温和，无需高温
、
真空等苛刻条件，成本低，对环境友好
。
[0019]本专利技术提供的质子交换膜燃料电池，不仅具有能量密度高
、
工作温度低
、
启动速度快
、
结构简单的优点，同时性能优良，实现质子高效传导的同时具有稳定的结构，极大提高了电池的耐用性
。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例3制备的质子交换膜刻蚀后放大
1.00K
的扫描电镜图；
[0021]图2为本专利技术实施例3制备的质子交换膜刻蚀后放大
5.00K
的扫描电镜图；
[0022]图3为本专利技术实施例3制备的质子交换膜刻蚀后放大
10.00K
的扫描电镜图；
[0023]图4为本专利技术实施例3制备的质子交换膜刻蚀后放大
40.00K
的扫描电镜图
。
具体实施方式
[0024]为使本专利技术的目的
、
技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术的实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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共价有机框架材料和与所述共价有机框架材料复合的磺化聚醚醚酮，其中，所述磺化聚醚醚酮和所述共价有机框架材料的质量比为
1:(0.008
～
0.0107)
，且所述磺化聚醚醚酮的磺化度为
50
～
70
％；所述复合质子交换膜通过包括以下过程的方法制备得到：向包括第一单体和磺化聚醚醚酮的混合液中加入第二单体，引发所述第一单体和所述第二单体反应生成所述共价有机框架材料，随后对反应液进行成膜处理，得到所述复合质子交换膜
。2.
根据权利要求1所述的复合质子交换膜，其特征在于，所述的复合质子交换膜的厚度为
20
～
60
μ
m。3.
一种权利要求1或2所述的复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将第一单体分散至磺化聚醚醚酮溶液中，随后加入第二单体，引发所述第一单体和所述第二单体反应生成共价有机框架材料，得到包括共价有机框架材料和磺化聚醚醚酮的反应液；
(2)
对所述反应液进行成膜处理，得到所述复合质子交换膜
。4.
根据权利要求3所述的复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述共价有机框架为酮烯胺类材料
。5.
根据权利要求3所述的复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述第一单体为三醛基间苯三酚；和
/
或，所述第二单体包括对苯二胺邻磺酸

【专利技术属性】
技术研发人员：孟晓宇，丛川波，周琼，董玉华，叶海木，吴天宇，王媛媛，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：