[發明專利]一種交聯復合型高溫質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201711099439.4
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN107887626B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 胡金波;何正標;陳佳孝;祝傳賀;鄧玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海有機化學研究所
• 主分類號: H01M8/124
• 分類號: H01M8/124
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 馬思敏;崔佳佳

本發明一種交聯復合型高溫質子交換膜及其制備方法，具體地，聚苯并咪唑類型化合物A與另外一種堿性聚合物B以及有機小分子交聯劑C作為原料復合而成，其中，所述的A與B的摩爾比nA:nB＝1:0.01?99.99，A與C的摩爾比nA:nC＝1:0.01?2.00。本發明還提供了所述的交聯復合型高溫質子交換膜的制備方法。本發明的高溫質子交換膜兼具高質子電導率、高機械強度、高的熱穩定性、高的抗氧化穩定性以及低的溶脹率，非常適合用于質子交換膜燃料電池。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種交聯復合型高溫質子交換膜及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種利用清潔能源作為燃料，并且可以把燃料的化學能直接，連續轉換成電能的電化學裝置，其理論熱效率可達86％,遠遠超過傳統熱機(傳統熱機熱效率為45％左右)。同時由于其具有效率高、污染小、建廠時間短、可靠性及維護性好等優點，被譽為是一種繼水力發電、火力發電、核電之后的第四代發電技術。在眾多種類的燃料電池中，質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)以其能量密度高、室溫啟動快、環境友好、無噪聲和紅外輻射小等優點成為最具實用和商業價值的燃料電池。同時其作為新型的軍民兩用電源，展現出巨大的市場潛力及廣闊的應用前景。其即可以作為固定電源在交通、分布式發電、家庭熱電聯產等領域廣泛應用，也可以作為移動電源在軍用移動電源、汽車電源、備用電源以及個人電源等領域廣泛應用。因此，燃料電池被各國政府、軍隊、高校、能源研究機構、汽車制造商和燃氣公司所重視。傳統的PEMFC由于其工作溫度低(低于100℃，一般在60-90℃)，導致其存在燃料利用效率低、環境耐受性差、水熱管理復雜等問題。因此，提高燃料電池的工作溫度，發展高溫質子交換膜燃料電池(hightemperature proton exchange membrane fuel cell，HT-PEMFC)已經成為一種必然的發展趨勢。而質子交換膜燃料電池能否實現高溫工作最核心的部分就是高溫質子交換膜(HT-PEM)。

目前，廣泛使用的高溫質子交換膜為PBI(聚苯并咪唑)類型的質子交換膜，該膜攙雜無機磷酸一起使用，具有明顯的優點：(a)PBI/磷酸膜體系制備比較方便，成本比較低；(b)PBI/磷酸膜在高溫下具有良好的質子電導率；(c)PBI/磷酸膜對濕度的依賴度很低；但其也存在顯著的缺點：(a)無機磷酸流失嚴重；由于該體系依賴磷酸傳導質子，因此磷酸的流失會造成質子交換膜的質子電導率急劇下降；從而導致了電池性能的衰減，也縮短了電池的使用壽命。(b)膜的質子電導率與膜的機械強度相矛盾；為了提高質子交換膜的質子傳導率，一般會通過增加磷酸的吸附量來實現，但是磷酸吸附量的增加，會導致膜的機械強度大幅度下降，從而導致膜的尺寸穩定性下降以及使用壽命縮短。因此，在實際使用過程中，只能綜合考慮膜的質子電導率與膜的機械強度。針對這些問題，我們已經開發了一種有機復合型高溫之子交換膜(專利申請號201710084102.X)。雖然該有機復合型高溫之子交換膜的性能相對PBI膜提高了膜的質子電導率，并且降低了無機磷酸的流失速率，但是并沒有提高膜的機械強度，也沒有提高膜的熱穩定性和抗氧化穩定性。

綜上所述，本領域尚缺乏一種兼具高質子電導率、高機械強度、高熱穩定性、高抗氧化穩定性，同時又具有長時間穩定壽命的的高溫質子交換膜。

發明內容

本發明的目的是提供一種交聯復合型高溫質子交換膜及其制備方法。

本發明第一個方面，提供了一種交聯復合型高溫質子交換膜，其特征在于，所述的高溫質子交換膜是用聚苯并咪唑類型化合物A、堿性聚合物B，以及有機小分子交聯劑C作為原料復合而成，其中，所述的A與B的摩爾比nA:nB＝1:0.01-99.99，A與C的摩爾比nA:nC＝1:0.01-2.00。

在另一優選例中，所述的有機小分子交聯劑C選自下組：

在另一優選例中，所述的聚苯并咪唑類聚合物A選自下組：