[发明专利]一种具有高电导率的交联型聚苯并咪唑/聚乙烯三氮唑高温质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池材料技术领域，具体涉及一种具有高电导率的交联型聚苯并咪唑/聚乙烯三氮唑高温质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效、清洁、环境友好的发电装置，是电动汽车的理想动力源，亦可作为分散电站、潜艇及航天器等军用电源或便携式电源等，具有十分广阔的应用前景。然而目前广泛使用的是以Nafion®为代表的全氟型磺酸膜燃料电池，但这类质子交换膜的质子导电能力受膜内水含量和温度的影响极大，阻醇性能差，PEMFC的工作温度不能超过80℃。由于PEMFC受工作温度的限制，使得它在实际应用时面临CO耐受性差、系统的水热管理困难等问题。因此将PEMFC运行温度提高到100℃以上，就能有效地克服传统Nafion基PEMFC的上述问题，这一类型的燃料电池（FC）通常称之为高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC），是PEMFC技术的一个重要的发展方向。

HT-PEMFC系统有如下优点：1）电化学反应速率提高，有效降低了阴极电化学极化过电位，允许降低催化剂担量，允许使用非铂催化剂；2）对反应气体的增湿要求降低；3）电池内水以气相存在简化了水热管理；此外，HT-PEMFC在一定程度上简化了FC冷却系统。鉴于HT-PEMFC诱人的发展前景，国内外广泛开展了HT-PEMFC关键材料的研制，包括高温质子交换膜、催化剂和载体等，并取得了较好的初步结果，其中高温质子交换膜是研究的热点之一。

目前对于HT-PEMFC质子交换膜的研究主要集中在聚苯并咪唑（PBI）上，它于1959年在美国专利上首次被报道，1988年美国Hoechst Celanese公司将PBI膜产品推向市场。如今，PBI作为工程热塑性塑料里最为出众的聚合物基材料，在用作HT-PEMFC的高温质子交换膜方面展现出巨大的有效性和可行性。但是PBI型膜材料在高温运行时（T≥150℃），会不可避免地发生降解。

研究发现，燃料电池运行过程中，氧气经过膜渗透到阳极侧，在阳极Pt及微量过渡金属离子的催化作用下，形成•OH和HOO•等自由基，•OH自由基进攻PBI主链上的含氮基团，HOO•自由基攻击苯环上的碳氢键，使PBI主链断裂；同时高温氧化环境还容易使PBI主链上的两个端氨基氧化，端羧基发生脱羧反应产生亚苯基自由基。产生的这些自由基会加剧PBI膜的降解，导致电池性能大幅下降。房建华等采用环氧化物（CN 200710171866.9）、二卤（多卤）烷烃（CN 200710171865.4）和马来酸酐（CN 200710171867.3）对PBI主链上的一个端氨基进行交联保护，从而减缓膜的降解；李忠芳等人采用尿素（CN 101768270 A），作为端氨基的保护性试剂对PBI进行了改性。变价金属类自由基淬灭剂（如CeO₂、MnO₂等）、或者改变聚合物 结构可以有效淬灭HT-PEMFC运行过程中产生的自由基，从而减缓PBI膜的降解。

综上所述，目前得到该类质子交换膜聚合物基底容易受自由基攻击而降解等难题制约其商业化的应用，通过将膜内添加自由基淬灭剂、在膜内构建交联结构，可以有效的避免自由基攻击而降解，提升膜的使用寿命，并提高膜的尺寸稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高电导率的交联型聚苯并咪唑/聚乙烯三氮唑高温质子交换膜及其制备方法，通过以聚苯并咪唑为聚合物骨架，以乙烯基-1,2,4-三氮唑为交联剂，通过自交联形成交联型高温质子交换膜，从而提高聚苯并咪唑高温质子交换膜的电导率以及尺寸稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有高电导率的交联型聚苯并咪唑/聚乙烯三氮唑高温质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将0.2~1 g聚苯并咪唑溶解于5~10 mL高沸点溶剂中，搅拌溶解后，加入相同质量的三氮唑基聚乙烯，搅拌直至溶解；

（2）再将溶液放入油浴中，50~100 ℃下搅拌，反应12~48 h；

（3）将溶液中继续加入5~10 mL高沸点溶剂，搅拌30 min后，倒入铸膜板中，60~80 ℃下将溶剂蒸干，将得到的高温质子交换膜小心揭下，浸泡在乙醇中，洗涤后干燥；

（4）将干燥后的交联型高温质子交换膜浸泡在磷酸溶液中，60~120 ℃下浸渍24~48 h，后取出，得到高温质子交换膜。

优选地，步骤（1）、（3）中所述高沸点溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。