[发明专利]磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法，磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法包括以下步骤：S1、将聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中进行纯化处理，得到聚苯并咪唑溶液；S2、将所述聚苯并咪唑溶液在平板上涂布成膜，干燥；S3、在磷酸蒸汽氛围中进行酸性改性；S4、真空下高温固化，获得磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜。本发明的制备方法相比传统的质子交换膜的工艺简化，条件适中，无需氮气保护，成本低，更有利于商业规模化应用；与现有技术磷酸处理技术相比，减少磷酸小分子从质子交换膜中流失，因而具有良好的质子导电稳定性；所得的质子交换膜具有良好的机械能力。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为清洁能源发电技术，具有电池结构简单、能量比功率高、启动速度快、工作温度适宜、转化效率高，无噪音等优点，被公认为交通工具、便携电源等的最佳动力源选项。为了突破现有燃料电池成本高技术瓶颈，开展低成本材料体系燃料电池用质子交换膜材料已是当务之急。燃料电池离子导体内高通量传输通道的可控构筑及化学稳定性是开发过程的关键问题。储氢罐与质子交换膜是氢燃料汽车领域公认的两大核心技术。

质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，对燃料电池性能起着关键作用，不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。质子交换膜中，全氟磺酸质子交换膜被广泛地应用。

传统的全氟磺酸膜(如杜邦公司的Nafion膜系列)电解质，由于此类膜材料的质子导电的能力与交换膜的含水量有强烈的依赖关系，其正常工作温度维持于60℃至80℃。温度过低，电化学反应速率低，电池功率低。温度过高，如果电池接近100℃，质子交换膜的湿润度急剧下降，从而导致质子交换膜内阻剧烈上升，此时燃料电池性能急剧下降，在降低输出功率同时也使得质子交换膜的寿命急剧下降。因此，传统的全氟磺酸质子交换膜为代表的质子交换膜，其质子导电能力和水的含量及温度强相关的特性，限制了电池的工作温度，使得传统的质子交换膜燃料电池的工作温度局限在60℃至80℃的范围。

传统的质子交换膜燃料电池的工作温度局限在60℃至80℃的工作温度带来诸多技术的问题：其一，80℃时，电池内的水以气液两相存在，气液两相的不稳定性而导致的电池性能不稳定和可靠性问题成为技术难题，气液两相流动相当复杂，再与电极过程耦合，使得问题的难度增加。其二，80℃下电化学反应的速率不够高，阴极电化学极化比较严重，影响电池催化剂性能的发挥。其三，60℃至80℃的电池工作温度与环境温度相差不大，不利于电池体系散热，使得电池对冷却系统要求增高，复杂的冷却系统的存在会降低电池的体积功率密度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种工艺简单的磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法及制得的磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、将聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中进行纯化处理，得到聚苯并咪唑溶液；

S2、将所述聚苯并咪唑溶液在平板上涂布成膜，干燥；

S3、在磷酸蒸汽氛围中进行酸性改性；

S4、真空下高温固化，获得磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜。

优选地，步骤S1包括以下步骤：

S1.1、将聚苯并咪唑溶解于第一有机溶剂中以制得摩尔浓度为0.1mol/L～0.4mol/L的聚苯并咪唑溶液，恒温保持2～4h，除去第一有机溶剂后，获得固态的苯并咪唑聚合物；