[发明专利]一种质子交换膜、制备方法、用途和包含其的燃料电池

说明书

本发明涉及一种质子交换膜、制备方法、用途和包含其的燃料电池。所述质子交换膜的制备方法包括：(1)将多孔芳香骨架材料浸泡在第一磷酸溶液中，进行磷酸的一次负载，得到负载有磷酸的多孔芳香骨架材料；(2)将负载有磷酸的多孔芳香骨架材料与聚苯并咪唑在溶剂中混合均匀，得到铸膜液；(3)使用铸膜液进行成膜，获得改性聚苯并咪唑膜；(4)将改性聚苯并咪唑膜浸泡在第二磷酸溶液中，进行磷酸的二次负载，得到质子交换膜。本申请所提供的质子交换膜解决了聚苯并咪唑膜浸泡磷酸导致的机械性能下降的问题，且能够改善质子交换膜的质子传输能力，进而提高燃料电池性能，在较低的Pt负载量下，能够获得高温下的较高的峰值功率密度。

技术领域

本发明属于高温燃料电池质子交换膜技术领域，具体涉及一种质子交换膜、制备方法、用途和包含其的燃料电池。

背景技术

燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有更高的能量转化效率，并且对环境污染很小，近年来得到了学术界和工业界的广泛关注。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于具有体积小、质量轻、能量转化率高、启动速率快、无污染、无噪音等优点，具有非常高的商业价值，从而获得了广泛的关注，并取得了很大的研究进展。作为PEMFC的核心部件，质子交换膜(PEM)在电池中起着质子传导，隔绝燃料和氧化剂的作用，其性能很大程度上决定了燃料电池的性能。因此，对PEM的材料选择和制备过程的研究备受关注。

尽管目前全氟磺酸质子交换膜应用最广泛，但存在尺寸稳定性差、质子传导率随温度升高而降低的缺点，在传输介质为水的情况下，电池运行温度只能在100℃以下。

聚苯并咪唑因具备优异的热稳定性和机械强度等优点，被广泛用于高温燃料电池质子交换膜领域。由于聚苯并咪唑本身传输质子的能力很弱，需要对聚苯并咪唑进行改性，其中一种主要方法为通过磷酸掺杂聚苯并咪唑来提高质子传输能力，主要是将聚苯并咪唑膜浸泡到磷酸中，质子传导率随磷酸掺杂水平的提高而增强，但同时膜的机械性能也明显降低。所以在保证质子交换膜的热稳定性和尺寸稳定性的前提下，如何使其力学性能和质子传导率同时提高是应用方面急需解决的问题。

本领域需要开发一种能够提高聚苯并咪唑膜的导电性，同时不会降低其机械性能的方法，即需要研究一种基于聚苯并咪唑膜的质子交换膜，其同时具有较好的质子传输性能和力学性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的之一是提供一种质子交换膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将多孔芳香骨架材料浸泡在第一磷酸溶液中，进行磷酸的一次负载，得到负载有磷酸的多孔芳香骨架材料；所述多孔芳香骨架材料为具有碱性位点的多孔芳香骨架材料；

(2)将所述负载有磷酸的多孔芳香骨架材料与聚苯并咪唑在溶剂中混合均匀，得到铸膜液；

(3)采用所述铸膜液进行成膜，获得改性聚苯并咪唑膜；

(4)将所述改性聚苯并咪唑膜浸泡在第二磷酸溶液中，进行磷酸的二次负载，得到质子交换膜。

本申请通过先将具有碱性位点的多孔芳香骨架材料浸泡在磷酸溶液中进行负载，使磷酸通过氢键和酸碱相互作用，与所述多孔芳香骨架材料的碱性位点结合，然后再与聚苯并咪唑(PBI)进行复合获得铸膜液，并在成膜后进行再次磷酸浸泡。先将具有碱性位点的多孔芳香骨架材料浸泡在磷酸溶液中对磷酸进行真空注入负载，利用多孔芳香骨架材料的高比表面积和纳米效应，使其能够高效含控磷酸；另一方面，富载磷酸的多孔芳香骨架材料由于占用一定空间而使聚苯并咪唑的磷酸吸附量降低，从而降低了游离磷酸对聚苯并咪唑的塑化程度，解决其力学性能下降的问题；同时，由于磷酸以氢键形式及酸碱相互作用与多孔芳香骨架材料结合，使其在多孔芳香骨架材料中能够稳定均匀含控及分布，而多孔芳香骨架材料与聚苯并咪唑之间也有氢键相互作用，也促进了多孔芳香骨架材料在聚苯并咪唑中的均匀分散；因此，质子交换膜中能够形成有效的三维质子传输通道，有效提高其质子传输能力。