[发明专利]一种高温燃料电池用PBI/H3PO4掺杂膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温燃料电池用PBI/H₃PO₄掺杂膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料的化学能直接转变为电能的电化学转换装置，它具有能量转换效率高、无污染、无噪音、使用寿命长等优点在航天、交通、移动电源等领域具有广阔的应用前景。

质子交换膜是PEMFC的核心构件,目前人们大多使用以Nafion膜为代表的全氟型磺酸膜进行燃料电池的开发研究。然而这类膜的高质子导电率依赖于水的存在,因此其使用温度通常低100℃。较低的温度操作条件使燃料电池在实际应用时面临诸如催化剂CO中毒,系统的水热管理困难以及热能的回收利用率低等诸多问题。这将使PEMFC应用在动力电源方面，面临燃料需要重整净化、散热困难、结构复杂以及总能效低下等实际问题。为将PEMFC运行温度提高到100℃以上,发展高温PEMFC技术,是一个重要的发展方向。

目前,使用磷酸掺杂的聚合物膜如聚苯并咪唑(PBI)时，因磷酸即使是在无水的状态下仍具有一定的质子导电能力而引起了人们的高度重视。PBI是一类芳香杂环化合物，具有优良的化学和热稳定性；在掺杂了无机酸后，作为固体质子导体可使燃料电池运行温度高达200℃,且可在常压和不增湿的条件下操作。

PBI可以通过缩合聚合反应合成。在所有PBI聚合物中，每一个苯并咪唑重复单元上的-N基团都可与酸以氢键的方式结合,因而有望呈现较好的质子电导率。用于高温燃料电池的PBI膜通过浸渍磷酸处理提高其电导率，由于浸渍磷酸后PBI膜中磷酸含量要高达500wt.%以上。因此，浸渍过程中磷酸浓度变化大，势必影响PBI膜中磷酸的均匀性和一致性，最终影响PBI/H₃PO₄掺杂膜中磷酸的均匀性以及不同批次PBI/H₃PO₄掺杂膜的一致性。

专利200710190632.9公开了一种利用聚苯并咪唑-磷酸-水三元体系制备磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜的方法，该方法中首先通过制备PBI-磷酸混合液并将其置于玻璃板上得PBI-磷酸掺杂膜，再将所得膜浸入20-60wt.%的磷酸得高磷酸含量的PBI-磷酸掺杂膜。本方法制备过程中，将混合液置于玻璃板上过程中可能到导致膜厚度不均匀进而导致膜

中磷酸含量不均匀以及不同批次的膜的一致性不高，不适宜于批量生产及商业应用。

发明内容

本发明针对现有技术制备PBI/H₃PO₄掺杂膜过程中H₃PO₄在PBI膜中的均匀性差，不同批次制备的膜中H₃PO₄含量一致性差等缺点，采用多次浸渍的方法对PBI膜进行磷酸掺杂，在提高了PBI/H₃PO₄掺杂膜H₃PO₄均匀性和各批次膜之间的一致性的同时提高了掺杂膜中的磷酸含量进而提高了该膜的离子电导率，本发明具体方案如下：

一种高温燃料电池用PBI/H₃PO₄掺杂膜的制备方法，包括以下步骤，

1）PBI膜的预处理：将剪裁好的PBI膜置于盛有去离子水的容器中，并将所述容器置于50-100℃水浴锅中处理1-12小时后，取出PBI膜于80-180℃烘箱中干燥处理0.5-2小时；

2）PBI膜的称重：将步骤1）所得PBI膜逐片标记，称重，记录；

3）PBI膜的浸酸处理：将经过称重的步骤2）所得的PBI膜置入容器中，并于所述容器中注入磷酸溶液，且保证磷酸溶液浸没所有PBI膜，将所述容器置于油浴锅中于80-160℃下热处理1-96小时，得PBI/H₃PO₄一次掺杂膜；

4）PBI/H₃PO₄一次掺杂膜的干燥处理：将步骤3）所得PBI/H₃PO₄一次掺杂膜置入真空烘箱中于80-180℃条件下干燥0.5-5小时，得干燥后的PBI/H₃PO₄一次掺杂膜；

5）PBI/H₃PO₄一次掺杂膜的称重：将步骤4）所得干燥后的PBI/H₃PO₄一次掺杂膜于室温下称重，记录；