[发明专利]一种交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法，所述的交联膜以聚苯并咪唑为聚合物骨架，以三氮唑类离子液体基聚乙烯为交联剂，通过自交联形成交联型高温质子交换膜。本发明提出的交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜在不增湿条件下即具有较好的质子电导能力及优异的尺寸稳定性，有效避免聚苯并咪唑/磷酸类高温膜的磷酸流失造成的电导率不稳定等缺点，具有较高的电导率以及低透气性等优点。本发明提出的交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜可应用于高温质子交换膜燃料电池、直接醇类燃料电池、电化学传感器或其它电化学装置中。

技术领域

本发明属于燃料电池材料技术领域，具体涉及一种交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪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。再者，磷酸流失问题也是影响PBI类高温膜商业化应用的瓶颈之一，为此，可以通过其它传导氢离子的离子液体，来取代磷酸的传导，从而解决磷酸流失的问题。

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、磷酸流失严重等难题制约其商业化的应用，通过将膜内采用离子液体传导氢离子、在膜内构建交联结构，可以有效的避免磷酸的流失问题，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交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法，通过以三氮唑类离子液体基聚乙烯为交联剂，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尺寸稳定性，并有效避免磷酸流失带来的电导率损失。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪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10~20 mL高沸点溶剂中，搅拌溶解后，加入三氮唑类离子液体基聚乙烯，搅拌直至溶解；其中， 三氮唑类离子液体基聚乙烯的加入量为聚苯并咪唑质量的50%~150%；

（2）再将溶液放入油浴中，50~100 ℃下搅拌，反应12~48 h；