[发明专利]一种高强度、高质子传导率的高温质子传导复合膜及其在高温燃料电池中的应用

说明书

一种高强度、高质子传导率的高温质子传导复合膜及其在高温燃料电池中的应用，属于高温质子传导膜技术领域。其是将质子传导增强剂PIMs加入到铸膜剂中，再加入聚苯并咪唑，混合均匀后得到铸膜液；然后将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，在80～90℃下烘10～15小时，100～110℃下烘10～15小时，120～130℃下烘10～15小时，再于120～130℃、真空度为0.1～0.3MPa条件下烘20～30小时，冷却至室温后得到该复合膜，进一步可以进行磷酸掺杂，得到磷酸掺杂的复合膜。本发明将复合膜应用于高温燃料电池领域，由于质子传导增强剂的引入，增强了聚苯并咪唑的力学性能，同时大幅度提高了其质子传导能力进而大幅度提高电池的性能，具有极其广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于高温质子传导膜技术领域，具体涉及一种高强度、高质子传导率的高温质子传导复合膜及其在高温燃料电池中的应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种环境友好的、转化效率极高的能源装置，是未来理想的能源来源。随着我国大气污染问题的日趋严重，化石燃料燃烧所带来的空气污染问题也日渐突出。治理大气污染已经越来越重要，治理难度也越来越大。不仅是因为大气污染的治理比较困难，更是因为我国的能源结构以化石燃料为主，短时间内如果贸然减少化石燃料的使用量，对我国的能源安全乃至国家社会的稳定都会造成非常严重的影响。改变能源结构，使用更加清洁的能源成为了一个迫在眉睫的需求。因此，质子交换膜燃料电池具有十分广阔的应用前景。以目前广泛使用的Nafion为代表的全氟型磺酸膜燃料电池为例，大多操作温度低于80℃，使得燃料电池在实际应用时面临CO耐受性差、系统的水热管理困难等问题。因此高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)便应运而生，成为燃料电池技术的一个重要的发展方向。

高温质子交换膜燃料电池具有如下优点：1)提高化学反应速率，降低催化剂的使用量；2)由于其工作温度大于120℃，不会生成CO，从而解决了电极材料CO中毒的问题；3)改善系统的水管理，减少了传质极化，流场设计也可以得到大幅度的简化，4)改善系统的热管理，可以采用现有的内燃机汽车用散热系统，大幅度降低冷却系统的重量与体积，提高系统的重量与体积比功率密度。5)由于其工作温度较高，反应活性很大，高温燃料电池相对于低温电池，需求的催化剂催化活性相对较低，催化剂的选择空间不再局限在贵金属领域，降低生产成本前景比较可观。

聚苯并咪唑是一类性能极其优异的耐高温树脂。聚苯并咪唑掺杂磷酸的复合膜由于其极高的质子传导能力和优秀的热稳定性，成为高温质子交换膜研究的热点。聚苯并咪唑分子上的碱性氨基与磷酸分子中的酸性羟基之间存在酸碱络合的键合作用，使得聚苯并咪唑可以吸附磷酸，依靠磷酸与咪唑基团在膜内形成的氢键网络来传递质子，从而摆脱了质子传递对水的依赖，提高燃料电池的工作温度。

常规掺杂磷酸的方法主要是将聚苯咪唑的膜浸泡在磷酸中在一定温度下进行吸附。由于聚苯并咪唑分子链之间的自由体积有限，对磷酸的吸附量成为限制其质子传导性能的一个瓶颈。在聚苯并咪唑膜中可通过引入孔结构来增大磷酸的吸附量。常规的成孔方法比如使用造孔剂(常用制孔剂有邻苯二甲酸二甲酯，邻苯二甲酸二乙酯，邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸二苯酯等)制备多孔聚苯并咪唑膜，其优点是能够产生大量的孔结构，迅速提高聚苯并咪唑对磷酸的吸附能力；然而，这种方法制造的空隙往往很大，使得掺杂进入苯并咪唑孔中的磷酸迅速流失，高质子传导率无法长时间稳定保持，高温时传导率下降也极为严重。因此引入孔结构来增大磷酸的掺杂量和质子传导率并不是一个有效的方法。