[发明专利]一种交联型高温质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种交联型高温质子交换膜及其制备方法，具体地，聚苯并咪唑类型化合物A与另外一种含有羟基官能团或者羟基被保护基团保护的碱性聚合物B以及有机小分子交联剂C作为原料复合而成，其中，所述的A与B的摩尔比nA:nB＝1:0.01‑99.99,A与C的摩尔比nA:nC＝1:0.01‑2.00。本发明还提供了所述的交联型高温质子交换膜的制备方法。本发明的高温质子交换膜兼具高质子电导率、高机械强度、高的热稳定性、高的抗氧化稳定性以及低的溶胀率，非常适合用于质子交换膜燃料电池。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种交联型高温质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。由于燃料电池具有效率高、能量密度大、功率大、供电时间长、寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物等，被认为是面向未来世界的新型电源。在众多种类的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)以其能量密度高、室温启动快、环境友好、无噪声和红外辐射小等优点成为最具实用和商业价值的燃料电池。质子交换膜燃料电池的应用分为三类：便携式、固定式和交通工具。便携式质子交换膜燃料电池主要是为移动设备充电，应用前景是消费电子和军工产品；固定式质子交换膜燃料电池应用于企业数据中心后备电源、分散式基站电源、无人微型热电电源和瓦兆级大型发电站，是目前主要的应用领域；另外，质子交换膜燃料电池也可以作为汽车电源、舰船电源、无人机电源等，凭借其节能环保等优点日益受到关注，可谓质子交换膜燃料电池最有前景的应用领域。传统的PEMFC由于其工作温度低(低于100℃，一般在60-90℃)，导致其存在燃料利用效率低、环境耐受性差、水热管理复杂等问题。因此，提高燃料电池的工作温度，发展高温质子交换膜燃料电池(high temperature proton exchange membrane fuel cell，HT-PEMFC)已经成为一种必然的发展趋势。而高温质子交换膜(HT-PEM)是HT-PEMFC的核心部分，是实现高温操作的关键所在。

目前，广泛使用的高温质子交换膜为PBI(聚苯并咪唑)类型的质子交换膜，该膜搀杂无机磷酸一起使用。该膜虽然应用比较广泛，但是其缺点也非常的明显：(a)无机磷酸容易流失；磷酸的流失造成了质子交换膜的质子电导率急剧下降，从而导致了电池性能的下降，缩短了电池的工作稳定性和使用寿命。(b)膜的质子电导率与膜的机械强度之间的矛盾；为了提高膜的质子电导率，一般会提高膜中无机磷酸的吸附量，但是随着无机磷酸的吸附量的增加，膜的机械强度会迅速降低，严重影响了质子交换膜尺寸稳定性和使用寿命。因此，在实际使用过程中，只能综合考虑膜的质子电导率与膜的机械强度。针对PBI类型的膜存在的这些问题，我们开发了有机复合型高温之子交换膜(专利申请号201710084102.X)，该有机复合型高温之子交换膜相比PBI膜具有下面明显的优势：(a)成本大幅下降；(b)膜的质子传导率大幅提高；(c)降低了无机磷酸的流失速率。但是，有机复合型高温之子交换膜在机械强度以及热稳定性以及抗氧化稳定性等方面还需要进一步提高。

综上所述，本领域尚缺乏一种兼具高质子电导率、高机械强度、低溶胀率、高热稳定性、高抗氧化稳定性，低磷酸流失速率同时又具有长时间稳定寿命的的高温质子交换膜。

发明内容

本发明的目的就是提供一种兼具高质子电导率、高机械强度、低溶胀率、高热稳定性、高抗氧化稳定性，低磷酸流失速率同时又具有长时间稳定寿命的的高温质子交换膜。

本发明的第一方面提供了一种交联型高温质子交换膜，所述的高温质子交换膜是由聚苯并咪唑类型化合物A，含有羟基官能团或者羟基被保护基团保护的碱性聚合物B，以及有机小分子交联剂C作为原料复合而成；其中，所述的A与B的摩尔比nA:nB＝1:0.01-99.99，A与C的摩尔比nA:nC＝1:0.01-2.00。

在另一优选例中，所述的有机小分子交联剂C选自下组：