[发明专利]聚苯并咪唑基多组分纳米高温质子交换复合膜、制备方法及其应用

说明书

一种苯并咪唑基多组分纳米高温质子交换复合膜、制备方法及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用，属于高分子功能膜技术领域。本发明以聚苯并咪唑为基体连续相，以功能型磺丙基化聚倍半硅氧烷为性能增强成分；通过引入磺化聚芳醚酮为相容促进剂，有效解决了sol‑gel过程中聚苯并咪唑遇水析出问题，获得了均一、稳定的三元复合膜；三元复合膜磷酸掺杂后的得到的高温质子交换复合膜具有尺寸稳定性好、质子传导率高和酸保持能力强等优点，且适合膜电极组装工艺，因而在高温质子交换膜燃料电池领域有着巨大的应用潜力。

技术领域

本发明属于高分子功能膜技术领域，具体涉及一种含有功能型磺丙基化聚倍半硅氧烷(SP-POSS)的“有机-无机增强型”聚苯并咪唑基多组分纳米高温质子交换复合膜、制备方法及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效、环保等特点，是一种真正的绿色未来能源。其中，可在100～200℃和无湿度的环境下运行的高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)相对于其他类型的PEMFC具有很多不可比拟的优势，例如催化剂对CO的耐受能力增强、催化剂效率获得提高，以及水/热管理系统得到简化等，因而是未来汽车动力能源的重要发展方向之一。磷酸掺杂聚苯并咪唑(PA-PBI)型质子交换膜在上世纪90年代被成功研制，并被成功应用于氢燃料电池。2009年世界上第一架有人驾驶的氢燃料电池为动力的滑翔机成功试飞，飞机的引擎恰恰是基于PA-PBI的燃料电池组件，它的操作温度达到180℃，成本能够降低了40％。基于PA-PBI的质子交换膜，由于其在高温下运行下的优异性能，一直是最具潜力的HT-PEM材料。

适用于高温质子交换膜的聚合物品种极少，大多数研究局限在磷酸掺杂m-PBI体系内。由于m-PBI分子结构原因导致它的成膜加工性较差，虽然采用低分子量聚合物可以改善它的加工型，然而不可避免会影响到它的磷酸掺杂水平和力学强度。因而，通过化学和物理的方法对PBI聚合物进行改性，提高这类材料的综合性能十分必要。化学方法包括在PBI分子链上接枝功能性基团，来提高质子传导率；通过引进可交联基团，使交联后的PBI膜的力学强度和稳定性获得提升等。物理方法包括在PBI基体中引入功能性无机粒子，提高膜的质子传导率；通过在PBI基体中引入磺化聚合物，通过“酸-碱”相互作用提升复合膜的尺寸稳定性等。大量的研究结果表明，这些改性方法虽然能够提升PA-PBI膜的某种性能，但不可避免会牺牲材料的其他性能，因而应用前景并不乐观。

人们希望将具有性能增强作用的无机粒子引入到高分子基体中，制备性能更为优异的“有机-无机”复合材料。尽管一些纳米无机粒子被成功掺杂到PBI基体中，并且已经被证明确实提高了复合膜的质子传导等性能。但是可以发现，虽然这些无机粒子在掺杂前是纳米尺寸，在一定比例掺杂到聚合物后，不可避免会团聚，造成粒子尺寸过大、分布不均。溶胶-凝胶(sol-gel)法因为是采用小分子化合物为添加剂，容易与聚合物溶液中均匀分散，然后在成膜过程中脱水而在聚合物基体中形成纳米粒子，进而粒子分布十分均匀，且能够有效控制粒子的尺寸。因而如果能够开发出通过sol-gel过程，将具有提升质子传导率、高磷酸吸附和含控能力的功能性成分引入到PBI基体中的方法，对于高温质子交换膜的制备领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有功能型磺丙基化聚倍半硅氧烷(SP-POSS)纳米粒子的“有机-无机增强型”聚苯并咪唑基多组分(PBI/SPAEK/SP-POSS)纳米高温质子交换复合膜及其制备方法。

本发明所述的一种聚苯并咪唑基多组分(PBI/SPAEK/SP-POSS)纳米高温质子交换复合膜的制备方法，其步骤如下：

(1)称取聚苯并咪唑(PBI)和相容促进剂磺化聚芳醚酮(SPAEK)聚合物粉末，分别放入锥形瓶中，再向锥形瓶中分别加入二甲基亚砜(DMSO)或者N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂，在室温下搅拌，使其完全溶解；