[发明专利]一种高性能的质子交换膜及其制备方法与应用

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体公开了一种高性能的质子交换膜及其制备方法与应用。质子交换膜为磷酸掺杂的聚苯并咪唑交联膜，聚苯并咪唑交联膜的制备原料包括聚苯并咪唑和2，5‑二氯‑1，4‑苯二胺。制备方法包括以下步骤：将聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中，得到聚苯并咪唑溶液；将2，5‑二氯‑1，4‑苯二胺溶解于聚苯并咪唑溶液，得到聚苯并咪唑混合溶液；将聚苯并咪唑混合溶液经成型、烘干成膜，得到聚苯并咪唑交联膜；将聚苯并咪唑交联膜浸泡于磷酸溶液中，经干燥后，得到质子交换膜。本发明所制备的质子交换膜表现出优异的质子传导率和机械性能，在质子传导率达到82mS/cm时，机械强度仍可达到20.5MPa。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种高性能的质子交换膜及其制备方法与应用。

背景技术

当前社会主要的能源是以传统化石燃料为主，仅靠化石燃料已经无法满足世界人口的增长及经济发展的能源需求。除此之外，由于化石燃料带来的环境污染问题已对人类的生活环境造成了越来越严重的影响。因此，诸如燃料电池、金属-空气电池及锂离子电池等清洁能源逐渐进入研究人员的视野。燃料电池不是储能装置，而是一种能量转换装置，它能够通过电化学反应原理将化学能转换为电能，质子交换膜燃料电池由于在汽车上有较大的应用前景，因此得到了广泛的研究。质子交换膜燃料电池存在着许多优点，由于其不受卡诺循环的限制，使得其能量转换率很高，约为40％到60％。质子交换膜(PEM)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件之一，它不仅具有隔离反应气体，还具有传导质子的作用。

目前，全质子交换膜主要用氟磺酸型质子交换膜；非氟聚合物质子交换膜；复合质子交换膜等，其中最为常见的为磺酸导体聚合物接枝碳材料的有机/无机纳米复合质子交换膜，其制作工艺为将含杂原子的导体聚合物单体在碳材料中氧化聚合，并磺化接枝，含碳材料可以是炭黑、石墨、纳米碳等；聚合物为聚苯胺、聚吡咯等，该类复合质子交换膜虽然具有良好的质子传导率，但机械性能有所下降。

因此，亟需研发一种可在保证机械性能的前提下，提高其质子传导率的质子交换膜。

发明内容

本发明提出一种高性能的质子交换膜及其制备方法与应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为克服上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种质子交换膜。

具体地，一种质子交换膜，所述质子交换膜为磷酸掺杂的聚苯并咪唑交联膜，所述聚苯并咪唑交联膜的制备原料包括聚苯并咪唑和2，5-二氯-1，4-苯二胺。

聚苯并咪唑(PBI)是一类具有苯并咪唑重复单元结构的直链杂环聚合物的总称，也是一类耐高温的碱性聚合物，适合于作为质子交换膜的原材料，以用于高温燃料电池。本发明通过在聚苯并咪唑中引入自身具有较大分子位阻的2，5-二氯-1，4-苯二胺，2，5-二氯-1，4-苯二胺中的氮原子可与聚苯并咪唑中的仲胺发生交联反应，并在聚苯并咪唑的支链形成氢键作用的小分子，从而增大由聚苯并咪唑和2，5-二氯-1，4-苯二胺制得的聚苯并咪唑交联膜的自由体积，并增加聚合物主链距离，因此，在采用磷酸对聚苯并咪唑交联膜进行掺杂时，可增加聚苯并咪唑分子链对磷酸的吸附量，从而获得了高质子传导率的质子交换膜。同时，2，5-二氯-1，4-苯二胺在聚苯并咪唑中形成氢键在一定程度上可降低磷酸掺杂对聚苯并咪唑交联膜机械性能的影响，保证质子交换膜的机械强度，从而制得了可同时兼具机械性能和质子传导率的质子交换膜。

作为上述方案的进一步改进，所述2，5-二氯-1，4-苯二胺的质量为所述聚苯并咪唑质量的1-10％。具体的，合适用量的2，5-二氯-1，4-苯二胺有利于获得传导率和机械性能俱佳的质子交换膜，过低含量的2，5-二氯-1，4-苯二胺无法获得高传导率的质子交换膜，过高含量的2，5-二氯-1，4-苯二胺则会降低质子交换膜的机械性能。