[发明专利]一种复合高温质子交换膜及其制备和应用

说明书

本发明提供一种复合高温质子交换膜及其制备和应用，所述复合高温质子交换膜为吸附有H₃PO₄的PBI‑SiO₂复合膜，所述SiO₂为酸改性有序介孔SiO₂，其于复合膜中的质量含量为0.1％‑30％，其中所述酸与有序化介孔SiO₂的质量比为0.001:1‑0.2:1；所述H₃PO₄于吸附H₃PO₄后的PBI‑SiO₂复合高温质子交换膜中的质量含量为70％‑98％。与现有技术相比：本发明采用的酸改性有序介孔SiO₂含有大量的氢键，能够与PBI形成较强的分子间作用力，在杂化膜中具有较好的分散性；酸改性有序介孔SiO2具有有序的质子传输通道，有助于提高低湿条件下的质子传导率；本发明所制备的复合膜兼具较高的质子传导率和良好的机械性能，是一种综合性能优良的高温质子交换膜。

技术领域

本发明涉及高温燃料电池复合质子交换膜及其制备方法，特别是一种吸附有H₃PO₄的PBI-SiO₂复合高温质子交换膜。

背景技术

燃料电池是一种将化学能转化为电能的电化学转换装置，是21世纪最有竞争力的发电技术之一。在诸多燃料电池系统中，高温质子交换膜燃料电池因其(1)耐CO能力强；(2)系统简单，成为国际燃料电池领域研究、开发的热点。

聚苯并咪唑(PBI)由于具有较高的玻璃化转变温度，在高温质子交换膜燃料电池领域研究相对成熟。磷酸掺杂聚苯并咪唑膜的电导率随着膜酸掺杂水平的增大而升高，但与此同时由于磷酸的塑化影响，磷酸掺杂聚苯并咪唑膜的稳定性随之变差。有序介孔SiO₂不仅延续了SiO₂的保水性能，还具有有序的介孔结构(孔道在纳米尺度2-50nm)。通过将酸预先掺杂于有序介孔SiO₂中，一方面可以将酸锚定在有序介孔SiO₂介孔内部，在介孔内部形成连续的质子传递通道，提升复合膜的质子传导率，另一方面，同时将酸锚定在有序介孔SiO₂表面，增强了功能化有序介孔SiO₂与PBI的氢键作用，有利于有序介孔SiO₂在复合膜中的均匀分散。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，目的在于解决目前基于磷酸掺杂PBI聚合物电解质膜普遍存在的机械性能差和磷酸流失问题,制备吸附有H₃PO₄的PBI-SiO₂复合高温质子交换膜，开发兼具良好机械性能和高质子传导率的高温质子交换膜,为实现上述目的，本发明首先利用自组装方法预先制备一种酸掺杂有序介孔SiO₂，采用共混法将其与PBI按一定比例共混并得到PBI-SiO₂复合膜，最后将其浸渍在一定浓度的磷酸得到复合高温质子交换膜。酸改性有序介孔SiO₂在膜中既起到保水作用，又提供质子传输功能，有助于强化高温质子交换膜的质子传输性能，提高复合膜综合性能。

本发明采取的具体方案如下：