[发明专利]一种交联电解质膜及其制备方法

说明书

一种交联型聚合物电解质膜，以聚苯并咪唑PBI作为聚合物电解质膜的基材，高分子化合物包含苯环且包含带正电荷的官能团；高分子化合物中的苯环与聚苯并咪唑上的N通过化学键连接，形成交联结构；带苯环且带正电荷的高分子化合物的主链为聚苯乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜或聚苯醚、聚亚苯结构中的一种；聚苯并咪唑PBI主链与高分子化合物的主链之间通过亚甲基连接；带正电荷的官能团与高分子化合物的主链之间通过亚甲基连接。本发明的优势为通过荷正电聚合物与PBI键合形成大分子交联膜，不仅能提高聚合物电解质膜的机械性能，而且正电荷能够与磷酸氢根之间形成很强的静电作用，增加二者之间结合能，从而减少磷酸从高温膜中的流失。

技术领域

本发明属于高温聚合物电解质膜领域，特别涉及一种具有较强抗磷酸流失能力、良好尺寸稳定性的交联型高温聚合物电解质膜的制备。

背景技术

相比于传统质子交换膜燃料电池，高温燃料电池(工作温度在120-200℃) 具有更快的电化学反应速率、更高的耐受CO毒化能力、简化的水热管理系统等优势，因此高温燃料电池成为近年来最为活跃的研究领域之一。作为高温质燃料电池核心材料，高温聚合物电解质膜需要具有较高的质子传导能力(高温低湿度环境)、良好的热稳定性和良好的机械性能等要求。磷酸掺杂PBI(聚苯并咪唑) 基膜以其较高的质子传导能力、良好的热稳定性以及良好的机械性能，而被认为高温燃料电池的最佳候选材料之一，其在燃料电池中的应用促进了高温燃料电池的发展。然而，由于磷酸与PBI之间只是以氢键结合，作用力比较弱，与此同时磷酸仍大部分以自由酸的形式存在于高温聚合物电解质膜中，所以在高温燃料电池运行过程中，尤其是在电池启动过程中，电池温度不能快速升到高温，电池反应产生的和空气中的水以液态形式存在，这就使得磷酸在水的作用下重排甚至从膜中流失，造成膜的电导率下降，电池欧姆极化增加，电池性能衰减。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于制备一种具有较强抗磷酸流失能力、良好尺寸稳定性的带正电荷交联型高温聚合物电解质膜；表征并测试此类交联型高温聚合物电解质膜的物理化学性能。

作为一类芳香杂环高分子聚合物，PBI具有突出的热稳定性、成膜性、材料力学性，所以本发明仍以PBI作为高温聚合物电解质膜的基材，通过分子结构设计将具有较强碱性、带正电荷的高分子通过化学键与PBI高分子连接，形成交联结构。具有较强抗磷酸流失能力、良好尺寸稳定性的交联型高温聚合物电解质膜的分子结构式如下：

一种交联型聚合物电解质膜，以聚苯并咪唑PBI作为聚合物电解质膜的基材，所述高分子化合物包含苯环且包含带正电荷的官能团；所述高分子化合物中的苯环与聚苯并咪唑上的N通过化学键连接，形成交联结构；

所述带苯环且带正电荷的高分子化合物的主链为聚苯乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜或聚苯醚、聚亚苯结构中的一种；所述聚苯并咪唑PBI主链与高分子化合物的主链之间通过亚甲基连接；所述带正电荷的官能团与高分子化合物的主链之间通过亚甲基连接。

所述聚苯并咪唑PBI为mPBI、pPBI、OPBI、ABPBI中的一种；所述带正电荷的官能团为季铵盐、咪唑中的一种或两种；所述带正电荷的官能团的对阴离子 X^-为Cl^-、Br^-、HCO₃^-或OH^-中的一种或两种以上。

所述连接高分子化合物与聚苯并咪唑PBI之间的亚甲基与PBI的物质量比为 1:4-2:1。

所述交联型聚合物电解质膜的制备方法，包括以下步骤，

(1)带正电荷的高分子卤化物的制备：

将卤代高分子化合物溶于有机溶剂A中，向其中加入三甲胺的醇溶液或咪唑使其发生反应，得带正电荷的卤代高分子化合物溶液；

(2)将PBI溶于有机溶剂A中；