[发明专利]一种有机高分子交联的有机膦酸高温质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种有机高分子交联的有机膦酸高温质子交换膜及其制备方法，具体地，本发明提供了由(a)聚苯并咪唑类型化合物A、(b)“酸‑碱”型有机膦酸聚合物B以及(c)有机高分子交联剂C作为原料复合而成的高温质子交换膜。本发明的有机高分子交联的有机膦酸高温质子交换膜具有高质子电导率、高机械强度、高的抗氧化稳定性以及低的膦酸流失率，非常适合用于高温质子交换膜燃料电池的制备。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种有机高分子交联的有机膦酸高温质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池发电作为新一代高效、环保型发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。其以固体的质子交换膜为电解质，不存在电解质腐蚀问题，同时具有能量转换效率高、污染小、启动快、寿命长和功率密度高等特点，在固定电站、分散式电站、军用特种电源、可移动电源、备用电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。

传统的PEMFC(质子交换膜燃料电池)一般工作在60～90℃，较低的工作温度为PEMFC带来种种弊端，例如催化剂中毒以及水热管理复杂等，这些都严重限制了传统质子交换膜燃料电池的发展。因此，为了解决传统的PEMFC的质子交换膜燃料电池的上述问题，高温质子交换膜燃料电池(high temperature proton exchange membrane fuel cell，HT-PEMFC)的发展成为必然。高温质子交换膜燃料电池具有明显的优势：(1)提高了催化剂的CO耐受性；(2)提高了反应和扩散速率；(3)简化了电池系统的水管理；(4)简化了电池系统的热管理；(5)可以降低催化剂的Pt载量以及开发非铂系催化剂，以降低整个PEMFC的成本。而高温质子交换膜(HT-PEM)是高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)实现高温工作的核心所在。

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，该体系最大的缺点就是无机磷酸的流失问题。因此，为了解决无机磷酸流失的问题，有机膦酸高温质子交换膜已经成为一种必然的发展方向。

目前制备有机膦酸高温质子交换膜的方法比较多，但是还是存在一些问题。例如，有机膦酸聚合物制备困难，例如将乙烯基膦酸连接到PPO以及PSU上的方法需要低温无水无氧操作，并且PPO以及PSU的溶解性差，不适合大规生产；此外，现有的有机膦酸高温质子交换膜的制膜工艺复杂，如BASF公司推出的产品，工艺就非常的复杂，并且产品的批量稳定性差；最后，膦酸含量无法准确控制，电导率调控困难，例如PBI膜浸泡在含有乙烯基磷酸的溶液中然后聚合，该体系中膦酸含量无法准确控制。

综上所述，本领域尚缺乏一种有机膦酸聚合物制备简单、制膜工艺简单、有机膦酸含量和质子电导率准确可控的高温质子交换膜及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机膦酸聚合物制备简单、制膜工艺简单、有机膦酸含量和质子电导率准确可控的高温质子交换膜及其制备方法。

本发明的第一方面，提供了一种有机高分子交联的有机膦酸高温质子交换膜，所述的有机高分子交联的有机膦酸高温质子交换膜是由(a)聚苯并咪唑类型化合物A、(b)“酸-碱”型有机膦酸聚合物B以及(c)有机高分子交联剂C作为原料复合而成的，其中，所述的A与B的摩尔比nA:nB＝1:0.01-99.99；

所述的“酸-碱”型有机膦酸聚合物B为碱性烯烃单体D与有机膦酸单体E发生共聚形成的共聚物，其中碱性烯烃单体D选自下组：

其中有机膦酸单体E选择下组：