[发明专利]一种燃料电池质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池质子交换膜及其制备方法，具体地，本发明提供了一种燃料电池质子交换膜，其通过聚苯并咪唑类型化合物A与另外一种含氮杂芳环取代的卤代烷烃B作为原料复合而成，其中，所述的A与B的摩尔比nA:nB＝1:0.1‑6.00。本发明还提供了所述的燃料电池质子交换膜的制备方法。本发明的燃料电池质子交换膜兼具高质子电导率和高机械强度，以及低的磷酸流失率，以及长的使用寿命，非常适合用于高温质子交换膜燃料电池。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其具有效率高、污染小、建厂时间短、可靠性及维护性好等优点，被誉为是一种继水力发电、火力发电、核电之后的第四代发电技术。其中质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)以质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，具有能量转换效率高、无污染、可室温快速启动，寿命长和功率密度高等特点，因此其作为新型的军民两用电源，展现出巨大的市场潜力及广阔的应用前景。质子交换膜燃料电池的发展，对目前产业结构的升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。鉴于其重要性，燃料电池已经被美国列为使美国保持经济繁荣和国家安全而必须发展的27项关键技术之一，并被美国、加拿大等发达国家认定为21世纪首选的清洁能源系统。2000年，燃料电池还被美国《时代》周刊评为21世纪对人类社会有重要影响的十大技术之一。

传统的PEMFC的质子交换膜广泛采用全氟磺酸膜(PFSA，如Dupont公司生产的Nafion膜)，该膜的质子传导性能严重依赖于液态水，一般工作在60～90℃，温度过高会导致PEM脱水，质子传导率急剧下降，电池性能严重衰减。较低的工作温度为PEMFC带来种种弊端，成为其发展瓶颈。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。

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，但是由于该膜是搀杂无机磷酸一起使用，因此其具有明显的缺点：(a)由于该体系依赖磷酸传导质子，而燃料电池工作时会产生水，并且从膜内排出，这会导致无机磷酸会随着产生水的排除而流失，从而造成膜的质子电导率下降；并且导致了电池性能的衰减，也缩短了电池的使用寿命。(b)膜的质子电导率与膜的机械强度相矛盾；由于该体系通过磷酸传导质子，因此为了提高膜的质子电导率，一般会提高膜中磷酸的含量。但是磷酸含量的增加又会导致膜的机械稳定性和抗氧化性能下降，导致膜的使用寿命缩短。

因此，本领域尚缺乏一种兼具高质子电导率、高机械强度，高抗氧化性、低磷酸流失速率长，同时又具有长时间稳定寿命的的质子交换膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池质子交换膜及其制备方法。

本发明的第一方面，提供了一种燃料电池质子交换膜，所述的质子交换膜是由聚苯并咪唑类型化合物A与含氮杂芳环取代的卤代烷烃B作为原料复合而成的，其中，所述的A与B的摩尔比nA:nB＝1:0.1-6.0；且所述的聚苯并咪唑类聚合物A选自下组：

其中，n＝2-10000；

R选自下组：O、S、NH、C(O)、S(O)₂、未取代或卤代的C1-C6亚烷基、未取代或卤代的C2-C6亚烯基；

R¹选自下组：

且所述的含氮杂芳环取代的卤代烷烃B为C1-C10卤代烷烃，且所述的含氮杂芳环为5-7元含氮杂芳环。

在另一优选例中，所述的聚苯并咪唑类型化合物A选自下组：