[发明专利]高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法，制备方法包括以下步骤：S1、将聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中，形成浓度为0.15mol/L～0.45mol/L的聚苯并咪唑溶液；S2、将所述聚苯并咪唑溶液在模板上浇筑成膜，干燥，获得薄膜；S3、将所述薄膜置于磷酸与磷钨酸混合溶液中进行酸性改性；S4、将酸性改性后的薄膜在真空环境中干燥，获得高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜。本发明实现高温型质子交换膜的低成本、高效率大规模的商业化生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着可再生清洁能源发电技术的发展及推广，质子交换膜燃料电池发电方式是最佳选项，其具有环境适应性强大、能量密度大、可以热电联产、低温性能优异、转化效率高，无噪音，低辐射等优点，被公认为交通设备、便携式电子的最佳动力源。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，对燃料电池性能起着关键作用。为了解决当前燃料电池成本高的技术问题，开展低成本长寿命的质子交换膜材料已是当务之急。

燃料电池常用的交换膜有全氟磺酸膜电解质膜(如戈尔公司，科幕公司产品)，由于此种交换膜的质子导电率与含水率有强烈的关联性，正常工作温度必须维持于60～80℃。温度过低，电化学反应速率低，电池功率低。在100℃工作时，质子交换膜的湿润度急剧下降，导致质子交换膜内阻上升，此时燃料电池功率性能急剧下降，在降低电池功率同时也使得质子交换膜的寿命急剧衰减。因此，全氟磺酸质子交换膜为代表的质子交换膜，其质子导电能力和水的含量及温度强相关的特性，限制了电池的工作条件，使得质子交换膜燃料电池的工作温度在60～80℃范围。60～80℃工作温度带来诸多技术的问题：第一，80℃时，电池内的水以气液两相存在，气液两相的不稳定性而导致的电池性能不稳定和可靠性问题成为技术难题，气液两相流动相当复杂，再与电极过程耦合，使得问题的难度增加。第二，在低于80℃工作时，燃料电池的电化学反应的速率低，阴极电化学极化比较严重，影响电池催化剂性能的发挥。第三，60～80℃的工作温度与环境温度相差不大，不利于燃料电池热烈的扩散，对冷却系统要求增高，冷却部件的会降低电池的体积功率密度。

高温型改性质子交换膜燃料电池可以彻底地解决低温燃料电池的问题，包括：1.电池反应产物水以气态存在，有利于简化热的管理；2.降低对交换膜增湿要求；3.电极反应速度提高，有效降低阴极电化学极化过电位。此外，高温质子交换膜燃料电池在一定程度上简化了燃料电池冷却系统，提高燃料电池的能量密度。因而高温质子交换膜成为当前研发的重点。改性聚苯并咪唑质子交换膜作为高温质子交换膜的重要大类，受到相当重视，是下一代燃料电池的关键工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、将聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中，形成浓度为0.15mol/L～0.45mol/L的聚苯并咪唑溶液；

S2、将所述聚苯并咪唑溶液在模板上浇筑成膜，干燥，获得薄膜；

S3、将所述薄膜置于磷酸与磷钨酸混合溶液中进行酸性改性；

S4、将酸性改性后的薄膜在真空环境中干燥，获得高温型改性聚苯并咪唑质子交换膜。

优选地，步骤S1中，所述聚苯并咪唑数均分子量为15000-40000。

优选地，步骤S1中，将聚苯并咪唑溶解于40℃～75℃的有机溶剂中；

所述有机溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺及二甲基甲酰胺中一种或多种。

优选地，步骤S2中，所述薄膜的厚度为10μm～15μm。