【技术实现步骤摘要】
本申请涉及燃料电池，特别是涉及一种超宽温域质子交换膜及其制备方法与应用。
技术介绍
1、高温质子交换膜燃料电池(ht-pemfcs)因其对氢气纯度要求不高，可以使用甲醇重整制氢，不需要加湿系统而在氢能应用体系中占有重要地位。ht-pemfc常用磷酸(pa)掺杂聚苯并咪唑(pbi)作为其质子交换膜(pem)。然而，这些pem仍有许多问题需要解决，特别是在性能和耐用性方面。尽管采用高铂(pt)负载，但在160℃时，pa掺杂pbi膜的功率密度远低于使用nafion膜的lt-pemfc(0.5-1w cm-2)，这阻碍了ht-pemfc的商业化。此外，磷酸离子会强烈吸附在pt表面，降低催化活性，导致pa掺杂pbi膜的电池性能变差。考虑到pt的昂贵价格，依靠增加pt的负载来提高lt-pemfc的电池性能是不现实的。而提高操作温度是一种简单有效的方法，在200℃以上工作的燃料电池可以简化水和热管理，可以使用非贵重或低负荷的贵重金属催化剂，并提高对燃料和空气的一氧化碳耐受性。
2、传统的基于pa掺杂pbi膜的高温质子交换膜燃料电池只能在140-160℃下工作。这是因为这种膜在140℃以下由于磷酸的吸湿性会导致磷酸的快速损失。同时，在170℃以上，由于酸酐的形成，磷酸的质子输运能力大大降低。因此，提高高温质子交换膜燃料电池的工作温度是燃料电池在汽车等设备上成功应用的关键。为了解决这一问题，在公告号为cn112259771a，名称为：一种具有宽运行温度的质子交换膜及其制备方法与应用，公开了将聚苯并咪唑、丙烯酰胺单体和引发剂过硫酸钾溶解
技术实现思路
1、基于此，本申请提供了一种超宽温域质子交换膜及其制备方法与应用，提高了质子交换膜的力学强度，对冷凝水的耐受性更强，在60℃至240℃具有更高的质子导电性，且具有较好的耐受性。
2、为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种超宽温域质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：
3、对聚苯并咪唑分别进行磺化、支化，得到磺化型聚苯并咪唑、支化型聚苯并咪唑；
4、在30℃至200℃下，将磺化型聚苯并咪唑、支化型聚苯并咪唑加入至二甲基亚砜溶液中，得到均相溶液；
5、在均相溶液中加入丙烯酰胺和过硫酸钾，得到混合溶液；
6、将混合溶液浇铸在玻璃板平面上，并在10℃至200℃烤箱中保温0.1h至100h，从而诱导形成质子交换膜。
7、优选地，还包括如下步骤：
8、将质子交换膜在0℃至100℃的去离子水中浸泡1h至100h，且在浸泡过程中需多次更换去离子水，从而诱导质子交换膜内的有机溶剂交换。
9、优选地，所述将质子交换膜在0℃至100℃的去离子水中浸泡1h至100h，且在浸泡过程中需多次更换去离子水，从而诱导质子交换膜内的有机溶剂交换之后还包括如下步骤：
10、将质子交换膜在0℃至200℃的磷酸中浸泡5h至500h，使得质子交换膜吸收磷酸和水。
11、优选地，所述将质子交换膜在0℃至200℃的磷酸中浸泡5h至500h，使得质子交换膜吸收磷酸和水之后还包括如下步骤：
12、将质子交换膜在10℃至200℃的真空下干燥0.1h至100h。
13、优选地，所述支化型聚苯并咪唑与磺化型聚苯并咪唑的质量比为3∶7。
14、优选地，所述丙烯酰胺的质量为聚苯并咪唑质量的0.01-5倍，所述过硫酸钾的质量为丙烯酰胺质量的0.05％-50％。
15、优选地，所述聚苯并咪唑为聚2，2′-(对二苯醚基)-5,5′-二苯并咪唑。
16、本专利技术还提供了一种超宽温域质子交换膜，其中，采用本专利技术所述的超宽温域质子交换膜的制备方法制得。
17、本专利技术还提供了一种超宽温域质子交换膜的应用，其中，将本专利技术所述的超宽温域质子交换膜用于燃料电池中。
18、本专利技术所提供的一种超宽温域质子交换膜及其制备方法与应用具有如下优点和有益效果：
19、磺化结构和支链结构提高了质子交换膜的整体强度和韧性；
20、由于聚丙烯酰胺水凝胶中丰富的氢键和酸碱相互作用，基于质子交换膜的燃料电池对冷凝水的耐受性更强，并且其工作温度范围比传统的磷酸掺杂聚苯并咪唑膜更宽，使得能够在60℃至240℃的范围内工作；
21、由于磺酸盐和聚丙烯酰胺水凝胶协同作用，使得质子交换膜在60℃至240℃具有更高的质子导电性，尤其是在240℃时其功率密度达到1100mw cm-2，在60℃至240℃范围内功率密度随着温度的增加而增加；
22、冷启动周期测试，能够保持长期稳定，无电压损失，特别是在高温(＞200℃)工作环境下，其电压维持在0.5v，持续时间近90h，表现出良好的稳定性。
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1.一种超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述将质子交换膜在0℃至100℃的去离子水中浸泡1h至100h，且在浸泡过程中需多次更换去离子水，从而诱导质子交换膜内的有机溶剂交换之后还包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述将质子交换膜在0℃至200℃的磷酸中浸泡5h至500h，使得质子交换膜吸收磷酸和水之后还包括如下步骤：
5.根据权利要求3所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述磷酸的浓度为10wt％至100wt％。
6.根据权利要求1所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述支化型聚苯并咪唑与磺化型聚苯并咪唑的质量比为3∶7。
7.根据权利要求1所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺的质量为聚苯并咪唑质量的0.01-5倍，所述过硫酸钾的质量为丙烯酰
8.根据权利要求1所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述聚苯并咪唑为聚2，2′-(对二苯醚基)-5,5′-二苯并咪唑。
9.一种超宽温域质子交换膜，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的超宽温域质子交换膜的制备方法制得。
10.一种超宽温域质子交换膜的应用，其特征在于，将权利要求9所述的超宽温域质子交换膜用于燃料电池中。
...【技术特征摘要】
1.一种超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述将质子交换膜在0℃至100℃的去离子水中浸泡1h至100h，且在浸泡过程中需多次更换去离子水，从而诱导质子交换膜内的有机溶剂交换之后还包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述将质子交换膜在0℃至200℃的磷酸中浸泡5h至500h，使得质子交换膜吸收磷酸和水之后还包括如下步骤：
5.根据权利要求3所述的超宽温域质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述磷酸的浓度为10wt％至100wt％。...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹碧波，王建华，陈明勇，
申请(专利权)人：东莞市大擎氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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