文章背景

       由于化石燃料逐渐枯竭，环境污染日益严重，氢作为一种高效清洁的能源载体受到了广泛关注。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效、零污染物排放的特性将广泛应用于微电子器件、燃料电池汽车和大型电站中。根据其不同温度与湿度的应用条件，质子交换膜（PEM）主要分为两类——低温（LT）-PEM（100 ℃以下运行）及高温（HT）-PEM（100-200 ℃下运行）。例如，杜邦公司商业化的全氟磺酸基膜（Nafion ^®膜系列）只能在高湿度和100 ℃以下运行，且需要复杂的水热管理系统及配套的散热器和加湿器。目前应用于HT-PEMFC最有潜力的膜是磷酸（PA）掺杂聚苯并咪唑（PBIs）膜等。然而，它们表现出较差的溶解度、可加工性和低温低湿条件下较低的质子电导率。因此，研发在无湿度环境宽温域范围内均能高效运行的PEM成为现阶段迫在眉睫的难题之一。

文章概述

       在这项工作中，基于朝格尔碱基Tröger’s base（TB）合成了新型含TB结构的聚苯并咪唑（TB-PBI-N），并以之作为填料，以自具微孔聚酰亚胺（PI-TB-N）做为基体，制备共混复合膜（TB-PI-xPBI）。由于聚苯并咪唑优异的耐酸稳定性，复合膜能耐受更高浓度的磷酸溶液，且在吸附更多磷酸的同时具备优异的尺寸稳定性。此外，由于自具微孔聚酰亚胺（PI-TB-N）的微孔虹吸作用，以及填料TB-PBI-N中的TB和咪唑基团与磷酸（PA）和/或水的酸碱相互作用，即使没有任何外部加湿器，磷酸掺杂的TB-PI-xPBI膜电极组件（MEA）亦可在无湿度宽温域或低湿度（低于20% RH）低温（30-95 ℃）环境、氢气/空气条件下稳定运行。PA掺杂后的复合膜在30 ℃无湿条件下的质子电导率高于3.0 mS/cm，在160 ℃时质子电导率最高可达94.3 mS/cm；环境湿度在20% RH时，电导率最高达90.2 mS/cm。复合膜TB-PI-5PBI对应单电池在无湿条件下，80 ℃和160℃的功率密度最大可分别达到224.7 mW/cm²和334.6 mW/cm²。此项研究为自具微孔聚酰亚胺-聚苯并咪唑复合膜应用于燃料电池宽温域范围运行的质子交换膜提供了思路。

图1 含朝格尔碱基聚酰亚胺-聚苯并咪唑复合质子交换膜的制备示意图

图2（a）磷酸掺杂前复合膜的应力-应变曲线；（b）磷酸掺杂后复合膜的应力-应变曲线

图3（a）无湿度宽温域（30-160 ℃）条件下复合膜质子电导率；（b）20% RH、低温（30-95 ℃）条件下复合膜质子电导率

图4 TB-PI-5PBI复合膜氢/空燃料电池极化和功率密度曲线

      上述工作以论文形式即将在《高分子学报》2024年印刷出版。论文通讯作者为长江大学赵庆美副教授和中国科学院过程工程研究所庄永兵研究员。

引用本文： 

钟建铭, 代俊明, 张宇, 赵庆美, 张旭, 庄永兵.

含朝格尔碱基聚酰亚胺-聚苯并咪唑宽温域复合质子交换膜的制备和性能.

高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23245

Zhong, J. M.; Dai, J. M.; Zhang, Y.; Zhao, Q. M.; Zhang, X.; Zhuang, Y. B.

Preparation and properties of composite proton exchange membranes from Tröger's base-based polyimides/polybenzimidazoles for fuel cells operating in a wide temperature range.

Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23245

原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2023.23245&lang=zh