仇心聲，吳 芹，史大昕，張耀遠(yuǎn)，陳康成，黎漢生

（北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,北京 100081）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種綠色能源發(fā)電裝置，具有高燃料效率、低環(huán)境負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出極大的發(fā)展前景［1，2］. 在PEMFC中，質(zhì)子交換膜（PEMs）作為高效傳導(dǎo)質(zhì)子和分離陽極與陰極等的關(guān)鍵部件，要求具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率和高耐久性，尤其是當(dāng)電池處于高工作溫度和低濕度的操作條件下［3，4］. 在過去的數(shù)十年中，全氟磺酸型PEMs由于其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和高質(zhì)子傳導(dǎo)性而得到了廣泛的研究［5］. 但其工作溫度不高于80 ℃和高燃料滲透等問題限制了其進(jìn)一步應(yīng)用［6，7］. 因此，研究人員開展了大量關(guān)于磺化芳香族聚合物PEM的研究以期望替代全氟磺酸型PEM［6，8］.

六元環(huán)磺化聚酰亞胺（SPI）具有熱穩(wěn)定性高、機(jī)械強(qiáng)度高、成膜性好及燃料穿透率低等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有發(fā)展前景的PEM材料［9］. Mercier等［10］首次報道用1，4，5，8-萘四甲酸二酐（NTDA）和2，2′-聯(lián)苯胺二磺酸（BDSA）制備的SPI在60 ℃下表現(xiàn)出優(yōu)異的燃料電池耐久性，電池運(yùn)行時間長達(dá)2000 h. 但當(dāng)電池溫度升高時，較差的耐水解穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用. 已有大量工作研究了磺化二胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)對

SPI的耐水解穩(wěn)定性的影響. 結(jié)果表明，側(cè)鏈型磺化二胺單體的氨基比起主鏈型的具有更強(qiáng)的堿性，而由具有強(qiáng)堿性氨基的單體所制備的SPI的耐水解穩(wěn)定性能夠得到極大程度的提高［9，11～15］. 此外，聚合物鏈的交聯(lián)也可以提高PEMs 的耐水解穩(wěn)定性和燃料電池耐久性［16］. Okamoto 等［6］報道，在110 ℃，0.2 MPa和49%相對濕度（RH）下，由全芳香側(cè)鏈型二胺制備的交聯(lián)SPI膜表現(xiàn)出優(yōu)異的燃料電池性能，最大輸出功率密度（Wmax）為0.93 W/cm2. Chen等［17，18］報道了在110 ℃，0.3 MPa和50%相對濕度的PEMFC條件下，羰基和砜基共交聯(lián)的SPI PEMs 表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水解穩(wěn)定性，并且在電流密度0.2 A/cm2的條件下持續(xù)運(yùn)行300 h，具有良好的耐久性. 但共價型交聯(lián)的實(shí)驗過程復(fù)雜，重現(xiàn)性差. 酸堿基團(tuán)的離子型交聯(lián)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、制備方便，受到廣泛關(guān)注［19～25］. Xu等［25］報道了含苯并咪唑的離子型交聯(lián)SPI，其具有優(yōu)異的耐水解穩(wěn)定性，在耐水解實(shí)驗中測試時間超過1400 h，時長是對應(yīng)非交聯(lián)聚合物膜的50倍.

本文制備了一系列磺酸和苯并咪唑基團(tuán)之間形成酸堿離子型交聯(lián)的SPI PEMs，發(fā)現(xiàn)其在110 ℃下高溫燃料電池中的性能及耐久性與非交聯(lián)和共價型交聯(lián)SPI PEM相比均有顯著提高.

1 實(shí)驗部分

1.1 試劑與儀器

苯甲酸和異喹啉，分析純，北京百靈威科技有限公司；間甲酚，99.9%，北京百靈威科技有限公司；甲醇，分析純，中國醫(yī)藥集團(tuán)公司；1，4，5，8-萘四甲酸二酐（NTDA），98%，美國Aldrich公司，使用前在150 ℃下真空干燥；三乙胺（TEA），分析純，北京化工廠，在使用前通過4?分子篩干燥；N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），99.8%，阿拉丁試劑（上海）有限公司；二甲基亞砜（DMSO），99.7%，美國Aldrich 公司；N-甲基吡咯烷酮（NMP），99.5%，阿拉丁試劑（上海）有限公司；去離子水由Milli Q系統(tǒng)制備.

VERTEX 80V型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），瑞士Bruker公司；TOPHUNG TH-8203A型通用材料拉伸試驗機(jī)，蘇州拓博機(jī)械設(shè)備有限公司，測試條件：在25 ℃和50%RH下，5 mm/min的拉伸速度；3532-80型電化學(xué)阻抗分析儀，日本Hioki公司；As-510型燃料電池測試工作站，日本NF公司.

1.2 磺化聚酰亞胺的合成和膜的制備

參照文獻(xiàn)［26］方法合成2-（4-氨基苯基）-5-氨基苯并咪唑（DABI），參照文獻(xiàn)［27］方法合成2，2′-雙（4-磺基苯氧基）苯二胺（BSPOB）. 離子型交聯(lián)SPI 由不同摩爾比的NTDA，BSPOB 和DABI 通過逐步聚合法合成. 以NTDA-BSPOB/DABI（5/2）SPI的合成及膜的制備過程為例：在N2氣氛圍下，向裝有機(jī)械攪拌器的150 mL三頸燒瓶中依次加入2.643 g（5.000 mmol）BSPOB、35 mL間甲酚和2.04 mL TEA，攪拌至BSPOB 溶解后，加入0.449 g（2.000 mmol）DABI、1.877 g（7.000 mmol）NTDA 和1.710 g（14.000 mmol）苯甲酸，升溫至80 ℃反應(yīng)4 h；繼續(xù)升溫至180 ℃反應(yīng)12 h后，將反應(yīng)體系冷卻至室溫，然后加入2.060 g異喹啉和15 mL間甲酚. 再次升溫至180 ℃反應(yīng)12 h，冷卻至100 ℃后，加入30 mL間甲酚以稀釋高黏度溶液. 過濾并脫泡，將濾液澆鑄在玻璃板上，在烘箱中于80 ℃加熱2 h 再于120 ℃加熱12 h. 將膜從玻璃板上剝離后，在甲醇中浸泡并攪拌，并用新的甲醇置換3次，每次攪拌約12 h，以去除殘留的間甲酚、苯甲酸和異喹啉，然后水洗除去甲醇. 在50 ℃下于1.0 mol/L HCl溶液中浸泡72 h進(jìn)行充分的質(zhì)子交換. 將SPI PEM 室溫下在去離子水中浸泡48 h，徹底洗滌至中性，將膜在150 ℃和180 ℃下真空干燥各1 h. 將投料比n（BSPOB）/n（DABI）分別為5/2，2/1和1/1時制備的SPI PEMs標(biāo)分別標(biāo)記為M1，M2和M3，厚度均約為30 μm.

本文引用了已報道過的非交聯(lián)SPI PEM 和共價型交聯(lián)SPI PEM，將投料比n（BSPOB）/n［1，3-雙（4-氨基苯氧基）苯（BAPBz）］為2/1的非交聯(lián)SPI PEM［6］標(biāo)記為R1，投料比n（BSPOB）/n（BAPBz）為2/1的砜基交聯(lián)SPI PEM［6］標(biāo)記為R1C，投料比n（BSPOB）/n（BAPBz）/n［3，5-雙（4-氨基苯氧基）苯甲酸（BAPBa）］為4/1/1的砜基和羰基共交聯(lián)SPI PEM［18］標(biāo)記為R1X.

1.3 離子交換容量測試

SPI PEM的離子交換容量（IEC，meq/g）通過滴定法測量. 將約100 mg干燥的質(zhì)子形式的樣品膜在30 ℃下浸入15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl溶液中72 h，使H+與Na+完全交換. 過濾樣品膜并用15%NaCl溶液洗滌數(shù)次. 合并NaCl浸泡液和洗滌液，以酚酞作為pH指示劑，用0.02 mol/L NaOH溶液滴定. 體系出現(xiàn)粉紅色一瞬間記錄NaOH溶液使用量，然后計算得到磺酸基的摩爾數(shù)，用磺酸基的摩爾數(shù)除以SPI PEM的質(zhì)量得到IEC.

1.4 吸水率和膜尺寸變化率計算

將質(zhì)量為100～200 mg的SPI PEMs樣品浸入30 ℃的去離子水中24 h，取出膜，用紙巾快速擦拭，在精密天平上稱重. 根據(jù)下式計算吸水率（WU，%）：

式中：md（g）和ms（g）分別是干膜和相應(yīng)濕膜的質(zhì)量.

將樣品浸入30 ℃水中16 h后測量膜厚度（Δtc，%）和面內(nèi)（Δlc，%）方向的膨脹率. 根據(jù)下式計算Δtc和Δlc：

式中：td（cm）和ld（cm）分別為干膜的厚度和長度；t（cm）和l（cm）為膜在水中膨脹的厚度和長度.

1.5 質(zhì)子傳導(dǎo)率測試

使用電化學(xué)阻抗分析儀測試膜的平面內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)率（σ，mS/cm），測試頻率范圍為100 Hz～100 kHz. 將樣品膜夾在兩對相距0.5 cm 的鉑板電極中，鉑電極和膜共同固定在Teflon 板中. 根據(jù)下式計算σ：

式中：d（cm）為兩個電極之間的距離；ts（cm）和ws（cm）分別為70%RH 標(biāo)準(zhǔn)條件下膜的厚度和寬度；R（Ω）為測得的歐姆電阻值.

1.6 耐水解穩(wěn)定性測試

將150～200 mg質(zhì)子形式的SPI PEMs干燥片材浸入裝有90 mL去離子水的高壓釜中，于130 ℃下進(jìn)行耐水解穩(wěn)定性測試（500 h）.

1.7 膜電極組件的制備和燃料電池測試

根據(jù)文獻(xiàn)［6］方法制備膜電極組件（MEA）并進(jìn)行燃料電池性能測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖1為本文合成的離子型交聯(lián)SPI以及作為對比分析的共價型交聯(lián)SPI的化學(xué)結(jié)構(gòu)式. 圖2為質(zhì)子形式的M1，M2和M3的紅外光譜. 萘酰亞胺環(huán)的特征吸收峰在1712 cm-1（C=O對稱伸縮振動），1666 cm-1（C=O 不對稱伸縮振動）和1347 cm-1（C—N—C 不對稱伸縮振動）處，在1200，1090 和1017 cm-1處檢測到磺酸基團(tuán)的伸縮振動（O=S=O）峰，在1780 cm-1處未檢測到聚酰胺酸的特征峰，表明已完全酰亞胺化. 在1630，1586 和1286 cm-1處未檢測到苯并咪唑基團(tuán)的特征振動帶，在1499 cm-1處未檢測到質(zhì)子化苯并咪唑的NH+的特征振動帶，表明咪唑基已與磺酸基團(tuán)發(fā)生了酸堿反應(yīng)［26］.

Fig.1 Chemical structures of ionic crosslinked(A),covalent crosslinked(B)and co?covalent crosslinked SPI PEMs(C)

Fig.2 FTIR spectra of SPI PEMs in proton form

2.2 理化性質(zhì)

Table 1 Physicochemical properties of SPI and NR212 PEMs

離子型交聯(lián)SPI PEMs的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示，為了進(jìn)行比較，表中還列出了未交聯(lián)SPI PEMs R1、共價型交聯(lián)SPI PEMs R1C 和R1X 以及NR212型號Nafion膜的數(shù)據(jù). 由于主鏈的棒狀結(jié)構(gòu)和鏈間形成了離子型交聯(lián)，M1，M2和M3在TEA鹽形式和質(zhì)子形式澆鑄成膜后均不溶于DMAc，DMSO，NMP和間甲酚，這與文獻(xiàn)中的結(jié)果一致［21］. 離子型交聯(lián)SPI PEMs 的IEC 滴定值明顯低于理論計算值. 如M1的滴定IEC 為1.89 meq/g，是計算值（2.12 meq/g）的89%，而未交聯(lián)SPI PEM R1的IEC滴定值為1.86 meq/g，為計算值的93%，這表明磺酸與苯并咪唑之間發(fā)生了離子型交聯(lián)［28］. 隨著SPIs 中苯并咪唑基團(tuán)摩爾比的增加，滴定和計算IEC 的差異從M1 的11%增加到M3 的26%，表明離子型交聯(lián)程度隨著苯并咪唑基團(tuán)占比的增加而增加. 共價型交聯(lián)SPI PEMs（R1C和R1X）的滴定IEC分別為1.73 meq/g和1.83 meq/g，比交聯(lián)前的低約10%.

PEMs的吸水率與IEC值有關(guān). IEC為2.12 meq/g的M1吸水率高達(dá)98%，是IEC值為1.64 meq/g的M3（吸水率42%）的2.3 倍. 離子型交聯(lián)SPI PEMs 與具有相似滴定IEC 值的共價型交聯(lián)SPI PEMs 具有相似的吸水率. 如，M2的吸水率73%（1.76 meq/g）與R1C（1.73 meq/g）的72%相當(dāng). 通常，具有相似結(jié)構(gòu)的SPI PEM的λ值相近. 本文中的離子型交聯(lián)SPI PEMs的λ值從M1的29下降到M3的19，這與文獻(xiàn)報道的“具有相似結(jié)構(gòu)SPI PEMs具有相近的λ值”不一致［29，30］. 這一結(jié)果歸因于隨著苯并咪唑基團(tuán)含量的增加，交聯(lián)度增加，SPI形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水難以擴(kuò)散到SPI PEMs中，因而難以與磺酸基團(tuán)水合［31］.

離子型交聯(lián)SPI PEMs的厚度方向尺寸變化隨著IEC的增加而增加，最高可達(dá)81%；而在面內(nèi)方向尺寸變化幾乎沒有受到IEC 的影響，均為3%左右，這有利于制備的MEA 的穩(wěn)定性. 非交聯(lián)SPI PEM（R1）和共價型交聯(lián)SPI PEMs（R1C，R1X）的面內(nèi)方向尺寸變化則相對較高. 與R1C 和R1X 具有相近IEC 值的M2的面內(nèi)方向尺寸變化為3.1%，明顯低于R1C的5.0%和R1X的6.4%. NR212的面內(nèi)方向尺寸變化最高（14%）. 與NR212相比，SPI PEMs表現(xiàn)出明顯的各向異性膜溶脹，其中離子型交聯(lián)的SPI PEMs最明顯，其在厚度方向的尺寸變化是面內(nèi)方向的尺寸變化的10～20倍.

利用楊氏模量（M，GPa）、最大應(yīng)力（S，MPa）和斷裂點(diǎn)伸長率（E，%）來表征膜的機(jī)械性能，M2，R1，R1C和R1X的機(jī)械性能數(shù)據(jù)列于表2. 圖3為M1，M2，M3，R1C和R1X的拉伸應(yīng)變-應(yīng)力曲線. 離子型交聯(lián)SPI PEMs的M和S明顯高于共價型交聯(lián)SPI PEMs. 如，M2的M為3.8 GPa，約為共價型交聯(lián)的SPI PEMs R1C（2.4 GPa）和R1X（2.2 GPa）的1.5倍；M2的S為187 MPa，約為后者的1.7倍；離子型交聯(lián)SPI PEM的E較低，約為12%（M2），這主要是由于剛性主鏈和離子型交聯(lián)的作用［26］.

Table 2 Water stability of SPI PEMs

Fig.3 Mechanical properties of BSPOB?based SPI PEMs

Fig.4 Relative humidity dependence of proton conductivity(σ) of SPI PEMs(M1, M2, M3, R1, R1C and R1X)and NR212 PEMs at 60 ℃

2.3 質(zhì)子傳導(dǎo)率

圖4 為60 ℃下M1～M3，R1，R1C 和NR212 在不同RH 下的σ結(jié)果. SPI PEMs 在50%RH，70%RH和水中的σ數(shù)據(jù)列于表2. SPI PEMs的σ很大程度上受相對濕度影響，即σ隨著相對濕度的降低而顯著下降. 在相對濕度高于80%時，SPI PEMs 具有與NR212 相當(dāng)?shù)摩?；但是?dāng)相對濕度降低時，其σ明顯低于NR212. 例如，M1在水中的σ為175 mS/cm，高于NR212（141 mS/cm）；當(dāng)濕度下降到50%RH時，其σ為7.2 mS/cm，僅約為NR212 的25%. 離子型交聯(lián)SPI PEMs 的σ的相對濕度依賴性和共價型交聯(lián)的相似. 當(dāng)IEC 下降到1.64 meq/g 時，PEM 的σ急劇下降至30 mS/cm（水中），這說明離子型交聯(lián)密度過高導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)在SPI PEM中受到阻斷.

2.4 耐水解穩(wěn)定性

將膜在130 ℃的水中浸泡500 h 以測試PEM 的耐水解穩(wěn)定性. SPI PEMs（M2，R1，R1C 和R1X）老化前后的質(zhì)量損失、質(zhì)子傳導(dǎo)率和力學(xué)性能列于表2. 所有PEMs的柔韌性等級均為Ⅴ級，即耐水解實(shí)驗后自然干燥的膜可以折疊180°而無損壞，說明經(jīng)過耐水解實(shí)驗后PEMs都保持了柔韌性. M2老化后的質(zhì)量損失為10%，低于R1，R1C和R1X的12%左右，表明離子型交聯(lián)SPI PEMs耐水解實(shí)驗過程中產(chǎn)生的水溶性鏈段較少［12］. 耐水解實(shí)驗后，所有SPI PEMs的機(jī)械性能都下降，如，M2的M，S和E分別為3.0 GPa，122 MPa和6%，均明顯低于耐水解實(shí)驗前的. 與未交聯(lián)的相比，交聯(lián)的SPI PEMs的耐水解穩(wěn)定性都有顯著提高. SPI PEMs在耐水解實(shí)驗前后的質(zhì)子傳導(dǎo)率幾乎沒有變化. 如，M2在耐水解實(shí)驗前后的質(zhì)子傳導(dǎo)率分別為158和153 mS/cm（水中），5.5和4.9 mS/cm（50%RH）. 以上結(jié)果表明，離子型交聯(lián)的SPI PEMs具有優(yōu)異的耐水解穩(wěn)定性.

2.5 90 ℃下PEMFC的性能

圖5 給出M1，M2，R1C 和R1X 的PEMFC 性能，其中曲線a～e是電流密度-功率密度曲線，a'～e'是電流密度-電壓曲線.主要通過比較分析電流密度為0.5 A/cm2時的電壓(V0.5)、電流密度為1.0 A/cm2時的電壓(V1.0)和最大輸出功率(Wmax)來探討發(fā)電性能.工作溫度90 ℃，背壓0.2 MPa，陽極/陰極加濕度分別為68%/80% RH（A），50%/50% RH（B）和30%/30% RH（C）. 交聯(lián)的SPI PEM 的開路電壓OCV 均高于0.95 V，說明燃料滲透較低. 燃料電池的性能隨相對濕度的增加而提高，在68%/80%RH 的高加濕條件下，所有PEM都具有優(yōu)良的燃料電池性能. 其中，IEC值為2.12 meq/g的離子型交聯(lián)SPI PEM M1的最大輸出功率Wmax為0.93 W/cm2，高于NR212（0.86 W/cm2）以及未交聯(lián)和共價型交聯(lián)的SPI PEMs. 當(dāng)加濕度降低到50%RH 時，M2，R1C，R1X 的SPI PEM 的電池性能明顯低于68%/80%RH 時的電池性能，僅有M1還表現(xiàn)出與NR212相當(dāng)?shù)碾姵匦阅? 隨著加濕度進(jìn)一步降低到30%RH，SPI PEMs的電池性能更低，M1在68%/80%RH時的V0.5為0.71 V，V1.0為0.65 V，在30%RH時分別降至0.64 V和0.53 V. 從以上結(jié)果可以看出，在90 ℃的工作溫度下，離子型交聯(lián)SPI PEMs可獲得不同濕度條件下與全氟磺酸型PEM相比擬的發(fā)電性能.

Fig.5 PEMFC performances of M1(a,a′),M2(b,b′),R1C(c,c′),R1X(d,d′),NR212(e,e′)membranes at 90 ℃, 0.2 MPa and under anode/cathode humidifications of 68%/80% RH(A), 50%/50% RH(B)and 30%/30%RH(C)

2.6 110 ℃下PEMFC的性能

圖6 為M1，M2，R1C 和R1X 在110 ℃，0.3 MPa 和0.2 MPa 以及30%RH 和50%RH 的加濕度下的PEMFC性能，其中曲線a～e是電流密度-功率密度曲線，a'～e'是電流密度-電壓曲線.圖6中NR212的發(fā)電性能是其在90 ℃時活化完成后，升至110 ℃后立刻測定的結(jié)果，雖然電池性能較高，但無法保持.這將在耐久性部分予以說明. 所有PEM在110 ℃時的電池性能都大大低于在90 ℃時的電池性能. 如在110 ℃，50%RH 和0.3 MPa 下，M1 的V0.5和Wmax值分別為0.65 V 和0.54 W/cm2，分別是90 ℃、相同加濕度和背壓條件下的90%和52%，這說明電池內(nèi)PEM的阻抗在110 ℃時顯著增加，這主要是由于電池工作溫度為110 ℃時的陰極生成水逆擴(kuò)散效果遠(yuǎn)低于90 ℃時造成的［6］. 離子型交聯(lián)SPI PEM M1的性能明顯高于共價型交聯(lián)SPI PEMs R1C和R1X，M1的Wmax為0.54 W/cm2，約是R1C（0.32 W/cm2）的1.7倍和R1X（0.22 W/cm2）的2.5倍. 離子型交聯(lián)SPI PEMs的電池性能高于共價型交聯(lián)SPI PEMs. 在110 ℃，50%RH，背壓從0.2 MPa上升到0.3 MPa時，由于陰極水的逆擴(kuò)散效果良好，SPI PEMs的發(fā)電性能顯著提高. 當(dāng)加濕度下降到30% RH 時，PEM 電池性能急劇下降，在30% RH 下的V0.5（0.59 V）和Wmax（0.37 W/cm2）均明顯低于50%RH下的.

Fig.6 PEMFC performances of M1(a, a′), M2(b, b′), R1C(c, c′), R1X(d, d′), NR212(e, e′) membrane at 110 ℃,0.3 MPa(the plots in gray refer to data measured at 0.2 MPa)and under humidifica?tions of 50%RH(A)and 30%RH(B)

2.7 110 ℃下PEMFC的耐久性

Fig.7 Durability test with SPI membrane M1 and R1X(110 ℃,0.3 MPa,50%RH,200 mA/cm2)

Fig.8 OCV durability test with SPI membrane M2 and NR212(110 ℃,0.2 MPa,50%RH)

圖7 為離子型交聯(lián)SPI PEM M1 和共價型交聯(lián)SPI PEM R1X 在110 ℃、50% RH 和0.3 MPa 下的PEMFC耐久性測試結(jié)果. 電池運(yùn)行8 h后，M1的電池電壓從0.73 V下降到0.70 V，到200 h時緩慢下降到0.69 V，電池電壓的平均下降率為200 μV/h. R1X的電池電壓在前10 h從0.69 V下降到0.65 V，200 h后緩慢下降到0.64 V，電池電壓的平均下降率為240 μV/h. M1的電池電阻在32 mΩ到22 mΩ范圍內(nèi)，R1X的電池電阻在97.5 mΩ到69.3 mΩ范圍內(nèi)，可見R1X電池電阻遠(yuǎn)高于M1. 在200 mA/cm2的恒定負(fù)載電流密度、110 ℃、0.2 MPa 和50% RH 條件下，對M2 和NR212 進(jìn)行了300 h 的開路電壓（OCV）耐久性測試. 由圖8可見，M2的OCV值在0 h的0.98 V逐漸下降到320 h的0.88 V，而NR212的OCV值在75 h內(nèi)從0.93 V迅速下降到0.75 V，然后迅速大幅下降到0.02 V. 以上結(jié)果可能是由于離子型交聯(lián)結(jié)構(gòu)維持了SPI PEM的形態(tài)，有效阻隔了高溫下氫燃料的滲透［32］.

綜上所述，制備了一系列離子型交聯(lián)SPI PEMs，并與共價型交聯(lián)SPI PEMs進(jìn)行對比. 由于其面內(nèi)方向的尺寸變化受到聚合物主鏈剛性結(jié)構(gòu)和離子型交聯(lián)的限制，溶脹時表現(xiàn)出高度的各向異性. 離子型交聯(lián)的SPI PEMs還表現(xiàn)出高機(jī)械性能、高質(zhì)子傳導(dǎo)性和優(yōu)異的耐水解穩(wěn)定性. 在90 ℃時，離子型交聯(lián)SPI PEMs 在不同濕度下表現(xiàn)出與NR212相當(dāng)，并高于共價型交聯(lián)SPI PEMs 的電池性能. 當(dāng)電池溫度提高至110 ℃時，所有PEMs的電池性能都顯著降低，離子型交聯(lián)SPI PEMs在0.3 MPa的背壓條件下具有相對高的電池性能. 在110 ℃下，離子型交聯(lián)SPI PEM 展現(xiàn)了0.2 A/cm2下200 h的發(fā)電穩(wěn)定性和300 h的OCV耐久性. 離子型交聯(lián)SPI PEM具有高溫PEMFC的潛在應(yīng)用前景.