本发明涉及一种聚苯并咪唑类质子交换膜及制备方法和应用。
技术背景
人类对新能源的开发和利用逐渐加快，迫切需求合适的高效储能技术。酸性电解液液流电池是一种大规模的电化学储能技术，其具有蓄电容量和功率相互独立、系统设计灵活、安全性能高、使用寿命长等优点。而全钒氧化还原液流电池(vrb，简称钒电池)是酸性液流电池中最有前景和代表性的一种储能技术。
钒电池中电解液是价态不同的钒离子硫酸溶液，需要使用质子交换膜来分隔正负极电解液，同时提供质子传输的通道来保证电池内部的回路，因此膜的性能直接影响着钒电池的性能，为保证钒电池长期稳定高效使用，要求膜具有良好的质子传导率，较低的钒渗透率，稳定的化学性能和较低的成本。目前常用的商业化的质子交换膜是dupont公司的nafion膜，全氟磺酸结构赋予其稳定的化学性能和较高的质子传导率，但较严重的钒渗透和高昂的价格限制了nafion膜的工业化应用。所以开发高选择性、高稳定性和低成本的质子交换膜至关重要。
聚苯并咪唑(pbi)是高分子主链中含苯并咪唑重复单元的芳杂环聚合物，芳香性的主链使其具有较高机械稳定性和化学稳定性。pbi的离子交换基团位于主链上，其咪唑环上的氮原子在酸性条件下容易被质子化(j.electrochem.soc.1995,7,121-123)，形成网络状正电性的结构，具备了质子传导的物质基础。在钒电池中，正负极电解液是不同价态钒离子的硫酸溶液，这样，硫酸掺杂的pbi膜同时具备分隔正负极电解液、传导质子和阻隔钒离子渗透的能力。目前，商业化的聚苯并咪唑树脂为聚[2,2’-(间-亚苯基)-5,5’-二苯并咪唑](mpbi)。其化学结构式如下：
chanhonoh等人制备了mpbi均质质子交换膜用于全钒液流电池中(appliedmaterials&interfaces.,2017,9,36799-36809)，但其主链结构为全芳香性，分子间排列紧密，内部氢键较多，导致该树脂溶解性能差，不利于加工成膜，而且不利于硫酸的掺杂。中国科学院大连物理化学研究所的李先锋课题组研究制备了含柔性醚键的聚苯并咪唑，制备得到了溶解性能良好的多孔质子交换膜(energyenviron.sci.,2016,9,441)，但是膜的多孔结构导致其机械强度和使用寿命下降。因此需要制备溶解性能好，酸掺杂量高且机械性能好的质子交换膜。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种硫酸掺杂率高，溶解性能，机械强度高和使用寿命长的聚苯并咪唑质子交换膜及制备方法和应用。
本发明中的聚苯并咪唑主链含大体积结构，增加高分子链间的距离，有利于硫酸掺杂并与聚合物主链上氮杂环的相互作用，增加质子的传导性能，同时减少了聚合物分子间的氢键作用，提高聚合物的溶解性能。本发明利用不同结构的二酸与联苯四胺通过亲核缩聚反应制备得到。本发明在酸性电解液液流储能电池领域具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种聚苯并咪唑质子交换膜，其结构通式如下：
其聚苯并咪唑质子交换膜的聚合物为均聚物或无规共聚物，n代表聚合度，为10-200的正整数，重均分子量在5000-800000之间，r代表下述结构中的一种或多种：
其中r结构的特点为：大体积基团处于主链，增加高分子间的距离，使得硫酸容易掺杂从而质子化咪唑环，提高质子的传输，同时减少了分子间氢键的作用，有利于提高溶解性能。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)在氮气氛围，将五氧化二磷溶解于甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:7～1:14；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入r结构的二酸和联苯四胺，加热升温至120-140℃，反应3-8小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；其中反应体系中r结构的二酸单体和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为5-25wt％之间，r结构的二酸单体和联苯四胺的摩尔用量相同；
(3)将烘干的聚合物在25-100℃下溶于nmp、dmf、dmac、dmso的一种或多种极性溶剂中，溶液的浓度控制在2-10wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于60-100℃下干燥5-24h成膜，然后于80-150℃下真空干燥1-24h，膜的厚度在10-100μm之间。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入硫酸中10-48h，硫酸溶液的浓度在1-12mol/l之间；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
所述的酸性电解液液流储能电池包括：全钒液流储能电池、钒溴液流储能电池、钒铈液流储能电池等含有酸性电解质的氧化还原液流电池中的一种。
本发明的有益结果是：
(1)本发明合成的含大体积结构的聚苯并咪唑聚合物的制备条件温和；
(2)制备的聚合物具有良好的溶解性和成膜性能，能在室温下溶解于nmp、dmf、dmac、dmso的一种或多种极性溶剂中；
(3)得到的质子交换膜具有良好的热稳定性和机械性能，聚合物分解温度能达到400-600℃，拉伸强度能达到80-120mpa；
(4)该质子交换膜应用于酸性电解液液流储能电池上，具有优良的质子传导性能和优异的阻隔钒离子渗透性能，钒电池测试中，库伦效率能达到96-99％。
附图说明
图1为实施例1制备的聚合物膜的应力应变曲线；
图2为实施例2制备的聚合物膜的热重分析曲线；
图3为实施例1制备的聚合物膜的不同电流密度下钒电池性能数据。
具体实施方式
下面的实施实例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
(1)在氮气氛围，将4.30克五氧化二磷溶解于30.00克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:14；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，2.42克4,4’-联苯二羧酸，搅拌升温到120℃，反应5小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中反应体系中4,4’-联苯二羧酸和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为12wt％，且联苯四胺和4,4’-联苯二羧酸的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于25℃下溶于dmso溶剂中形成浓度为6wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于60℃下干燥5h成膜，然后80℃真空干燥5h，膜的厚度为25μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入1mol/l硫酸中10h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.2％，电压效率为85.4％，能量效率为84.7％，相同电流密度下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜在能量效率相当的情况下，电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例2
(1)在氮气氛围，将3.96克五氧化二磷溶解于39.6克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:10；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，2.22克5-叔丁基-1,3-苯二羧酸，搅拌升温到130℃，反应6小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中4,4’-联苯二羧酸和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为10wt％，且联苯四胺和5-叔丁基-1,3-苯二羧酸的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于30℃下溶于nmp溶剂中形成浓度为7wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥6h成膜，然后90℃真空干燥7h，膜的厚度为30μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入2mol/l硫酸中20h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.4％，电压效率为84.8％，能量效率为84.3％，相同条件下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑离子交换膜在能量效率相当的情况下，电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例3
(1)在氮气氛围，将6.00克五氧化二磷溶解于54.00克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:9；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，2.66克1,4-蒽二羧酸，搅拌升温到140℃，反应7小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中1,4-蒽二羧酸和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为8wt％，且联苯四胺和1,4-蒽二羧酸的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于40℃下溶于dmf溶剂中形成浓度为5wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于90℃下干燥7h成膜，然后90℃真空干燥10h，膜的厚度为35μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入3mol/l硫酸中20h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.7％，电压效率为86.0％，能量效率为85.7％，相同条件下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑离子交换膜在能量效率相当的情况下，电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例4
(1)在氮气氛围，将2.18克五氧化二磷溶解于21.82克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:10；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，2.66克1,5-蒽二羧酸，搅拌升温到140℃，反应4小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中反应体系中1,5-蒽二羧酸和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为20wt％，且联苯四胺和1,5-蒽二羧酸的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于50℃下溶于dmac溶剂中形成浓度为3wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥20h成膜，然后100℃真空干燥5h，膜的厚度为25μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入5mol/l硫酸中24h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为98.9％，电压效率为86.1％，能量效率为85.2％，相同电流密度下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜在能量效率相当的情况下，电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例5
同实施实例4，与之不同之处在于，用5m磷酸取代5m硫酸将膜室温浸泡处理24h，取出后按照实例4安装单电池。在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.5％，电压效率为84.3％，能量效率为83.87％，相同电流密度下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜在能量效率相当的情况下，电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例6
(1)在氮气氛围，将4.00克五氧化二磷溶解于28.00克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:7；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，2.66克3,6-菲二羧酸，搅拌升温到140℃，反应8小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中反应体系中3,6-菲二羧酸和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为15wt％，且联苯四胺和3,6-菲二羧酸的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于80℃下溶于dmac溶剂中形成浓度为4wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于90℃下干燥5h成膜，然后120℃真空干燥5h，膜的厚度为50μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入7mol/l硫酸中12h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.7％，电压效率为84.1％，能量效率为83.8％，相同电流密度下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜能量效率略有下降，但电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例7
(1)在氮气氛围，将5.05克五氧化二磷溶解于50.5克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:10；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，3.42克2,2’-联萘-6,6’-二羧酸，搅拌升温到140℃，反应7小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中反应体系中2,2’-联萘-6,6’-二羧酸和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为10wt％，且联苯四胺和2,2’-联萘-6,6’-二羧酸的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于90℃下溶于dmso溶剂中形成浓度为7wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于100℃下干燥8h成膜，然后130℃真空干燥18h，膜的厚度为60μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入8mol/l硫酸中30h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.5％，电压效率为83.1％，能量效率为82.7％，相同电流密度下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的离子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜能量效率略有下降，但电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。
实施例8
(1)在氮气氛围，将5.83克五氧化二磷溶解于69.9克甲烷磺酸中，制备得到透明ppma溶剂，其中五氧化二磷与甲烷磺酸的质量比是1:12；
(2)向步骤(1)的ppma溶剂中加入2.14克联苯四胺，3.92克2,2-双(4-羧基苯基)六氟丙烷，搅拌升温到130℃，反应6小时后，趁热将反应液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加碳酸氢钠将溶液调制中性，过滤并将得到的聚合物用水煮沸，过滤并烘干；其中反应体系中2,2-双(4-羧基苯基)六氟丙烷和联苯四胺在ppma溶剂中的单体浓度为8wt％，且联苯四胺和2,2-双(4-羧基苯基)六氟丙烷的摩尔量相同；
(3)将制备的聚合物于100℃下溶于dmso溶剂中形成浓度为8wt％的溶液，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于100℃下干燥24h成膜，然后150℃真空干燥24h，膜的厚度为70μm。
本发明聚苯并咪唑质子交换膜的应用，包括如下步骤：
所得到的聚苯并咪唑质子交换膜用于酸性电解液液流储能电池中。
(1)将质子交换膜浸入10mol/l硫酸中6h；
(2)将浸泡过的质子交换膜装于酸性电解液液流储能电池，将膜夹在两个石墨毡电极之间，然后用石墨电极板夹紧，再用有机玻璃板固定，使用蠕动泵使电解液流过膜两侧，具体的单电池组装方法见文章(energyenviron.sci.,2011,4,1147–1160，全钒液流电池用离子交换膜)。
在40ma/cm2电流密度下，该含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装电池的电流效率为99.5％，电压效率为82.1％，能量效率为81.9％，相同电流密度下，而体积较小的mpbi膜的电流效率是97.6％，电压效率是80.0％，能量效率是78.1％，与之相比，含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜组装的电池电压效率和能量效率上升明显，说明大体积官能团的引入有效提高了膜的质子传导性，降低了电池内阻，从而使得电压效率有了明显提高。
将隔膜换成杜邦公司的nafion212，其他条件不变。电池电流效率为92.3％，电压效率为92.1％，能量效率为85.3％。与商业化的nafion相比，制备的含大体积官能团的聚苯并咪唑质子交换膜能量效率略有下降，但电流效率显著提高，说明聚苯并咪唑有效降低了离子的渗透，从而降低电池容量的衰减。